KR20130073839A - 풍력 에너지 설비용 전기 기계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고정 자려식 또는 타려식 2차 부분(21), 1차 부분 와인딩을 가진 고정 1차 부분(22), 자속 밀도를 변조하는 회전 가능하게 지지된 자기 변조기(23)를 포함하는 전기 기계(100)에 관한 것으로, 상기 자기 변조기(23)는 상기 2차 부분(21)과 상기 1차 부분(23) 사이에 배치되거나 또는 상기 1차 부분(23)은 상기 2차 부분(21)과 상기 자기 변조기(23) 사이에 배치된다.

Description

풍력 에너지 설비용 전기 기계{ELECTRIC MACHINE FOR A WIND ENERGY PLANT}

본 발명은 풍력 에너지 설비용 전기 기계에 관한 것이다. 물론, 상기 전기 기계는 다른 분야에서도 바람직하게 사용될 수 있고, 전류 발생을 위한 제너레이터로서 및 운동 발생을 위한 모터로서 사용될 수 있다.

기존의 대부분의 풍력 에너지 설비에는 고속 회전 제너레이터가 장착되고, 이 경우 풍력 휠의 상대적으로 느린 회전수를 제너레이터 회전수로 변환하기 위해 다단 트랜스미션이 사용된다. 또한, 트랜스미션 없이 풍력 휠에 결합된 제너레이터도 사용된다. 직접 구동 컨셉을 구현하기 위해, 제너레이터는 저속 회전하는 영구 여자식 4극 동기 기계로서 설계된다.

이러한 구성은 트랜스미션을 구비한 설비에 비해 중량을 현저히 증가시키는데, 그 이유는 제너레이터의 이차 부분(회전자)이 비교적 큰 직경을 갖고 예컨대 스포크(spoke)와 같은 중실의 연결 부재에 의해 구동 샤프트(풍력 휠의 허브)에 연결되기 때문이다. 직접 구동식 기계의 4극 자기 회로는 고속 회전하고 두 배의 에너지를 공급받는 4- 또는 6극의 비동기 기기계보다 현저히 큰 원주를 갖는다. 따라서 허브로부터 2차 부분으로 전달되어야 하는 훨씬 큰 회전 모멘트가 발생한다. 상기와 같은 영구 여자식 동기 기계의 예는 US 2004/0155537 A1호에 공지되어 있다.

본 발명의 과제는 회전 모멘트 전달이 개선되고 특히 중량이 절감될 수 있는 풍력 에너지 설비용 전기 기계를 제공하는 것이다.

상기 과제는 청구범위 제 1 항의 특징들을 포함하는 전기 기계에 의해 해결된다.

본 발명에 따라 청구범위 제 1 항의 특징을 포함하는 전기 기계가 제안된다. 바람직한 실시예들은 종속 청구항 및 하기 설명의 대상이다.

본 발명에 따른 조치는 자기 트랜스미션을 구조적으로 전기 기계와 결합하는 것이다. 전기 기계는 1차 부분 와인딩을 가진 고정 1차 부분, 고정 자려식 또는 타려식 2차 부분 및 회전하는 자기 변조기를 포함하고, 상기 변조기는 2차 부분에 의해 발생된 자기장을 변조한다. 이로 인해 1차 부분 와인딩 내의 유도 전압 및 주파수가 현저히 높아질 수 있다. 변조기는 1차 부분과 2차 부분 사이에 배치될 수 있고, 즉 2차 부분 - 변조기 - 1차 부분으로 배치된다. 대안으로서 2차 부분 - 1차 부분 - 변조기의 배치도 가능하다. 이로써 트랜스미션-제너레이터 유닛은 세 가지 기능을 하는 부품들만으로 충분하고, 상기 부품들 중 하나의 부품만 운동하면 된다. 이는 구조와 지지를 간단하게 한다.

자기 변조기는 교대하는 강자성 및 비강자성 부품으로 이루어진다. 바람직하게 변조기의 지지 구조 또는 프레임은 비강자성 재료, 예컨대 알루미늄으로 이루어진다. 지지 구조는 예컨대 적어도 2개의 비강자성 링을 포함할 수 있고, 상기 링들은 비강자성 브레이스에 의해 연결된다. 브레이스들 사이에 강자성 부품들이 바람직하게 홈-스프링-고정 방식으로 삽입될 수 있다. 변조기는 상기와 같은 다수의 지지 구조들로 이루어질 수도 있고, 상기 지지 구조들은 서로 연결되거나 또는 나사 결합된다.

전술한 (자기) 트랜스미션-제너레이터 유닛은 기계적 트랜스미션 장치에 의해 구동된다. 트랜스미션 장치의 구동 샤프트는 예컨대 풍력 에너지 설비의 또는 이와 유사한 것의 회전자에 의해 구동될 수 있다. 기계적 회전 모멘트 또는 출력 전달의 높은 힘 밀도는 자기적 회전 모멘트 또는 출력 전달과 결합된다. 통합된 자기 트랜스미션을 포함하는 전기 기계는 상기 조합에 의해 두 가지 기능을 충족한다: 먼저 자기 트랜스미션은 전기 기계(제너레이터로서 작동시)의 코일 와인딩에서 전압 및 주파수를 높이고, 매우 높은 효율을 가진 전기 에너지를 발생시키는데 이용되는데, 그 이유는 특히 옴 손실이 현저히 감소될 수 있기 때문이다.

강자성 및 비강자성 변조기 부품들의 개수와 배치를 적절히 선택함으로써, 제너레이터의 1차 부분 와인딩 내의 유도 전압의 진폭과 주파수가 의도대로 조절될 수 있다. 이 경우 기계적 및 자기적 변속비는, 트랜스미션-제너레이터 유닛의 전체 비용은 가능한 낮도록 설계될 수 있고, 이 경우 매우 높은 효율이 달성될 수 있다.

또한, 바람직하게 트랜스미션을 베어링 전류에 의한 손상으로부터 보호하기 위해, 트랜스미션과 전기 기계 사이에 전기 절연부가 삽입된다. 대안으로서 또는 추가로 트랜스미션은 예컨대 출력 샤프트에 있는 슬립 링에 의해 접지될 수 있다. 이로 인해 전위는 베어링 전류가 더 이상 발생하지 않도록 감소될 수 있다. 또한, 절연부는 커플링 내에 통합될 수 있다.

바람직한 실시예에 따라, 절연부는 플러그 커플링에 통합되고, 이 경우 절연 재료 예를 들어 엘라스토머로 코팅된 핀이 해당 홈에 삽입되거나 또는 절연 재료, 예컨대 엘라스토머로 라이닝 처리된 홈에 삽입된다. 이로 인해 동시에 높은 회전 모멘트를 전달할 수 있는, 전기 절연부를 포함하는 간단한 커플링이 제공될 수 있다.

기계적 트랜스미션과 트랜스미션-제너레이터 유닛의 조합은, 회전 모멘트, 중력 및 전기 기계의 다른 힘의 적어도 일부를 흡수하기 위해 추가로 기계적 트랜스미션의 하우징 구조를 이용하는 것을 가능하게 한다. 이로 인해 재료 및 조립 공간이 절약된다. 또한, 상기 조합은 기계적 트랜스미션의 적어도 하나의 출력 샤프트가 전기 기계에 의해 또는 그 반대로 지지되는 것을 가능하게 하므로 전체 장치에서 적어도 하나의 베어링 점이 생략될 수 있다.

출력 샤프트가 트랜스미션 장치의 헬리컬 기어 휠에 연결되고 및/또는 테이퍼 롤러 베어링에 의해 지지되는 경우, 축 방향 힘이 특히 양호하게 지지될 수 있다. 치형부의 나선각 및 테이퍼 롤러 베어링의 테이퍼 각의 선택이 그로 인한 축방향 힘을 저지하도록, 즉 상쇄하도록 이루어지면, 테이퍼 롤러 베어링의 선택시 더 작은 크기가 이용될 수 있고 따라서 비용이 절약될 수 있다. 이로 인해 구동 트레인에서 축방향 이동도 감소되고, 이는 소음 발생 및 마모에 긍정적으로 작용한다. 전체적으로, 헬리컬 기어 트랜스미션은 일반적으로 스퍼 기어 트랜스미션보다 소음이 더 작다.

출력 샤프트가 트랜스미션 장치의 스퍼 기어 휠에 연결되고 및/또는 실린더 롤러 베어링 또는 볼 베어링에 의해 지지되면, 이는 효율에 긍정적으로 작용한다.

유성 기어 장치 내의 선 기어 휠이 치형부에 대해 최적으로 정렬될 수 있게 하는 커플링이 유성 기어 장치와 전기 기계 사이에 삽입되는 것이 바람직하다. 제너레이터 단락의 경우 구동 트레인의 보호를 위해 적절한 설계시 자기 변조기는 슬립 커플링으로서 작동할 수 있고, 이로써 구동 트레인에 대한 부하가 현저히 감소될 수 있다. 이러한 경우에 자기 변조기의 자기 전도 부분들이 포화되므로, 전달 가능한 회전 모멘트가 제한된다.

기계적 트랜스미션을 향하지 않은 트랜스미션-제너레이터 유닛의 측면에 바람직하게 브레이크가 장착되고, 상기 브레이크는 장치를 제동하는데 이용된다.

모멘트 리플은 제너레이터의 적절한 작동에 의해, 특히 1차 부분 와인딩의 전기 결선에 의해 감소될 수 있다. 이는 1차 부분 와인딩 후방에 접속된 정류기(예컨대 트랜지스터 스위치를 가진 정류기)의 적절한 제어에 의해 이루어질 수 있다. 이는 구동 트레인 전체의 부하를 낮추고 트랜스미션-제너레이터 유닛의 소음 발생을 감소시킨다.

바람직하게 트랜스미션 장치는 다수의 트랜스미션 단, 특히 2개의 트랜스미션 단을 포함한다. 상기 트랜스미션 단은 직렬 또는 병렬로(동력 분기로서) 접속될 수 있다. 비동기식 동력 분기(예컨대 75:22)가 제공될 수 있고, 이 경우 바람직하게 트랜스미션 장치의 입력단은 제 2 단보다 높은 동력을 전달한다. 이로 인해 변속비, 특히 더 큰 변속비가 가능해지고, 상기 변속비는 제너레이터의 설계를 간단하게 한다.

사용된 전기 기계의 원리는 다양한 구조의 영구자석 여자식(즉 자려식) 및/또는 전기 여자식(타려식) 제너레이터, 방사형 자속 제너레이터 및/또는 축방향 자속 제너레이터 및/또는 횡자속 제너레이터 및/또는 직경 와인딩을 갖는 제너레이터 및/또는 초전도 제너레이터일 수 있다.

발전소, 특히 풍력 에너지 설비에서는 물론 파력, 조력 또는 수력 발전소에서 전류 발생을 위해 본 발명에 따른 전기 기계를 이용하는 것이 특히 바람직하다.

본 발명의 다른 장점들 및 실시예들은 상세한 설명 및 첨부된 도면에 제시된다.

전술한 특징 및 하기에 설명될 특징들은 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서 각각의 주어진 조합으로뿐 아니라 다른 조합으로도 또는 자체로 이용될 수 있다.

본 발명은 실시예에 의해 도면에 개략적으로 도시되고, 하기에서 도면을 참고로 상세히 설명된다.

도 1은 유성 기어장치를 포함하는 본 발명에 따른 전기 기계의 바람직한 제 1 실시예의 종단면도.
도 2는 도 1에 따른 전기 기계의 후면도.
도 3은 유성 기어장치 및 절연부를 포함하는 본 발명에 따른 전기 기계의 바람직한 제 2 실시예의 종단면도.
도 4는 전기 기계에 기계적 트랜스미션 장치를 커플링하는 절연부를 포함하는 플러그 커플링의 개략도.

도 1 내지 도 4에서 동일한 부재들은 동일한 도면부호를 갖는다. 본 발명에 따른 전기 기계의 바람직한 제 1 실시예의 종단면도 또는 횡단면도가 도시된 도 1 및 도 2는 관련되어 설명된다.

전기 기계 전체가 100으로 도시된다. 상기 전기 기계는 도시된 실시예에서 유성 기어장치(10)와 통합된(자기) 트랜스미션-제너레이터 유닛(20)을 포함하고, 상기 트랜스미션-제너레이터 유닛은 자기 트랜스미션의 기능과 전기 기계의 전류 발생 기능을 결합한다.

유성 기어장치(10)는 구동 샤프트(11)를 포함하고, 상기 구동 샤프트는 유성 기어 장치 단(12)을 구동시킨다. 구동 샤프트(11)는 브리지(11b)를 통해 유성 기어 장치 단(12)의 유성 기어 휠(12b)에 연결된다. 링 기어(12c)는 고정 배치되고, 선 기어 휠(12a)은 출력 샤프트(13)를 구동시킨다.

하기에는 전류 생성을 위한 방법이 설명된다.

전기 기계는 고정 2차 부분(21)과 고정 1차 부분(22)을 포함한다. 2차 부분은 도시된 실시예에서 타려식이고, 즉 영구자석 장치(21b)를 갖고, 상기 영구자석 장치는 자석 요크를 위한 강자성 캐리어 링(21a)에 배치된다. 도 2에 따른 실시예에서 2차 부분은 열 개의 극 쌍을 포함한다.

1차 부분(22)에 다수의 1차 부분 와인딩이 장착되고, 상기 와인딩에 자속 밀도의 변동에 의해 전류가 유도된다. 2차 부분(21)과 1차 부분(22) 사이에 이를 위해 자기 변조기(23)가 회전 가능하게 배치되고, 상기 변조기는 2차 부분(21)과 1차 부분(22) 사이의 자속 밀도를 변조한다. 자기 변조기(23)는 다수의 강자성 부재들(23a)을 포함하고, 이 경우 각각의 인접한 2개의 강자성 부재들(23a)은 비강자성 부재(23b)에 의해 분리된다. 강자성 부재들은 예컨대 철-니켈-합금으로 이루어지는 한편, 비강자성 부재들(23b)은 가장 간단한 경우에 공기로 이루어지지만, 예컨대 알루미늄과 같은 비강자성 재료로 이루어질 수도 있다.

바람직한 자기 변조기(23)를 간단하게 제공하기 위한 방법은 강자성 부재가 삽입되는 예컨대 알루미늄으로 이루어진 비강자성 프레임을 제공하는 것이다. 강자성 자석(23a)을 상기 프레임에 고정하는 것은 예를 들어 홈-스프링 조인트 방식으로 이루어질 수 있고, 이는 고정을 간단하게 한다. 프레임은 케이지 형태로 형성될수 있고, 2개의 링으로 이루어지고, 상기 링들 사이에 브레이스가 축방향으로 연장된다.

출력 샤프트(13)는 브리지(13a)를 통해 자기 변조기(23)에 연결된다. 따라서 변조기는 회전축(B)을 중심으로 회전한다.

이 실시예는 자속 밀도의 변동 빈도가 증가함으로써 1차 부분(22) 내의 유도 전압을 현저히 높인다. 이는 전기 기계의 전류 생성 부분, 특히 2차 부분(21)과 1차 부분(22)을 위한 콤팩트한 (좁고 긴)구조적 형상을 가능하게 하는데, 그 이유는 자속 밀도의 잦은 변동이 2차 부분 상의 상응하게 많은 개수의 극 쌍에 의해 달성될 필요가 없기 때문이다.

2차 부분이 외부에 배치되고, 변조기는 중앙에 배치되고, 1차 부분은 내부에 배치되는 도 1에 도시된 구조 외에, 1차 부분이 외부에, 변조기는 중앙에 그리고 2차 부분은 내부에 배치되거나, 변조기는 외부에, 1차 부분은 중앙에 그리고 2차 부분은 내부에 배치되거나 또는 2차 부분은 외부에, 1차 부분은 중앙에 그리고 변조기는 내부에 배치되는 구조도 바람직하다.

도 3은 본 발명에 따른 전기 기계의 바람직한 제 2 실시예의 종단면도를 도시한다. 도 4는 도 3에 도시된 바와 같은 전기 기계에 기계적 트랜스미션 장치를 커플링하는 절연부를 포함하는 바람직한 플러그 커플링을 개략적으로 도시한다. 커플링은 다른 실시예, 특히 도 1 및 도 2에 따른 실시예에도 바람직하게 사용될 수 있다.

도 3에 따른 전기 기계와 도 1 및 도 2에 따른 전기 기계의 차이점은 실질적으로 트랜스미션-제너레이터 유닛(20)의 다른 배치이다. 상기 트랜스미션-제너레이터 유닛은 도 3에서 도 1과 달리 트랜스미션 장치(10)를 둘러싸는 것이 아니라, 상기 트랜스미션 장치 옆에 배치된다. 이로 인해 설비의 길이가 연장되는 동시에 전체 직경은 감소된다.

도 3에는 전기 기계의 특수한 실시예와 무관하고 서로 무관한 3개의 다른 특징들이 도시된다. 상기 특징들은 도 1 및 도 2에서도 구현될 수 있다.

도 3에 따른 실시예에서 유성 기어 장치(12)의 선 기어 휠(12C)은 헬리컬 기어 방식이다. 이로 인해 예컨대 풍력에 의해 구동 샤프트(12)에 작용하는 (특히 가변적) 축방향 힘이 더욱 양호하게 지지될 수 있다. 또한, 헬리컬 기어 맞물림은 소음을 감소시킨다.

또한, 트랜스미션 장치(10)의 출력 샤프트(13)는 테이퍼 롤러 베어링에서 지지되므로, 풍력 에너지 설비에서 특히 구동 샤프트(11)에 대한 풍압에 의해 야기되는 축방향 힘도 양호하게 지지될 수 있다.

또한, 트랜스미션 장치(10)와 트랜스미션-제너레이터 유닛(20) 사이에 전기 절연 커플링(40)이 배치되고, 상기 커플링은 한편으로는 트랜스미션 장치(10)를 자기 트랜스미션-제너레이터 유닛(20)과 전기 절연하므로 해로운 베어링 전류를 저지하고, 이 경우 높은 회전 모멘트가 전달될 수 있고, 상기 커플링은 다른 한편으로는 트랜스미션 장치(10)와 트랜스미션-제너레이터 유닛(20) 사이의 신속하고 간단하게 형성 가능하고 분리 가능한 결합을 제공한다. 이는 특히 장착 및 유지보수에 바람직하다.

커플링(40)은 하기에서 도 4를 참고로 자세히 설명된다.

커플링(40)은 플러그 커플링으로서 형성되고, 상기 플러그 커플링에서 제 1 커플링 부재(50)는 제 2 커플링 부재(60)에 삽입된다. 제 1 커플링 부재(50)는 특히 출력 샤프트(13)에 고정될 수 있고, 제 2 커플링 부재(60)는 브리지(13a)에 고정될 수 있다.

제 1 커플링 부재(50)는 핀(51)을 포함하고, 상기 핀은 제 2 커플링 부재(60)의 상응하는 홈(61)에 삽입된다. 전기 절연을 위해 핀(51)은 전기 절연 재료(52), 특히 고무 같은 엘라스토머로 코팅된다.

커플링(40)은 쉽게 폐쇄 및 분리될 수 있고, 커플링된 부품들을 서로 전기 절연하고, 높은 회전 모멘트를 전달할 수 있다.

10 트랜스미션 장치
20 트랜스미션-제너레이터 유닛
21 2차 부분
22 1차 부분
23 변조기
40 커플링
100 전기 기계

Claims (15)

1. 고정 자려식 또는 타려식 2차 부분(21), 1차 부분 와인딩을 가진 고정 1차 부분(22), 자속 밀도를 변조하는 회전 가능하게 지지된 자기 변조기(23)를 포함하는 전기 기계(100)로서,
   상기 자기 변조기(23)는 상기 2차 부분(21)과 상기 1차 부분(23) 사이에 배치되거나 또는 상기 1차 부분(23)은 상기 2차 부분(21)과 상기 자기 변조기(23) 사이에 배치되는 전기 기계.
2. 제 1 항에 있어서, 구동 샤프트(11) 및 출력 샤프트(13, 15)를 가진 트랜스미션 장치(10)가 제공되고, 상기 출력 샤프트는 상기 자기 변조기(23)와 연결되는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 트랜스미션 장치(10)는 기계적 트랜스미션, 특히 유성 기어 장치(12) 및/또는 스퍼 기어 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 트랜스미션 장치(10)와 상기 자기 변조기(23) 사이에 전기 절연부가 배치되는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 변조기(23)는 인접하게 배치된 다수의 강자성 부재들(23a)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
6. 제 5 항에 있어서, 인접한 2개의 강자성 부재(23a)는 비강자성 부재(23b)에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 2차 부분(21)은 상기 변조기가 갖는 강자성 부재(23a)보다 적은 수의 자기 극 쌍을 갖는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
8. 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 절연부는 상기 트랜스미션 장치(10)의 상기 출력 샤프트(11)를 상기 자기 변조기(23)에 연결하기 위한 커플링(40)에 통합되는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 커플링(40)은 플러그 커플링으로서 형성되고, 절연 재료(52), 예컨대 엘라스토머로 코팅된 핀(51)이 해당 홈(61)에 삽입되거나 또는 상기 핀은 절연 재료, 예컨대 엘라스토머로 라이닝 처리된 홈에 삽입되는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
10. 제 2 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2차 부분(21), 상기 1차 부분(22) 및 상기 자기 변조기(23)는 각각 실린더 형태로 형성되고, 상기 트랜스미션 장치(10)를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
11. 제 2 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 변조기(23)는 상기 출력 샤프트(13;15)와 함께 지지되는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
12. 제 2 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출력 샤프트는 상기 트랜스미션 장치(10)의 헬리컬 기어 휠에 연결되고 및/또는 테이퍼 롤러 베어링(30)에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
13. 제 2 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 트랜스미션 장치는 동축 트랜스미션을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
14. 제 2 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출력 샤프트는 접지에 특히 슬립 링을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 전기 기계(100)를 포함하는 발전소, 특히 풍력 에너지 설비.

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