KR20160121917A - 이중계자를 가지는 회전전기자형 풍력발전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이중계자를 가지는 회전전기자형 풍력발전기는 지주의 상단에 설치된 몸체부; 몸체부의 일측에 회전가능하게 설치된 블레이드부; 블레이드부에 연결되고, 몸체부의 내부에 회전가능하게 설치된 전기자부; 및 몸체부의 내부에 고정되어, 전기자부를 기준으로 전기자부의 양측에서 이중 계자 구조로 설치되어 자계를 형성하는 복수의 계자부를 포함하는 것이 바람직하다.

Description

이중계자를 가지는 회전전기자형 풍력발전기{Rotating Armature Type Wind Power Generator with Dual Field Windings}
본 발명은 이중계자를 가지는 회전전기자형 풍력발전기에 관한 것이며, 상세하게는 전기자의 내측과 외측에 계자를 이중으로 설치하여, 반경방향의 자속밀도는 증대시키고 원주방향의 자속밀도는 감소시켜, 동일한 전류가 인가될 때 유기기전력을 증가시킬 수 있는 이중계자를 가지는 회전전기자형 풍력발전기에 관한 것이다.
일반적으로 풍력 발전시스템은 바람에 의한 운동 에너지를 전기적 에너지로 변환할 수 있도록 구성되는 시스템으로서, 설치되는 환경 조건에 따라 육상용(onshore)과 해상용(offshore)로 구분될 수 있다.
도 1은 일반적인 풍력발전시스템의 구조를 보여주는 개략도이다. 도 1을 참조하여, 풍력발전시스템의 작동을 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
타워(40)를 견고한 지반(50) 상에 콘트리트 구조물 등을 이용해서 세우고 그 위에 나셀(20)을 안착시킨다. 상기 나셀(20)은 내부에 증속기(22), 발전기(24), 인버터, 트랜스포머 등이 구비된다.
상기 증속기(22)에는 허브와 메인 샤프트를 통해 블레이드(30)가 연결 고정되고, 바람에 의해 저속으로 회전하는 블레이드(30)는 증속기(22)를 통해 1500rpm 이상의 고속으로 운동 에너지를 발생시키고 발전기(24)는 상기 운동에너지를 전기에너지로 변화시키게 되며, 발전기(24)에서 생산된 전기는 인버터에서 정류되어 전송된다.
풍력발전설비에서 발전기로는 교류발전기가 대부분 사용되고 있다. 교류발전기에는 동기발전기와 유도형 발전기가 있다.
일반적으로, 동기발전기는 고정자, 회전자와 여자기로 구성되어 있다. 동기발전기의 고정자와 회전자는 전기자 또는 계자의 역할을 수행할 수 있다. 전기자는 철심에 코일을 감은 것으로 지속을 끊어 코일에 전압을 발생시키는 역할을 하며, 계자은 철심에 코일을 감아 전기를 흘려 전자석으로 만들어 자계를 형성하거나 영구자석이 사용될 수 있다.
고정자와 회전자의 역할에 따라 회전전기자형과 회전계자형으로 구분된다.
도 2에는 회전계자형 발전기 구조가 개략적으로 개시되어 있고, 도 3에는 회전전기자형 발전기구조가 개시되어 있다.
도 2에 도시된 회전계자형은 전기자(24a)가 고정자가 되고, 계자(24b)가 회전자 역할을 한다. 도 3에 도시된 회전전기자형은 전기자(24c)가 회전자가 되고, 계자(24d)가 고정자 역할을 한다.
도 2에 도시된 회전계자형의 경우는 고정자를 전기자(24a)로 하기 때문에 전원인출이 간단하여, 회전전기자형보다 많이 사용되고 있으나, 풍력발전기와 같이 대형 발전기의 경우에 계자(24b)인 영구자석을 회전시키는데 어려움이 있다.
아울러, 회전계자형의 계자(24b)는 회전되는 과정에서 발생된 열을 냉각시키기 위해, 대략 영하 270도 정도의 극저온의 냉각매체(액체질소, 액체헬륨 등과 같은 냉각매체)가 제공되어 냉각된 상태로 회전해야 하는데, 회전하는 계자(24b)로 냉각매체를 제공하는데 어려움이 있고, 계자(24b)를 회전시키는데 어려움이 있었다.
한국 공개특허 제10-2014-0050169호에는 초전도 발전기와 논 커플링 구조식 냉각 시스템을 갖는 풍력 발전기가 개시되어 있다.
본 발명은 전기자가 회전되고 계자가 고정된 구조를 통해, 회전자인 전기자가 계자보다 가벼워 회전자의 회전효율을 증대시킬 수 있고, 냉각이 필요한 계자부분이 회전되지 않아 계자의 냉각효율을 증대시킬 수 있는 이중계자를 가지는 회전전기자형 풍력발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 전기자의 내측과 외측에 각각 계자를 이중으로 설치하여, 반경방향의 자속밀도는 증대시키고 원주방향의 자속밀도는 감소시켜, 동일한 전류가 인가될 때 유기기전력을 증가시킬 수 있는 이중계자를 가지는 회전전기자형 풍력발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 계자와 전기자를 모두 초전도선으로 만들어, 풍력발전기의 부피와 무게를 감소시키고, 풍력발전기의 용량을 증대시킬 수 있는 이중계자를 가지는 회전전기자형 풍력발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이중계자를 가지는 회전전기자형 풍력발전기는 지주의 상단에 설치된 몸체부; 몸체부의 일측에 회전가능하게 설치된 블레이드부; 블레이드부에 연결되고, 몸체부의 내부에 회전가능하게 설치된 전기자부; 및 몸체부의 내부에 고정되어, 전기자부를 기준으로 전기자부의 양측에서 이중 계자 구조로 설치되어 자계를 형성하는 복수의 계자부를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 복수의 계자부는, 전기자부의 내측에 방사형으로 배치된 복수의 제 1 계자부재가 구비된 제 1 계자부; 및 전기자부의 외측에 방사형으로 배치된 복수의 제 2 계자부재가 구비된 제 2 계자부를 포함하고, 제 2 계자부재의 폭(W2)은 제 1 계자부재의 폭(W1)과 같거나 또는 제 1 계자부재의 폭(W1)보다 큰 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제 2 계자부재는 상기 제 1 계자부재의 외측에서 상기 제 1 계자부재와 나란하게 위치되며, 상기 제 2 계자부재는 상기 전기자부의 중심에 대한 상기 제 2 계자부재의 양끝단 사이의 제 2 중심각(θ)이 상기 중심에 대한 상기 제 1 계자부재의 양끝단 사이의 제 1 중심각(θ1)과 동일하거나 큰 각도를 가지는 크기를 가지는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제 1 계자부재와 제 2 계자부재는 공극(air gap)이 마련된 구조를 가지는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제 1 계자부는, 전기자부의 내측에 위치되고 몸체부의 내부에 고정된 내함부재와, 내함부재의 내부에 고정된 복수의 제 1 계자부재를 포함하고, 제 2 계자부는, 전기자부의 외측에 위치되고 몸체부의 내부에 고정된 외함부재와, 외함부재의 내부에 고정된 복수의 제 2 계자부재를 포함하고, 전기자부는 내함부재와 외함부재의 측면에 설치된 베어링에 의해 연결되고, 제 1 계자부재와 제 2 계자부재의 자계형성시 회전되면서 유기기전력을 생산하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제 1 계자부재와 제 2 계자부재는 계자코일 또는 영구자석으로 이루어진 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제 1 계자부재, 제 2 계자부재와 전기자부는 초전도소재로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 전기자부의 타측에 연결되어, 전기자부에서 발생된 전압을 제공받는 슬립링을 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 전기자부의 내측과 외측에 각각 제 1 계자부재와 제 2 계자부재를 이중으로 설치하여, 반경방향의 자속밀도(Er)는 증대시키고 원주방향의 자속밀도(Bθ)는 감소시킴으로써, 동일한 전류가 인가될 때 유기기전력(e)을 증가시켜 풍력발전의 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 기존에 계자가 회전되고 전기자가 고정된 구조에서, 전기자가 회전되고 계자가 고정된 구조로 변환시켜, 냉각이 요구되는 계자보다 전기자를 회전시켜 회전자의 회전효율을 향상시키는 동시에, 제 1 계자부와 제 2 계자부가 고정자가 됨에 따라 제 1 계자부와 제 2 계자부를 냉각시키기 위해 사용되는 냉각매체를 보다 용이하게 공급할 수 있다.
본 발명은 계자와 전기자를 모두 초전도선으로 만들어, 풍력발전기의 부피와 무게를 감소시키고, 풍력발전기의 용량을 증대시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 풍력발전시스템의 구조를 보여주는 개략도이다.
도 2는 회전계자형 발전기 구조의 개략도이고,
도 3은 회전전기자형 발전기구조의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중계자를 가지는 회전전기자형 풍력발전기의 구조도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5(a) 및 도 5(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 계자부, 전기자부와 제 2 계자부의 배치구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 6은 계자부재의 개수, 계자부재의 폭과 계자부재의 형상에 따른 반경방향의 자속밀도의 변화그래프를 개략적으로 도시한 것이다.
도 7(a)는 도 2에 개시된 회전계자형 발전기 구조에서 자속라인을 도시한 것이고,
도 7(b)는 도 3에 개시된 회전전기자형 발전기구조의 자속라인을 도시한 것이며,
도 7(c)는 도 5(a)에 개시된 이중계자 회전전기자형 발전기구조의 자속라인을 도시한 것이며,
도 7(d)는 도 5(b)에 개시된 이중계자 회전전기자형 발전기구조의 자속라인을 도시한 것이며,
도 7(e)는 도 5(a)에 개시된 이중계자 회전전기자형 발전기구조보다 계자부재의 두께가 두꺼운 경우의 자속라인을 도시한 것이며,
도 7(f)는 도 5(b)에 개시된 이중계자 회전전기자형 발전기구조보다 계자부재의 두께가 두꺼운 경우의 자속라인을 도시한 것이다.
도 8(a)는 상기 도 7(a) 내지 도 7(f)에 개시된 전기자부의 반경에 대한 반경방향의 자속밀도(Br)의 변화그래프를 도시한 경우이고,
도 8(b)는 전기자부의 반경에 대한 원주방향의 자속밀도(Bθ)의 변화그래프를 개략적으로 도시한 것이다.
도 9(a)는 도 5(a)의 구조의 시간에 따른 전압변화 그래프를 도시한 것이고, 도 9(b)는 도 5(b)의 구조의 시간에 따른 전압변화 그래프를 도시한 것이다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이중계자를 가지는 회전전기자형 풍력발전기에 대해 설명하기로 한다.
일반적으로, 풍력 발전기는 바람의 에너지를 전기 에너지로 바꿔주는 장치로서, 풍력 발전기의 날개를 회전시켜 이때 생긴 날개의 회전력으로 전기를 생산한다.
풍력발전기의 출력식은 식 (1)와 같다.
Figure pat00001
...........................................식 (1)
여기서, A는 풍력발전기의 블레이드부재의 회전면적, ρ는 공기밀도, ν는 바람의 속도이다.
한편, 풍력발전기의 유기기전력(e)의 산출식은 식 (2)와 같다.
e=Blv[V]................................................... 식 (2)
여기서, e는 유기기전력, B는 전기자에 인가되는 자속밀도(B=Br, Br은 반경방향의 자속밀도), l은 풍력발전기의 축방향길이이고, v는 풍력발전기의 회전속도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 풍력발전기가 일단 지면에 설치되면, 풍력발전기의 축방향길이(l)와 풍력발전기의 회전속도(v)는 고정되어 있는 바, 유기기전력(e)을 높이기 위해서는 자속밀도(B)를 높여야 한다.
자속밀도의 세기를 높이기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중계자를 가지는 회전전기자형 풍력발전기(100)는 다음과 같은 구조를 채택한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명인 이중계자를 가지는 회전전기자형 풍력발전기(100)는 몸체부(110), 블레이드부(120), 전기자부(130), 제 1 계자부(140)와 제 2 계자부(150)를 포함한다.
본 실시예에서, 몸체부(110)는 지주의 상단에 설치된다. 여기서, 지주(미도시)는 도 1에 도시된 바와 같이 지면에 소정의 높이로 고정 설치되는 부재이다. 몸체부(110)에는 블레이드부(120)가 회전가능하게 연결된다.
몸체부(110)의 내부에는 발명의 배경이 되는 기술에서 상술했듯이 증속기(도 4에 미도시), 발전부재, 냉각장치(도 4에 미도시), 전원장치(도 4에 미도시) 등의 부재가 설치된다. 여기서, 발전부재는 전기자부(130), 제 1 계자부(140), 제 2 계자부(150)와 슬립링(160)을 구비한다.
본 실시예에서, 블레이드부(120)는 블레이드회전축(121)과 블레이드부재(122)로 이루어진다. 여기서, 블레이드회전축(121)은 몸체부(110)의 내부에 설치된 전기자부(130)에 연결된다.
블레이드부재(122)는 블레이드회전축(121)을 중심으로 방사형으로 설치되어, 바람이 불 때 회전되는 구조를 가진다. 풍력발전기에 사용되는 블레이드부(120)의 구조는 공지된 기술인 바, 본 실시예에서는 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 전기자부(130)는 몸체부(110)의 내부에 설치된다. 전기자부(130)는 일측에 블레이드부(120)에 연결되고, 타측에 슬립링(160)이 연결된다. 여기서, 슬립링(160)은 몸체부(110)의 내부에 위치되어, 전기자부(130)에서 발생된 전압을 제공받는 부재이다.
본 실시예에서, 전기자부(130)는 회전자이다. 전기자부(130)는 제 1 계자부(140)와 제 2 계자부(150)의 자계형성시 회전되면서 유기기전력을 생산하는 부재이다.
전기자부(130)는 전체적으로 내부가 중공된 원통형 구조를 가지는 것이 바람직하다. 전기자부(130)는 발전기의 크기가 작은 경우에는 구리선 코일이 권선되어 형성될 수 있고, 발전기의 크기가 대형화되는 경우에는 발전기의 부피 및 무게를 감소시키기 위해 초전도선재가 권선되어 형성될 수 있다.
전기자부(130)는 제 1 계자부(140)와 제 2 계자부(150)에 설치된 베어링(170)에 의해, 몸체부(110)에 회전가능하게 연결된다. 여기서, 베어링(170)은 제 1 계자부(140)의 내함부재(141)와 제 2 계자부(150)의 외함부재(151)의 측면에 설치된다.
여기서, 제 1 계자부(140)는 전기자부(130)의 내측에 설치되고, 제 2 계자부(150)는 전기자부(130)의 외측에 설치된다. 제 1 계자부(140)와 제 2 계자부(150)가 전기자부(130)의 중심을 기준으로 전기자부(130)의 양측에서 이중 계자 구조로 설치된다. 제 1 계자부(140)와 제 2 계자부(150)는 몸체부(110)에 고정되어 고정자 역할을 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 계자부(140)는 내함부재(141)와 제 1 계자부재(145)를 포함하고, 제 2 계자부(150)는 외함부재(151)와 제 2 계자부재(155)를 포함한다.
내함부재(141)는 전기자부(130)의 내측에서 몸체부(110)에 고정된다. 내함부재(141)는 내부가 중공된 구조를 가진다. 내함부재(141)의 내부에는 복수의 제 1 계자부재(145)가 설치된다. 그리고, 내함부재(141)는 냉각장치와 연결되어, 냉각장치로부터 복수의 제 1 계자부재(145)를 냉각시키는 액화질소, 액화헬륨과 같은 냉각매체를 제공받는다.
도 5에 도시된 바와 같이, 복수의 제 1 계자부재(145)는 전기자부(130)의 중심을 기준으로 동일한 반경으로 방사형으로 배치된다. 이때, 복수의 제 1 계자부재(145)는 상호 간에 일정간 간격으로 이격되어 배치되는 것이 바람직하다.
제 1 계자부재(145)는 계자코일 또는 영구자석으로 이루어질 수 있다. 계자코일로는 초전도선재가 사용될 수 있다. 제 1 계자부재(145)는 자계를 형성하는 부재이다. 예를 들어, 제 1 계자부재(145)로 영구자석이 사용될 경우에는 자석의 N극과 S극에 의하여 자계가 형성된다. 또는, 제 1 계자부재(145)가 계자코일이 권선되어 마련된 권선형이라면, 계자코일에 여자기가 연결되어, 여자기에 의한 자극에 의해 자계가 형성된다.
한편, 제 2 계자부(150)의 외함부재(151)는 전기자부(130)의 외측에서 몸체부(110)에 고정된다. 이때, 외함부재(151)는 내함부재(141)와 이격되어 위치된다. 외함부재(151)는 내함부재(141)와 반경의 크기만 다를 뿐, 내함부재(141)와 구조가 동일하다.
외함부재(151)는 내부에 복수의 제 2 계자부재(155)가 설치된다. 이때, 복수의 제 2 계자부재(155)는 전기자부(130)의 중심을 기준으로 동일한 반경으로 방사형으로 배치된 것이 바람직하고, 상호 간에 동일한 간격으로 이격된 것이 바람직하다.
제 2 계자부재(155)는 제 1 계자부재(145)와 동일한 재질 또는 동일한 방식(권선형 또는 자석)으로 자계를 형성할 수 있다. 제 2 계자부재(155)는 상기 제 1 계자부재(145)의 외측에서 상기 제 1 계자부재(145)와 이격되어 나란하게 배치된다.
제 2 계자부재(155)의 크기는 제 1 계자부재(145)와 동일한 크기를 가질 수 있다. 또는, 제 2 계자부재(155)의 폭(W2)은, 제 1 계자부재의 폭(W1)보다 큰 크기를 가질 수 있다.
또는, 제 2 계자부재는 상기 전기자부의 중심에 대한 상기 제 2 계자부재의 양끝단 사이의 제 2 중심각(θ2)이 상기 중심에 대한 상기 제 1 계자부재의 양끝단 사이의 제 1 중심각(θ1)과 동일하거나 큰 각도를 가지는 크기를 가질 수 있다.
또는, 제 1 계자부재(145)와 제 2 계자부재(155)의 크기는 제 1 중심각(θ1)과 제 2 중심각(θ2)이 동일한 경우에 제 1 계자부재의 반경(r1)과 제 2 계자부재의 반경(r2)에 각각 비례한다.
제 1 계자부재의 폭(W1)과 제 2 계자부재의 폭(W2)이 동일한 중심각(θ)을 가진 부채꼴의 현의 길이라 할 때, W=r2sin(θ/2)(여기서, W는 제 1 계자부재와 제 2 계자부재의 폭, r은 전기자부의 중심에서 제 1 계자부재의 반경 또는 제 2 계자부재의 반경, θ는 전기자부의 중심에 대한 제 1 계자부재 또는 제 2 계자부재의 양끝단 사이의 중심각)에 의해, 제 1 계자부재의 반경(r1)과 제 2 계자부재의 반경(r2)에 각각 비례하는 것이 바람직하다.
이는, 도 5(a) 및 도 7(c)에 개시된 바와 같이, 제 1 계자부재(145)와 제 2 계자부재(155)가 동일한 폭을 가지는 경우에 도 9(a)에서 점선으로 표시된 바와 같이 전압의 출력 파형의 왜곡되는 현상이 발생되나, 도 5(b) 및 도 7(d)에 개시된 바와 같이 제 2 계자부재(155)의 폭(W2)이 제 1 계자부재(145)의 폭(W1)에 대해 중심각(θ)만큼 비례하다면 도 9(b)에 도시된 바와 같이 전압의 출력 파형이 정현파에 근접하기 때문이다.
한편, 제 1 계자부재(145)와 제 2 계자부재(155)는 공극(145a, 155a)(air gap)이 마련된 구조를 가지는 것이 바람직하다.
이는 도 6에서 공극(145a, 155a)이 마련된 구조와 공극(145a, 155a)이 형성되지 않지 않은 구조에 있어서 자속밀도세기를 도시한 바와 같이, 공극(145a, 155a)이 마련된 구조가 공극(145a, 155a)이 없는 구조보다 자속밀도의 세기가 세기 때문이다. 도 6은 계자부재의 개수, 계자부재의 폭과 계자부재의 형상에 따른 반경방향의 자속밀도의 변화그래프를 개략적으로 도시한 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 공극(145a, 155a)의 마련된 구조는 계자부재(제 1 계자부재(145) 또는 제 2 계자부재(155))의 폭변화 및 극수(pole)에 따라 자속밀도(B)의 세기가 가변되나 대체적으로 4.0(T) < B < 5.5(T) 범위에서 자속밀도의 세기를 형성하나, 공극(145a, 155a)이 없는 구조는 자속밀도의 세기가 1.0(T) < B < 2.5(T) 범위에서 형성된다. 이로부터, 제 1 계자부재(145)는 공극(145a, 155a)이 마련된 구조가 공극(145a, 155a)이 없는 구조보다 대략 2.5배 내지 4배 정도도 자속밀도가 높게 형성됨을 알 수 있다.
아울러, 도 6에 개시된 그래프로부터, 공극(145a, 155a)이 없는 구조는 계자부재의 폭이 커짐에 따라 자속밀도(B)의 세기가 증가함을 알 수 있으나, 공극(145a, 155a)이 마련된 구조는 계자부재의 폭이 300mm에서 450mm까지 커질 때는 자속밀도(B)의 세기가 증가하나 계자부재의 폭이 450mm이상 커지면 자속밀도(B)의 세기가 감소하는 것으로 알 수 있다. 그리고, 전기자부(130)를 둘러싼 계자부재의 개수가 12개, 18개, 그리고 24개로 증가함에 따라 자속밀도(B)의 세기가 증가함을 알 수 있다.
결과적으로, 도 6을 통해 전기자부(130)를 둘러싸는 복수의 계자부재(제 1 계자부재(145)와 제 2 계자부재(155)를 통칭함)의 개수가 많을수록 자속밀도(B)의 세기가 증가되고, 계자부재의 폭이 300mm에서 450mm이고, 계자부재에 공극(145a, 155a)이 마련된 구조에서 자속밀도(B)의 세기가 커짐을 알 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 이중계자를 가지는 회전전기자형 풍력발전기(100)는 제 1 계자부(140)와 제 2 계자부(150)가 전기자부(130)의 내외측에 이중 구조로 설치됨에 따라, 표 2 내지 표 4, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 자속밀도의 세기를 증가시킴을 알 수 있다.
표 1에는 10MW급 HTS(High Temperature Superconductor) 발전기의 기본 디자인 모델 조건이 개시되어 있고, 표 2에는 케이스별 자속밀도의 세기 최대값이 개시되어 있고, 표 3에는 반경에 대한 반경방향의 자속밀도(Br)의 세기와 원주방향의 자속밀도(Bθ)의 세기가 개시되고, 표 4에는 케이스별 전압값과 출력값이 개시되어 있다.
10MW급 HTS(High Temperature Superconductor) 발전기의 기본 디자인 모델 조건
제 1 계자부재와 제 2 계자부재 전기자부
매개변수 값 매개변수 값
극수(Pole number) 12 상과 극수당 슬롯수 3
전류밀도[A/m2] 1.68×108 슬록 당 도선수 12
작동온도[K] 20 구리의 전류밀도[A/m2] 3
권선 사이즈(mm×mm) 126×126 도선 사이즈(mm×mm) 25×24
유효길이[mm] 1500 슬롯 사이즈(mm×mm) 60×230
최대 자기장[T] 10.4
공극 자기장[T] 2~3.5
케이스별 자속밀도의 세기 최대값
매개변수 케이스 1 케이스 2 케이스 3 케이스 4 케이스 5 케이스 6
B[T] 10.33 9.52 6.98 6.99 10.75 10.92
반경에 대한 반경방향의 자속밀도(Br)의 세기와 원주방향의 자속밀도(Bθ)의 세기
반경
(mm)		 케이스 1 케이스 2 케이스 3 케이스 4 케이스 5 케이스 6
Br
[T]		 Bθ
[T]		 Br
[T]		 Bθ[T] Br
[T]		 Bθ
[T]		 Br
[T]		 Bθ
[T]		 Br
[T]		 Bθ
[T]		 Br
[T]		 Bθ
[T]
1311 4.31 4.25 1.41 1.28 3.24 1.79 3.41 1.61 5.62 2.98 5.92 2.61
1336 3.79 3.57 1.61 1.37 3.04 1.31 3.19 1.11 5.25 2.22 5.55 1.78
1373.5 3.13 3.07 1.88 1.53 2.86 0.86 3.0 0.59 4.91 1.53 5.22 1.09
1436 2.30 2.32 2.49 1.85 2.74 0.33 2.82 0.21 4.70 0.51 4.94 0.44
1498.5 1.70 1.76 3.32 2.49 2.88 0.79 2.78 0.86 4.92 1.26 4.95 1.55
1536 1.44 1.44 3.90 3.11 3.07 1.33 2.80 1.33 5.25 2.09 5.03 2.31
1561 1.24 1.29 4.38 3.71 3.22 1.76 2.82 1.70 5.55 2.71 5.11 2.98
도 7(a)는 도 2에 개시되고 케이스 1에 해당되는 회전계자형 발전기 구조에서 자속라인을 도시한 것이고, 도 7(b)는 도 3에 개시되고 케이스 2에 해당되는 회전전기자형 발전기구조의 자속라인을 도시한 것이다.
도 7(c)는 도 5(a)에 개시되고 케이스 3에 해당되는 이중계자 회전전기자형 발전기구조의 자속라인을 도시한 것이며, 도 7(d)는 도 5(b)에 개시되고 케이스 4에 해당되는 이중계자 회전전기자형 발전기구조의 자속라인을 도시한 것이다.
도 7(e)는 케이스 5에 해당되고 도 5(a)에 개시된 이중계자 회전전기자형 발전기구조보다 계자부재의 두께가 두꺼운 경우의 자속라인을 도시한 것이며, 도 7(f)는 케이스 6에 해당되고 도 5(b)에 개시된 이중계자 회전전기자형 발전기구조보다 계자부재의 두께가 두꺼운 경우의 자속라인을 도시한 것이다.
그리고, 도 8(a)는 표 3에 따른 반경방향의 자속밀도(Br)의 변화그래프를 도시한 경우이고, 도 8(b)는 표 3에 따른 원주방향의 자속밀도(Bθ)의 변화그래프를 개략적으로 도시한 것이다.
도 7(a) 및 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 단일의 계자부가 전기자부(130)의 내측 또는 외측에 설치된 경우에, 단일의 계자부에 형성된 자기장의 경로가 증가하여 자속밀도가 감소함을 알 수 있다.
반면, 도 7(c) 내지 도 7(f)에 도시된 바와 같이, 제 1 계자부(140)와 제 2 계자부(150)가 전기자부(130)의 내외측으로 이중계자구조로 설치된 경우에, 자기장의 경로가 제 1 계자부(140)와 제 2 계자부(150)에 연결되어 형성됨에 따라 도 7(a)에 도시된 케이스 1 또는 도 7(b)에 도시된 케이스 2의 경우보다 자기장의 경로가 감소함을 알 수 있다. 제 1 계자부(140)와 제 2 계자부(150)를 경유하는 자기장의 경로가 감소하면 자속밀도가 증가한다.
그리고, 도 7(c)와 도 7(e)를 비교하면, 제 1 계자부재(145)와 제 2 계자부재(155)의 폭은 동일하나 두께가 상이한 경우, 즉, 도 7(e)에 도시된 제 1 계자부재(145)와 제 2 계자부재(155)의 두께가 도 7(c)에 도시된 제 1 계자부재(145)와 제 2 계자부재(155)의 두께보다 두꺼운 경우에, 도 7(e)에서 제 1 계자부재(145)와 제 2 계자부재(155)를 경유하는 자기장의 경로는 도 7(c)에서 제 1 계자부재(145)와 제 2 계자부재(155)를 경유하는 자기장의 경로보다 증가함을 알 수 있다.
이는, 도 7(d)와 도 7(f)를 비교한 경우와 같다. 즉, 도 7(f)에 도시된 제 1 계자부재(145)와 제 2 계자부재(155)의 두께가 도 7(d)에 도시된 제 1 계자부재(145)와 제 2 계자부재(155)의 두께보다 두꺼운 경우에, 도 7(f)에서 제 1 계자부재(145)와 제 2 계자부재(155)를 경유하는 자기장의 경로는 도 7(d)에서 제 1 계자부재(145)와 제 2 계자부재(155)를 경유하는 자기장의 경로보다 증가함을 알 수 있다. 이는, 도 8(b)에 도시된 바와 같이, 케이스 4의 원주방향의 자속밀도(Bθ)의 세기가 케이스 6의 원주방향의 자속밀도(Bθ)의 세기보다 낮음을 알 수 있다.
그러나, 반경방향의 자속밀도(Br)는 도 8(a)에 도시된 바와 같이, 케이스 3과 케이스 4와 같이 제 1 계자부재(145)와 제 2 계자부재(155)의 두께가 얇은 경우보다 케이스 5와 케이스 6과 같이 두꺼운 경우가 세기가 높은 것으로 알 수 있다. 상기 식(1)에 의한 유기기전력을 산출하는데 사용되는 자속밀도는 원주방향의 자속밀도(Bθ)가 아니라 반경방향의 자속밀도(Br)이다.
표 4에는 케이스별 식 (1)에 의한 풍력발전기의 출력값과 식 (2)에 의한 유기기전력의 전압값이 개시되어 있다.
케이스별 전압값과 출력값
매개변수 케이스 1 케이스 2 케이스 3 케이스 4 케이스 5 케이스 6
전압값[V] 7941 7618 8916 9809 15253 17268
출력[MW] 10.0 9.59 11.23 12.35 19.21 21.75
표 4에 개시된 바와 같이, 케이스 1 및 케이스 2와 같이 단일의 계자부를 사용한 경우, 유기기전력에 의한 전압값은 7941V 또는 7618V이다.
상술했듯이, 케이스 3 내지 케이스 6은 이중 계자 구조를 가진다.
케이스 3은 케이스 1의 계자부재의 두께보다 1/2의 두께를 가진 계자부재가 이중계자구조로 설치된 경우이다. 케이스 3은 8916V의 전압을 생산한다. 케이스 3은 케이스 1의 경우보다 12% 전압생산량이 증가한다.
케이스 4는 케이스 1의 계자부재의 두께보다 1/2의 두께를 가진 제 1 및 제 2 계자부재(145, 155)가 이중계자구조로 설치되고, 이때, 제 2 계자부재(155)의 폭은 제 1 계자부재(145)의 폭에 비례한 크기를 가진다. 케이스 4는 9809V의 전압을 생산한다. 이때, 케이스 4의 전압생산량은 케이스 1의 경우보다 23% 증가한 값이다.
아울러, 케이스 5는 케이스 3과 동일한 구조이나 제 1 및 제 2 계자부재(145, 155)의 두께가 케이스 1의 두께와 동일한 경우이다. 케이스 5는 15253V의 전압을 생산한다. 이 전압값은 케이스 1의 경우보다 92% 증가한 값이다.
케이스 6은 케이스 4와 동일한 구조이나 제 1 및 제 2 계자부재(145, 155)의 두께가 케이스 1의 두께와 동일한 경우이다. 케이스 6의 경우 상기 표 4에 개시된 바와 같이 케이스 1과 동일한 조건에서 실험을 한 경우에 17268V의 전압을 생산한다. 이 전압값은 케이스 1의 경우보다 117% 증가한 값이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이중계자를 가지는 회전전기자형 풍력발전기(100)는 전기자부(130)의 내측에 배치된 제 1 계자부재(145)가 케이스 1과 동일한 두께를 가지고, 전기자부(130)의 외측에 배치된 제 2 계자부재(155)의 폭이 제 1 계자부재(145)의 폭에 대해 중심각(θ)에 비례한 경우에, 단일의 계자부를 사용한 케이스 1의 경우보다 최대 117%의 전압을 더 생산하고, 출력값 또한 117% 증가함을 알 수 있다.
상기 표 4에 개시된 값으로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중계자를 가지는 회전전기자형 풍력발전기(100)는 이중 계자 구조를 가짐에 따라 동일한 조건에서 단일의 계자구조보다 유기기전력의 값이 증가함을 알 수 있고, 또한 풍력발전기의 출력값이 증가함을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
100: 이중계자를 가지는 회전전기자형 풍력발전기 110: 몸체부
120: 블레이드부 130: 전기자부
140: 제 1 계자부 141: 내함부재
145: 제 1 계자부재 145a: 공극
150: 제 2 계자부 151: 외함부재
155: 제 2 계자부재 155a: 공극
160: 슬립링 170: 베어링

Claims (8)

  1. 지주의 상단에 설치된 몸체부;
    상기 몸체부의 일측에 회전가능하게 설치된 블레이드부;
    상기 블레이드부에 연결되고, 상기 몸체부의 내부에 회전가능하게 설치된 전기자부; 및
    상기 몸체부의 내부에 고정되어, 상기 전기자부를 기준으로 상기 전기자부의 양측에서 이중 계자 구조로 설치되어 자계를 형성하는 복수의 계자부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중계자를 가지는 회전전기자형 풍력발전기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 계자부는,
    상기 전기자부의 내측에 방사형으로 배치된 복수의 제 1 계자부재가 구비된 제 1 계자부; 및
    상기 전기자부의 외측에 방사형으로 배치된 복수의 제 2 계자부재가 구비된 제 2 계자부를 포함하고,
    상기 제 2 계자부재의 폭(W2)은 상기 제 1 계자부재의 폭(W1)과 같거나 또는 상기 제 1 계자부재의 폭(W1)보다 큰 것을 특징으로 하는 이중계자를 가지는 회전전기자형 풍력발전기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 계자부재는 상기 제 1 계자부재의 외측에서 상기 제 1 계자부재와 나란하게 위치되며,
    상기 제 2 계자부재는 상기 전기자부의 중심에 대한 상기 제 2 계자부재의 양끝단 사이의 제 2 중심각(θ2)이 상기 중심에 대한 상기 제 1 계자부재의 양끝단 사이의 제 1 중심각(θ1)과 동일하거나 큰 각도를 가지는 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 이중계자를 가지는 회전전기자형 풍력발전기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 계자부재와 상기 제 2 계자부재는 공극(air gap)이 마련된 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 이중계자를 가지는 회전전기자형 풍력발전기.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 계자부는,
    상기 전기자부의 내측에 위치되고 상기 몸체부의 내부에 고정된 내함부재와, 상기 내함부재의 내부에 고정된 상기 복수의 제 1 계자부재를 포함하고,
    상기 제 2 계자부는,
    상기 전기자부의 외측에 위치되고 상기 몸체부의 내부에 고정된 외함부재와, 상기 외함부재의 내부에 고정된 상기 복수의 제 2 계자부재를 포함하고,
    상기 전기자부는 상기 내함부재와 상기 외함부재의 측면에 설치된 베어링에 의해 연결되고, 상기 제 1 계자부재와 상기 제 2 계자부재의 자계형성시 회전되면서 상기 유기기전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 이중계자를 가지는 회전전기자형 풍력발전기.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 계자부재와 상기 제 2 계자부재는 계자코일 또는 영구자석으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이중계자를 가지는 회전전기자형 풍력발전기.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 계자부재, 상기 제 2 계자부재와 상기 전기자부는 초전도소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이중계자를 가지는 회전전기자형 풍력발전기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기자부의 타측에 연결되어, 상기 전기자부에서 발생된 전압을 제공받는 슬립링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이중계자를 가지는 회전전기자형 풍력발전기.
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