KR20120013393A - 풍력 터빈을 위한 전기 발생장치 - Google Patents

Abstract

풍력 터빈 또는 다른 회전 장치는 전기 발생장치의 로터(26)를 형성하는 코일과 함께 구성되는 외측 둘레를 갖는다. 스테이터 조립체(52)는 로터의 경로의 하위 둘레에 위치설정되고, 전기를 발생시키기 위한 가동 로터와 근접하게 놓이는 스테이터 절반부를 포함한다. 스페이터 절반부는 로터와 실질적으로 마찰없이 접촉하도록 하는 공기 베어링을 포함하며, 이에 따라 자유로운 로터가 최소의 저항으로 움직이도록 해준다.

Description

풍력 터빈을 위한 전기 발생장치{ELECTRICAL GENERATOR FOR WIND TURBINE}

관련 특허 출원에 대한 상호 참조

본 출원은, 인용함으로써 전체 내용이 본 명세서에 포함되는 2건의 출원, 즉 2009년 4월 20일자로 출원된 미국 특허 출원 제12/426,494호 및 2010년 4월 19일자로 출원된 제PCT/US2010/31560호의 우선권을 주장하는 2009년 4월 30일자로 출원된 미국 특허 출원 제12/432,837호의 부분 계속 출원이다.

본 발명의 분야

본 발명은, 발생장치의 로터 및 전기를 발생시키기 위해 로터와 협동하는 스테이터로서 풍력 터빈 또는 다른 회전 장치의 둘레를 이용하는 전기 발생장치에 관한 것이다.

풍차는 지면으로부터 물을 펌핑하려는 목적으로 그리고 전기를 발생시키려는 목적으로 여러 세대 동안 사용되어 왔다. 풍차의 기본적인 장점은, 바람에 의해 구동되며 반경방향으로 연장되는 블레이드를 구비하는 휠을 회전시키기 위해 풍차가 바람의 힘을 이용한다는 것이다. 이러한 회전 운동은 다양하고 유용한 목적으로 전환된다. 예를 들면, 타워에 장착되는 프로펠러의 형태인 풍력 터빈은, 꾸준한 바람이 우세한 지역에 배치되고 있으며, 풍력 터빈은 전기를 발생시키기 위해 사용된다.

통상적인 풍력 터빈의 블레이드는 매우 크고 고가의 강성 재료로 제조되며, 블레이드가 중앙 허브로부터 반경방향으로 연장되도록 구성되고, 블레이드의 외측 선단부에는 추가적인 지지부가 없다. 통상적인 풍력 터빈 블레이드는 빠른 회전 속도로 회전하며, 블레이드의 빠른 회전에 의해 발생되는 원심력 및 바람에 의해 블레이드에 인가되는 외팔보 굽힘력 양자 모두에 견뎌야만 한다. 블레이드의 외측 부분은 매우 빠른 속도로 움직이고 강력한 바람과 관계되기 때문에, 블레이드가 대형일수록 블레이드는 강해야만 하고 고가이다. 따라서, 보다 대형인 블레이드를 위한 더욱 강한 재료의 비용 때문에, 블레이드의 길이 및 폭과 관련하여 실제적인 한계가 존재한다.

다른 유형의 풍력 터빈은, 앞서 설명한 통상적인 풍력 터빈의 강성 블레이드에 대한 대체물로서 가요성 재료로 구성된 세일윙을 구비하는 것이다. 예를 들면 미국 특허 제4,330,714호, 제4,350,895호 및 제4,729,716호는 강성 프로펠러 블레이드를 사용하지 않고 바람을 받는 "세일(sail)"을 사용하는 풍력 터빈을 개시하고 있다. 세일은 터빈의 방사형 스파(radiating spar)에 장착된다. 특수한 이들 풍력 터빈은 원형 내측 림 및 외측 림을 포함하며, 터빈의 세일은 내측 림 및 외측 림 양자 모두에 의해 지지된다. 외측 림은 세일의 외측 부분을 지지하며 이에 따라 세일에 인가되는 바람의 힘은 대부분 외측 림에 의해 흡수될 수 있으므로 세일에 대해 인가되는 외팔보 힘은 있다고 하더라도 미미하다. 이로 인해 풍력 터빈의 블레이드는 보다 경량인 재료로 형성될 수 있으며, 재료는 보통의 프리 블레이드 터빈(free bladed turbine)에 비해 큰 응력에 견디도록 요구되지 않는다.

앞서 인용된 특허의 풍력 터빈은 터빈 휠을 중심으로 원주방향으로 연장되는 외측 레일과 함께 구성된다. 고무 타이어를 회전시키기 위해 외측 림에 맞물리도록 고무 타이어 또는 다른 회전 장치가 적소에 배치되는데, 이때 구동되는 고무 타이어는 발전장치의 로터를 회전시킨다. 이에 따라, 전기를 발생시키기 위해 풍력 터빈의 회전이 이용된다. 여러 휠/발생장치 조립체는 터빈 휠의 하위 4분원을 중심으로 보통 원호에 장착될 수 있으며, 전기 생산을 증가시키기 위해 대형 풍력 터빈의 크기 및 형상을 이용한다. 또한, 발생장치들 중 일부는 풍력 터빈에 인가되는 부하를 변경하기 위해 연결 해제될 수 있다.

종래 기술의 풍력 터빈은 전술한 바와 같이 다가오는 바람에 대해 여러 각도로 터빈 휠을 회전시킴으로써 터빈 휠의 회전 속도를 제어한다. 보통, 전기 발생장치는 작동을 위한 최적 속도 범위를 가지며, 이에 따라 단위 시간당 소정 회전 속도 이내에서 터빈 휠이 회전할 것을 요구한다. 또한, 발생장치의 구동은 발생장치의 로터에 대한 회전 운동의 인가 및 발생장치를 작동시키기 위해 요구되는 견인력 및 마찰력의 극복을 수반한다.

따라서, 전기 생산 과정에서 견인력 및 마찰을 감소시키면서 전기 발생장치를 작동시키는 풍력 터빈 또는 다른 회전 장치를 생산하는 것, 그리고 전기를 생산하는 동안 더 넓은 범위의 터빈 휠의 회전 속도를 허용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 목적은, 발생장치의 로터 및 전기를 발생시키기 위해 로터와 협동하는 스테이터로서 풍력 터빈 또는 다른 회전 장치의 둘레를 이용하는 전기 발생장치를 제공하는 것이다.

간략하게 설명하면, 본 개시내용은 대기 바람에 의해 파워를 얻는 풍력 구동식 터빈과 같은 회전 소스로서 전기로 변환되는 회전 에너지를 생성하기 위해 사용될 수 있는 것인 회전 소스로부터 전기를 발생시키는 것에 관한 것이다. 풍력 터빈의 지지부는, 터빈 휠이 측방향으로 연장되는 중앙 축선을 중심으로 타워에 회전 가능하게 장착되는 것인 직립 타워를 포함할 수 있다. 그러나, 적절하다면 수력 구동식 휠 및 태양열 구동식 휠과 같은 다른 회전 장치가 이용될 수도 있다. 때때로 이하에서 이들을 회전 휠이라 지칭한다.

회전 휠은 측방향으로 연장되는 중앙 축선을 중심으로 지지부에 장착될 수 있다. 풍력 터빈의 경우에 있어서, 복수 개의 세일윙 조립체는 터빈 휠에 의해 지탱되며, 상기 세일윙 조립체는 각각 세일 천 또는 유리섬유와 같은 가요성 재료로 제조되는 세일윙을 포함하고, 터빈 휠의 중앙 축선으로부터 반경방향으로 연장된다. 세일 지지부 케이블은 세일윙의 종축에 실질적으로 평행하게 연장된다. 세일윙의 피치, 비틀림 및 형상을 조정하기 위해 형상 제어 수단이 사용될 수 있다. 형상 제어 수단은, 세일윙에 선택적으로 피치 및/또는 종방향 비틀림을 부여하도록 세일윙의 대향 단부 중 하나 또는 양자 모두를 회전시키기 위해 세일윙의 대향하는 내측 단부 및 외측 단부에 부착되는 세일 단부 지지부를 포함할 수 있다. 다른 형상 제어 수단은 지지 케이블들 사이의 거리를 조정하기 위해 세일윙의 대향 단부들 사이에서 소정 간격으로 위치설정되는 스프레더 바아를 포함할 수 있으며, 트림 케이블은 세일윙의 구조를 조정하기 위해 세일 지지부로부터 케이블까지 연장된다. 세일윙을 위한 형상 제어 수단은 특허 출원 제12/426,494호에서 더욱 상세하게 개시되어 있으며, 이러한 개시내용은 인용함으로써 본 명세서에 포함된다.

풍력 터빈 휠은, 세일윙의 안정화 및 지지 양자 모두를 위해 그리고 전기 발생장치로서 함께 기능하는 스테이터를 위한 로터를 형성하기 위해 사용될 수 있는 외측 둘레 레일을 포함할 수 있다.

또한, 외측 둘레 레일과 동심인 중간 원형 레일은 그 위치에서 발생장치를 기계적으로 구동하기 위해 사용될 수 있다. 풍력 터빈의 중간 레일에서 발생장치를 사용함으로 인해 풍력 터빈은 외측 둘레 레일에 의한 것보다 더 느린 속도로 발생장치를 구동하게 될 수 있다.

본 명세서에서 개시되는 구조 및 과정의 다른 특징 및 장점은 이하의 설명 및 첨부 도면으로부터 이해될 수 있다.

본 발명에 따르면, 발생장치의 로터 및 전기를 발생시키기 위해 로터와 협동하는 스테이터로서 풍력 터빈 또는 다른 회전 장치의 둘레를 이용하는 전기 발생장치를 얻을 수 있다.

도 1a은 풍력 터빈의 전방 직립도이다.
도 1b는 도 1a의 풍력 터빈의 측부 직립도이다.
도 1c는 도 1a 및 도 1b의 풍력 터빈의 상부도이다.
도 2는 도 1b와 유사한 측면도이지만, 풍력 터빈의 로터 및 스테이터의 하위 부분을 더욱 상세하게 나타낸 것이다.
도 3은 도 2에 도시된 전기 발생장치의 확대도이다.
도 4는 전기 발생장치의 로터 및 스테이터의 확대 상세도이며, 그 원형 경로의 바닥에서 전기 발생장치의 로터로서 기능을 하는 외측 둘레 림을 나타내고 스테이터의 중앙 부분을 나타낸 것이다.
도 5는 도 4로부터 뒤집힌 로터의 단면도이다.
도 6은 전기 발생장치를 위한 로터로서 기능하는 외측 둘레 림의 측면도를 나타낸 것이다.
도 7은 로터로서 기능하는 외측 둘레 림에 적용되는 바와 같은 스테이터의 다른 실시예의 단부도이며, 한 쌍의 공기 베어링이 스테이터의 양측에 배치되어 있는 것인 도면이다.
도 8a, 도 8b 및 도 8c는 도 1a, 도 1b 및 도 1c와 유사하지만, 도 8a, 도 8b 및 도 8c는 전기 발생장치가 적용되는 중간 원형 레일을 갖춘 풍력 터빈을 개시하고 있다는 점에서 차이가 있다.
도 9는 도 8의 전기 발생장치를 도시한 것이다.

이제 더욱 상세하게, 동일한 도면부호는 여러 도면에 걸쳐 동일한 부품을 지시하는 도면을 참고하면, 도 1은 바람을 받도록 구성되고 전기를 발생시킬 목적으로 회전하는 풍력 터빈(20)을 나타낸 것이다. 풍력 터빈은, 터빈 휠을 중심으로 연속적으로 연장되는 외측 둘레 원형 림(26) 및 일련의 각을 이루는 브레이스(24)에 의해 형성되는 외측 둘레(23)를 갖는 터빈 휠(22)을 포함한다. 외측 둘레 원형 림은 아치형 세그먼트로 형성될 수 있으며, 이하에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 둘레 림은 전기 발생장치의 로터로서 기능할 수도 있다.

축 구조(28)는 터빈 휠(22)의 중앙에 있으며, 복수 개의 세일윙 조립체(30)가 축 구조(28)에 장착되고, 터빈 휠의 둘레를 형성하며 각을 형성하는 브레이스(24)를 향해 반경방향으로 연장된다.

터빈 휠은 직립하는 깃대(32)에 장착될 수 있으며, 깃대는 요 베어링(yaw bearing; 35)에 의해 지면 지지부(34)에 회전 가능하게 장착된다. 깃대(35)는 단면에 있어서 실질적으로 삼각형일 수 있으며, 삼각형의 한 변은 그 변 둘레에서 터빈 휠(22)을 향하고 삼각형의 수렴하는 변은 둥근 변으로부터 멀리 트레일링(trailing)한다. 이러한 형상은 다가오는 바람의 힘에 대해 큰 굽힘 저항을 제공한다. 깃대의 다른 단면 형상이 필요에 따라 이용될 수 있다. 터빈 휠(22)이 바람 속에서 회전할 수 있도록 지면 지지부(34)에 대해 그 요 베어링(35)에서 깃대(32)를 회전시키기 위한 메커니즘이 마련된다(도시되어 있지 않음).

도 1a에 도시된 실시예에 있어서, 터빈 휠(22)은 중간 지지 링(36)을 포함할 수 있으며, 이 중간 지지 링은 둘레 원형 레일(26)과 동심이고 축 구조(28)와 동심이다. 외측 둘레 원형 림(26) 및 중간 지지 링(36) 양자 모두는 축 구조를 중심으로 일체로 회전한다.

내측 세일윙(40)은 축 구조(28)와 중간 지지 링(36) 사이에서 지지될 수 있는 반면, 외측 세일윙(30)은 중간 지지 링(36)과 외측 둘레 원형 레일(26) 사이에서 지지될 수 있다. 외측 세일윙 및 내측 세일윙은 다가오는 바람에 대해 상이한 각도로 배향될 수 있다. 예를 들면, 도 2는 세일 단부 지지부(42)에 의해 그 둘레에서 지지되는 외측 세일윙(30)을 도시한 것이며, 세일 단부 지지부(42)는 스루잉 링과 세일 단부 지지부를 회전시키기 위해 사용되는 모터(46)와 함께 스루잉 링(44)에 의해 지지된다. 이러한 유형의 회전 메커니즘은 세일윙(30 및 40)에 대해 비틀림 및/또는 피치를 형성하기 위해 사용될 수 있다.

전기 발생장치(50)가 도 2 내지 도 5에 도시되어 있다. 외측 둘레 원형 림(26)은 전기 발생장치의 로터로서 기능한다. 스테이터 조립체(52)는 터빈 휠(22)의 둘레에 장착되고 발생장치의 로터로서 기능하는 외측 둘레 원형 림(26)을 수용하도록 위치설정된다. 로터(26)는 터빈 휠의 둘레를 중심으로 아치형 세크먼트에 형성되며, 로터의 각각의 아치형 세그먼트는 그 자체의 코일을 포함한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 로터 세그먼트는 각각 에워싸인 하우징(54)을 포함하며, 이 하우징은 평평한 대향 측벽(55 및 56), 내측 단부 벽(58) 및 외측 단부 벽(59)을 구비한다. 전기 코일(60)은 코일(60)과 외측 단부 벽(59) 사이에 형성되는 공간(62)을 갖는 폐쇄된 하우징에 위치설정된다. 냉각 핀(64)은 로터(26)로부터의 열 추출을 목적으로 외측 단부 벽(59)으로부터 연장된다. 또한, 오일(66)과 같은 냉각 액체가 코일 주위의 공간의 일부를 점유한다. 냉각 액체(66)는 그 로터 세그먼트의 내부를 완전하게 채우지 않을 수 있으며, 이에 따라 로터 세그먼트 내부에 공간이 남게 된다. 터빈 휠이 회전함에 따라, 로터(26)의 세그먼트는 역전되는데, 도 4는 그 회전의 하부 원호에서 로터의 세그먼트를 도시한 것이고, 도 5는 그 회전의 상부 원호에 걸쳐 통과할 때 로터의 세그먼트를 도시한 것이다. 냉각 액체(66)는 중력 및 원심력에 의해 영향을 받아 로터(26)의 내부 내에서 이동하며, 코일과 접촉하고 대향하는 측벽(55 및 56)의 표면을 향하는 내부와 접촉하며 내측 단부 벽(58) 및 외측 단부 벽(59)의 표면을 향하는 내부와 접촉한다. 이로써 코일의 열을 로터의 벽에 전달하게 되며, 이에 로터는 스테이터로부터 멀어지도록 이동하고 그리고 다시 스테이터를 향해 반대로 이동하며, 로터의 벽의 외측면 및 냉각 핀(64)은 그 열을 발산하게 된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 스테이터(52)는 스테이터 절반부(70 및 71)를 포함하는데, 스테이터 절반부는 로터가 터빈 휠(22) 상에서 회전할 때 로터(26)의 경로의 양측에 위치설정된다. 스테이터 절반부(70 및 71)는 실질적으로 동일할 수 있으며 각각 절반부는 로터(26)의 대향 측벽(55 및 56)을 향하는 개구(74)를 갖는 대체로 컵 형상인 스테이터 하우징(72)을 포함한다. 컵 형상의 스테이터 하우징 주위의 에지(76)는 각각 상기 로터를 향하는 평평한 림을 가지며, 이 림은 스테이터 하우징으로부터 각각의 스테이터 하우징과 로터 사이의 공기 막으로 빠져나가는 공기를 형성하도록 성형되고, 이에 따라 공기 베어링이 스테이터 하우징과 로터 사이에 형성된다. 공기 베어링은 로터와 스테이터 사이의 마찰을 감소시킨다.

스테이터 절반부의 코일(80)은 스테이터 하우징(72)에 의해 로터(26)와 근접하게 유지된다.

공간(82)은 스테이터 코일(80) 너머로 컵 형상의 스테이터 하우징에 형성되는데, 상기 공간은 스테이터의 코일을 통한 공기의 이동을 위해 공기 통로를 형성한다. 공기 도관(84)은 각각의 스테이터 하우징(72)의 공간(82)과 연통되어 스테이터 코일(80) 너머로 공기 통로(82)에 공기를 공급하며, 이에 따라 공기는 공기 통로로부터 스테이터 코일을 통과하여 이동하고, 스테이터 코일을 냉각한다. 공기가 스테이터 코일을 통해 스테이터 코일 주위로 이동한 이후에, 공기는 컵 형상의 스테이터 하우징(72)의 에지(76)와 로터(26)의 평평한 면 사이를 통과한다. 공기가 컵 형상의 스테이터 하우징(72)의 에지(76)를 통과함에 따라, 공기는 로터(26)의 마주보는 면들과 스테이터 하우징(72) 사이에 공기 베어링을 형성한다. 스테이터 하우징의 에지로부터 이동하는 공기는, 로터(26)의 평평한 마주보는 면에 대해 공기 베어링을 형성하며, 이는 스테이터 하우징이 로터의 면과 마찰 맞물림되지 않는 것을 보장한다.

터빈 휠은 직경이 매우 클 수 있으며, 직경은 100 피트를 넘는다. 이렇게 크기가 큰 터빈 휠이 회전하게 될 때, 로터 세그먼트(26)는 정확하게 동일한 경로를 따르지 않게 되며, 이에 따라 로터 세그먼트는, 스테이터를 통해 이동하고/이동하거나 스테이터 조립체(52)로 더 얕게 또는 더 깊게 이동할 때 측방향으로 흔들리는 운동을 겪게 될 수 있다. 이러한 운동의 유사성 때문에, 로터의 측방향 운동에 응답하여 스테이터가 측방향으로 이동하도록 하는 것이 바람직하며, 스테이터가 항상 로터의 코일의 전기장에 있을 수 있도록 스테이터의 높이보다 큰 높이를 갖도록 로터를 제작하는 것이 바람직하다.

도 3에 도시된 바와 같이, 로터(26)의 유사한 측방향 운동을 허용하기 위해, 스테이터 조립체(52)는 지지 플랫폼(86)을 포함하는데, 지지 프레임은 지지 플랫폼에 장착되는 스테이터 지지 레일(88)을 구비한다. 스테이터 하우징(72)은 스테이터 지지 레일(88)을 따라 이동할 수 있는 롤러(90)와 같은 롤러에 의해 지지 레일(88)에 장착된다. 팽창 가능한 벨로우즈(92)는 스테이터 하우징(72)의 폐쇄된 측부에 위치설정된다. 벨로우즈(92)는, 스테이터의 지지 프레임(88)에 의해 원위 단부에서 지지되며 각각 일 단부에서 스테이터 하우징(72)에 연결되는 에어백의 형상이다. 벨로우즈(92)가 팽창하게 되면, 벨로우즈는 스테이터 하우징(72)을 로터(26)와의 맞물림부를 향해 압박하는데, 스테이터 하우징의 에지에서의 공기 베어링을 갖춘 로터(126)는 스테이터 하우징이 로터와 접촉하지 못하도록 하는 데 도움이 된다. 스테이터 하우징의 양측 상의 팽창 가능한 벨로우즈(92)에서 동일한 압력이 유지되며, 이에 따라 로터가 측방향으로 이동할 때, 벨로우즈는 로터가 이동하는 동일한 측방향으로 스테이터를 압박하게 된다. 따라서, 에어백은 상기 스테이터를 상기 로터를 향해 압박하기 위해 상기 스테이터 하우징과 맞물리는 제1 편향 수단으로서 기능한다.

전기 발생장치가 비활성화되는 시점에 스테이터가 로터를 향해 그 힘을 완화시키는 것을 보장하기 위해, 코일 인장 스프링(94)은 측방향 지지 구조(87)로부터 스테이터 하우징(72)으로 연장되어 스테이터 하우징이 로터로부터 멀어지도록 압박하게 된다. 따라서, 스프링은 상기 스테이터가 상기 로터로부터 멀어지도록 압박하기 위해 상기 스테이터 하우징과 맞물리는 제2 편향 수단으로서 기능한다.

도 3은 스테이터 조립체(52)를 위한 공기 공급 시스템을 도시한 것이다. 통상적인 구조의 공기 공급 장치(도시되어 있지 않음)는 공기 도관 시스템(100)과 연통된다. 공기는 스테이터의 대향 단부에 있는 도관(102)을 통해 팽창 가능한 벨로우즈(92)로, 공기 압축 조절기(104) 및 공기 압력 릴리프 밸브(106)를 통해 일련의 벨로우즈(92)로 유동한다. 벨로우즈에 대한 공기 압력은 공기 압력 조절기(104)에 의해 조절되어 스테이터 하우징(72)이 로터(26)를 향하도록 인가되는데, 동일한 압력이 로터의 양측에 있는 벨로우즈에 인가된다.

공기 압력 릴리프 밸브(106)는, 공기 압력이 사전에 결정된 값 미만으로 떨어질 때 벨로우즈(92)로부터 공기를 방출시키도록 기능한다. 이로 인해 스프링(94)은 공기 압력이 고갈될 때 로터로부터 멀리 스테이터 하우징을 이동시킬 수 있다.

마찬가지로, 공기 압력 제어 밸브(108)는 이전에 설명된 바와 같이 도관(84)을 통해 스테이터 하우징(72)까지 공기의 이동을 제어한다. 이는 스테이터 코일의 냉각을 유지하며, 로터(26)의 마주보는 면에 대해 컵 형상의 스테이터 하우징의 에지에서 공기 베어링을 형성한다.

앞서 설명한 스테이터의 조정 가능한 위치설정 특징은, 스테이터 하우징이 로터의 측방향 이동을 정확하게 따르도록 하기에 충분하다는 것이 예상되는 한편, 공기 소스(98)로부터의 공기는 또한 지지 플랫폼(86)과 그 지지면(112) 사이에서 공기 베어링을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 지지 플랫폼(86)의 둘레는, 지지 플랫폼(86)의 바닥면과 지지부의 상방으로 향하는 표면(112) 사이에서 폐쇄된 공간을 형성하는 것인 하방으로 연장되는 림(114)으로 형성된다. 공기는 하방으로 연장되는 도관(118)을 통해 공간(116)으로 이동하게 되고, 지지 플랫폼을 들어올리기에 충분한 상향 힘을 발생시키며, 이에 따라 빠져나가는 공기(120)의 이동과 함께 둘레 림(114) 아래에 공간을 형성한다. 빠져나가는 공기(120)는 지지 플랫폼(86) 아래에서 공기 베어링을 형성하고, 지지 플랫폼이 측방향으로 이동하도록 해주며, 로터(26)의 측방향 이동을 뒤따른다.

도 7은 로터(26)를 향해 스테이터 절반부를 압박하는 팽창 가능한 공기 벨로우즈(124)를 포함하는 변형된 스테이터 조립체(122)를 도시한 것이지만, 공기 베어링은 스테이터 절반부로부터 측방향으로 변위되어 있다. 공기 베어링(126 및 127)의 쌍은, 스테이터 절반부(128)와 같은 스테이터 절반부에 의해 지지되며, 이에 따라 공기 베어링(126 및 127)은 그 각각의 스테이터 절반부와 함께 일체로 이동 가능하다. 공기 베어링은, 이동하는 로터 표면과 스테이터 하우징의 더욱 완벽한 정렬을 보장하기 위해 서로로부터 그리고 스테이터 하우징으로부터 측방향으로 변위되어 있다.

도 8a, 도 8b 및 도 8c는 내측 레일(130)을 포함하는 공기 터빈 휠을 도시한 것이다. 내측 레일(130)은 원형이며 앞서의 도면의 로터(26)와 동심이다. 내측 레일(130)은 로터의 코일과 함께 형성될 수 있으며, 도 2 내지 도 5에 도시된 유형의 부유식 스테이터 조립체(52)가 내측 레일(130)에 적용될 수 있다. 터빈 휠(22)의 내측 레일은 깃대(32)에 이웃하여 터빈 휠의 주요 부분의 측방향으로 변위된다. 도 9에 도시된 바와 같이, 스테이터(132)는 전기를 발생시키기 위해 내측 레일(130)을 수용하도록 위치설정될 수 있다.

도 2는 둘레 레일(26)에서 전기 발생장치(50)를 도시한 것이며 도 9는 내측 레일(130)에서의 전기 발생장치(132)를 도시한 것이고, 둘레 레일 및 내측 레일 양자 모두에 전기 발생장치를 장착하는 것이 가능하다. 이러한 이중 배치를 이용하면, 내측 레일에서의 전기 발생장치는 스테이터를 통한 로터의 운동이 비교적 느린 고속 바람에서 사용될 수 있으며, 외측 레일에서의 전기 발생장치는 스테이터를 통한 로터의 운동이 비교적 빠른 저속 바람에서 사용될 수 있다.

당업자라면 이상의 설명은 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하고 있으나, 이하의 청구범위에 기재된 바와 같이 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 이 실시예에 대해 변형, 추가 및 변화가 행해질 수 있다는 것을 이해할 것이다.

26 : 로터
52 : 스테이터

Claims (16)

1. 수평 축 상에서 회전하도록 장착된 휠을 위한 전기 발생장치로서, 상기 전기 발생장치는,
   상기 수평 축으로부터 반경방향으로 연장되는 복수 개의 세일 윙과,
   상기 세일 윙의 외측 단부에 장착되고 수평 축을 중심으로 둘레 경로에서 휠과 함께 회전하기 위해 수평 축을 중심으로 동심으로 연장되는 외측 둘레 원형 로터로서, 반경방향으로 연장되는 대향 평행 측부를 포함하는 것인 외측 둘레 원형 로터와,
   상기 외측 둘레 원형 로터의 둘레 경로에서 위치설정되는 스테이터로서, 상기 외측 둘레 원형 로터를 수용하도록 성형되고 상기 외측 둘레 원형 로터의 회전에 응답하여 전기를 발생시키며 상기 로터의 상기 반경방향으로 연장되는 대향 평행 측부의 대향 측부에서 위치설정되는 한 쌍의 대향하는 스테이터 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 스테이터 하우징은 각각 상기 로터의 상기 반경방향으로 연장되는 대향 평행 측부를 향하는 필드 코일 개구(field coil opening)를 포함하는 것인 스테이터와,
   상기 스테이터 하우징 중 각각의 하우징에 위치설정되며 상기 필드 코일 개구를 통해 상기 로터를 향하는 필드 코일
   을 포함하는 것인 전기 발생장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 전기 발생장치는, 서로를 향해, 상기 로터를 향해 그리고 상기 스테이터의 위치에서 로터의 측방향 이동에 응답하여 측방향으로 상기 스테이터 하우징을 선택적으로 압박하는 제1 편향 수단과, 서로로부터 멀어지도록 그리고 상기 로터로부터 멀어지도록 상기 스테이터 하우징을 연속적으로 편향시키는 제2 편향 수단을 특징으로 하는 전기 발생장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 전기 발생장치는, 상기 스테이터 하우징 및 상기 필드 코일에 공기를 공급하기 위해 상기 필드 코일 및 대향하는 스테이터 하우징의 쌍과 연통되는 공기 공급 수단을 특징으로 하며 상기 스테이터 하우징은 각각 상기 로터를 향하는 림을 구비하고, 상기 림은 상기 로터 및 각각의 상기 스테이터 하우징의 림 사이에 공기 막을 형성하도록 성형되며, 이에 따라 상기 로터의 상기 대향 측부와 상기 스테이터 하우징의 상기 림 사이에 공기 베어링이 형성되는 것인 전기 발생장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 공기 공급 수단은 상기 스테이터 하우징에서 필드 코일을 냉각하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 발생장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 로터는 일련의 아치형 세그먼트에 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 발생장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 아치형 세그먼트 각각은 상기 로터를 냉각하기 위한 오일 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 것인 전기 발생장치.
7. 제5항에 있어서, 상기 로터는 상기 로터를 냉각하기 위한 냉각 핀을 포함하는 것을 또한 특징으로 하는 전기 발생장치.
8. 제2항에 있어서, 상기 제1 편향 수단은, 상기 로터를 향해 상기 스테이터 하우징을 선택적으로 압박하고 상기 로터를 향한 상기 스테이터 하우징의 압박을 완화하는 팽창 가능한 에어 백을 포함하고, 상기 제2 편향 수단은 상기 로터로부터 멀리 상기 스테이터 하우징을 연속적으로 편향시키는 코일 인장 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 발생장치.
9. 제2항에 있어서, 상기 로터로부터 멀리 상기 스테이터 각각을 압박하기 위해 상기 스테이터 각각과 편향된 관계에 있는 스프링 및 상기 로터를 향해 상기 스테이터를 압박하도록 구성되는 상기 스테이터 각각과 편향 관계에 있는 팽창 가능한 에어 백을 추가적인 특징으로 하는 전기 발생장치.
10. 제2항에 있어서, 상기 휠은 상기 스테이터 하우징의 위치에서 흔들림 운동(wobbling motion)을 하고 상기 스테이터 하우징은 휠의 흔들림 운동에 응답하여 측방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 전기 발생장치.
11. 전기를 생산하기 위한 전기 발생장치로서,
    일련의 로터 세그먼트에 의해 형성되는 환형 로터로서, 각각의 상기 로터 세그먼트는 코일을 포함하며, 상기 로터 세그먼트는 측방향 회전 축을 중심으로 연장되고 환형 경로의 원호를 통해 회전 가능한 것인 환형 로터와,
    상기 로터 세그먼트의 상기 환형 경로의 상기 원호에 위치설정되는 스테이터로서, 상기 스테이터는 상기 환형 경로의 상기 원호의 대향 측부에 위치설정되는 코일을 포함하고 상기 로터의 상기 세그먼트들 사이에서 거기에 수용되도록 성형되는 것인 스테이터와,
    상기 로터가 회전할 때 상기 스테이터에서 상기 로터의 대향 측부와 근접한 위치를 향해 측방향으로 상기 스테이터의 상기 코일을 가축성 있게 압박하고 전기를 발생시키는 제1 편향 수단으로서, 연속적으로 전기를 발생시키는 동안 상기 로터의 측방향 운동에 응답하여 측방향으로 상기 스테이터의 상기 코일을 이동시키는 것인 제1 편향 수단
    을 포함하는 전기 발생장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 로터의 측방향 이동시에 상기 스테이터를 상기 로터와 근접하게 유지하기 위해 상기 로터와 상기 스테이터 사이에 공기 베어링을 형성하는 공기 공급 수단을 특징으로 하는 전기 발생장치.
13. 제12항에 있어서, 상기 스테이터는 스테이터 하우징을 포함하며, 상기 스테이터 하우징은 상기 환형 경로의 대향 측부에 위치설정되고, 상기 스테이터 하우징 각각은 상기 환형 경로를 향하는 스테이터 개구를 포함하며,
    상기 스테이터의 상기 코일은 상기 스테이터 개구에서 상기 스테이터 하우징에 위치설정되며 상기 환형 경로를 향하고,
    상기 스테이터 하우징은 상기 로터와 상기 스테이터 하우징 사이에 공기 베어링을 형성하도록 구성되며,
    공기 공급 수단은 상기 스테이터 하우징에 공기를 공급하고 상기 공기 베어링을 형성하며 상기 로터와 근접하게 상기 스테이터 하우징을 유지하는 것인 전기 발생장치.
14. 제11항에 있어서, 한 쌍의 동심 환형 레일은 내측 환형 경로를 따라 축선을 중심으로 이동 가능한 내측 레일 및 외측 환형 경로를 따라 상기 축선을 중심으로 이동 가능한 외측 레일을 포함하고,
    내측 전기 발생장치는 상기 내측 레일의 상기 내측 환형 경로에 위치설정되며 외측 전기 발생장치는 상기 외측 레일의 상기 외측 환형 경로에 위치설정되는 것을 특징으로 하는 전기 발생장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 내측 레일은 상기 내측 전기 발생장치의 로터를 포함하며, 상기 외측 레일은 상기 외측 전기 발생장치의 로터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 발생장치.
16. 제14항에 있어서, 상기 내측 전기 발생장치는 내측 스테이터를 포함하고 상기 외측 전기 발생장치는 외측 스테이터를 포함하며, 공기 가압 수단은 상기 내측 로터를 향해 상기 내측 스테이터를 압박하기 위해 그리고 상기 외측 로터를 향해 상기 외측 스테이터를 압박하기 위해 상기 내측 스테이터에 그리고 상기 외측 스테이터에 위치설정되는 것을 특징으로 하는 전기 발생장치.
    

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