KR20160092470A - 직접구동 영구자석 풍력발전기, 시스템 및 그 고정자 - Google Patents

직접구동 영구자석 풍력발전기, 시스템 및 그 고정자 Download PDF

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KR20160092470A
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Abstract

본 발명은 직접구동 영구자석 풍력발전기, 시스템 및 그 고정자를 제공하며, 고정자는 고정자 지지체, 고정자 지지체의 외주벽에 구비되는 고정자 철심 및 프로펠러 측 치형 지지물을 포함하고, 상기 프로펠러 측 치형 지지물은 상기 고정자 철심의 프로펠러 측 축방향 단면에 구비되며, 상기 고정자 지지체의 외주벽에는 적어도 하나의 제1기공이 형성되어 있고 상기 프로펠러 측 치형 지지물에는 적어도 하나의 제2기공이 형성되어 있으며, 상기 고정자는 상기 제1기공과 상기 제2기공을 연통하는 적어도 하나의 기체통로를 더 포함하며, 상기 기체통로는 상기 고정자 철심의 내부를 통과한다. 본 발명의 실시예는 고공 풍력발전기의 고정자, 회전자 내부에서 '마이크로 양압'기술을 사용하여 발전기가 자기적응적으로 자신을 건조할 수 있도록 하고, 외부의 악렬한 기류가 발전기 내부로 들어가는 것을 차단하며, 영구자석 자극의 사용수명을 연장하고, 발전기 내부 소자의 '절연 레벨의 저감'을 방지하며, 발전기가 악렬한 기류의 침입을 받는 리스크를 저감하며, 절연 신뢰성을 향상한다.

Description

직접구동 영구자석 풍력발전기, 시스템 및 그 고정자{PERMANENT MAGNET DIRECT-DRIVEN WIND POWER GENERATOR AS WELL AS SYSTEM AND STATOR THEROF}
본 발명은 풍력기술분야에 속하며, 구체적으로 직접구동 영구자석 풍력발전기, 시스템 및 그 고정자에 관한 것이다.
종래기술에서, 개폐형 직접구동 영구자석 외부 회전자 풍력발전기는 자연 공기 냉각에 의거하고 개폐형 구성은 자연 통풍 열교환에 유리하며 영구자석자료를 자극으로 사용하여 온도가 표준을 초과하여 올라가 자성이 저감되는 것을 방지하는데 유리하나 발전기가 일반적으로 극히 악렬한 환경(바람, 서리, 비, 눈, 모래먼지, 염수분무 등) 조건에 노출된다.
1. 습한 환경에서 발전기 내부 수분의 내원 및 그 위해
(1) 수분의 내원
습한 환경은 정상적인 환경에 비해, 비, 눈이 발전기 내부로 들어가기 쉬운바, 귀납하면 수분의 내원은 주로 아래의 몇가지가 있다.
옥외에서 작동되는 기관실 외부의 풍력발전기는 비와 눈이 녹은 후의 눈물에 직접 노출되어 소량의 수분은 발전기의 회전에 의해 환형 갭으로 부터 발전기 내부로 들어가며, 습한 날씨에서 발전기가 작업을 정지한 후, 습한 공기는 발전기 내부로 들어가 이슬이 맺히며, 작동을 장시간 정지한 발전기는 습한 공기의 진입으로 인해 습기가 차서 이슬이 맺히기 쉬우며, 악렬한 환경에서 작동되는 풍력발전기는 또한 비눈물에 침포되는 등 사고(배수구멍이 막힘)로 인해 수분이 들어가며, 발전기의 생산과정에서 공정요구에 따르지 않고 프리베이크하거나 딥 코팅 후 베이크가 철저하지 않아 절연 모세관 공극에 수분이 잔류되는 등.
(2) 발전기 절연이 습기가 차기 쉬운 원인
해당 부분은 주로 논문 《發展机容易受潮的原因分析(발전기 절연이 습기가 차기 쉬운 원인 분석)》(작가：
Figure pat00001
(QI Yu-fu), 잡지이름：大机技年, 권(기)：2009 (4))을 인용하여 설명하도록 한다.
공냉식 발전기는 작동을 정지한 상태에서 절연에 습기가 차기 쉬우며 주로 누설전류가 현저히 증가되고 절연 저항이 현저히 저감되는 데서 표현된다. 규정에 따르면, 절연 저항이 일정한 수치로 감소되면 작동을 허용하지 않으며 반드시 건조처리를 진행하여야 한다.
공냉식 발전기의 절연이 습기가 차기 쉬운 것은 그 작동상태 및 구성에 의해 결정된다. 발전기의 절연은 고체 절연 매체를 사용할 수 밖에 없으므로 철심 슬롯에 끼워 배치되며, 변압기처럼 절연유에 잠글 수도 없고 가스절연개폐장치 GIS처럼 SF6으로 충만된 밀페 금속 하우징에 밀봉될 수도 없으며, 발전기의 절연은 공기에 노출될 수 밖에 없다. 정상적인 작동과정에서, 발전기 철심, 권선에 의해 생성된 열량은 유동되는 공기에 의해 제거하여야 한다. 발전기의 열발생과 산열이 평형을 이루는 경우, 발전기 철심, 권선의 온도는 일정한 수치 범위 내에 유지된다. 발전기가 정상적으로 작동되는 경우, 자연 공기 냉각에 의한 외부 회전자 직접구동 영구자석 발전기의 내부도 자연계에서 침입한 공기에 의해 냉각 매질의 역할을 한다. 철심, 권선의 온도는 냉각 매질인 공기의 온도보다 높게 되며, 발전기가 작동을 멈춘 후, 철심, 권선의 온도는 점차 내려가며, 공극, 에어 갭 내 공기의 가열되면 팽창하고 냉각되면 수축하는 작용에 의해, 압력 평형을 이루도록 발전기 내부로 대량의 공기가 들어간다. 이때, 절연은 공기 중의 수분을 흡수하여 습기가 차며, 장마철에는 비가 멎은 후 공기 습도가 더 높아 발전기 절연이 습기 차는 정도는 더 심하다. 발전기 절연에 습기가 찬 후, 누설전류는 정상치의 수십배 심지어 수백배로 되며, 절연저항은 정상치의 몇십분의 하나이다. 데이터 분석에서 보면, 발전기 절연은 습기가 찬 정도가 매우 엄중하며 건조처리를 거치지 않으면 작동할 수 없다. 발전기 절연의 습기가 찬 정도가 매우 엄중하다는 것은 절연의 테스트 데이터 측면에서 말하는 것이다. 사실상, 절연에 습기가 차는 초기에는 표면만 수분을 흡착하였을 뿐 절연 내부는 아직 습기가 차지 않았으며 절연이 물에 침지된 것에 비해 절연 표면의 수분은 미량인바, 건조하기도 많이 쉽다.
발전기의 절연은 공기습도가 매우 큰 경우, 습기가 차서 절연저항의 감소를 초래하는데 매우 짧은 시간이 소요되며 1일 심지어 몇시간이다. 이는 비 오는 날에는 반드시 비물이 발전기 내로 들어가는 것을 억제하거나 비가 내린 후 발전기 내 습한 공기를 제거할 것을 요구한다. 기준은 아래와 같이 명문으로 규정하였다. 절연저항이 불합격이면 발전기 작동에 사고가 나지 않는 것을 보장할 수 없으며 만일의 경우 사고가 발생하면 필연코 엄청난 경제적 손실을 초래한다. 반드시 건조처리를 거쳐 합격된 후 작동하여야 한다.
(3) 발전기 내부에 존재하는 수분이 일으키는 위해
발전기에 있어서, 양호한 절연은 발전기가 안전하게 작동하는 전제 조건이며, 고정자 권선 중 슬롯 절연, 층간 절연, 상간 절연이든지 아니면 밴디지 및 전원 인출선의 외층이든지 모두 대량의 모세관 공극이 존재하여 공기 중의 습기를 흡수하기 매우 쉬우며 자신이 절연성능을 저감하고 절연 열전도성이 차해지게 하며 절연 파괴를 일으켜 나아가 발전기를 손상시키며 인간, 장치의 안전사고를 초래한다. 상대습도가 높으면 표면에 수막을 응축 부착하기 쉬우며 습도가 95% 이상인 경우, 발전기 내부는 흔히 물방울이 응집되어 금속부재들이 부식되기 쉽고 그리스에 습기가 차 변질하며 어떤 절연자료는 습기가 차서 팽창하고 어떤 것은 나룬해 지거나 진득진득해 지며 기계적 및 전기적 성능이 악화되어 절연파괴 및 연면방전이 발생하기 쉽다. 또한, 고습 환경에서, 곰팡이가 자라기 쉬운데 곰팡이의 분비물은 금속과 절연재료를 부속할 수 있으므로 절연을 신속히 악화시키고 회로 단락 사고를 일으킨다.
2. 종래기술의 종합분석
(1) 종래기술에서 흔히 보는 건조방식
해당 부분은 논문《發展机定子受潮的干燥理(발전기 고정자 권선 절연 뎀프의 현장 건조처리)》(작가:
Figure pat00002
,[중도분류번호] TM31l [문헌식별번호] B [문장번호] 1004-7913(2009)04-0013-02) 중의 내용을 참조하여 설명한다.
발전기 고정자 권선은 습기가 찬 후, 부동한 냉각방식, 부동한 용량 및 습기가 찬 정도가 부동한 발전기에 대해, 건조처리를 진행할 때 적용되는 방법도 각자 부동하며, 현재 현장에서는 흔히 아래의 몇가지 건조방법을 사용한다. (a) 고정자 철손 건조법 해당 방법은 대형 발전기 특히 작동과정에서 보수를 진행하는 발전기에 대해 실제적으로 조작성이 없다. (b) 전류인가 건조법 회전자 코일에 전류를 인가하여 동손에서 생성된 열량으로 회전자 권선을 가열한다. 현장 용량의 제한을 받아 교류가열방법을 적용하기 매우 어려우므로 일반적으로 직류전류를 적용하여 가열한다. 이 방법은 발전기 3상권선을 직렬연결하여야 하며, 경우에 따라 분기를 풀어 다시 하나의 회로로 직렬연결할 수도 있다. 대형발전기의 전류는 비교적 크며 일반적으로 권선 분기에 따라 직류를 인가한다. 전원은 전기 베어링 장치(electric barring device)의 전원 또는 기타 정류를 통해 획득한 전원을 적용할 수 있으며, 소용량 발전기도 여러대의 직류용접기를 병렬연결하여 전력을 공급하는 방법을 적용할 수 있다. (c) 열원추가법 발전기 풍동 내에서, 고정자 상, 하부 윈드 보드를 열고 고정자 권선 하부에 전기 전열판 또는 기타 적외선가열장치를 설치한다. 이 방법은 체적이 비교적 작은 발전기에 비교적 효과적이다. (d) 3상단락건조법 발전기 고정자 권선 출구의 3상을 단락시킨 후, 발전기 세트를 정격 회전속도 범위에서 작동시키고 여자전류를 조절하는 것을 통해 고정자 권선 전류를 향상시키며 발전기 자신의 전류가 생성한 열량을 이용하여 권선을 건조한다. 3상단락건조는 발전기 자체가 작동조건을 구비하여야 한다. (e) 열수순환건조법 고정자 바 물 내부 냉각 발전기는 내부 냉각수 탱크 내의 가열장치를 이용하거나 전기가열장치를 임시 연결하여 내부 냉각수 탱크 내의 냉각수를 가열할 수 있으며, 수온은 70℃ 초과하지 않는 것이며 좋으며, 내부 냉각수 펌프를 가동하여 열수순환으로 고정자 바의 절연을 건조한다. 고정자 바 수냉 발전기 현장은 대부분 이 방법을 이용하며, 작용 대상은 지면에서 작업하는 발전기다.
직접구동 영구자석 풍력발전기의 경우, 절연 시스템을 건조하기 위하여 이미 이상의 방법 중의 방안(b)을 시용하였다.
(2) 기타 건조기술
논문《汽輪机汽机停机后用空除干燥保(증기터빈이 작동을 멈춘 후 더운 공기로 습기를 제거하고 건조보수)》
작가:
Figure pat00003
; 작가단위:東南大學
Figure pat00004
; 모체문헌:
Figure pat00005
.
회의 이름:
Figure pat00006
(제4계전국화력발전기술년회), 회의 시간: 2003년 11월 1일.
증기 터빈이 작동을 멈춘 후, 불포화 습한 공기를 이용하여 통류부분을 통과시킴으로서 잔류된 수분을 흡수하여 터빈 내부를 건조시키고 증기 터빈이 작동을 멈춘 후 녹이쓰는 것을 방지한다. 습한 공기의 흡습능력을 향상하기 위하여, 먼저 습한 공기를 압축한 후 히터를 통과시킨후 다시 증기 터빈을 통과시켜 수분을 흡수한 후 배출한다. 배기가스의 함수율이 예정된 목표치로 내려가면 터빈 내부가 이미 건조된 것을 나타내며 녹이 쓰는 것을 방지할 수 있다.
(3) 논문 《
Figure pat00007
(물파손 발전기의 쾌속건조방법)》
작가: 沈兆虎, 잡지이름:
Figure pat00008
, 권(기): 1999 (1).
홍수의 침포를 받은 발전기는 건조하여야 하며, 건조시간을 단축하고 건조비용을 절약하기 위하여 원적외선 온도 제어 건조기를 개발하였다. 이러한 건조기는 간단하고 고효율이며 실용적이고 재료선택이 용이하며 성본이 적다.
3. 오픈식 기계실 외부 풍력발전기 밀봉방안 기술로선 탐색
밀봉은 상대적으로 정지한 결합면 간의 정지 밀봉과 상대적으로 운동하는 결합면 간의 동적 밀봉의 두개 유형으로 구분될 수 있다. 여기서, 오픈식 기계실 외부 풍력발전기의 밀봉부위는 상대적 운동이 있으며 회전 밀봉에 속한다. 밀봉부재와 이와 상대적으로 운동하는 부재의 접촉 여부에 따라, 동적 밀봉은 접촉식 밀봉과 비접촉식 밀봉 및 글랜드리스(glandless)로 구분될 수 있다. 오픈식 기계실 외부 풍력발전기의 경우, 접촉식 밀봉을 적용하면, 비, 눈이 없는 기간의 건조기간에 상대적으로 건조한 기류에 의거하여 발전기 내부를 장기적으로 직접 냉각할 수 없다. 비접촉식 밀봉은 래비린스 시일(labyrinth seal)과 동적 시일(dynamic seal)을 포함한다. 래비린스 시일은 유체의 공간 내에서의 스로틀링 효과(throttling effect)를 이용하여 누설을 제한하며, 누설량이 비교적 크기에 일반적으로 요구가 높지 않은 경우에 사용된다. 동적 시일은 원심 시일(centrifugal seal), 프로팅 링 시일(floating ring seal), 스크류 시일(screw seal), 가압 시일(pressurized seal), 분사 시일, 수력 시일, 자성유체 시일 등을 포함하며, 동력부재에 의해 압력을 생성하는 것을 통해 밀봉 양측의 압력차를 제거함으로써 누설을 방지하는바, 밀봉성이 매우 높으나 에너지 소모가 크다. 이러한 밀봉은 유체역학의 평형상태를 이용하여 작용된다. 작동조건에 변화가 발생하면 누설량에 매우 큰 파동이 생긴다.
래비린스 시일은 빗살 시일로도 불리우며, 주로 기체 밀봉에 사용된다. 이는 유체를 다수개 스로틀 클리어런스(throttle clearance)와 팽창된 캐비티로 구성된 통로를 통과시킬수 있으며 몇번의 스로틀을 거쳐 엄청 큰 에너지 소모를 생성하며 유체압력이 대대적으로 하강한다. 직접구동 외부 회전자 대규모 영구자석 풍력발전기는 '스로틀 압력하강' 이 특징을 이용하여 밀봉 링크를 구성할 수 있다.
가압 시일은 공기 압력을 이용하여 회전부재와 정지부재 사이의 간격을 막음으로써 밀봉을 보장한다. 그러나 일정한 압력의 가스원의 기체공급이 필요되며, 가스원이 이 밀봉위치에서 생성한 압력은 발전기 외부의 자연환경 압력보다 높다. 가압 시일은 온도, 속도의 제한을 받지 않으며, 일반적으로 양측의 압력차가 크지 않은 곳을 밀봉하는데 사용된다.
이상에서 검색된 관련된 대표적 논문으로부터 보면, 현재 배전망에서 작동되고 있는 화력발전기세트, 수력발전기세트, 핵발전기세트는 일반적으로 하나의 고정된 작업장에 배치된다. 일반적으로 작업장 내부는 비, 눈의 침입을 받지 않는다. 다만, 수력발전기세트가 홍수로 인해 물에 잠기는 경우, 상기 발전기세트가 적용한 냉각매체(물)가 누설하는 경우, 지면에서 작동되는 발전기세트의 작동조건 유지보수의 편리성이 풍력발전소에서 작동되는 육상 또는 해상 풍력발전기세트보다 훨씬 낳다. 발전기 냉각측면에서, 자연환경 중 바람 냉각의 편리 및 성능이 우월한 조건을 충분히 이용하는 동시에, 해결하여야 하고 고험을 받아야 할 것은 발전기의 절연체계의 절연수준이다. 직접구동 영구자석 외부 회전자 풍력발전기는 일년내내 바람, 모래, 비, 눈, 햇빛 노출 또는 작동을 멈춘 후의 얼어붙은 환경에 처해 있으며, 지면에서 작동되는 증기 터빈 발전기, 가스 터빈 발전기, 수력발전기가 위치한 환경과의 차이가 너무 크며 특히 일부 보수작업의 비용이 너무 많은바, 고공작업(60-100미터) 크레인의 사용은 고액의 비용을 지불할 것이 필요하다. 따라서, 지면에서 용이하게 진행할 수 있는 작업이 풍력발전기에서는 불가능하게도 된다. 한편, 풍력발전기세트 중의 조작은 또한 바람 날씨에 의존한다. 풍력터빈이 발전기 회전자의 회전을 이끌고 발전기 고정자가 전위를 유도하여만 고정자 출구에서 3상 단락을 구현할 수 있으며 단락전류에 의해 생성된 열에 의해 고정자를 건조하고 절연레벨을 향상할 수 있다. 동시에, 당시 풍속 크기에 따라 가변 피치 프로펠러가 발전기 회전자 회전속도를 간접적으로 제어하는 것을 구현하여야 하며 나아가 단락전류를 제어하고 권선에서 생성하는 열량을 제어하여 습기를 제거하며 이러한 조건은 모두 날씨에 의존한다. 더구나 바람의 지속시간의 길고 ?裏습? 습기제거 효과에 영향주며 직접구동 외부 회전자 영구자석 풍력발전기의 질량이 크기에 산열 수요량이 무척 크며 산열후 열전도 시간과 습기 제거시의 질량 전달 건조시간은 모두 몇시간 수량급이며, 바람의 지속시간의 길고 ?裏?, 단속성은 모두 습기 제거 효과에 영향을 준다.
발명인은 실제조작에서 종래기술에 아래의 흠결이 있는 것을 발견하였다.
(1) 직접구동 영구자석 외부 회전자 풍력발전기는 자연 바람을 이용하여 고정자 철심 지지체와 회전자 외벽을 냉각하는 동시에 일정한 량의 자연환경 중의 바람은 발전기 고정자 회전자 간격을 거쳐 발전기 챔버로 침입하며 다시 에어 갭을 거쳐 축방향으로 타단에 흘러가 모이며 축적된 후 가벼운 공기는 후단의 시일에서 빠져 나와 대기속으로 배출된다. 발전기 내부 에어 갭을 흐르는 것은 기체, 액체, 고체 다상류(공기, 수증기, 비, 눈, 염수분무, 모래먼지, 플록 등을 포함)이다. 이들은 절연성능의 악화를 일으키고, 발전기 절연의 전기적 성능, 기계적 성능 악화를 초래하며, 나머지 내압레벨과 수명을 감소하고, 최종적으로 절연의 파괴를 초래할 수 있다.
(2) 이상의 것은 모두 지상 발전기세트 작업이며, 60-100미터 고공작업은 각종 기능의 구현을 포함하며, 특히 기계실에서 보수작업을 진행하는 것은 일반적으로 인력물력이 가닿지 못하며 심지어 불가능하게 된다. 풍력발전기의 밀봉, 건조조치 및 유지보수(보수, 교체)는 지면에서 작동되는 화력발전, 수력발전의 발전기 작업에 비해 난도에 엄청 차이가 난다. 일부 지면에서 사용하는 좋은 방법은 '하늘에서' 작동되는 풍력발전기세트에 대해 진행하기 불편하거나 심지어 적용하기 어렵다.
(3) 상기 열풍건조방법에만 의거하면 고정자 철심 내부 적층물 층간에 습기가 찬 후의 건조 수요를 해결할 수 없다.
(4) 오픈식 구성을 적용하면 비바람 날씨 또는 눈바람 날씨에 비 또는 눈이 공기를 따라 발전기로 침입하는 위해를 방지할 수 없으며, '절연레벨의 하강'은 발전기 냉각을 위해 대가를 치룬다.
(5) 작동을 멈춘후, 발전기 챔버 내, 에어 갭 내의 습한 공기는 응축되어 발전기로 침투되어 발전기 고정자, 영구자석 자극 표면 피폭층이 습기 차게 되며 이들의 사용수명에 영향을 준다.
본 발명의 실시예는 고정자 지지체 내부의 기류를 고정자 철심의 축방향 단면으로 안내하여 발전기가 내부에 구비된 기류원을 이용하여 자신을 건조하는데 편리하게 하거나 외부의 악렬한 기류(예들 들면, 비 또는 눈 등)를 막아 발전기 내부로 들어가기 어렵게 함으로써 영구자석 자극의 사용수명을 연장하고 발전기 내부 소자의 '절연레벨의 하강'을 방지하며 발전기가 습기차 부식되는 리스크를 저감하고 절연 신뢰성을 보장할 수 있는 직접구동 영구자석 풍력발전기, 시스템 및 그 고정자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예는 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자를 제공하며, 상기 고정자는 고정자 지지체, 고정자 지지체의 외주벽에 구비되는 고정자 철심 및 프로펠러 측 치형 지지물을 포함하며, 상기 프로펠러 측 치형 지지물은 상기 고정자 철심의 프로펠러 측 축방향 단면에 구비되며,
상기 고정자 지지체의 외주벽에는 적어도 하나의 제1기공이 형성되어 있고 상기 프로펠러 측 치형 지지물에는 적어도 하나의 제2기공이 형성되어 있으며,
상기 고정자는 상기 제1기공과 상기 제2기공을 연통하는 적어도 하나의 기체통로를 더 포함하며, 상기 기체통로는 상기 고정자 철심의 내부를 통과한다.
또한, 상기 고정자 지지체의 외부벽에는 펀칭플레이트 고정키가 고정되며, 상기 고정자 철심의 도브테일 홈은 상기 펀칭플레이트 고정키에 씌우지며, 상기 기체통로는 상기 펀칭플레이트 고정키를 통과하여 상기 제1기공과 연통된다.
또한, 상기 기체통로는 반경 방향 기체통로와 축방향 기체통로를 포함하며, 상기 반경 방향 기체통로는 상기 펀칭플레이트 고정키와 상기 고정자 철심의 내부를 통과하며, 상기 반경 방향 기체통로의 일단은 상기 제1기공과 연결되고 타단은 상기 축방향 기체통로와 연결되며, 상기 축방향 기체통로는 축방향을 따라 상기 고정자 철심의 내부를 통과하여 상기 제2기공과 연통된다.
또한, 상기 제1기공, 상기 제2기공 및 상기 기체통로는 복수개이고 수량이 동일하며 원주를 따라 균일하게 구비되고, 복수개의 상기 제1기공, 상기 제2기공 및 상기 기체통로는 대응되게 연통되며 복수개 독립된 상기 고정자 지지체의 외주벽에서 상기 프로펠러 측 치형 지지물로의 기체통로를 형성한다.
또한, 상기 프로펠러 측 치형 지지물에는 환형의 축소노즐이 구비되며, 상기 제2기공과 상기 축소노즐의 환형 입구는 연통된다.
또한, 상기 고정자는 프로펠러 측 코밍을 포함하며, 상기 고정자와 대응하는 회전자는 회전자 밀봉링을 포함하며, 상기 고정자와 회전자를 조합 장착한 후 상기 축소노즐의 환형출구는 상기 프로펠러 측 코밍과 상기 회전자 밀봉링이 형성한 환형 갭을 향한다.
또한, 상기 축소노즐의 단면은 낫형이고 차례로 연통된 수직부, 경사부 및 밴드부를 포함하며, 상기 수직부는 상기 제2기공과 연통되고 상기 수직부의 반경반향 폭은 일치하며 상기 제2기공의 반경 방향 폭보다 크거나 같으며, 상기 경사부는 전체적으로 고정자 중심 방향으로 경사지며, 상기 밴드부는 전체적으로 원호형이고 그 말단은 상기 축소노즐의 출구를 형성하며 상기 반경 방향 폭은 상기 경사부에서 상기 밴드부의 말단으로 점차 축소된다.
또한, 본 발명의 실시예는 다른 한 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자를 제공하며, 상기 고정자는 고정자 지지체, 고정자 지지체의 외주벽에 구비되는 고정자 철심, 프로펠러 측 치형 지지물 및 탑측 치형 지지물을 포함하며, 상기 프로펠러 측 치형 지지물은 상기 고정자 철심의 프로펠러 측 축방향 단면에 구비되고, 상기 탑 측 치형 지지물은 상기 고정자 철심의 탑측 축방향 단면에 구비되며,
상기 고정자 지지체의 외주벽에는 적어도 하나의 제1기공이 형성되어 있고 상기 프로펠러 측 치형 지지물에는 적어도 하나의 제2기공이 형성되어 있으며 상기 탑측 치형 지지물에는 적어도 하나의 제3기공이 형성되어 있고,
상기 고정자는 상기 제1기공과 상기 제2기공 및 상기 제3기공을 연통하는 적어도 하나의 기체통로를 더 포함하며, 상기 기체통로는 상기 고정자 철심의 내부를 통과한다.
또한, 상기 고정자 지지체의 외부벽에는 펀칭플레이트 고정키가 고정되며, 상기 고정자 철심의 도브테일 홈은 상기 펀칭플레이트 고정키에 씌우지며, 상기 기체통로는 상기 펀칭플레이트 고정키를 통과하여 상기 제1기공과 연통된다.
또한, 상기 기체통로는 반경 방향 기체통로와 축방향 기체통로를 포함하며, 상기 반경 방향 기체통로는 상기 펀칭플레이트 고정키와 상기 고정자 철심의 내부를 통과하며, 상기 반경 방향 기체통로의 일단은 상기 제1기공과 연결되고 타단은 상기 축방향 기체통로와 연결되며, 상기 축방향 기체통로는 축방향을 따라 상기 고정자 철심의 내부를 통과하여 상기 제2기공 및 상기 제3기공과 연통된다.
또한, 상기 제1기공, 상기 제2기공, 상기 제3기공 및 상기 기체통로는 복수개이고 수량이 동일하며 원주를 따라 균일하게 구비되고, 복수개의 상기 제1기공, 상기 제2기공, 상기 제3기공 및 상기 기체통로는 대응되게 연통되며 복수개 독립된 상기 고정자 지지체의 외주벽에서 상기 프로펠러 측 치형 지지물 및 상기 탑측 치형 지지물로의 기체통로를 형성한다.
또한, 상기 프로펠러 측 치형 지지물 및 상기 탑측 치형 지지물에는 각각 환형의 축소노즐이 구비되며, 상기 제2기공 및 상기 제3기공은 상기 축소노즐의 환형 입구와 연통된다.
또한, 상기 고정자는 프로펠러 측 코밍과 탑측 코밍을 포함하며, 상기 회전자는 회전자 밀봉링과 엔드 커버 밀봉링을 포함하며, 상기 고정자와 회전자를 조합 장착한 후, 상기 프로펠러 측 치형 지지물에 구비된 축소노즐의 환형출구는 프로펠러 측 코밍과 회전자 밀봉링이 형성한 환형 갭을 향하고, 상기 탑측 치형 지지물에 구비된 축소노즐의 환형출구는 상기 탑측 코밍과 상기 엔드 커버 밀봉링이 형성한 환형 갭을 향한다.
또한, 상기 축소노즐의 단면은 낫형이고 차례로 연통된 수직부, 경사부 및 밴드부를 포함하며, 상기 프로펠러 측 치형 지지물 및 상기 탑측 치형 지지물에 구비된 상기 축소노즐의 상기 수직부는 각각 상기 제2기공 및 상기 제3기공과 연통되고, 상기 수직부의 반경반향 폭은 일치하며 상기 제2기공 및 상기 제3기공의 반경 방향 폭보다 크거나 같으며, 상기 경사부는 전체적으로 고정자 중심 방향으로 경사지며, 상기 밴드부는 전체적으로 원호형이고 그 말단은 상기 축소노즐의 출구를 형성하며 상기 반경 방향 폭은 상기 경사부에서 상기 밴드부의 말단으로 점차 축소된다.
본 발명의 실시예는 또한 회전자 및 이상의 임의의 한 고정자를 포함하는 직접구동 영구자석 풍력발전기를 제공한다.
이 외에, 본 발명의 실시예는 또 다른 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자를 제공하며, 상기 고정자는 고정자 지지체, 고정자 지지체의 외주벽에 구비되는 고정자 철심 및 탑 측 치형 지지물을 포함하며, 상기 탑 측 치형 지지물은 상기 고정자 철심의 탑 측 축방향 단면에 구비되며,
상기 고정자 지지체의 외주벽에는 적어도 하나의 제1기공이 형성되어 있고 상기 탑측 치형 지지물에는 적어도 하나의 제3기공이 형성되어 있으며,
상기 고정자는 상기 제1기공과 상기 제3기공을 연통하는 적어도 하나의 기체통로를 더 포함하며, 상기 기체통로는 상기 고정자 철심의 내부를 통과한다.
또한, 상기 고정자 지지체의 외부벽에는 펀칭플레이트 고정키가 고정되며, 상기 고정자 철심의 도브테일 홈은 상기 펀칭플레이트 고정키에 씌우지며, 상기 기체통로는 상기 펀칭플레이트 고정키를 통과하여 상기 제1기공과 연통된다.
또한, 상기 기체통로는 반경 방향 기체통로와 축방향 기체통로를 포함하며, 상기 반경 방향 기체통로는 상기 펀칭플레이트 고정키와 상기 고정자 철심의 내부를 통과하며, 상기 반경 방향 기체통로의 일단은 상기 제1기공과 연결되고 타단은 상기 축방향 기체통로와 연결되며, 상기 축방향 기체통로는 축방향을 따라 상기 고정자 철심의 내부를 통과하여 상기 제3기공과 연통된다.
또한, 상기 제1기공, 상기 제3기공 및 상기 기체통로는 복수개이고 수량이 동일하며 원주를 따라 균일하게 구비되고, 복수개의 상기 제1기공, 상기 제3기공 및 상기 기체통로는 대응되게 연통되며 복수개 독립된 상기 고정자 지지체의 외주벽에서 상기 탑측 치형 지지물로의 기체통로를 형성한다.
본 발명의 실시예는 또한 회전자 및 이상의 임의의 한 고정자를 포함하는 다른 한 직접구동 영구자석 풍력발전기를 제공한다.
또한, 상기 고정자는 탑측 코밍을 포함하고 상기 회전자는 엔드 커버 밀봉링을 포함하며, 상기 탑측 코밍과 상기 엔드 커버 밀봉링 사이에는 탑측 밀봉부재가 구비되고, 상기 탑측 밀봉부재는 상기 탑측 코밍 또는 상기 엔드 커버 밀봉링의 일자에 고정되며 동적 밀봉의 방식으로 탑측 코밍과 상기 엔드 커버 밀봉링 사이의 환형 틈새를 밀봉한다.
본 발명의 실시예는 또한 직접구동 영구자석 풍력발전기 시스템을 제공하며, 상술한 풍력발전기 및 풍력발전기 세트 내부에 구비된 공기 소스 시스템을 포함하며, 상기 공기 소스 시스템은 상기 제1기공과 연결된다.
또한, 상기 공기 소스 시스템은 예정된 압력의 기류를 생성하는 공기 소스 발생 장치와 상기 기류에 대해 공기 소스 정화 및 건조처리를 진행하는 공기 소스 처리장치를 포함한다.
또한, 상기 공기 소스 발생 장치는 공기압축기이며, 상기 공기 소스 처리 장치는 공기 필터, 냉각기, 유수분리기 및 건조기를 포함한다.
또한, 상기 공기 소스 시스템은 주관과 분기관을 통해 상기 제1기공과 연결되고, 상기 주관에서 상기 제1기공과 같은 수량의 분기관을 인출하며, 상기 분기관은 대응하여 상기 제1기공에 연결된다.
본 발명의 실시예는 고정자 내부의 기류를 고정자 철심의 축방향 단면으로 안내하여 발전기가 내부에 구비된 기류원을 이용하여 자신을 건조, 냉각할 수 있도록 하거나 외부의 악렬한 기류(예들 들면, 비 또는 눈)를 막아 발전기 내부로 들어가기 어렵게 함으로써 영구자석 자극의 사용수명을 연장하고 발전기 내부 소자의 '절연레벨의 하강'을 방지하며 발전기가 악렬한 기류(예를 들면, 비 또는 눈)에 의해 부식되는 리스크를 저감하고 절연 신뢰성을 보장할 수 있는 직접구동 영구자석 풍력발전기, 시스템 및 그 고정자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자 구성을 나타낸 도면.
도 2는 도 1중 A-A방향을 따른 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자 철심 내부의 기류경로를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 직접구동 영구자석 풍력발전기 내부에 구비된 축소노즐의 구성을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자 내부 기류 획득 경로.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 발전기의 고정자와 회전자의 결합부분의 구성을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따른 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자와 회전자의 결합부분의 구성을 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 실시예 2에 따른 직접구동 영구자석 풍력발전기의 전체적 구성을 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 실시예 3에 따른 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자와 회전자의 결합부분의 구성을 나타낸 도면.
이하, 첨부도면을 결부하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예의 기술원리는 직접구동 영구자석 풍력발전기 고정자 철심 내의 기체통로를 이용하여 세트 내부의 공기 소스를 고정자 철심의 축방향 단면에 안내함으로써 해당 기류가 풍력발전기의 고정자와 회전자가 조합된 후 형성한 내부공간에 마이크로 양압(micro-positive pressure) 환경을 구성하고 마이크로 양압 기류를 이용하여 외부 악렬한 기류(공기, 수증기, 비, 눈, 염수분무, 모래먼지, 플록 등을 포함하는 기체, 액체, 고체 다상류 )의 침입을 막는다. 본 발명 실시예의 마이크로 양압은 내부기류 또는 환경의 압력이 외부환경보다 큰 것을 말하며 외부의 기류를 발전기 내부로 들어가지 못할 정도면 된다. 여기서, 상기 악렬한 기류는 주로 비물 기체 액체 2상류 또는 바람 눈 기체 고체 2상류를 가리키며, 극단적인 경우 예컨대 공기, 수증기, 비, 눈, 염수분무, 모래먼지, 플록 등을 포함하는 기체, 액체, 고체 다상류로 존재한다. 이러한 악렬한 기류는 주로 비 또는 눈 등 악렬한 날씨에 나타나며, 따라서 본 발명의 실시예에 따른 장치는 주로 이러한 악렬한 기류를 막기 위하여 설계한 것이며, 정상적인 건조한 날씨에서는 본 발명의 실시예에 따른 장치를 사용하지 않고 건조한 기류가 풍력발전기에 들어가는 것을 허용하여 풍력발전기를 건조, 냉각할 수 있다.
실시예 1
도 1에 도시된 바와 같이, 도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자 구성을 나타낸 도면이다. 설명의 편리를 위해, 도 1 중 상측을 프로펠러 측(풍력발전기의 작동과정에서 프로펠러 측은 일반적으로 풍상측을 향함)으로 정의하고, 하측을 탑측(풍력발전기의 작동과정에서 탑측은 일반적으로 풍하측을 향함)으로 정의하며, 수평방향을 반경반향(전체 풍력발전기를 중심으로 하는 반경 방향)으로 정의하고, 수직방향을 축방향(풍력발전기의 회전축을 따른 방향)으로 정의할 수 있다. 또한, 고정자 지지체의 외주벽은 고정자 철심 또는 고정자 철심을 고정하는 펀칭플레이트 고정키와 연결 또는 인접하는 측벽 즉 고정자 지지체의 가장 바깥쪽의 부분을 가리킨다.
본 실시예에 따른 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자는 고정자 지지체(1), 고정자 지지체(1)의 외주벽에 구비되는 고정자 철심(8) 및 프로펠러 측 치형 지지물(6)을 포함하며, 프로펠러 측 치형 지지물(6)은 고정자 철심(8)의 프로펠러 측 축방향 단면에 구비된다. 고정자 지지체는 원통형이며, 따라서 고정자 지지체(1)의 외주벽에는 적어도 하나의 제1기공(2)이 형성될 수 있고, 프로펠러 측 치형 지지물(6)에는 적어도 하나의 제2기공(5)이 형성될 수 있다. 고정자는 또한 제1기공(2)와 제2기공(5)을 연통하는 적어도 하나의 기체통로(9)를 포함할 수 있으며 기체통로(9)는 고정자 철심(8)의 내부를 통과한다.
여기서, 제1기공(2)과 제2기공(5)은 원형일 수도 있고 삼각형, 타원형일 수도 있다. 또한, 기공은 기타 형태의 기체 가이드 홀일 수 있는바, 기류를 통과시킬수만 있으면 된다. 바람직하게, 제1기공(2)과 제2기공(5)은 원형 기공이며, 원형 기공은 기류가 유동하는 마찰손실을 감소할 수 있다.
상기 고정자 구성은 고정자 내부의 기류를 고정자 철심의 프로펠러 측 치형 지지물(6)의 단면으로 안내하여 풍력발전기의 프로펠러 측에서 풍력발전기가 내부에 구비된 기류원을 이용하여 자신을 건조, 냉각할 수 있도록 하거나 외부의 악렬한 기류(예들 들면, 비 또는 눈 등)를 막아 발전기 내부로 들어가기 어렵게 함으로써 영구자석 자극의 사용수명을 연장하고 발전기 내부 소자의 '절연레벨의 하강'을 방지하며 발전기가 악렬한 기류(예를 들면, 비 또는 눈 등)에 의해 부식되는 리스크를 저감하고 절연 신뢰성을 보장할 수 있다.
또한, 상기 고정자 구성의 기초상, 프로펠러 측 치형 지지물(6)에 환형의 축소노즐(4)을 설치하여 고정자 내부에서 인출된 기류를 제어하여 풍력발전기의 건조를 구현하거나 외부의 기류를 막는다.
아래에 상기 고정자 구성과 관련된 기체통로, 축소노즐, 풍력발전기세트 내부의 공기 소스 시스템 및 기류유동경로의 선택가능한 실시방식을 상세히 소개한다.
(1) 고정자 철심 내부의 기체통로
고정자 철심(8) 내부의 기체통로(9)는 고정자 내부의 공기 소스(12)의 기류를 프로펠러 측 치형 구조물(6)에 형성된 적어도 하나의 제2기공(5)으로 안내한다. 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 도 2는 도 1중 A-A 단면에 따른 기체통로 구성을 나타낸 도면이며, 고정자 지지체(1)의 외주벽에는 펀칭플레이트 고정키(7)가 고정되고, 고정자 철심(8)(고정자 철심은 멀티 페달(multi-pedaled) 철심모듈의 조합으로 구성되며 각 철심모듈은 철심 적층체로 구성됨)은 도브테일 홈을 구비하며 상기 도브테일 홈은 펀칭플레이트 고정키(7)에 씌워져 고정자 철심(8)을 고정자 지지체(1)의 외주벽에 고정시킨다. 제1기공(2)는 펀칭플레이트 고정키(7)와 접촉하는 고정자 지지체(1)의 외주벽에 위치할 수 있으며 기체통로(9)는 펀칭플레이트 고정키(7)의 기공을 통과하여 제1기공(2)과 연통할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 기체통로(9)는 반경 방향 기체통로(92)와 축방향 기체통로(91)을 포함할 수 있으며, 반경 방향 기체통로(92)는 펀칭플레이트 고정키(7)와 고정자 철심(8)의 내부를 통과할 수 있으며 반경 방향 기체통로(92)의 일단은 제1기공(2)과 연결되고 타단은 축방향 기체통로(91)와 연결되며 축방향 기체통로(91)는 축방향을 따라 고정자 철심(8)의 내부를 통과하여 제2기공(5)과 연통될 수 있다. 여기서, 반경 방향 기체통로(92)는 축방향 기체통로(91)와 직접 연결될 수도 있고 임의의 밴드를 거친후 연결될 수도 있는바, 반경 방향 기체통로(92)와 축방향 기체통로(91)를 연결하기만 하면 된다.
또한, 제1기공(2), 제2기공(5) 및 기체통로(9)는 복수개이고 수량이 동일하며 원주를 따라 균일하게 설치될 수 있다. 여기서, 복수개 제1기공(2), 제2기공(5) 및 기체통로(9)는 대응하게 연통되며 복수개 독립된 고정자 지지체(1)의 내벽에서 프로펠러 측 치형 지지물(6)로의 기체통로를 형성한다. 바람직하게, 고정자 철심(8)의 내부 프로펠러 측 치형 지지물(6)의 하부에서, 반경 방향 기체통로(92)는 고정자 철심(8) 내부에서 방향을 90도 바꾸어 축방향 기체통로(91)로 들어가며, 축방향 기체통로(91)는 발전기 고정자 축방향과 평행한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자 철심 내부의 기체통로를 나타낸 도면이며, 반경 방향 기체통로와 축방향 기체통로는 일일이 대응되며, 도면에 축방향 기체통로만 도시하였으나 본 발명의 실시예는 여러 개의 기체통로를 구비하며 바람직하게 도 3에 도시된 바와 같이 총 48개 기체통로를 구비하며 이들의 길이(L1、L2 ……L48)/내경(d1、d 2……d48)/절대조도(ε1、ε2……ε48)는 바람직하게 동일하며 원주방향 간격도 일치하다.
(2) 축소노즐
축소노즐(4)의 출구는 고정자와 회전자 사이의 갭을 바로 마주하며, 축소노즐(4)은 기류를 가속하여 분사할 수 있으며, 고정자와 회전자 사이의 갭에 마이크로 양압 기류를 형성하여 주동적으로 비눈 날씨에 비 또는 눈 '기체 액체 2상류' 또는 '기체 고체 2상류'의 침입을 막는다. 구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 직접구동 영구자석 풍력발전기의 축소노즐의 구성을 나타낸 도면이다. 프로펠러 측 치형 지지물(6)에는 환형의 축소노즐(4)(즉, 전체적으로 고정자의 원주방향을 향해 설치됨)이 구비될 수 있으며 제2기공(5)과 축소노즐(4)의 환형입구는 연통되며 고정자 철심(8) 내부의 기체통로(9) 중의 기체를 축소노즐(4)로 안내할 수 있다.
또한, 풍력발전기의 풍상측(프로펠러 측으로도 불리우며, 즉 도 6의 상측)에서, 고정자는 프로펠러 측 코밍(3)을 포함할 수 있고 회전자는 회전자 밀봉링(16)을 포함할 수 있으며 고정자와 회전자를 조합 장착한 후 축소노즐(4)의 환형출구는 프로펠러 측 코밍(3)과 회전자 밀봉링(16)으로 형성된 환형 틈새를 바로 마주할 수 있다. 프로펠러 측 코밍(3)과 회전자 밀봉링(16) 사이에 형성된 환형 갭을 막는데 사용된다. 선택적으로, 프로펠러 측 코밍(3)이 원환 형태이므로 축소노즐(4)을 일체형의 원환 형태의 노즐로 제작할 수 있으며 프로펠러 측 코밍(3)의 적어도 하나의 제2기공(5)에 밀접히 잠궈져 축소노즐(4)과 제2기공(5)이 심리스 연결되게 하며 나아가 각 제2기공(5)에서 흘러 나오는 기체가 충분히 모여 기류의 압력이 균일화되고 축소노즐(4)의 출구에서 균일한 압력을 형성하도록 한다.
축소노즐을 설계하는 과정에서, 유체역학 중 실제 유체 총흐름의 베르누이 방정식(에너지 방정식)을 이용하여 맞 바람쪽 방향 공기흐름이 비물(또는 눈)을 포함하여 풍력발전기를 부딪쳐 저애를 받은 후 고정자 프로펠러 측 코밍(3)과 회전자 밀봉링(16)(코밍) 사이의 환형 갭을 통과할 때, 비물 기체 액체 2상류 또는 바람 눈 기체 고체 2상류(외부 악렬한 기류로 약칭함)가 발전기 맞 바람쪽 방향 환형 갭 전후에 생성한 압력과 유속의 변화를 분석하여 외부 악렬한 기류가 환형 갭에 들어간 후의 압력과 유속을 획득한다. 다음, 유체역학의 평형상태를 이용하여 이곳의 가압 시일 유출소자인 환형 축소노즐 출구의 기류 압력 및 유속을 계산한다.
일반적으로, 환형의 축소노즐(4)의 출구 기류의 압력 및 유속은 상술한 외부 악렬한 기류가 환형 갭에 들어가는 압력 및 유속보다 조금 높으면 된다. 보다 바람직하게, 환형 축소노즐(4)의 출구 기류의 압력과 유속은 외부 악렬한 기류의 압력 및 유속의 3%~5% 정도이다. 환형 축소노즐(4)의 출구 기류의 압력 및 유속을 확정한 후, 환형 축소노즐(4)의 출구 면적이 일정하므로, 축소노즐(4)의 출구에 필요한 기류유량을 산출할 수 있으며 유체유동의 연속성 원리에 따라 공기 소스를 공급하기 위한 공기압축기의 출구 기류유량은 축소노즐(4)의 출구에 필요한 기류유량과 동일하여야 하므로 공기압축기의 출구 기류유량을 확정할 수 있다.
또한, 압력평형의 원리에 따라, 공기 소스를 공급하기 위한 공기압축기의 출구 기류의 압력은 환형의 축소노즐(4)의 출구기류가 필요한 압력에 공기 소스에서 노즐 출구 각 환절 총 압력 하강을 더한 합과 동일하여야 하며 여기서 압력하강은 마찰 저항과 국부저항을 포함한다. 상술한 바와 같이, 외부 악렬한 기류를 막기 위하여, 축소노즐(4) 출구의 압력은 상술한 외부 악렬한 기류가 환형 갭을 들어가는 압력보다 조금 높아야 하며, 축소노즐(4) 출구의 압력을 확정한 후, 공기 소스에서 노즐 출구 각 환절의 총 압력하강(이는 기류전송통로 및 축소노즐의 구성에 따라 이론적으로 계산하거나 측정에 의해 획득할 수 있음)을 더하면 공기압축기의 출구기류의 압력을 확정할 수 있다.
보다시피, 상술한 이론적 계산 및 실제 측정을 통해 공기압축기의 출구기류의 압력과 유량을 확정할 수 있다.
또한, 축소노즐(4)의 단면은 낫형일 수 있고 차례로 연통된 수직부(43), 경사부(42) 및 밴드부(41)를 포함할 수 있으며, 수직부(43)는 제2기공(5)과 연통되고 수직부(43)의 반경반향 폭은 일치하며 제2기공(5)의 반경 방향 폭보다 크거나 같으며, 경사부(42)는 전체적으로 고정자 중심 방향으로 경사지며, 밴드부(41)는 전체적으로 원호형이고 그 말단은 축소노즐(4)의 출구를 형성하며 반경 방향 폭은 경사부(42)에서 밴드부(41)의 말단으로 점차 축소된다. 기류가 축소노즐(4)을 흘러 지나면 기류의 압력 에너지를 기류의 운동 에너지로 전환할 수 있다.
축소노즐(4)은 공기 소스(예를 들면, 공기압축기)에 의해 충분한 압력을 제공하여 고속 기류을 생성하며 출구 유속, 유량은 제어 가능하여 프로펠러 측 바람 방향 기류 속도의 변화에 적응한다. 즉, 가압 시일의 압력은 수요에 따라 자동적으로 조정할 수 있으며 '자가 적응적' 조정을 구현하여 공기 소스인 공기압축기의 소비전력을 저감하여 에너지를 절약한다.
본 실시예는, 내부 공기 소스의 기류를 축소노즐 내부로 안내함으로써 축소노즐을 통해 기류를 가속한 후 출구에서 분출할 수 있으며 축소노즐의 출구가 고정자와 회전자 사이의 환형 갭과 바로 마주하고 있으므로 발전기 내부와 외부 환경 사이에 마이크로 양압 장벽을 형성하여 비, 눈 날씨에 '기체 액체 2상류' 또는 '기체 고체 2상류'의 침입을 주동적으로 막을 수 있으며 발전기 내에 대량의 건조 공기를 축적하여 마이크로 양압으로 분출하는 것을 통해 발전기 외부의 습한 기류를 제거하여 권선 표면, 영구자석 표면 보호 피복이 건조요구를 만족하도록 하여 발전기가 비물 또는 눈이 녹아 생성한 습한 공기의 침입을 받는 리스크를 저감하고 절연 신뢰성을 향상한다.
(3) 풍력발전기세트 내부의 공기 소스 시스템
풍력발전기세트 내부의 공기 소스 시스템(12) (구체적으로, 공기 소스 시스템(12)은 고정자 지지체 사이 또는 기계실 공간 내에 구비할 수 있음) 중의 공기 소스는 기계실 내부의 기압발생장치에서 가져온 것일 수 있다. 공기 소스 시스템(12)은 비, 눈 날씨에 '기체 액체 2상류' 및 바람, 눈 '기체 고체 2상류'의 침입을 막을 수 있으며, 공기 소스 시스템(12)은 발전기 내부를 건조하여야 하는 기간에 작동되어 발전기 고정자 절연과 회전자 자극 보호층을 충분히 건조하는 동시에 공기 소스의 에너지 소모를 저감한다. 고정자에 구비된 기체통로(9)는 제1기공(2)과 공기 소스 시스템(12)의 연결을 통해 풍력발전기세트 내부의 공기 소스를 기체통로(9)로 안내한다. 공기 소스 시스템(12)은 예정된 압력의 기류를 생성하는 공기 소스 발생 장치와 기류에 대해 정화 및 건조처리를 진행할 수 있는 공기 소스 처리장치를 포함할 수 있다.
공기 소스 발생 장치는 공기압축기일 수 있으며, 공기압축기(또는 가스 압축기)는 기압발생장치인바, 공기의 압력을 향상하거나 공기를 수송하는 기계이기도 하고 원동기가 공급하는 기계적 에너지를 공기 압력 에너지로 전환하는 전환장치이기도 하다. 공기압축기 작동 과정에서, 압축기 실린더 내부의 공기는 신속히 압축되며, 기체가 신속히 압축되는 과정은 방열과정으로서 필연코 압축기 실린더 온도의 상승을 일으키므로 일반적으로 냉각하여야 한다. 다단계 압축의 공기압축기는 마감단계 배기온도가 140~170℃에 도달할 수 있으며, 이렇게 높은 온도에서 압축 공기에는 흔히 일정한 기체상태 오일과 수증기가 혼합되어 있으므로 냉각기를 설치하여 압축공기를 냉각하여 압축공기에 포함된 유분과 수분을 초보적으로 분리하여 유분과 수분이 압축공기를 따라 풍력발전기의 고정자 철심 유로에 들어가는 것을 방지하여야 한다. 따라서, 공기 소스 처리 장치는 공기 필터, 냉각기, 유수분리기 및 건조기를 더 포함할 수 있다. 여기서, 공기 필터는 공기압축기 실린더로 들어가기 전의 기체(즉 기계실 내 공기 중에 포함된 먼지와 기타 잡질을 여과)를 여과하며, 공기 중의 먼지, 고체 잡질 등이 공기압축기로 들어가 공기압축기 실린더 중 상대적 운동부재의 마찰과 마손을 초래하는 것을 방지한다.
또한, 유수분리기(기체 액체 분리기)는 압축공기 중에 포함된 유분과 수분을 진일보하여 분리하여 압축후의 공기가 초보적으로 정화처리되게 하며, 유분과 수분이 발전기 고정자 지지체 및 그 철심 내 유로, 발전기 내부에 대한 오염, 부식을 방지한다.
이 외에, 압축공기는 냉각기와 유수분리기를 거친후 여전히 일정한 양의 수분이 함유되어 있으며 그 함량의 크기는 공기의 온도, 압력 및 상대습도의 크기와 관계된다. 발전기 내부는 건조 공기가 필요하므로 공기건조장치, 즉 건조기를 설치하여야 한다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자 내 기류 획득 경로이며, 공기 소스 시스템(12)은 주관(13)과 분기관(14)을 통해 제1기공(2)과 연결될 수 있으며, 주관(13)에서 제1기공(2)과 같은 수량의 분기관(14)을 인출할 수 있고 분기관(14)은 대응하게 제1기공(2)에 연결된다. 주관(13)은 바람직하게 원환형이며, 분할된 원환 분할부분일 수도 있으며, 기류의 유동에 대한 마찰 저항을 감소할 수 있다.
(4) 기체유동경로
도 6에 도시된 바와 같이, 도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 발전기의 고정자와 회전자의 결합부분의 구성을 나타낸 도면이다. 도면에 도시된 작은 화살표는 기류의 유통경로를 나타낸다. 구체적으로, 기계실 내 공기기류는 공기 소스 시스템(12)의 여과, 건조, 압축을 거친후 고정자 지지체(1) 상의 제1기공(2)에 운송되고, 기류는 제1기공(2)을 통해 펀칭플레이트 고정키(7)를 통과하여 고정자 철심(8)의 반경 방향 기체통로(92)에 들어가며, 기류는 반경 방향 기체통로(92)를 따라 축방향 기체통로(91)로 들어가며, 그 후 축방향 기체통로(91)를 통해 프로펠러 측 치형 지지물(6)을 통과하여 축소노즐(4)로 들어가며, 축소노즐(4)의 가속을 거친후 축소노즐(4)의 출구로 분출되며 프로펠러 측 코밍(3)과 회전자 밀봉링(16) 사이의 환형 갭으로 날려가 환형 회전 간격을 막고 비, 눈 기체 고체 2상류 또는 비물 기체 액체 2상류의 침입을 차단한다.
구체적으로, 풍력발전기의 작동 과정에서, 프로펠러 측은 일반적으로 맞 바람쪽 방향을 마주하며, 맞 바람쪽 방향 유입류는 발전기 고정자 지지체와 부딪치면 다시 튀어나와 회전자 밀봉링과 부딪친후 반사, 축적되어 기류 압력의 회복성 향상(유입류에 비해)을 일으키며 이러한 기류는 프로펠러 측 코밍(3)과 회전자 밀봉링(16) 사이의 환형 에어 갭 내로 침입한다. 본 발명의 실시예의 축소노즐(4)이 분출하는 기류는 바로 상기 기류의 침입을 막기 위한 것이다. 축소노즐(4)이 분출하는 기류는 외부의 침입 기류를 막은 후, 일부는 프로펠러 측 코밍(3)과 회전자 밀봉링(16) 사이의 환형 에어 갭에서 분출되며(이는 기류 압력의 크기에 따라 분출되지 않을 수도 있는바, 막는 작용을 하기만 하면 됨), 다른 일부 또는 전부 기류는 회전자 밀봉링(16)과 부딪치며, 부딪친 후 튕겨나오는 기류는 고정자 회전자 사이의 에어 갭으로 들어가 축방향을 따라 고정자 단부 기계실 측(즉 탑측 치형 지지물(10)과 회전자 엔드 커버(19) 사이)에 모이며 마지막으로 엔드 커버 밀봉링(20)과 탑측 코밍(11) 사이의 환형 갭을 거쳐 대기환경에 배출되며, 이러한 발전기 내부에서 튕기는 부분적 기류는 또한 권선(17)과 자극(18)을 건조할 수도 있다. 이상에서 본 실시예에 따른 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자 구성 실예를 소개하였다. 이 기초상, 본 실시예 1은 또한 회전자 및 본 실시예에서 제공한 고정자를 포함하는 직접구동 영구자석 풍력발전기를 제공한다. 또한, 본 실시예 1은 직접구동 영구자석 풍력발전기 시스템을 더 제공하며, 상술한 풍력발전기 및 풍력발전기 세트 내부에 구비된 공기 소스 시스템(12)을 포함하며, 공기 소스 시스템(12)은 제1기공(2)과 연결될 수 있다. 여기서, 선택 가능한 실시방식으로서, 공기 소스 시스템(12) 및 공기 소스 시스템(12)과 관련된 부재도 이미 앞에서 설명하였으므로 다시 설명하지 않는다.
실시예 2
본 실시예와 관련된 고정자, 직접구동 영구자석 풍력발전기의 구체적인 구성은 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같으며, 도 7은 본 발명의 실시예 2에 따른 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자와 회전자의 결합부분의 구성을 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명의 실시예 2에 따른 직접구동 영구자석 풍력발전기의 전체적 구성을 나타낸 도면이다. 설명의 편리를 위하여 도면중 우측을 프로펠러 측으로 정의하고, 좌측을 탑측으로 정의하며, 수직방향을 반경 방향(전체 풍력발전기를 중심으로 하는 반경 방향)으로 정의하고, 수평방향을 축방향(풍력발전기의 회전축을 따른 방향)으로 정의한다. 도면에 도시된 작은 화살표는 기류의 유통경로를 나타낸다. 아래에 주로 실시예 1과의 부동한 점을 설명하며 언급되지 않은 부분의 구성은 실시예 1의 설명을 참조할 수 있다.
본 실시예의 고정자는 고정자 지지체(1), 고정자 지지체(1)의 외주벽에 구비되는 고정자 철심(8), 프로펠러 측 치형 지지물(6) 및 탑측 치형 지지물(10)을 포함하며, 프로펠러 측 치형 지지물(6)은 고정자 철심(8)의 프로펠러 측 축방향 단면에 구비되고, 탑 측 치형 지지물(10)은 고정자 철심(8)의 탑측 축방향 단면에 구비된다. 고정자 지지체(1)의 외주벽에는 적어도 하나의 제1기공(2)이 형성되어 있고 프로펠러 측 치형 지지물(6)에는 적어도 하나의 제2기공(5)이 형성되어 있으며 탑측 치형 지지물(10)에는 적어도 하나의 제3기공(21)이 형성되어 있다. 고정자는 제1기공(2)과 제2기공(5) 및 제3기공(21)을 연통하는 적어도 하나의 기체통로(9)를 더 포함하며, 기체통로(9)는 고정자 철심의 내부를 통과한다.
여기서, 제3기공(21)은 제1기공(2) 및 제2기공(5)과 비슷하게 원형일 수도 있고 삼각형, 타원형일 수도 있다. 또한, 제3기공(21)도 기타 형태의 기체 가이드 홀 등 일 수 있으며 요컨대 기류를 유통시킬수만 있으면 되며, 바람직하게, 제3기공(21)은 원형 기공이며, 원형 기공은 기류유동에 대한 마찰 저항을 감소할 수 있다.
상기 고정자 구성은 고정자 내부의 기류를 고정자 철심의 프로펠러 측 치형 지지물(6)과 탑측 치형 지지물(10)의 단면으로 안내하여 풍력발전기의 프로펠러 측과 탑측에서 풍력발전기가 모두 내부에 구비된 기류원을 이용하여 자신을 건조, 냉각할 수 있도록 하거나 외부의 악렬한 기류를 막아 발전기 내부로 들어가기 어렵게 함으로써 영구자석 자극의 사용수명을 연장하고 발전기 내부 소자의 '절연레벨의 하강'을 방지하며 발전기가 악렬한 기류(예를 들면, 비 또는 눈 등)에 의해 부식되는 리스크를 저감하고 절연 신뢰성을 보장할 수 있다.
또한, 상기 고정자 구성의 기초상, 프로펠러 측 치형 지지물(6)과 탑측 치형 지지물(10)에 환형의 축소노즐(4)을 설치하여 고정자 내부에서 인출된 기류를 제어하여 풍력발전기의 건조, 냉각을 구현하거나 외부의 악렬한 기류를 막는다.
아래에 상기 고정자 구성 중의 기체통로, 축소노즐, 및 풍력발전기세트 내부에 구비된 공기 소스 시스템 및 풍력발전기 중의 기류유동경로의 선택 가능한 실시방식을 상세히 소개한다.
(1) 고정자 철심 내부의 기체통로
고정자 철심(8) 내부의 기체통로(9)는 고정자 내부의 공기 소스를 프로펠러 측 치형 지지물(6)에 형성된 적어도 하나의 제2기공(5) 및 탑측 치형 지지물(10)에 형성된 적어도 하나의 제3기공(21)으로 안내한다. 마찬가지로 도 2를 참조할 수 있으며, 고정자 지지체(1)의 외주벽에는 펀칭플레이트 고정키(7)가 고정되고 고정자 철심(8)은 도브테일 홈을 구비하며 상기 도브테일 홈은 펀칭플레이트 고정키(7)에 씌워져 고정자 철심(8)을 고정자 지지체(1)의 외주벽에 고정한다. 제1기공(2)은 펀칭플레이트 고정키(7)와 접촉하는 고정자 지지체(1)의 외주벽에 위치할 수 있으며 펀칭플레이트 고정키(7)에는 기공이 구비될 수 있으며 기체통로(9)는 펀칭플레이트 고정키(7)의 기공을 통과하여 제1기공(2)과 연통할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 실시예 1과 마찬가지로 기체통로(9)는 반경 방향 기체통로(92)와 축방향 기체통로(91)을 포함할 수 있으며, 반경 방향 기체통로(92)는 펀칭플레이트 고정키(7)와 고정자 철심(8)의 내부를 통과할 수 있으며 반경 방향 기체통로(92)의 일단은 제1기공(2)과 연결되고 타단은 축방향 기체통로(91)와 연결되며, 실시예 1과의 부동한 점은 축방향 기체통로(91)가 축방향을 따라 고정자 철심(8)의 내부를 통과하여 제2기공(5) 및 제3기공(21)과 연통될 수 있는 것이다.
또한, 제1기공(2), 제2기공(5), 제3기공(21) 및 기체통로(9)는 복수개이고 수량이 동일하며 원주를 따라 균일하게 구비되고, 복수개의 제1기공(2), 제2기공(5), 제3기공(21) 및 기체통로(9)는 대응되게 연통되며 복수개 독립된 고정자 지지체(1)의 외주벽에서 프로펠러 측 치형 지지물(6) 및 탑측 치형 지지물(10)로의 기체통로(9)를 형성할 수 있다.
(2) 축소노즐
본 실시예도 실시예 1의 구성과 동일한 축소노즐(4)이 구비될 수 있다. 다만 실시예 1의 축소노즐(4)은 발전기의 일측에 구비되나 본 실시예에서 축소노즐(4)은 발전기의 양측에 구비된다. 구체적으로, 본 실시예에서, 프로펠러 측 치형 지지물(6)과 탑측 치형 지지물(10)에는 각각 환형의 축소노즐(4)이 구비되며, 제2기공(5)과 제3기공(21)은 각각 대응하는 일측의 축소노즐의 환형 입구와 연통되는바, 즉 프로펠러 측 치형 지지물(6) 상의 제2기공(5)과 프로펠러 측 축소노즐(4)의 입구가 연통되고 탑측 치형 지지물(10) 상의 제3기공(21)과 탑측 축소노즐(4)의 환형 입구가 연통되어 고정자 철심(8) 내부의 기체통로(9) 중의 기체를 축소노즐(4)로 안내할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 발전기의 풍상측(프로펠러 측으로도 불리우며, 즉 도 7의 우측)에서, 고정자는 프로펠러 측 코밍(3)을 포함할 수 있고 회전자는 회전자 밀봉링(16)을 포함할 수 있으며 고정자와 회전자를 조합 장착한 후 프로펠러 측 치형 지지물(6)에 구비된 축소노즐(4)의 출구는 프로펠러 측 코밍(3)과 회전자 밀봉링(16)으로 형성된 틈새를 바로 마주할 수 있다. 프로펠러 측 코밍(3)과 회전자 밀봉링(16) 사이에 형성된 환형 갭을 막는데 사용된다. 여기서, 프로펠러 측 코밍(3)과 회전자 밀봉링(16)은 모두 원환형태이다. 상응하게, 발전기의 풍하측(탑측으로도 불리우며, 즉 도 7의 좌측)에서, 고정자는 탑측 코밍(11)을 포함할 수 있고 회전자는 회전자 밀봉링(16)과 엔드 커버 밀봉링(20)을 포함할 수 있으며 고정자와 회전자를 조합 장착한 후 탑측 치형 지지물(10)에 구비된 축소노즐(4)의 출구는 탑측 코밍(11)과 엔드 커버 밀봉링(20)으로 형성된 틈새를 마주할 수 있으며 탑측 코밍(11)과 엔드 커버 밀봉링(20) 사이에 형성된 환형 갭을 막는데 사용된다. 선택적으로, 프로펠러 측 코밍(3)과 탑측 치형 지지물(10)은 모두 환형 형태이므로 축소노즐(4)을 일체형의 원환 형태의 노즐로 제작할 수 있으며 프로펠러 측 코밍(3)과 탑측 치형 지지물(10) 상의 적어도 하나의 제2기공(5)과 제3기공(21)에 밀접히 잠궈져 축소노즐(4)과 제2기공(5)이 심리스 연결되게 하며 나아가 각 제2기공(5)에서 흘러 나오는 기체가 충분히 모여 기류의 압력이 균일화되고 축소노즐(4)의 출구에서 균일한 압력을 형성하도록 한다.
실시예 1과 마찬가지로, 도 4에 도시된 바와 같이, 축소노즐(4)의 반경 방향 단면은 낫형일 수 있고 차례로 연통된 수직부(43), 경사부(42) 및 밴드부(41)를 포함할 수 있다. 여기서, 프로펠러 측 치형 지지물(6) 및 탑측 치형 지지물(10)에 구비된 축소노즐(4)의 수직부(43)는 각각 제2기공(5) 및 제3기공(21)과 연통되는바, 즉 프로펠러 측 축소노즐(4)의 수직부(43)과 제2기공(5)이 연통되고 탑측의 축소노즐(4)의 수직부(43)과 제3기공(21)이 연통된다. 수직부(43)의 반경반향 폭은 일치하며 제2기공(5) 및 제3기공(21)의 반경 방향 폭보다 크거나 같다. 경사부(42)는 전체적으로 고정자 중심 방향으로 경사지며, 밴드부(41)는 전체적으로 원호형이고 그 말단은 축소노즐의 출구를 형성하며 반경 방향 폭은 경사부(42)에서 밴드부(41)의 말단으로 점차 축소된다.
(3) 풍력발전기세트 내부의 공기 소스 시스템
공기 소스 시스템(12)의 구성과 관련 부재는 실시예 1과 동일하다.
(4) 기체유동경로
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 도면에 도시된 작은 화살표는 기류의 유통경로를 나타내며, 기계실 내 공기기류는 공기 소스 시스템(12)의 여과, 건조, 압축을 거친후 고정자 지지체(1) 상의 제1기공(2)에 운송되고, 기류는 제1기공(2)을 통해 펀칭플레이트 고정키(7)를 통과하여 고정자 철심(8)의 반경 방향 기체통로(92)에 들어가며, 기류는 반경 방향 기체통로(92)를 따라 축방향 기체통로(91)로 들어가며, 그후 축방향 기체통로(91)를 통해 프로펠러 측 치형 지지물(6)과 탑측 치형 지지물(10)을 통과하여 양측의 축소노즐(4)로 들어가며, 축소노즐(4)의 가속을 거친후 축소노즐(4)의 출구로 분출되며 각각 프로펠러 측 코밍(3)과 회전자 밀봉링(16) 사이의 환형 갭 및 탑측 코밍(11)과 엔드 커버 밀봉링(20) 사이의 환형 틈새로 날려가 풍력발전기의 양측에서 고정자와 회전자 사이의 환형 갭을 막고 비, 눈 기체 고체 2상류 또는 비물 기체 액체 2상류의 침입을 차단한다.
상기 실시예 1에서 형성한 기류경로는 프로펠러 측 코밍(3)과 회전자 밀봉링(16) 사이의 환형 에어 갭으로 침입한 외부 악렬한 기류(프로펠러 측에서 침입한 기류)를 막으나, 본 실시예의 구성으로 형성한 기류경로는 커버 밀봉링(20)과 탑측 코밍(11) 사이의 환형 갭으로 침입한 외부 악렬한 기류(탑측에서 침입한 기류)도 막을 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예는 프로펠러 측과 탑측에 모두 환형의 축소노즐(4)을 구비하였기에 양측에서 외부 악렬한 기류를 막을 수 있다.
일반적으로, 풍력발전기의 작동 과정에서, 프로펠러 측은 일반적으로 맞 바람쪽 방향을 마주하며, 풍력발전기의 풍상측 외부 기류는 비교적 강하며, 맞 바람쪽 방향 유입류는 발전기 고정자 지지체와 부딪치면 다시 튀어 나와 회전자 밀봉링과 부딪친 후 반사, 축적되어 기류 압력의 회복성 향상(유입류에 비해)을 일으키며 이러한 기류는 프로펠러 측 코밍(3)과 회전자 밀봉링(16) 사이의 환형 에어 갭 내로 침입한다.
축소노즐(4)이 분출하는 기류는 외부의 프로펠러 측으로 부터의 침입 기류를 막은 후, 일부는 프로펠러 측 코밍(3)과 회전자 밀봉링(16) 사이의 환형 에어 갭에서 분출되며(이는 기류 압력의 크기에 따라 분출되지 않을 수도 있는바, 막는 작용을 하기만 하면 됨), 다른 일부 또는 전부 기류는 회전자 밀봉링(16)과 부딪치며, 부딪친 후 튕겨나오는 기류는 고정자 회전자 사이의 에어 갭으로 들어가며 마지막으로 엔드 커버 밀봉링(20)과 탑측 코밍(11) 사이의 환형 갭을 거쳐 대기환경에 배출되며, 이 부분의 발전기 내부에서 튕기는 부분적 기류는 또한 권선(17)과 자극(18)을 건조할 수도 있다.
이러한 경우, 탑측의 외부 기류가 프로펠러 측 외부 기류에 비해 약하므로, 탑측에 구비된 축소노즐(4)이 분출한 기류는 탑측 코밍(11)과 엔드 커버 밀봉링(20) 사이의 환형 틈새로 직접 분출할 수 있다.
한편, 바람장의 환경이 복잡하고 바람방향도 변화가 많을 수 있으며, 풍력발전기가 정지상태에 있을 때에도 프로펠러 측과 탑측이 향한 바람방향도 변화가 발생할 수 있는 것을 감안한다. 다수의 경우, 탑측에서 침입한 외부 기류가 비교적 강한 정황이 발생할 수도 있다. 이러한 경우, 탑측에 구비된 축소노즐(4)이 외부의 악렬한 기류를 막을 것이 필요하다.
이러한 경우, 탑측의 외부 기류가 비교적 강하고 프로펠러 측 외부 기류가 비교적 약하다. 축소노즐(4)이 분출하는 기류는 외부의 탑측으로 부터의 침입 기류를 막은 후, 일부는 탑측 코밍(11)과 엔드 커버 밀봉링(20) 사이의 환형 에어 갭에서 분출되며(이는 기류 압력의 크기에 따라 분출되지 않을 수도 있는바, 막는 작용을 하기만 하면 됨), 다른 일부 또는 전부 기류는 엔드 커버 밀봉링(20)과 부딪치며, 부딪친 후 튕겨나오는 기류는 고정자 회전자 사이의 에어 갭으로 들어가며 마지막으로 프로펠러 측 코밍(3)과 회전자 밀봉링(16) 사이의 환형 에어 갭을 거쳐 대기환경에 배출되며, 이러한 발전기 내부에서 튕기는 부분적 기류는 마찬가지로 권선(17)과 자극(18)을 건조할 수도 있다.
본 실시예는 탑측에도 축소노즐(4)을 구비하므로 실시예 1에 비해 프로펠러 측과 탑측으로 부터의 외부 기류를 모두 막을 수 있기에 풍력발전기 내부가 외부 기류의 침범을 받지 않도록 더 잘 보장할 수 있다.
또한, 본 실시예 1은 회전자 및 본 실시예에서 제공한 고정자를 포함할 수 있는 직접구동 영구자석 풍력발전기를 더 제공하며, 구체적인 구성은 도 8에 도시된 바와 같다.
또한, 본 실시예 1은 직접구동 영구자석 풍력발전기 시스템을 더 제공하며, 상술한 풍력발전기 및 풍력발전기 세트 내부에 구비된 공기 소스 시스템(12)을 포함할 수 있으며, 공기 소스 시스템(12)은 제1기공(2)과 연결될 수 있다. 여기서, 선택 가능한 실시방식으로서, 공기 소스 시스템(12) 및 공기 소스 시스템(12)과 관련된 부재도 이미 앞에서 설명하였으므로 다시 설명하지 않는다.
실시예 3
본 실시예와 관련된 고정자, 직접구동 영구자석 풍력발전기의 구체적인 구성은 도 9에 도시된 바와 같으며, 도 9는 본 발명의 실시예 3에 따른 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자와 회전자의 결합부분의 구성을 나타낸 도면이며, 설명의 편리를 위하여 도면중 우측을 프로펠러 측(풍력발전기의 작동 과정에서, 프로펠러 측은 일반적으로 풍상측을 향한다)으로 정의하고, 좌측을 탑측(풍력발전기의 작동 과정에서, 탑측은 일반적으로 풍하측을 향한다)으로 정의하며, 수직방향을 반경 방향(전체 풍력발전기를 중심으로 하는 반경 방향)으로 정의하고, 수평방향을 축방향(풍력발전기의 회전축을 따른 방향)으로 정의한다. 도면에 도시된 작은 화살표는 기류의 유통경로를 나타낸다. 아래에 주로 실시예 1 및 실시예 2와의 부동한 점을 설명하며 언급되지 않은 부분의 구성은 실시예 1의 설명을 참조할 수 있다.
본 실시예에 따른 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자는 고정자 지지체(1), 고정자 지지체(1)의 외주벽에 구비되는 고정자 철심(8) 및 탑측 치형 지지물(10)을 포함하며, 탑측 치형 지지물(10)은 고정자 철심(8)의 탑측 축방향 단면에 구비된다. 고정자 지지체(1)의 외주벽에는 적어도 하나의 제1기공(2)이 형성되어 있고 탑측 치형 지지물(10)에는 적어도 하나의 제3기공(21)이 형성되어 있을 수 있다. 고정자는 또한 제1기공(2)와 제3기공(21)을 연통하는 적어도 하나의 기체통로(9)를 포함할 수 있으며 기체통로(9)는 고정자 철심(8)의 내부를 통과할 수 있다.
상기 고정자 구성은 고정자 중앙부의 기류를 고정자 철심의 탑측 치형 지지물(10)의 단면으로 안내하여 풍력발전기의 탑측에서 풍력발전기가 내부에 구비된 기류원을 이용하여 자신을 건조할 수 있도록 하거나 외부의 악렬한 기류를 막아 발전기 내부로 들어가기 어렵게 함으로써 영구자석 자극의 사용수명을 연장하고 발전기 내부 소자의 '절연레벨의 하강'을 방지하며 발전기가 악렬한 기류(예를 들면, 비 또는 눈 등)에 의해 부식되는 리스크를 저감하고 절연 신뢰성을 보장할 수 있다.
이 외에, 실시예 1 및 실시예 2와의 부동한 점은 본 실시예에서 고정자에 축소노즐을 구비하지 않는 것이다.
또한, 본 실시예는 회전자 및 본 실시예에서 제공한 고정자를 포함할 수 있는 직접구동 영구자석 풍력발전기를 더 제공한다. 여기서, 고정자는 탑측 코밍(11)을 포함할 수 있고 회전자는 엔드 커버 밀봉링(20)을 포함할 수 있으며, 탑측 코밍(11)과 엔드 커버 밀봉링(20) 사이에는 탑측 밀봉부재(22)가 구비될 수 있고, 탑측 밀봉부재(22)는 탑측 코밍(11) 또는 엔드 커버 밀봉링(20)의 일자에 고정되어 동적 밀봉의 방식으로 탑측 코밍(11)과 엔드 커버 밀봉링(20) 사이의 틈새를 밀봉할 수 있다.
상기 두개 실시예와의 부동한 점은, 본 실시예에서 축소노즐을 이용하여 마이크로 양압 환경을 구축하지 않고 완전히 풍력발전기 내부의 기류유동에 의해 마이크로 양압 환경을 구축하여 외부 기류의 침입을 막는 것이다.
또한, 본 실시예는 직접구동 영구자석 풍력발전기 시스템을 더 제공하며, 상술한 풍력발전기 및 풍력발전기 세트 내부에 구비된 공기 소스 시스템(12)을 포함할 수 있으며, 공기 소스 시스템(12)은 제1기공(2)과 연결될 수 있다. 여기서, 공기 소스 시스템(12)의 구성과 배치는 실시예 1과 동일하다.
아래에 상기 고정자 구성 중의 기체통로, 풍력발전기세트 내부에 구비된 공기 소스 시스템 및 풍력발전기 내부의 기류유동경로의 선택 가능한 실시방식을 상세히 소개한다.
(1) 고정자 철심 내부의 기체통로
도 9에 도시된 바와 같이, 실시예 1과 마찬가지로, 기체통로(9)는 반경 방향 기체통로(92)와 축방향 기체통로(91)을 포함할 수 있으며, 반경 방향 기체통로(92)는 펀칭플레이트 고정키(7)와 고정자 철심(8)의 내부를 통과할 수 있으며 반경 방향 기체통로(92)의 일단은 제1기공(2)과 연결되고 타단은 축방향 기체통로(91)와 연결될 수 있다. 실시예 1과의 부동한 점은, 축방향 기체통로(91)가 축방향을 따라 고정자 철심(8)의 내부를 통과하여 제3기공(21)과 연통될 수 있는 것이다.
또한, 제1기공(2), 제3기공(21) 및 기체통로(9)는 복수개이고 수량이 동일하며 원주를 따라 균일하게 구비되고, 복수개의 제1기공(2), 제3기공(21) 및 기체통로(9)는 대응되게 연통되며 복수개 독립된 고정자 지지체(1)의 내벽에서 탑측 치형 지지물(10)로의 기체통로(9)를 형성할 수 있다.
(2) 풍력발전기세트 내부의 공기 소스 시스템
공기 소스 시스템(12)의 구성과 관련 부재는 실시예 1과 동일하다.
(3) 기체유동경로
본 실시예의 마이크로 양압 환경은 축소노즐에 의해 구현되지 않고 탑측 밀봉부재(22)가 기류에 대한 막힘을 이용하여 구현하였다.
도 9에 도시된 바와 같이, 도면에 도시된 작은 화살표는 기류의 유통경로를 나타낸다. 구체적으로, 기계실 내 공기기류는 공기 소스 시스템(12)의 여과, 건조, 압축을 거친후 고정자 지지체(1) 상의 제1기공(2)에 운송되고, 기류는 제1기공(2)을 통해 펀칭플레이트 고정키(7)를 통과하여 고정자 철심(8)의 반경 방향 기체통로(92)에 들어가며, 기류는 반경 방향 기체통로(92)를 따라 축방향 기체통로(91)로 들어가며, 기계실 내 공기기류는 축방향 기체통로(91)에 도달한 후 프로펠러 측이 봉폐되었기에 기류는 제3기공(21)으로 유출되어 발전기 아랫바람 단부로 흘러가며 탑측 코밍(11)과 엔드 커버 밀봉링(20) 사이에 탑측 밀봉부재(22)를 구비하였기에 기류를 막아 절대 대부분의 기류는 다시 고정자 지지체(1)와 회전자 스파이더(15)가 형성하는 환형 에어 갭으로 들어가고 환형 에어 갭 내의 기류는 탑측 권선(17), 자극(18)을 거쳐 프로펠러 측 권선 단부에 도달하며 최종적으로 프로펠러 측 코밍(3)과 회전자 밀봉링(16) 사이의 환형 갭으로 대기환경에 배출된다.
이러한 방안의 장점은, 건조 기류가 고정자 지지체(1)와 회전자 스파이더(15)가 형성하는 환형 에어 갭을 통과하여야 하므로 탑측 및 프로펠러 측의 권선(17)과 자석(18)을 건조할 수 있으며 동시에 풍상측에서 마이크로 양압을 형성하여 외부 기류가 발전기 내부로 들어가는 것을 막을 수 있다.
상술한 것은 본 발명의 구체적인 실시방식일 뿐 본 발명의 보호범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 이 기술분야에서 통상의 기술을 가진자는 본 발명이 개시한 기술범위 내에서 변경과 교체를 용이하게 생각할 수 있으며 이러한 변경과 교체는 모두 본 발명의 보호범위에 포함되어야 한다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 상기 청구항의 보호범위를 기준으로 하여야 한다.
1-고정자 지지체; 2-제1기공; 3-프로펠러 측 코밍; 4-축소노즐; 41-밴드부; 42-경사부; 43-수직부; 5-제2기공; 6-프로펠러 측 치형 지지물; 7-펀칭플레이트 고정키; 8-고정자 철심; 9-기체통로; 91-축방향통로; 92-반경 방향 통로; 10-탑측 치형 지지물; 11-탑측 코밍; 12-공기 소스 시스템; 13-주관; 14-분기관; 15-회전자 스파이더; 16-회전자 밀봉링; 17-권선; 18-자극; 19-회전자 엔드 커버; 20-엔드 커버 밀봉링; 21-제3기공; 22-탑측 밀봉부재

Claims (25)

  1. 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자에 있어서,
    고정자 지지체, 고정자 지지체의 외주벽에 구비되는 고정자 철심 및 프로펠러 측 치형 지지물을 포함하며, 상기 프로펠러 측 치형 지지물은 상기 고정자 철심의 프로펠러 측 축방향 단면에 구비되며,
    상기 고정자 지지체의 외주벽에는 적어도 하나의 제1기공이 형성되어 있고 상기 프로펠러 측 치형 지지물에는 적어도 하나의 제2기공이 형성되어 있으며,
    상기 고정자는 상기 제1기공과 상기 제2기공을 연통하는 적어도 하나의 기체통로를 더 포함하며, 상기 기체통로는 상기 고정자 철심의 내부를 통과하는
    것을 특징으로 하는 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고정자 지지체의 외부벽에는 펀칭플레이트 고정키가 고정되며, 상기 고정자 철심의 도브테일 홈은 상기 펀칭플레이트 고정키에 씌우지며, 상기 기체통로는 상기 펀칭플레이트 고정키를 통과하여 상기 제1기공과 연통되는 것을 특징으로 하는 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기체통로는 반경 방향 기체통로와 축방향 기체통로를 포함하며, 상기 반경 방향 기체통로는 상기 펀칭플레이트 고정키와 상기 고정자 철심의 내부를 통과하며, 상기 반경 방향 기체통로의 일단은 상기 제1기공과 연결되고 타단은 상기 축방향 기체통로와 연결되며, 상기 축방향 기체통로는 축방향을 따라 상기 고정자 철심의 내부를 통과하여 상기 제2기공과 연통되는 것을 특징으로 하는 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1기공, 상기 제2기공 및 상기 기체통로는 복수개이고 수량이 동일하며 원주를 따라 균일하게 구비되고, 복수개의 상기 제1기공, 상기 제2기공 및 상기 기체통로는 대응되게 연통되며 복수개 독립된 상기 고정자 지지체의 외주벽에서 상기 프로펠러 측 치형 지지물로의 기체통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로펠러 측 치형 지지물에는 환형의 축소노즐이 구비되며, 상기 제2기공과 상기 축소노즐의 환형 입구는 연통되는 것을 특징으로 하는 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 고정자는 프로펠러 측 코밍을 포함하며, 상기 고정자와 대응하는 회전자는 회전자 밀봉링을 포함하며, 상기 고정자와 회전자를 조합 장착한 후 상기 축소노즐의 환형출구는 상기 프로펠러 측 코밍과 상기 회전자 밀봉링이 형성한 환형 갭을 향하는 것을 특징으로 하는 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 축소노즐의 단면은 낫형이고 차례로 연통된 수직부, 경사부 및 밴드부를 포함하며, 상기 수직부는 상기 제2기공과 연통되고 상기 수직부의 반경반향 폭은 일치하며 상기 제2기공의 반경 방향 폭보다 크거나 같으며, 상기 경사부는 전체적으로 고정자 중심 방향으로 경사지며, 상기 밴드부는 전체적으로 원호형이고 그 말단은 상기 축소노즐의 출구를 형성하며 상기 반경 방향 폭은 상기 경사부에서 상기 밴드부의 말단으로 점차 축소되는 것을 특징으로 하는 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자.
  8. 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자에 있어서,
    고정자 지지체, 고정자 지지체의 외주벽에 구비되는 고정자 철심, 프로펠러 측 치형 지지물 및 탑측 치형 지지물을 포함하며, 상기 프로펠러 측 치형 지지물은 상기 고정자 철심의 프로펠러 측 축방향 단면에 구비되고, 상기 탑 측 치형 지지물은 상기 고정자 철심의 탑측 축방향 단면에 구비되며,
    상기 고정자 지지체의 외주벽에는 적어도 하나의 제1기공이 형성되어 있고 상기 프로펠러 측 치형 지지물에는 적어도 하나의 제2기공이 형성되어 있으며 상기 탑측 치형 지지물에는 적어도 하나의 제3기공이 형성되어 있고,
    상기 고정자는 상기 제1기공과 상기 제2기공 및 상기 제3기공을 연통하는 적어도 하나의 기체통로를 더 포함하며, 상기 기체통로는 상기 고정자 철심의 내부를 통과하는
    것을 특징으로 하는 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 고정자 지지체의 외부벽에는 펀칭플레이트 고정키가 고정되며, 상기 고정자 철심의 도브테일 홈은 상기 펀칭플레이트 고정키에 씌우지며, 상기 기체통로는 상기 펀칭플레이트 고정키를 통과하여 상기 제1기공과 연통되는 것을 특징으로 하는 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 기체통로는 반경 방향 기체통로와 축방향 기체통로를 포함하며, 상기 반경 방향 기체통로는 상기 펀칭플레이트 고정키와 상기 고정자 철심의 내부를 통과하며, 상기 반경 방향 기체통로의 일단은 상기 제1기공과 연결되고 타단은 상기 축방향 기체통로와 연결되며, 상기 축방향 기체통로는 축방향을 따라 상기 고정자 철심의 내부를 통과하여 상기 제2기공 및 상기 제3기공과 연통되는 것을 특징으로 하는 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1기공, 상기 제2기공, 상기 제3기공 및 상기 기체통로는 복수개이고 수량이 동일하며 원주를 따라 균일하게 구비되고, 복수개의 상기 제1기공, 상기 제2기공, 상기 제3기공 및 상기 기체통로는 대응되게 연통되며 복수개 독립된 상기 고정자 지지체의 외주벽에서 상기 프로펠러 측 치형 지지물 및 상기 탑측 치형 지지물로의 기체통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로펠러 측 치형 지지물 및 상기 탑측 치형 지지물에는 각각 환형의 축소노즐이 구비되며, 상기 제2기공 및 상기 제3기공은 상기 축소노즐의 환형 입구와 연통되는 것을 특징으로 하는 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 고정자는 프로펠러 측 코밍과 탑측 코밍을 포함하며, 상기 회전자는 회전자 밀봉링과 엔드 커버 밀봉링을 포함하며, 상기 고정자와 회전자를 조합 장착한 후, 상기 프로펠러 측 치형 지지물에 구비된 축소노즐의 환형출구는 프로펠러 측 코밍과 회전자 밀봉링이 형성한 환형 갭을 향하고, 상기 탑측 치형 지지물에 구비된 축소노즐의 환형출구는 상기 탑측 코밍과 상기 엔드 커버 밀봉링이 형성한 환형 갭을 향하는 것을 특징으로 하는 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 축소노즐의 단면은 낫형이고 차례로 연통된 수직부, 경사부 및 밴드부를 포함하며, 상기 프로펠러 측 치형 지지물 및 상기 탑측 치형 지지물에 구비된 상기 축소노즐의 상기 수직부는 각각 상기 제2기공 및 상기 제3기공과 연통되고, 상기 수직부의 반경반향 폭은 일치하며 상기 제2기공 및 상기 제3기공의 반경 방향 폭보다 크거나 같으며, 상기 경사부는 전체적으로 고정자 중심 방향으로 경사지며, 상기 밴드부는 전체적으로 원호형이고 그 말단은 상기 축소노즐의 출구를 형성하며 상기 반경 방향 폭은 상기 경사부에서 상기 밴드부의 말단으로 점차 축소되는 것을 특징으로 하는 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자.
  15. 직접구동 영구자석 풍력발전기에 있어서,
    회전자와 제1항 내지 제14항 중 임의의 한 항의 고정자를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접구동 영구자석 풍력발전기.
  16. 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자에 있어서,
    고정자 지지체, 고정자 지지체의 외주벽에 구비되는 고정자 철심 및 탑 측 치형 지지물을 포함하며, 상기 탑측 치형 지지물은 상기 고정자 철심의 탑측 축방향 단면에 구비되며,
    상기 고정자 지지체의 외주벽에는 적어도 하나의 제1기공이 형성되어 있고 상기 탑측 치형 지지물에는 적어도 하나의 제3기공이 형성되어 있으며,
    상기 고정자는 상기 제1기공과 상기 제3기공을 연통하는 적어도 하나의 기체통로를 더 포함하며, 상기 기체통로는 상기 고정자 철심의 내부를 통과하는
    것을 특징으로 하는 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 고정자 지지체의 외부벽에는 펀칭플레이트 고정키가 고정되며, 상기 고정자 철심의 도브테일 홈은 상기 펀칭플레이트 고정키에 씌우지며, 상기 기체통로는 상기 펀칭플레이트 고정키를 통과하여 상기 제1기공과 연통되는 것을 특징으로 하는 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 기체통로는 반경 방향 기체통로와 축방향 기체통로를 포함하며, 상기 반경 방향 기체통로는 상기 펀칭플레이트 고정키와 상기 고정자 철심의 내부를 통과하며, 상기 반경 방향 기체통로의 일단은 상기 제1기공과 연결되고 타단은 상기 축방향 기체통로와 연결되며, 상기 축방향 기체통로는 축방향을 따라 상기 고정자 철심의 내부를 통과하여 상기 제3기공과 연통되는 것을 특징으로 하는 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1기공, 상기 제3기공 및 상기 기체통로는 복수개이고 수량이 동일하며 원주를 따라 균일하게 구비되고, 복수개의 상기 제1기공, 상기 제3기공 및 상기 기체통로는 대응되게 연통되며 복수개 독립된 상기 고정자 지지체의 외주벽에서 상기 탑측 치형 지지물로의 기체통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 직접구동 영구자석 풍력발전기의 고정자.
  20. 직접구동 영구자석 풍력발전기에 있어서,
    회전자와 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 기재된 고정자를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접구동 영구자석 풍력발전기.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 고정자는 탑측 코밍을 포함하고 상기 회전자는 엔드 커버 밀봉링을 포함하며, 상기 탑측 코밍과 상기 엔드 커버 밀봉링 사이에는 탑측 밀봉부재가 구비되고, 상기 탑측 밀봉부재는 상기 탑측 코밍 또는 상기 엔드 커버 밀봉링의 일자에 고정되며 동적 밀봉의 방식으로 탑측 코밍과 상기 엔드 커버 밀봉링 사이의 환형 틈새를 밀봉하는 것을 특징으로 하는 직접구동 영구자석 풍력발전기.
  22. 직접구동 영구자석 풍력발전기 시스템에 있어서,
    제15항, 제20항, 또는 제21항에 기재된 풍력발전기 및 풍력발전기 세트 내부에 구비된 공기 소스 시스템을 포함하며, 상기 공기 소스 시스템은 상기 제1기공과 연결되는 것을 특징으로 하는 직접구동 영구자석 풍력발전기 시스템.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 공기 소스 시스템은 예정된 압력의 기류를 생성하는 공기 소스 발생 장치와 상기 기류에 대해 공기 소스 정화 및 건조처리를 진행하는 공기 소스 처리장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접구동 영구자석 풍력발전기 시스템.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 공기 소스 발생 장치는 공기압축기이며, 상기 공기 소스 처리 장치는 공기 필터, 냉각기, 유수분리기 및 건조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접구동 영구자석 풍력발전기 시스템.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 공기 소스 시스템은 주관과 분기관을 통해 상기 제1기공과 연결되고, 상기 주관에서 상기 제1기공과 같은 수량의 분기관을 인출하며, 상기 분기관은 대응하여 상기 제1기공에 연결되는 것을 특징으로 하는 직접구동 영구자석 풍력발전기 시스템.
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