KR20120031458A

KR20120031458A - 자석 어레인지먼트를 결정하는 방법

Info

Publication number: KR20120031458A
Application number: KR1020110096306A
Authority: KR
Inventors: 쿠르트 안데르센; 에릭 그뢴달; 케네쓰 페데르센
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2010-09-24
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2012-04-03
Also published as: CA2752944A1; AU2011218671B2; EP2434616A1; CN102420467A; US20120119506A1; US8643208B2; AU2011218671A1; JP2012070622A

Abstract

자석 어레인지먼트를 결정하는 방법
본 발명은 전기 머신(3)의 회전자(1) 또는 고정자(2)의 자석들(M)을 위해 자석 어레인지먼트(arrangement)(10, 20)를 결정하는 방법을 설명하고, 상기 방법은 상기 전기 머신(3)의 다수의 성능 파라미터들을 식별하는 단계 ? 상기 성능 파라미터들은 조정될 것임 ?; 다수의 이웃 자석들(M)을 자석 그룹(G2, G3)에 할당하는 단계 ? 자석 그룹(G2, G3)은 기준 자석(Mref) 및 적어도 하나의 추가 자석(M1, M2)을 포함하고, 상기 추가 자석(M1, M2)은 상기 기준 자석(Mref)에 관련하여 배열됨 ?; 상기 자석 그룹(G2, G3)에 대하여 다수의 별개의 자석 어레인지먼트 변수들(d21, d31, d32, w)을 식별하는 단계 ? 이로써, 자석 어레인지먼트 변수들(d21, d31, d32, w)의 개수가 성능 파라미터들의 개수와 일치함 ?; 성능 파라미터의 원해지는 조정에 따라 어레인지먼트 변수(d21, d31, d32, w)의 값을 계산하는 단계; 및 상기 계산된 어레인지먼트 변수(d21, d31, d32, w)에 따라 상기 자석 그룹(G2, G3)의 상기 기준 자석(Mref)에 관련하여 상기 자석 그룹(G2, G3)의 추가 자석(M1, M2)을 배열하는 단계를 포함한다. 본 발명은 또한 전기 머신(3)의 회전자(1) 또는 고정자(2) 상에 다수의 자석들(M)을 배열하는 방법을 설명한다. 본 발명은 또한 회전자(1), 고정자(2) 그리고 다수의 자석들(M)을 포함하는 발전기(3)를 갖는 풍력 터빈을 설명하고, 상기 다수의 자석들(M)은 이러한 자석 어레인지먼트(10, 20)로 상기 회전자(1) 상에 배열된다.

Description

자석 어레인지먼트를 결정하는 방법{METHOD OF DETERMINING A MAGNET ARRANGEMENT}

본 발명은 전기 머신의 자석들을 위한 자석 어레인지먼트를 결정하는 방법을 설명한다. 본 발명은 전기 머신의 다수의 자석들을 배열하는 방법을 추가로 설명한다. 본 발명은 또한 발전기와 이러한 자석 어레인지먼트로 배열되는 다수의 자석들을 갖는 풍력 터빈을 설명한다.

다양한 알려진 이유들 때문에, 전기 모터들 및 발전기들은 완벽하게 동작할 수 없고, 여러 인자(factor)들이 전체 효율성을 손상시킬 차감될 수 있다. 예컨대, 코깅 토크(cogging torque)는 회전자의 자석들과 고정자 슬롯들 또는 고정자 치(teeth) 사이의 자력에 의해 유발된다. 자석들/고정자 슬롯들이 전부 등거리에 위치되는 동종 어레인지먼트에서, 고정자와 관련하여 회전자의 특정 포지션 때문에, 자석들 및 고정자 슬롯들 사이의 자력은 비교적 크다. 작은 모터들 및 발전기들은 보통 만족스럽게 최적화될 수 있다. 그러나, 풍력 터빈 내의 3 MW 발전기와 같은 큰 머신에서, 코깅 토크는 공칭 토크의 5%의 값들에 쉽게 도달할 수 있다. 이 힘이 스타트-업에서 그리고 회전자의 각각의 회전 동안에 수차례 극복되어야 하므로, 이는 발전기의 성능에 큰 영향을 줄 수 있고, 발전기의 수명이 단축되고 발전기의 잡음 레벨이 증가된다. 그러므로, 발전기 설계 동안에 코깅 토크를 감소시키기 위한 조치들이 보통 취해진다.

다른 문제점은 토크 리플에 의해 제시되며, 상기 토크 리플은 코깅 토크와, 머신의 공극 자속(air gap flux) 내의 고조파(harmonic)들에 의해 유발되는 부가적인 토크 변동들의 합이다. 이들 고조파들의 원인들은 보통, 고정자의 철(iron), 회전자 자석들 및 고정자 사이의 거리들 등등이다. 고정자 슬롯들의 개수를 자석들의 개수의 배수가 되도록 선택하는 것은 토크 리플(ripple)을 어느 양만큼 감소시키는 것을 도울 수 있다. 그러나, 토크 리플은 발전기의 효율성, 수명 및 잡음 레벨에 여전히 해로운 영향을 가질 수 있다.

전기 발전기의 성능을 최적화하는 다양한 방법들이 존재한다. 그러나, 알려진 접근법들은 상당히 복잡하다. 예컨대, 자석들 또는 극들이 고정자 치를 향하여 동시에 드래그(drag)될 때 유발되는 코깅 토크를 최소화하기 위하여, 극들이 서로에 대하여 더 이상 등거리로 위치되지 않도록 하기 위한 "극 시프팅"으로서 알려진 프로세스에서 극들을 재-배열하는 것은 코깅 토크의 단축을 야기할 수 있다. 그러나, 향상은 각각의 고정자 치에 대하여 주어진 회전자 포지션을 위해서만 이상적일 것이다. 또한, 코깅을 감소시키는 것을 목적으로 극들이 시프트될 때, 토크 리플은 심지어 증가할 수 있다. 그러나, 시프트된 극들의 패턴의 시뮬레이션은 매우 비용-집약적인데, 그 이유는 경험 법칙(rule of thumb)에 따르면, 계산 시간이 극들을 증가시키는 것에 따라 지수적으로 증가하여, 많은 극들을 포함하는 패턴들이 매우 긴 계산 시간들을 야기하기 때문이다.

코깅 및 리플과 같은 다양한 성능 파라미터들이 동일한 최적을 갖지 않으므로, 절충 또는 트레이드-오프를 합의할 필요가 있다. 예컨대, 코깅이 최소화된다면, 동시에 리플을 최소화하는 것은 가능하지 않다. 다른 중요한 고려사항은, 극 시프팅이 항상 역 기전력(back emf)(기전력(electromotive force)) 및 일반적으로는 단점인 러닝 토크(running torque)의 감소를 야기할 것이라는 점과 영향력의 정도가 선택된 극 시프팅 패턴에 따라 좌우된다는 점이다.

알려진 접근법들은 자석 배치, 특정 부하 조건들 등과 같은 알려진 파라미터들의 관점에서 발전기의 성능을 시뮬레이션하기 위한 소프트웨어 알고리즘을 사용한다. 그러나, 고정자 및 다른 부품들을 위해 일반적으로 사용되는 철은 완전히 포화(saturated)되며, 방정식들이 매우 비선형적이고 복잡하게 되게 한다. 정밀한 분석은 수치 분야 해결책들을 요구한다. 최적 해결책을 얻기 위해 노력하는데 더 많은 변수들이 변경되고, 분석은 더욱 복잡해진다. 편심(eccentricity)과 같은 제조 허용오차들과 같은 인자들은 (시뮬레이션된) 예상들을 충족시키지 않는 실제 성능을 야기할 수 있는데, 그 이유는 모델링된 기하구조가 실제 제조된 머신과 상당히 상이하기 때문이다. 서로에 대하여 많은 자석들을 극-시프팅시키는 것에 기반한 접근법들에서, 머신 기하구조의 사소한 '에러'는 극-시프팅의 이점들을 쉽게 무효화시킬 수 있다.

그러므로, 본 발명의 목적은 전기 머신의 자기 극들을 위한 최적화된 어레인지먼트를 결정하는 단순하고 향상된 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 전기 머신의 회전자 또는 고정자의 자석들을 위해 자석 어레인지먼트를 결정하는 청구항 제1항의 방법에 의해; 전기 머신의 회전자 또는 고정자 상에 다수의 자석들을 배열하는 청구항 제11항에 따른 방법에 의해; 그리고 청구항 제12항의 풍력 터빈에 의해 달성된다.

본 발명에 따르면, 전기 머신의 회전자 또는 고정자의 자석들을 위해 자석 어레인지먼트를 결정하는 방법은, 상기 전기 머신의 다수의 성능 파라미터들을 식별하는 단계 ? 상기 성능 파라미터들은 조절될 것임 ?; 다수의 이웃 자석들을 자석 그룹에 할당하는 단계 ? 자석 그룹은 기준 자석 및 적어도 하나의 추가 자석을 포함하고, 상기 추가 자석은 상기 기준 자석에 관련하여 배열됨 ?; 상기 자석 그룹을 위해 다수의 별개의 자석 어레인지먼트 변수들을 식별하는 단계 ? 이로써, 상기 자석 어레인지먼트 변수들의 개수가 성능 파라미터들의 개수와 일치함 ?; 성능 파라미터의 원해지는 조절에 따라 어레인지먼트 변수의 값을 계산하는 단계; 및 상기 계산된 어레인지먼트 변수에 따라 상기 자석 그룹의 상기 기준 자석에 관련하여 상기 자석 그룹의 추가 자석을 배열하는 단계를 포함한다.

도입부에서 언급된 바와 같이, 발전기의 동작 동안에, 특정 힘들이 발전기의 성능을 차감하도록 작용할 수 있다. 중요한 차감요소(detractor)들은 코깅 토크와 토크 리플이다. 이 상황에서, 코깅 토크 및 토크 리플은 최적화될 '성능 파라미터들'로서 고려될 수 있다. 다른 성능 파라미터들로는 예컨대 특정 토크를 제공하기 위해 요구되는 전류, 코깅으로 인한 구조 진동, 방사 방향 힘, 평균 토크 등이 고려될 수 있다. 본 발명의 명백한 장점은, 비교적 단순한 절차로, 최소 개수의 변수들만을 조절함으로써, 전기 머신의 성능이 이들 성능 파라미터들 중 하나 이상에 관하여 최적화될 수 있다는 것이다. 자석 어레인지먼트 변수들의 개수는 성능 파라미터들의 개수로 제약된다. 이는, 성능 파라미터들에 관한 변수들을 변경하는 효과들을 결정하기 위해 요구되는 계산들을 크게 단순화한다. 최소 개수의 변수들만을 사용하는 것은, 최적화의 정확성을 증가시키는 부가적인 장점을 갖는데, 그 이유는 계산들에 더 적은 에러들이 도입될 수 있기 때문이다. 이는, 전기 머신의 구현시 전체 비용을 감소시키는데, 그 이유는 생산 이후에 미세-조정에 더 적은 시간이 소비될 필요가 있기 때문이다. 추가 절약들은 머신의 동작 동안에 이루어질 수 있는데, 그 이유는 코깅 토크, 토크 리플 등등으로 인한 손실들, 잡음 및 피로파괴(fatigue)가 최소화되어, 머신이 잡음 레벨들의 표준 제한치들 내에서 더욱 효율적이고 신뢰성 있게 동작하도록 허용되기 때문이다.

자석 어레인지먼트 변수들의 개수를 성능 파라미터들의 개수로 제한시킴으로써, 단지 한 개 또는 두 개의 성능 파라미터들을 최소화하기 위해 많은 자석들이 극-시프팅되는 종래 기술의 해결책들과 비교할 때, 머신의 성능의 최적화는 수행되기에 훨씬 더 단순하고 더 신속하다. 추가로, 본 발명에 따른 방법에서의 극 패턴이 반복 패턴이므로, 머신 대칭으로 인한 현장 시뮬레이션에 단 한 개의 패턴만이 포함될 필요가 있다.

본 발명에 따르면, 위에서 설명된 방법을 이용하여 결정된 자석 어레인지먼트에 따라 전기 머신의 회전자 또는 고정자 상에 다수의 자석들이 배열되고, 회전자, 고정자 및 다수의 자석들을 포함하는 발전기를 갖는 풍력 터빈에서는, 상기 회전자 상에 자석들이 이 방식으로 배열된다.

자석 어레인지먼트를 결정하는 본 발명에 따른 방법은 풍력 터빈 내의 발전기의 회전자 또는 고정자의 다수의 자석들을 위한 자석 어레인지먼트를 결정하는데 사용하기에 특히 적절하다.

본 발명의 특히 유용한 실시예들 및 특징들은 아래의 설명에서 드러나는 바와 같이, 종속항들에 의해 제공된다. 상이한 실시예들의 특징들은 적절하다면 추가 실시예들을 제공하기 위해 결합될 수 있다.

전기적 관점에서 볼 때, 전기 머신의 '현장(field)' 또는 현장 컴포넌트는, 전기 머신 ? 예컨대, 발전기 ? 이 구성되는 방식에 따라, 회전자 또는 고정자일 수 있다. 그러나, 일반적으로, 특히 큰 발전기들에서, 회전자가 현장 컴포넌트이고 자석들을 지탱하는(bear) 반면에, 고정자는 전기자 컴포넌트이고 코일 권선들을 지지한다. 그러므로, 아래에서는 ? 그러나, 본 발명을 임의의 방식으로 제약하는 것은 아님 ?, 전기 머신이 발전기라는 것과, 비록 자석 어레인지먼트를 결정하기 위한 본 발명에 따른 방법이 자석들이 고정자 상에 장착되는 구현에 동일하게 적용되더라도, 자석들이 회전자 상에 장착된다는 것이 가정된다. 바람직하게도, 발전기는 직접-구동(direct-drive) 발전기를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 자석 그룹은 단일 기준 자석을 포함하고, 상기 자석 그룹의 모든 다른 자석들은 상기 하나의 기준 자석에 관련하여 조절될 수 있다.

결정된 자석 어레인지먼트가 원해지는 성능을 야기하는 것을 보장하기 위해, 상기 다수의 자석들 중 각각의 자석이 고려되어야, 즉 그룹에 포함되어야 하는데, 그 이유는 자석 어레인지먼트의 '배제'될 수 있는 임의의 자석들이 발전기의 동작 동안에 성능에 악영향을 줄 수 있기 때문이다. 그러므로, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 자석들의 총 개수는 정수 개의 동일한 자석 그룹들을 포함한다, 즉 자석들의 총 개수는 그룹 사이즈의 정수배이고, 그룹 사이즈는 모든 그룹들에 대하여 동일하여서, 최적화 프로세서에서 배제되는 자석이 없다.

본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 각각의 자석 그룹의 자석들은 동일하게 배열된다, 즉 자석들의 패턴이 모든 그룹들에 대하여 반복된다. 각각의 그룹의 자석들을 동일한 방식으로 배열함으로써, 최적화가 더 간단하게 수행되는데, 그 이유는 시뮬레이션 시간이 최소로 유지될 수 있기 때문이다. 또한, 회전자 상으로의 자석들의 최종 장착이 단순화되는데, 그 이유는 각각의 그룹의 자석들이 패턴 자체가 반복되는 패턴으로 장착되기 때문이다.

바람직하게도, 그룹 사이즈는 작게 유지되어서, 자석 그룹은 소수의 자석들, 예컨대 많아야 네 개만을 포함하고, 이로써 하나의 자석은 기준 자석이고 다른 자석들은 상기 다른 자석들을 기준 자석에 관하여 움직임으로써 그리고/또는 상기 다른 자석들의 폭을 변경함으로써 그리고/또는 스태거드(staggered) 극들을 이용함으로써 조절된다. 이러한 작은 그룹들 또는 자석들 전부에 대하여 반복되는 패턴들을 이용함으로써, 자석 어레인지먼트에 속하는 머신 기하구조 내의 임의의 정규화된 에러는 머신 내의 어느 곳이든 불가피한 에러들, 예컨대 컴포넌트들의 치수들, 회전자 편심 등등에서의 사소한 편차들에 의해 유리하게 상쇄되거나 무효화될 수 있다. 비록 실제로 그룹 사이즈가 극들의 총 개수의 5%의 구역에 있을 수 있더라도, 본 발명에 따른 방법은 더 큰 그룹 사이즈들을 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 그룹이 총 개수의 사분의 일의 극들을 포함할 수 있어서, 극들이 네 개의 이러한 그룹들로 가상으로 분할된다는 것이 고려될 수 있다.

본 발명에 따른 방법에서, 임의의 적절한 자석 어레인지먼트 변수가 성능 파라미터들의 최적화를 위해 선택될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 자석 어레인지먼트 변수는 자석 그룹의 이웃 자석들 사이의 거리를 포함한다. 그룹의 추가 자석 및 기준 자석 사이의 거리는 성능 파라미터를 조절하기 위하여 변경될 수 있다. 다른 변수들이 가능하다. 본 발명의 추가의 바람직한 실시예에서, 예컨대, 자석의 폭은 성능 파라미터를 조절하기 위하여 (컴퓨터 시뮬레이션에서) 변경될 수 있다.

그러므로, 본 발명의 하나의 바람직한 실시예에서, 자석 그룹은 두 개의 자석들을 포함한다; 어레인지먼트 변수는 자석 그룹의 기준 자석 및 상기 자석 그룹의 다른 자석 사이의 거리를 포함한다; 성능 파라미터는 코깅 토크를 포함하고, 어레인지먼트 변수는 코깅 토크의 원해지는 감소에 따라 계산된다. 이 방식으로, 각각의 그룹의 두 개의 자석들의 최적 어레인지먼트가 결정된다. 이 패턴은 회전자의 모든 자석들에 대하여 반복된다. 자석들이 회전자 상에 장착될 때, 기준 자석들은 '표준' 포지션들에 위치되고, 다른 자석들은 각자의 대응하는 기준 자석들로부터 계산된 거리에 따라 장착된다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 자석 그룹은 세 개의 자석들을 포함한다; 제1 어레인지먼트 변수는 자석 그룹의 기준 자석 및 제1 추가 자석 사이의 거리를 포함하고; 제2 어레인지먼트 변수는 자석 그룹의 기준 자석 및 제2 추가 자석 사이의 거리를 포함하며; 성능 파라미터들은 코깅 토크 및 리플 토크를 포함하고, 여기서 제1 및 제2 어레인지먼트 변수들은 코깅 토크의 원해지는 감소에 따라 그리고 리플 토크의 원해지는 감소에 따라 계산된다. 이 방식으로, 각각의 그룹의 세 개의 자석들의 최적 어레인지먼트가 결정된다. 이 패턴은 회전자의 모든 자석들에 대하여 반복된다. 자석들이 회전자 상에 장착될 때, 기준 자석은 '표준' 포지션들에 위치되고, 다른 자석들은 각자의 대응하는 기준 자석들로부터 계산된 거리에 따라 장착된다.

코깅 토크 및 토크 리플 외에, 다른 파라미터들이 최적화될 수 있다. 예컨대, 풍력 터빈의 경우, 관심대상이 되는 주요한 부하점으로서 우세한 바람 속도들에 대응하는 특정 부하점이 고려될 수 있고, 자석 어레인지먼트는 이러한 부하점의 고려시 결정될 수 있다. 또한, 자석 어레인지먼트를 적절하게 조작함으로써 또한 달성될 수 있는 전류를 최소화함으로써 더 낮은 부하들에서의 리플이 최소화될 수 있다. 전류를 최소화하는 것 외에, 예상된 부하 프로파일, 즉 얼마나 오랫동안 머신이 특정 부하들에서 실행될 것으로 예상되는지에 관한 전체 효율성이 최대화될 수 있다.

최적화는 당업자에 알려진 임의의 적절한 기술을 이용하여 수행될 수 있다. 예컨대, 자석 포지션들은 실험적 포지셔닝에 의해 결정될 수 있다. 바람직하게도, 방법의 단계들은 반복적으로 수행된다. 이를 위해, 합리적인 '시작점'이 선택된 변수들에 대한 추정된 값들을 이용하여 선택될 수 있다. 성능 파라미터들의 획득가능한 조절이 또한 추정되고 최적화 프로세스를 위한 목표로서 사용될 수 있다. 그런 다음에, 반복들의 시퀀스로, 원해지는 또는 만족스런 성능 파라미터들이 획득될 때까지 변수들이 조절될 수 있다. 바람직하게도, 방법의 단계들은 예컨대 유한 요소 해석을 이용하여 컴퓨터 시뮬레이션에서 수행된다.

본 발명의 다른 목적들 및 특징들은 동반된 도면들과 함께 고려되는 아래의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나, 도면들이 예시의 목적들을 위해서만 설계되고 본 발명의 제한치들의 정의로서 설계되지 않는다는 것이 이해될 것이다.

도 1은 고정자와, 회전자 상의 자석들의 종래 기술에 따른 어레인지먼트를 나타내는 전기 발전기의 일부분의 단면도를 나타낸다.
도 2는 전기 발전기의 두 개의 성능 파라미터들을 위한 본 발명에 따른 제1 자석 어레인지먼트의 개략도를 나타낸다.
도 3은 도 2에 따른 자석 어레인지먼트를 갖는 전기 발전기의 일부분의 단면도를 나타낸다.
도 4는 전기 발전기의 두 개의 성능 파라미터들을 위한 본 발명에 따른 제2 자석 어레인지먼트의 개략도를 나타낸다.

도면들에서, 같은 참조 부호들은 전체를 통틀어 같은 객체들을 지칭한다. 도면들 내의 객체들이 반드시 스케일링되어 도시되는 것은 아니다.

도 1은 회전자(1)와 고정자(2), 그리고 회전자(1) 상에 배열된 다수의 자석들(M)을 나타내는 전기 발전기(3)의 매우 단순화된 단면도를 나타낸다. 종래의 단순한 어레인지먼트에서, 자석들(M)은 전부 서로로부터 동일한 거리들에 이격된다. 고정자(2)는 고정자 권선들(미도시)을 수용하기 위한 다수의 슬롯들(2b)을 정의하는 다수의 치(2a)를 포함한다. 고정자(2) 및 그에 따라 또한 고정자 치(2a)는 일반적으로 강철(steel)로 만들어져서, 동작 동안에, 코깅 토크로서 알려진 자석 힘이 자석들(M) 및 고정자 치(2a) 사이에서 작용한다.

도 2는 전기 발전기의 두 개의 성능 파라미터들을 위한 본 발명에 따른 제1 자석 어레인지먼트(10)에 도달하기 위하여 취해지는 단계들 중 일부를 도시한다. 먼저, 도면의 파트 A에 도시된, 초기에 등거리인 자석들(M)이 그룹들로 분할될 것이다. 두 개의 성능 파라미터들이 최적화될 것이므로, 설계자는 두 개의 자석들을 기준 자석에 관하여 조작하기로 결정할 수 있다. 이 예에서, 회전자 자석 극들의 총 개수(M)가 세 개씩 분할가능한 것으로 가정될 수 있다. 그러므로, 자석들(M)은 3-극 그룹들로, 즉 각각 세 개의 자석들, 즉 기준 자석(Mref) 및 두 개의 추가 자석들(M1, M2)의 그룹들(G3)로 분할된다. 각각의 그룹은 회전자의 표면 상에서 특정 반지름 스팬(span)(S)을 점유한다. 설계자는, 두 개의 성능 파라미터들을 최적화시, 기준 자석(Mref) 및 제1 자석(M1) 사이의 간격 또는 피치(pitch)(d31), 및 기준 자석(Mref) 및 제2 자석(M2) 사이의 간격 또는 피치(d32)를 사용하기로 결정할 수 있고, 이로써 상기 그룹의 스팬(S)은 변경되지 않은 상태로 유지된다. 예컨대 적절한 소프트웨어 프로그램을 사용하는 반복 프로세스에서, 코깅 토크의 원해지는 감소 또는 리플 토크의 원해지는 감소를 제공하기 위해, 기준 자석(Mref)에 관련하여 자석들(M1, M2)에 대한 최적 배치가 결정될 수 있다. 그런 다음에, 발전기의 제조 동안에, 자석들(M)은 상기 결정된 간격들(d31, d32)에 따라 회전자의 외측 상에 배열된다.

이러한 어레인지먼트(10)의 일부분이 전기 발전기(3)를 관통하는 부분단면도로 도 3에 도시된다. 자석들(M)은 각각의 3-극 그룹(G3) 내의 기준 자석(Mref) 및 다른 자석들(M1, M2)에 대하여 위에서 설명된 바와 같이 계산된 극 피치 간격들(d31, d32)을 이용하여 회전자(1)의 외측 상에 장착되고, 이로써 각각의 그룹의 반지름 스팬은 도 2에 설명된 바와 같이 변함없이 유지된다.

도 4는 전기 발전기의 두 개의 성능 파라미터들을 위한 본 발명에 따른 제2 자석 어레인지먼트(20)의 개략도를 나타낸다. 이 경우, 설계자는 단 한 개의 자석을 기준 자석에 관하여 조작하기로 결정할 수 있다. 자석들(M)은 2-극 그룹들로, 즉 각각 두 개의 자석들, 즉 기준 자석(Mref) 및 하나의 추가 자석(M1)의 그룹들(G2)로 분할된다. 설계자는 기준 자석(Mref) 및 다른 자석(M1) 사이의 간격(d21), 및 자석들 중 한 개 또는 둘 다의 폭(w), 이 경우 다른 자석(M1)의 폭(w)을 사용하기로 결정할 수 있고, 각각의 그룹의 반지름 스팬은 도 2에 설명된 바와 같이 변함없이 유지된다. 다시, 반복 프로세스에서, 원해지는 파라미터들을 제공하기 위해, 자석들(Mref, M1)에 대하여 최적 구성(20)이 결정될 수 있다.

비록 본 발명이 바람직한 실시예들 및 그의 변형들 형태로 기재되었더라도, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고서, 본 발명에 대하여 다수의 부가적인 수정들 및 변형들이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다.

명확성을 위해, 본 출원 전체를 통틀어 단수의 사용이 복수를 배제하지 않으며 "포함하는"이 다른 단계들 또는 엘리먼트들을 배제하지 않는다는 것이 이해될 것이다.

Claims

칭기 머신(machine)(3)의 회전자(1) 또는 고정자(2)의 자석들(M)을 위한 자석 어레인지먼트(arrangement)(10, 20)를 결정하는 방법으로서,
상기 전기 머신(3)의 다수의 성능 파라미터들을 식별하는 단계 ? 상기 성능 파라미터들은 조정될 것임 ?;
다수의 이웃 자석들(M)을 자석 그룹(G2, G3)에 할당하는 단계 ? 자석 그룹(G2, G3)은 기준 자석(Mref) 및 적어도 하나의 추가 자석(M1, M2)을 포함하고, 상기 추가 자석(M1, M2)은 상기 기준 자석(Mref)에 관련하여(relative to) 배열됨 ?;
상기 자석 그룹(G2, G3)에 대하여 다수의 별개의 자석 어레인지먼트 변수들(d21, d31, d32, w)을 식별하는 단계 ? 이로써, 자석 어레인지먼트 변수들(d21, d31, d32, w)의 개수가 성능 파라미터들의 개수와 일치함 ?;
성능 파라미터의 원해지는 조정에 따라 어레인지먼트 변수(d21, d31, d32, w)의 값을 계산하는 단계; 및
상기 계산된 어레인지먼트 변수(d21, d31, d32, w)에 따라 상기 자석 그룹(G2, G3)의 상기 기준 자석(Mref)에 관련하여 상기 자석 그룹(G2, G3)의 추가 자석(M1, M2)을 배열하는 단계
를 포함하는,
전기 머신의 회전자 또는 고정자의 자석들을 위해 자석 어레인지먼트를 결정하는 방법.
제 1 항에 있어서,
자석 그룹(G2, G3)은 단일 기준 자석(Mref)을 포함하는,
전기 머신의 회전자 또는 고정자의 자석들을 위해 자석 어레인지먼트를 결정하는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
자석들(M)의 총 개수는 정수 개의 동일한 자석 그룹들(an integer number of identical magnet groups)(G2, G3)을 포함하는,
전기 머신의 회전자 또는 고정자의 자석들을 위해 자석 어레인지먼트를 결정하는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
각각의 자석 그룹(G2, G3)의 자석들(Mref, M1, M2)은 동일하게 배열되는,
전기 머신의 회전자 또는 고정자의 자석들을 위해 자석 어레인지먼트를 결정하는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
자석 어레인지먼트 변수(d21, d31, d32)는 자석 그룹(G2, G3)의 이웃 자석들(Mref, M1, M2) 사이의 거리(d21, d31, d32)를 포함하는,
전기 머신의 회전자 또는 고정자의 자석들을 위해 자석 어레인지먼트를 결정하는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
자석 어레인지먼트 변수(w)는 자석 그룹(G2)의 자석(M1)의 폭(w)을 포함하는,
전기 머신의 회전자 또는 고정자의 자석들을 위해 자석 어레인지먼트를 결정하는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
자석 그룹(G2)은 두 개의 자석들(Mref, M1)을 포함하고; 어레인지먼트 변수(d21)는 상기 자석 그룹(G2)의 상기 기준 자석(Mref) 및 상기 자석 그룹(G2)의 다른 자석(M1) 사이의 거리(d21)를 포함하고; 상기 성능 파라미터는 코깅 토크(cogging torque)를 포함하고, 상기 어레인지먼트 변수(d21)는 코깅 토크의 원해지는 감소에 따라 계산되는,
전기 머신의 회전자 또는 고정자의 자석들을 위해 자석 어레인지먼트를 결정하는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
자석 그룹(G3)은 세 개의 자석들(Mref, M1, M2)을 포함하고; 제1 어레인지먼트 변수(d31)는 상기 자석 그룹(G3)의 상기 기준 자석(Mref) 및 제1 추가 자석(M1) 사이의 거리(d31)를 포함하고, 제2 어레인지먼트 변수(d32)는 상기 자석 그룹(G3)의 상기 기준 자석(Mref) 및 제2 추가 자석(M2) 사이의 거리(d32)를 포함하고; 상기 성능 파라미터들은 코깅 토크 및 리플(ripple) 토크를 포함하고, 상기 어레인지먼트 변수들(d31, d32)은 코깅 토크의 원해지는 감소 및 리플 토크의 원해지는 감소에 따라 계산되는,
전기 머신의 회전자 또는 고정자의 자석들을 위해 자석 어레인지먼트를 결정하는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 방법의 상기 단계들은 반복적으로 수행되는,
전기 머신의 회전자 또는 고정자의 자석들을 위해 자석 어레인지먼트를 결정하는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 방법의 상기 단계들은 컴퓨터 시뮬레이션으로 수행되는,
전기 머신의 회전자 또는 고정자의 자석들을 위해 자석 어레인지먼트를 결정하는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항의 방법을 이용하여 결정된 자석 어레인지먼트(10, 20)에 따라 전기 머신(3)의 회전자(1) 또는 고정자(2) 상에 다수의 자석들(M)을 배열하는 방법.
회전자(1), 고정자(2) 그리고 다수의 자석들(M)을 포함하는 발전기(3)를 갖는 풍력 터빈으로서,
상기 자석들(M)은 제 11 항의 방법에 따른 자석 어레인지먼트(10, 20)로 상기 회전자(1) 상에 배열되는,
풍력 터빈.
제 12 항에 있어서,
상기 발전기는 직접-구동(direct-drive) 발전기를 포함하는,
풍력 터빈.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 방법은 풍력 터빈을 위한 자석 어레인지먼트(10, 20)를 결정하는데 사용되고,
상기 풍력 터빈은 회전자(1), 고정자(2) 그리고 다수의 자석들(M)을 포함하는 발전기(3)를 갖고,
상기 자석들(M)은 상기 자석 어레인지먼트(10, 20)로 상기 회전자(1) 상에 배열되는,
전기 머신의 회전자 또는 고정자의 자석들을 위해 자석 어레인지먼트를 결정하는 방법.