KR20120084733A - 풍력 또는 수력 에너지 장비 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 에너지 생성을 위해 적어도 하나의 프로펠러(30) 및 적어도 하나의 발전기(60)를 포함하는 풍력 또는 수력 에너지 장비(10)에 관한 것으로, 상기 발전기는 회전자(110) 및 고정자(500)를 포함한다. 본 발명에 따르면, 고정자는 기계적 및 전기적으로 서로 무관한 적어도 2개의 고정자 모듈(100)로 형성되고, 고정자 모듈은 각각 회전자와 연동하며, 각각의 고정자 모듈은 적어도 하나의 모듈 고유의 자석(130), 적어도 하나의 코일(140)을 각각 포함하고, 상기 자석의 적어도 일부의 자속은 상기 코일을 통해 흐르며, 상기 고정자 모듈 각각은 회전자와 함께 각각 하나의 모듈 고유의 자석 회로(120)를 형성하고, 이 때 각각의 고정자 모듈의 회전자와 고정자 사이의 상대 이동 시 모듈 고유의 출력 전압이 생성된다.

Description

풍력 또는 수력 에너지 장비{WIND OR WATER ENERGY INSTALLATION}

본 발명은 특허청구범위 제1항의 전제부에 따른 특징들을 포함한 풍력 또는 수력 에너지 장비에 관한 것이다.

바람으로부터 전기 에너지를 얻는 것은 수년간 대형화 추세인 풍력 터빈을 이용해 왔다. 도달 가능한 성능은 특히 풍력 터빈의 직경에 달려있다. 출력이 더 크다는 것은 풍력 터빈의 직경이 더 크고 프로펠러깃(propeller blade)의 길이가 더 길다는 것을 의미한다. 프로펠러 첨단(peak)의 원주 속도(circumferential speed)는 기술적으로 제한되어 있으므로 회전수는 점차 줄어든다.

본 발명의 기초가 되는 과제는, 많은 전기적 출력을 생성할 수 있으면서도 간단하고 가벼운 구성을 갖는 풍력 또는 수력 에너지 장비를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면 상기 과제는 특허청구범위 제1항에 따른 특징들을 포함하는 풍력 또는 수력 에너지 장비에 의하여 해결된다. 본 발명에 따른 풍력 또는 수력 에너지 장비의 유리한 형성방식은 종속항에 설명된다.

본 발명에 따르면, 풍력 또는 수력 에너지 장비는 전기 에너지를 생성하기 위해 적어도 하나의 프로펠러 및 적어도 하나의 발전기를 포함하고, 상기 발전기는 회전자 및 고정자를 포함한다. 풍력 또는 수력 에너지 장비는, 고정자가 기계적 및 전기적으로 서로 무관한 적어도 2개의 고정자 모듈로 형성되고, 상기 고정자 모듈은 각각 회전자와 연동하며, 고정자 모듈 각각은 적어도 하나의 모듈 고유의 자석, 적어도 하나의 코일을 각각 포함하며, 자석의 자속의 적어도 일부는 상기 자석을 통해 흐르며, 고정자 모듈 각각은 회전자와 함께 각각 하나의 모듈 고유의 자석 회로를 형성하고, 이 때 회전자와 고정자 사이의 상대 이동 시 각각의 고정자 모듈은 모듈 고유의 출력 전압을 생성한다는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 풍력 또는 수력 에너지 장비의 근본적 이점은, 고정자가 별도의 고정자 모듈들로 구성된다는 점이다; 이는 고정자의 매우 간단한 실장, 특히 풍력 장비에서 일반적인 경우와 같이 바닥 위로 많은 높이를 두어 실장하는 것을 간단하게 한다는 것이다. 고정자의 실장을 위해, 선행 공지된 풍력 또는 수력 에너지 장비의 경우와 같이 전체의 고정자가 종합적으로 이송 및 실장될 필요가 없으며, 오히려 예컨대 크레인을 이용하여 고정자 모듈별로 각각의 실장 위치에 옮겨져 현장에서 실장될 수 있다.

본 발명에 따른 풍력 또는 수력 에너지 장비의 또 다른 근본적 이점은, 결함이 있는 경우 개별 고정자 모듈들의 교체가 가능하다는 것이다. 즉, 전체의 고정자가 교체되지 않아도 됨으로써, 수리 시 비용이 절약될 수 있다.

본 발명에 따른 풍력 또는 수력 에너지 장비의 부가적 이점은, 발전기의 구동 중에 한계 온도를 초과하지 않도록 가열되어야 하고 경우에 따라서는 냉각되어야 하는 모든 부품이 발전기의 고정자 내에 배치될 수 있다는 것이다. 외부로부터 고정자를 냉각하는 것은 기술적으로 비교적 간단하며 비용 효과적으로 실시 가능하다. 회전자 내에 배치된 플럭스 가이딩(flux guiding) 부품들 및 부재들은 재자기화(remagnetization) 또는 와상전류(eddy currents)에 의해 가열될 수 있고 또한 고정자에 의해 열 전달 및/또는 복사를 통해 가열될 수 있는데, 이러한 부품들 및 부재들은 본 발명에 따른 풍력 또는 수력 에너지 장비에서 온도 비임계적 부분들로 형성될 수 있어서, 이들은 부가적인 냉각이 필요하지 않다. 바꾸어 말하면, 본 발명에 따른 풍력 또는 수력 에너지 장비의 근본적 이점은, 매우 높은 전기적 출력이 생성되는 경우에조차, 고정자 부분들만 냉각되어야 하고, 회전자의 냉각은 중지될 수 있다는 것이다.

고정자 모듈의 고정자측 코일들은, 예컨대, 풍력 또는 수력 에너지 장비가 연결된 전기적 에너지 공급망의 형성 방식에 따라 그에 상응하는 전류 또는 전압을 제공할 수 있기 위해, 전기적으로 상호 접속될 수 있다.

바람직하게는, 상기 풍력 또는 수력 에너지 장비는 적어도 1 kW라는 정격 출력을 가지는 장비를 가리킨다. 이러한 정력 출력은 어느 경우에도, 에너지 전송망에 경제적으로 투입될 수 있기 위해서 필요하다.

바람직하게는, 고정자 모듈은, 상기 모듈이 발전기로부터의 각각의 다른 고정자 모듈과 무관하게 구성되고, 상기 발전기안에 설치될 수 있을 뿐만 아니라, 다른 고정자 모듈과 무관하게 교환될 수 있도록 형성된다.

또한, 고정자 모듈이 각각 하나의 실장 장치를 포함하고, 상기 실장 장치를 이용하여 각각의 고정자 모듈과 회전자 사이의 간격이 모듈마다 조절될 수 있는 경우가 유리한 것으로 간주된다.

고정자 모듈들 중 적어도 하나, 바람직하게는 모든 고정자 모듈은 바람직하게는 모듈 고유의 냉각 장치를 포함한다.

또한, 고정자 모듈은 자성 요크(magnetic yoke)를 포함하고, 모듈 고유의 냉각 장치는 간접적 또는 직접적으로 회전자와 다른 방향을 향해 있는 상기 자성 요크의 요크 외측에 배치되는 경우가 유리한 것으로 간주된다.

고정자 모듈들 중 적어도 하나, 바람직하게는 모든 고정자 모듈은 바람직하게는 각각 하나의 컨버터 또는 정류기를 포함하고, 이러한 장치는 모듈 고유의 코일 또는 코일들로부터 전달된 교류 전압을 변류하거나 정류하고, 모듈 고유의 출력 전압으로서 모듈 고유의 교류 전압 또는 직류 전압을 생성한다.

컨버터 또는 정류기는 바람직하게는 회전자 및 요크 외측과 다른 방향을 향해 있는 모듈 고유의 냉각 장치의 외측에 배치된다.

낮은 구성 비용을 고려할 때, 고정자의 고정자 모듈들이 동일한 구성을 가지는 것이 유리한 것으로 간주된다.

바람직하게는, 회전자는 고정자 모듈들을 향해 있는 상기 회전자의 표면에서 각각의 회전각에 의존하는 자기 저항(Rm)을 포함하여, 고정자 모듈의 코일들 내에서 자속의 크기는 회전자의 각각의 회전각에 따라 좌우되며, 회전자의 회전 시 변경된다.

바람직하게는, 고정자 모듈의 자석은 영구 자석으로 형성된다. 대안적으로, 영구 자석 대신에 또는 영구 자석과 조합하여, 자속을 생성하기 위해 전자석이 사용될 수 있다.

회전자의 회전축을 중심으로 고정자 모듈이 배치되는 것은 회전 대칭인 것이 바람직하다.

회전자는 예컨대 외부에서 고정자를 빙 둘러 또는 고정자의 내부에 배치될 수 있다.

바람직하게는, 풍력 또는 수력 에너지 장비의 프로펠러는 발전기의 회전자와 회전 가능하게 고정되어(rotationally fixed) 결합한다. 회전자와 프로펠러 사이의 기어 박스는 생략될 수 있어서, 중량 및 비용이 최소화된다.

다상의 전류 생성, 예컨대 3상의 전류 생성이 가능하려면, 고정자의 고정자 모듈들의 배열의 회전 대칭각 및 회전자상에서 자기 회로의 위치적 분포의 회전 대칭각이 서로 상이한 경우가 유리한 것으로 간주한다. 회전 대칭각차는 고정자 및 회전자상에 서로 다른 극 피치(pole pitch)를 야기함으로써, 다상 체계를 위한 전기 전류가 생성될 수 있다.

물론, 고정자의 회전 대칭각 및 회전자의 회전 대칭각은, 단일의 전류- 및 전압위상만이 생성되어야 하는 경우에, 동일할 수 있다.

바람직하게는, 회전자는 고정자를 향해 있는 상기 회전자의 표면에서 외향 방사형으로 연장된 치형부(teeth)를 포함한다. 치형 구조 또는 치형 프로파일을 이용하면, 특히 간단한 방식으로, 회전자의 각각의 회전각에 의존하는 자기 저항이 회전자의 표면에 야기될 수 있다. 회전자의 표면측의 치형부는 바람직하게는 자기 저항이 낮은 물질로 구성되는데, 즉 자기장의 인가 시 큰 자속을 야기하는 물질로 구성된다. 치형부를 위해 적합한 물질은 예컨대 강자성 물질인데, 상기 강자성 물질은 매우 높은 상대 투자율(relative permeability)을 가지기 때문이다.

고정자의 인접한 치형부들 사이의 간극은 예컨대 전체가 또는 부분적으로, 상기 치형부의 물질보다 더 큰 자기 저항을 가지는 물질로 채워질 수 있다. 예컨대, 인접한 치형부들 사이의 간극은 플라스틱 또는 수지로 채워질 수 있다.

그러나, 인접한 치형부들 사이의 간극이 자유롭게 유지되는 것이 특히 유리한 것으로 간주되는데, 회전자의 회전 시 노출된 치형부는 고정자와 회전자 사이의 공극 내에서 난기류(air turbulence)를 야기함으로써, 회전자 및 고정자의 냉각이 일어나기 때문이다.

특히 바람직하게는, 각각의 고정자 모듈은 각각 하나의 플럭스 가이딩 부재를 포함하고, 상기 부재는 적어도 하나의 고정자측 코일을 관통하며, 이 때 코일 영역 내에서 플럭스 가이딩 부재의 횡단면은 고정자측 자석의 횡단면보다 더 작다.

횡단부가 이와 같이 형성될 때, 고정자측 코일의 영역 내에서 집속(flux concentration)이 발생한다.

이에 상응하는 방식으로, 코일 영역 내에서 플럭스 가이딩 고정자측 부재는 상기 부재의 레그 말단들(leg ends)의 영역에서보다 더 작으며, 상기 레그 말단들은 회전자와의 교차점을 형성한다. 이러한 형성예에서도, 코일 영역 내에서 집속이 발생하는데, 그러나 회전자와 고정자 사이의 교차점에서는 공극 필드(air gap field)가 영향을 받을 수 있다.

가능한 한 최적의 방식으로 필드 라인들을 고정자를 통해 안내하기 위해, 자기 회로의 고정자측 부분들은 각각 적어도 하나의 자속 제한부를 구비할 수 있고, 자속 제한부는 각각의 고정자측 부분의 나머지 물질보다 더 큰 비자기 저항(specific magnetic resistance)을 가진다. 이와 같은 자속 제한부는 필드 라인 진행을 변형하는데, 필드 라인들은 자속 제한부를 통과할 수 없거나 불량한 정도로만 통과할 수 있고 따라서 (적어도 주로) 자속 제한부를 빙 둘러 진행해야 하기 때문이다.

또한, 고정자측 자석 또는 고정자측 자석들은 플럭스 가이딩 고정자측 물질 내에 매립된 것이 유리한 것으로 간주된다.

프로펠러 회전수에 의존하는 발전기 출력 전압 및 출력 주파수의 변환을 위해, 바람직하게는 컨버터가 사용된다.

또한, 무엇보다도 코깅 토크(cogging torque)를 줄이고, 음향 발생에 긍정적으로 영향을 미치기 위해, 일 방향으로 또는 - 예컨대 매 절반 마다 - 양 방향으로 회전자 구조의 경사짐(화살형 경사짐)이 제공될 수 있다.

이하, 본 발명은 실시예에 의거하여 더 상세히 설명된다;

도 1은 에너지 전송망에 연결된 본 발명에 따른 풍력 에너지 장비를 포함한 조립체의 실시예를 예시적으로 도시한다.
도 2 내지 도 19는 도 1에 따른 풍력 에너지 장비를 위한 발전기의 고정자 모듈에 대한 다양한 실시예들을 예시적으로 도시한다.
도 20은 도 1에 따른 풍력 에너지 장비를 위한 회전자의 경사진 치형부의 실시예를 예시적으로 도시한다.
도 21은 도 1에 따른 풍력 에너지 장비를 위한 회전자의 경사진 치형부의 다른 실시예를 예시적으로 도시한다.

도면에서는 개관상의 이유로 동일하거나 유사한 구성요소는 항상 동일한 참조번호를 사용한다.

도 1에서는 에너지 전송망(20)에 연결된 풍력 에너지 장비(10)를 포함한 조립체가 확인된다. 풍력 에너지 장비(10)는 풍력 에너지를 전기 에너지로 변환하고, 전기 에너지를 에너지 전송망(20)에 공급한다.

풍력 에너지 장비(10)는 복수 개의 날개(40)를 구비할 수 있는 프로펠러(30)를 포함한다. 도 1에 따른 실시예에서, 프로펠러(30)는 3개의 날개를 포함하나, 물론 프로펠러(30)는 그보다 적거나 더 많은 날개를 포함할 수 있다.

프로펠러(30)는 축(50)을 중심으로 회전하며, 축은 풍력 에너지 장비(10)의 발전기(60)와 연결된다. 풍력 작용에 의해 프로펠러(30)가 축(50)을 중심으로 회전운동하면, 발전기(60)는 전기 전류(I)를 생성하고, 전기 전류는 에너지 전송망(20)에 공급된다.

도 2는 발전기(60)를 위한 가능한 실시예를 부분도로 예시적으로 도시한다. 도 2에서는, 더 이상 도시되지 않은 다른 고정자 모듈들과 함께 발전기(60)의 고정자를 형성하는 고정자 모듈(100)이 확인된다. 또한, 더 이상 도시되지 않은 발전기(60)의 회전자의 부분(110)이 도시되어 있다.

도 2에서 120이란 참조번호로 표시된 자기 회로는 고정자측에서 고정자 모듈(100)의 플럭스 가이딩 부재(125), 고정자 모듈(100)의 모듈 고유의 자석(130) 및 고정자 모듈(100)의 2개의 모듈 고유의 코일들(140, 141)을 포함한다. 모듈 고유의 코일들(140, 141)은 적어도 자속의 일부에 의해 관류되며, 상기 자속 부분은 모듈 고유의 자석(130)에 의해 발생한다. 고정자 모듈(100)의 플럭스 가이딩 부재(125)는 고정자 모듈(100)의 자성 요크라고도 할 수 있다.

자기 회로(120)는 또한 회전자(110)의 부분도 포함한다. 회전자(110)의 부분은 자기 저항(Rm)을 형성하고, 상기 저항은 고정자에 대해 상대적인 회전자의 각각의 회전각에 따라 좌우된다. 그러므로, 도 2에서는, 회전자(110)가 치형부(150)를 포함하고, 상기 치형부가 낮은 자기 저항을 형성하는 것을 확인할 수 있다. 치형부(150)는 틈새(160)에 의해 서로 분리되며, 틈새는 치형부(150)에 비해 더 큰 자기 저항을 형성한다. 이제 회전자(110)가 고정자 모듈(100)에 대해 회전되면, 자기 회로(120)를 위해 전체 자기 저항은 주기적으로 달라지고, 항상, 고정자에 대해 상대적인 회전자의 각각의 회전각에 의존한다.

예컨대, 모듈 고유의 자석(130)이 일정한 자기장 세기를 생성한다는 점에서 출발하면, 자기 회로(120)를 통해 흐르는 자속은 회전자의 각각의 위치에 따라 좌우된다. 도 2에 도시된 바와 같이 회전자(110)가 정렬되면, 자기 회로(120) 내에서의 자속은 최대일 것이다. 반면 회전자가 돌면, 자속은 더 낮아진다. 두 모듈 고유의 코일들(140, 141) 내에서 자속 변경에 의해, 두 코일들의 도체 말단에는 유도된 전압이 발생하고, 상기 전압은 전기 에너지로서 도 1에 따른 에너지 전송망(20)에 방출될 수 있다.

또한 도 2로부터, 고정자 모듈(100)의 플럭스 가이딩 부재(125)가 그 횡단부가 U형으로 형성되고, 2개의 레그 말단들(200, 210)을 포함하며, 상기 레그 말단들이 회전자(110) 내에서 치형부(150) 또는 틈새(160)와 연동한다는 것을 추론할 수 있다. 플럭스 가이딩 부재(125)의 횡단부가 U형으로 형성되는 것은 여기서 예시적으로만 이해할 수 있다; 물론 플럭스 가이딩 부재(125)는 다른 형태를 가질 수도 있으며, 이는 이하에서 계속하여 다른 실시예와 연관하여 더 설명되는 바와 같다.

회전자의 매끄러운 표면을 얻기 위해, 틈새(160)는 치형부(150)와 상이한 자기 저항을 가지는 물질로 채워질 수 있다. 예컨대, 틈새(160)는 플라스틱 또는 수지로 채워질 수 있다.

한편, 틈새(160)가 공기로만 채워져서, 회전자의 회전 시 회전자와 고정자 사이의 틈새 내에 난기류가 발생하고, 회전자뿐만 아니라 고정자도 틈새바람에 의해 냉각되는 경우가 특히 유리한 것으로 간주된다.

모듈 고유의 자석(130)은 영구 자석 또는 전자석을 가리킬 수 있다.

도 3은 고정자 모듈(100)의 가능한 형성 방식을 위한 다른 실시예를 도시한다. 도 3에 따른 실시예에서, 고정자 모듈(100)의 모듈 고유의 자석(130)은 플럭스 가이딩 부재(125)의 물질 내에 매립된다. 그 외에, 도 3에 따른 실시예는 도 2에 따른 실시예에 상응한다.

도 4는 2개의 모듈 고유의 자석(130, 131)이 존재하는 고정자 모듈(100)의 실시예를 예시적으로 도시한다. 두 모듈 고유의 자석은 U형으로 형성된 플럭스 가이딩 부재(125)의 레그 말단(200, 210)에 위치한다. 그 외에, 도 4에 따른 실시예는 도 2, 도 3에 따른 실시예와 상응한다.

도 5에 도시된 고정자 모듈(100)의 실시예에서, 모듈 고유의 코일들(140, 141)의 영역에서 플럭스 가이딩 모듈 고유의 부재(125)는 레그 말단(200, 210)의 영역에서보다 더 작은 횡단면을 가진다. 바람직하게는, 회전자 내에서 치형부(150)의 형상은 레그 말단(200, 210)의 형상 및 횡단부에 맞춰진다; 예컨대 레그 말단의 횡단부와 치형부(150)의 횡단부는 동일하다.

도 6에 도시된 발전기(60)의 고정자 모듈(100)의 실시예에서도, 마찬가지로 모듈 고유의 코일들(140, 141)의 영역 내에서 집속(flux concentration)이 이루어진다. 그러므로, 모듈 고유의 코일들(140, 141)의 영역 내에서 플럭스 가이딩 고정자측 부재(125)는 플럭스 가이딩 부재(125)의 활형 영역(126) 내에서보다 더 작은 횡단부를 포함한다.

도 7은 도 4 및 도 5에 따른 실시예의 일종의 조합을 나타내는, 고정자 모듈(100)의 실시예를 예시적으로 도시한다. 도 7에서는 2개의 모듈 고유의 자석(130, 131)이 확인되며, 상기 자석은 플럭스 가이딩 고정자측 부재(125)의 레그 말단(200, 210)에 배치된다. 또한, 레그 말단들(200, 210)의 횡단부 또는 모듈 고유의 자석(130, 131)의 횡단부는 두 모듈 고유의 코일들(140, 141)의 영역 내에서 플럭스 가이딩 고정자측 부재(125)의 횡단부보다 더 크다는 것을 알 수 있다.

도 8에는 고정자 모듈(100)의 실시예가 도시되어 있는데, 상기 실시예에서고정자 모듈(100)의 플럭스 가이딩 부재(125)는 빗(comb)의 방식으로 또는 빗의 형태로 형성된다. 바람직하게는, 플럭스 가이딩 부재(125)는 내향적으로 방사형인 레그를 가진 활형의 빗을 가리키며, 상기 레그 중 도 8에서는 예시적으로 3개가 참조번호 300, 301, 302로 표시된다.

도 8에 따른 실시예에서, 고정자 모듈(100)의 극 피치 및 회전자의 극 피치는 동일함으로써, 모듈 고유의 코일들(140, 141, 142) 내에서 유도된 전압은 동일한 위상을 가지거나, 180란 위상 천이(phase-shift)를 포함한다. 모듈 고유의 코일들이 적절하게 회로화됨으로써, 단일 위상 에너지 전송 시스템을 위한 전압 및 전류가 생성될 수 있다.

도 9에 따른 실시예에서, 고정자 모듈(100)의 플럭스 가이딩 고정자측 부재(125)도 마찬가지로 일종의 빗과 같은 구조를 가진 활형 부재로 형성되며, 이는 이미 도 8과 관련하여 설명된 바와 같다. 그러나, 도 8에 따른 실시예와 달리, 고정자와 회전자 사이의 극 피치는 동일하지 않아서, 모듈 고유의 코일들(140, 141, 142) 내에 유도된 전압은 상호간의 위상 천이를 포함하며, 이러한 위상 천이는 고정자와 회전자 사이의 극 천이에 좌우된다. 이러한 천이에 의해, 예컨대 3상과 같은 다상의 전류 및 전압이 특히 3상과 같은 다상의 에너지 전송 시스템을 위해 생성될 수 있다.

도 10에는 고정자 모듈(100)을 위한 실시예가 도시되어 있는데, 상기 실시예에서 모듈 고유의 자석(130, 131, 132)은 고정자 모듈(100)의 플럭스 가이딩 고정자측 부재(125)의 레그(300, 301, 302)의 종 방향을 따라 정렬된다. 상기 형성예에서, 고정자에 대해 상대적인 회전자의 상대 회전 시, 레그의 내부에서 필드 라인 방향의 변화 및 그로 인하여 모듈 고유의 코일들(140, 141, 142)에 유도된 전기 전압의 위상 변화가 일어난다.

도 11은 고정자 모듈(100)을 위한 실시예를 도시하는데, 상기 실시예에서 플럭스 가이딩 고정자측 부재(125)의 레그(300, 301, 302) 내에 자속 제한부(400)가 통합되고, 상기 자속 제한부는 매우 높은 자기 저항을 가진다. 자속 제한부(400)의 기능은, 플럭스 가이딩 고정자측 부재(125)의 내부에서 자성 필드 라인을 적합한 방식으로 안내하되, 가능한 한 높은 효율이 달성되도록 안내하는 것이다.

도 12, 도 13에는 일 실시예에 의거하여, 고정자 모듈들(100)이 어떻게 하나의 완전한 고정자(500)로 구성될 수 있는가가 도시되어 있다. 각각의 고정자 모듈(100)은 각각 2개의 고정핀(510)을 포함하고, 상기 고정핀을 이용하여 고정자 모듈은 각각 인접한 고정자 모듈과 예컨대 조임에 의해 결합할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 고정핀(510)상에는 도 13에 암시되며 참조번호 520으로 표시된 고정링이 안착할 수 있고, 상기 고정링의 링 직경은 고정자(500)의 직경과 일치한다.

그 밖에도, 도 12, 도 13에서, 고정자 모듈(100)이 각각 2개의 외부 링 세그먼트(530, 540)를 포함할 수 있고, 링 세그먼트는 외부에서 고정자 모듈(100)의 플럭스 가이딩 부재 또는 자성 요크(125)상에 안착한다는 것을 알 수 있다. 제1외부 링 세그먼트(530) 내에 예컨대 모듈 고유의 냉각 장치가 통합될 수 있으며, 상기 냉각 장치는 간접적 또는 직접적으로, 회전자와 다른 방향을 향해 있는 자성 요크(125)의 요크 외측에 배치된다.

제1 외부 링 세그먼트(530)상에 안착한 외부 제2 외부 링 세그먼트(540) 내에 예컨대 컨버터 또는 정류기가 통합될 수 있고, 이들은 모듈 고유의 코일 또는 코일들로부터 전달된 교류 전압을 변류하거나 정류하고, 모듈 고유의 출력 전압으로서 모듈 고유의 교류 전압 또는 직류 전압을 생성한다. 도 13에 따른 실시예에서, 컨버터 또는 정류기는 회전자(110) 및 자성 요크(125)와 다른 방향을 향해 있는 제1링 세그먼트(530)의 외측에, 그리고 요크 외측과 다른 방향을 향해 있는 상기 모듈 고유의 냉각 장치의 외측에 배치된다. 냉각 장치는 유리한 방식으로 내부에 위치한 자성 요크(125)뿐만 아니라 외부에 위치한 컨버터 또는 정류기를 냉각시킨다.

도 14는 예시적으로 고정자 모듈(100)을 도시하는데, 상기 고정자 모듈은 각각 2개의 고정핀(510)을 구비하고, 모듈 고유의 냉각 장치가 통합된 외부 링 세그먼트(530)를 각각 포함한다. 냉각 장치는 각각 요크(125)의 요크 외측에 설치된다. 그러나 상기 실시예에는 컨버터 또는 정류기를 포함한 제2외부 링 세그먼트가 없다.

도 15는 더 이상 도시되지 않은 집게들과 상호 결합한 고정자 모듈(100)을 예시적으로 도시한다. 냉각 장치를 위한 외부 링 세그먼트 및/또는 정류기 또는 컨버터는 상기 실시예에 없다.

도 16은 모듈 고유의 자석(130) 및 모듈 고유의 코일(140)을 구비한 고정자 모듈(100)을 위해 가능한 실시 방식을 예시적으로 도시한다. 코일(140)은 외부의 전기적 연결부(600)를 포함하고, 이러한 연결부를 이용하여 고정자 모듈(100)은 다른 고정자 모듈과 전기적으로 접속될 수 있다.

도 17은 고정자 모듈(100)의 가능한 실시방식을 예시적으로 도시하는데, 상기 고정자 모듈에서 모듈 고유의 코일(140)의 전기적 연결부(600)에 모듈 고유의 정류기(610)가 연결된다. 정류기(610)의 다른 연결부(620)는 고정자 모듈(100)을 다른 고정자 모듈과 전기적으로 접속하는 역할을 한다.

도 18은 고정자 모듈(100)의 가능한 실시방식을 예시적으로 도시하는데, 상기 고정자 모듈에서 3개의 모듈 고유의 코일(140)의 전기적 연결부(600)에 모듈 고유의 컨버터(630)가 연결된다. 컨버터(630)는 모듈 고유의 정류기(640) 및 이후에 연결된 모듈 고유의 인버터(650)로 형성된다. 컨버터(630)의 외부 연결부(660)는 고정자 모듈(100)을 다른 고정자 모듈과 전기적으로 접속하는 역할을 한다. 또한, 고정자 모듈(100)은 냉각 장치를 포함하고, 냉각 장치는 참조번호 670으로 표시된다.

도 19에는 예시적으로, 도 1에 따른 발전기(60)를 형성하되, 회전자(110)가 외부에서 고정자 모듈(100)을 빙 둘러 움직일 수 있도록 형성하는 가능성이 도시되어 있다. 도 2 내지 도 18에 따른 모든 실시 변형예에서는 외부 회전자로서 형성될 수 있다.

도 20에는 예시적으로, 치형부(150)가 도 1에 따른 회전축(50)에 대해 반드시 평행하지 않아도 되는 것이 도시되어 있다. 그러므로, 도 20에 따른 실시예에서 회전자의 치형부(150)가 경사지게 연장된다; 왜냐하면 치형부(150)는 회전자의 회전축(50)에 대해 경사지거나 각지기 때문이다.

이에 상응하는 방식으로, 고정자 모듈(100)의 플럭스 가이딩 고정자측 부재 또는 부재들(125)의 레그는 발전기의 회전축(50)에 대해 경사지거나 각지게 정렬될 수 있다.

도 21은 예시적으로 경사부를 구비한 치형부의 형성 방식을 도시하는데, 이 때 치형부는 화살 경사를 포함한다. 각각의 치형의 부분은 회전축으로부터 멀어지면서 배향되는 반면, 이에 연결된 각 치형의 다른 부분은 다시 회전축을 향하여 배향되어, -회전축을 따라 볼 때- 치형 마다 종합적으로 화살표 형태의 구조물이 형성된다.

10 풍력 에너지 장비
20 에너지 전송망
30 프로펠러
40 날개
50 축
60 발전기
100 고정자 모듈
110 회전자
120 자기 회로
125 플럭스 가이딩 모듈 고유 부재
126 활형 영역 또는 바닥 영역
130 자석
131 자석
132 자석
140 고정자측 코일
141 고정자측 코일
142 고정자측 코일
150 치형부
160 틈새
200 레그 말단
210 레그 말단
300 레그
301 레그
302 레그
400 자속 제한부
500 고정자
510 고정핀
520 고정링
530 제1 링 세그먼트
540 제2 링 세그먼트
600 전기적 연결부
610 모듈 고유 정류기
620 외부 연결부
630 모듈 고유 컨버터
640 모듈 고유 정류기
650 모듈 고유 인버터
660 외부 연결부
670 냉각 장치
I 전류
Rm 저항

Claims (15)

1. 전기 에너지 생성을 위해 적어도 하나의 프로펠러(30) 및 적어도 하나의 발전기(60)를 포함하고, 발전기는 회전자(110) 및 고정자(500)를 포함하는 풍력 또는 수력 에너지 장비(10)에 있어서,
   고정자는 기계적 및 전기적으로 서로 무관한 적어도 2개의 고정자 모듈(100)로 형성되고, 고정자 모듈 각각은 회전자와 연동하며,
   고정자 모듈 각각은 적어도 하나의 모듈 고유의 자석(130), 적어도 하나의 코일(140)을 포함하고, 자석의 적어도 일부의 자속은 코일을 통해 흐르며, 고정자 모듈 각각은 회전자와 함께 하나의 모듈 고유 자석 회로(120)를 형성하고,
   각각의 고정자 모듈의 회전자와 고정자 간의 상대적인 이동이 발생되는 경우, 모듈 고유의 출력 전압이 생성되는 것을 특징으로 하는 풍력 또는 수력 에너지 장비(10).
2. 청구항 1에 있어서,
   고정자 모듈은 발전기의 다른 고정자 모듈과는 무관하게 각각 구성되고, 발전기 안에 설치될 수 있으며, 다른 고정자 모듈과는 무관하게 교체될 수 있는 것을 특징으로 하는 풍력 또는 수력 에너지 장비.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   고정자 모듈 각각은 하나의 실장 장치를 포함하고,
   실장장치를 이용하여 각각의 고정자 모듈과 회전자 사이의 간격은 모듈마다 조절 가능한 것을 특징으로 하는 풍력 또는 수력 에너지 장비.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   고정자 모듈 중 적어도 하나, 바람직하게는 모든 고정자 모듈은 모듈 고유의 냉각 장치(670)를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 또는 수력 에너지 장비.
5. 청구항 4에 있어서,
   고정자 모듈은 자기 요크(125)를 포함하고, 그리고
   모듈 고유의 냉각 장치는 간접적 또는 직접적으로 회전자와 다른 방향을 향해 있는 자기 요크의 요크 외측에 배치되는 것을 특징으로 하는 풍력 또는 수력 에너지 장비.
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
   고정자 모듈 중 적어도 하나, 바람직하게는 모든 고정자 모듈은 각각 컨버터 또는 정류기(610, 630, 640, 650)를 포함하고,
   컨버터 또는 정류기는 모듈 고유의 코일로부터 전달된 교류 전압을 변류하거나 정류하고, 모듈 고유의 출력 전압으로서 모듈 고유 교류 전압 또는 모듈 고유 직류 전압을 생성하는 풍력 또는 수력 에너지 장비.
7. 청구항 6에 있어서,
   컨버터 또는 정류기는 회전자 및 요크 외측과는 다른 방향을 향해 있는 모듈 고유 냉각 장치(670)의 외측에 배치되는 것을 특징으로 하는 풍력 또는 수력 에너지 장비.
8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
   고정자의 고정자 모듈들은 구성이 동일한 것을 특징으로 하는 풍력 또는 수력 에너지 장비.
9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
   회전자는 고정자 모듈을 향해 있는 회전자의 표면에서 각각의 회전각에 의존하는 자기 저항(Rm)을 가짐으로써, 고정자 모듈의 코일 내에서 자속의 크기는 회전자 각각의 회전각에 의존하며, 회전자가 회전할 시 변경되는 것을 특징으로 하는 풍력 또는 수력 에너지 장비.
10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    고정자 모듈의 자석은 영구 자석인 것을 특징으로 하는 풍력 또는 수력 에너지 장비.
11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    고정자 모듈의 배열은 회전자의 회전축을 중심으로 회전 대칭인 것을 특징으로 하는 풍력 또는 수력 에너지 장비.
12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    회전자는 고정자 모듈을 향해 있는 회전자의 표면에서 방사형으로 고정자 모듈의 방향으로 연장된 치형부(150)를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 또는 수력 에너지 장비.
13. 청구항 12에 있어서,
    인접한 치형부 사이의 간극에는 치형부의 물질보다 큰 자기 저항을 가지는 물질이 부분적으로 또는 전체적으로 채워지는 것을 특징으로 하는 풍력 또는 수력 에너지 장비.
14. 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서,
    회전자는 고정자를 빙 둘러서 외부에 배치되거나, 또는 고정자의 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 풍력 또는 수력 에너지 장비.
15. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    프로펠러는 발전기의 회전자와 회전 가능하게 고정되어 결합하는 것을 특징으로 하는 풍력 또는 수력 에너지 장비.

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