KR20170023550A

KR20170023550A - 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리

Info

Publication number: KR20170023550A
Application number: KR1020150118833A
Authority: KR
Inventors: 김성하; 황계하
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2015-08-24
Filing date: 2015-08-24
Publication date: 2017-03-06
Also published as: US20170063199A1; KR101757051B1; JP6337356B2; JP2017046565A; EP3136550B1; US10587167B2; EP3136550A1

Abstract

본 발명은 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리에 관한 것으로, 다층으로 적층되며, 길이 방향을 따라 복수의 덕트가 관통 형성된 컨덕터와, 상기 컨덕터의 사이에 각각 삽입되어 상기 컨덕터 간의 절연 역할을 하는 턴 인슐레이터가 구비된 코일 턴과, 로터 바디의 외주면으로부터 반경 방향 외측으로 연장되며, 상기 코일 턴이 삽입되어 지지되고, 상기 코일 턴의 하부에는 냉각 유체가 유입되는 서브 슬롯이 형성된 투쓰(tooth)를 포함하며, 상기 턴 인슐레이터에는 상기 덕트에 대응하는 위치에 상기 덕트보다 짧은 길이의 관통홈이 복수 개 관통 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 턴 인슐레이터의 관통홈 형상을 변경하여 덕트 내 열전달 불균형을 해소함으로써 코일 턴의 냉각 효율을 향상시키는 효과가 있다.

Description

개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리{Rotor assembly having improved cooling path}

본 발명은 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 코일 턴의 열전달 불균형을 해소할 수 있는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리에 관한 것이다.

일반적으로 발전기는 전자 유도작용을 이용하여 기계적인 에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치로, 도체가 자기장 내에서 회전운동을 할 때에 전력을 일으키는 원리를 이용한 장치이다. 이러한 발전기는 냉각매체로 수소가스와 물을 사용하며, 먼지나 습기의 침입방지와 수소 가스의 누설을 방지하기 위하여 완전 밀폐 구조로 이루어진다.

발전기 내부의 통풍은 회전자인 로터(Rotor) 축에 부착된 팬에 의한 폐쇄 순환방식으로 되어 있으며, 수소 가스의 냉각을 위해 냉각기가 내장되어 있다. 또한, 고정자인 스테이터(Stator)는 로터를 수용하며, 코일 및 코일이 권선되는 스테이터 코어(Stator Core)와, 이들을 지지하는 프레임으로 구성된다.

로터가 회전 작동되는 동안 코일을 통해 이동하는 전류가 열을 발생시키는데,로터 코일로부터 열이 효과적으로 방출되지 못하면 발전기의 성능 저하의 원인이 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 한국특허공개 2010-0120267호에 로터의 냉각을 위한 구조를 갖는 회전 전기 기계 및 로터가 개시되어 있다.

종래의 냉각 구조는 로터 바디의 내측에 조립되는 컨덕터(conductor)의 냉각을 서브 슬롯으로 유입되는 냉각 유체에만 의존하는 구조이다. 서브 슬롯을 따라 흐르는 냉각 유체는 컨덕터에 형성된 덕트의 배열에 따라 로터 바디의 첫번째 덕트부터 로터 센터의 마지막 덕트까지 유량이 분배된다. 하나의 덕트 내에서 흐르는 유량의 분포는 냉각 유체의 유입단 쪽에 비해 그 반대쪽이 상대적으로 열전달이 적게 되어 열분포가 불균형해지는 문제가 있다.

한국특허공개 제2010-0120267호 (공개일 2010. 11. 15)

본 발명의 목적은 코일 턴의 열전달 불균형을 해소할 수 있는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리를 제공하는 것이다.

본 발명의 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리는, 다층으로 적층되며, 길이 방향을 따라 복수의 덕트가 관통 형성된 컨덕터와, 상기 컨덕터의 사이에 각각 삽입되어 상기 컨덕터 간의 절연 역할을 하는 턴 인슐레이터가 구비된 코일 턴과, 로터 바디의 외주면으로부터 반경 방향 외측으로 연장되며, 상기 코일 턴이 삽입되어 지지되고, 상기 코일 턴의 하부에는 냉각 유체가 유입되는 서브 슬롯이 형성된 투쓰(tooth)를 포함하며, 상기 턴 인슐레이터에는 상기 덕트에 대응하는 위치에 상기 덕트보다 짧은 길이의 관통홈이 복수 개 관통 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 관통홈은 상기 덕트의 1/2 크기인 슬릿 2개가 하나의 상기 덕트 위치에 대응하여 배치된 것을 특징으로 한다.

상기 관통홈은 상기 덕트의 1/3 크기인 슬릿 3개가 하나의 상기 덕트 위치에 대응하여 배치된 것을 특징으로 한다.

상기 관통홈은 길이가 1:2인 2개의 슬릿이 하나의 상기 덕트 위치에 대응하여 배치된 것을 특징으로 한다.

상기 관통홈은 크기가 큰 슬릿이 작은 슬릿이 상기 냉각 유체의 유입 방향쪽에 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기 관통홈은 상기 냉각 유체가 상기 서브 슬롯으로 유입되는 방향 쪽이 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리는, 다층으로 적층되며, 길이 방향을 따라 복수의 덕트가 관통 형성된 컨덕터와, 상기 컨덕터의 사이에 각각 삽입되어 상기 컨덕터 간의 절연 역할을 하는 턴 인슐레이터가 구비된 코일 턴과, 로터 바디의 외주면으로부터 반경 방향 외측으로 연장되며, 상기 코일 턴이 삽입되어 지지되고, 상기 코일 턴의 하부에는 냉각 유체가 유입되는 서브 슬롯이 형성된 투쓰(tooth)를 포함하며, 상기 턴 인슐레이터에는 상기 냉각 유체의 유입 방향 쪽 유량이 유출 방향 쪽 유량보다 커지도록 형성된 복수의 관통홈이 관통 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리는, 턴인슐레이션의 관통홈 형상을 변경하여 덕트 내 열전달 불균형을 해소함으로써 코일 턴의 냉각 효율을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 로터 어셈블리를 도시한 부분 사시도,
도 2는 도 1에 따른 로터 어셈블리의 코일 턴 결합 상태를 도시한 부분 사시도,
도 3은 로터의 임의의 덕트 내 열전달 상태를 도시한 도면,
도 4는 도 2에 따른 코일 턴의 적층 구조를 도시한 부분 사시도,
도 5는 도 2의 코일 턴에 따른 턴 인슐레이터의 다른 실시 예를 도시한 평면도,
도 6은 도 2의 코일 턴에 따른 턴 인슐레이터의 또 다른 실시 예를 도시한 평면도 이다.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 로터 어셈블리에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 로터 어셈블리를 도시한 부분 사시도이고, 도 2는 도 1에 따른 로터 어셈블리의 코일 턴 결합 상태를 도시한 부분 사시도이다. 도 3은 로터의 임의의 덕트 내 열전달 상태를 도시한 도면이며, 도 4는 도 3에 따른 코일 턴의 적층 구조를 도시한 부분 사시도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발전기용 로터 어셈블리(10)는 스테이터 내에 배치되어 회전하는 로터(100)및 로터(100)의 외주면에 배치되는 복수의 코일 턴(150)을 포함하여 구성된다. 코일 턴(150)은 하우징(190)에 수납되어 로터(100)의 외부로 노출되지 않는다.

로터(100)는 복수의 투쓰(tooth, 112) 및 서브 슬롯(미도시)이 형성된 로터 바디(110)와, 로터 바디(110)의 일측으로부터 연장된 스핀들(130)을 포함하여 구성된다. 스핀들(130)의 주위에 복수의 코일 턴(150)이 배치된다.

투쓰(112)는 로터 바디(110)의 외주면으로부터 반경 방향 외측으로 스테이터를 향해 연장되며, 다른 부품과의 결합 관계에 따라 로터 바디(110)의 외주면 전체 또는 일부 영역에 구비될 수 있다. 투쓰(112)는 이웃한 투쓰(112)와의 사이 상부 쪽에 후술할 코일 턴(150)의 직선부(154)가 삽입되며, 하부 쪽은 서브 슬롯이 형성되는 부분이다. 서브 슬롯은 투쓰(112)의 사이에 형성되며, 직선부(154)가 투쓰(112)의 사이에 삽입된 상태에서 코일 턴(150)의 하측에 위치하게 된다. 서브 슬롯은 복수의 코일 턴(150)의 직선부(154) 하측으로 유입된 냉각 유체를 투쓰(112)의 사이로 안내함으로써 로터 바디(110)가 냉각되도록 한다.

또한, 서브 슬롯과 후술할 코일 턴(150)의 덕트(142)는 유체가 유동할 수 있도록 연통되므로 서브 슬롯으로 유입된 냉각 유체는 덕트(142)를 통해 배기된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 코일 턴(150)은 다층으로 적층된 컨덕터(152) 및 컨덕터(152)의 사이에 각각 삽입되어 컨덕터(152) 간의 절연 역할을 하는 턴 인슐레이터(170)를 포함하여 구성된다.

컨덕터(152)는 투쓰(112)사이에 삽입되는 부분이 직선 형태로 적층되고(직선부), 직선 형태로 적층된 부분에서 스핀들(130)의 외주면을 감싸는 원호 형태로 연장 형성된다(곡선부). 다층으로 적층된 컨덕터(152)의 일측 직선부(154)가 로터(100)의 길이 방향을 따라 투쓰(112)의 사이에 삽입되고, 곡선부(156)가 스핀들 외주면에 배치된 상태에서 타측 직선부(154)가 반대쪽 투쓰(112)의 사이에 삽입되는 대략 'ㄷ'자 형태의 배치를 하나의 코일 턴(150)이라고 한다. 이러한 코일 턴(150)이 로터(100) 상에 복수 개 배치되어 각 투쓰(112)의 사이에 각각 삽입된다. 직선부(154)를 이루는 컨덕터(152)의 판면에는 슬릿(slit) 형상을 갖는 복수의 덕트(154a)가 길이 방향을 따라 관통 형성된다.

턴 인슐레이터(170)는 다층 구조의 컨덕터(152) 사이에 각각 삽입되며, 컨덕터(152)의 덕트(154a)에 대응하는 위치에 슬릿 형상의 관통홀(172)이 복수 개 관통 형성된다. 턴 인슐레이터(170)는 전기가 통하지 않는 재질로 만들어지며, 관통홀(172) 및 덕트(154a)를 통해 냉각 유체가 코일 턴(150)을 냉각시키고 로터(100)의 외부로 배출된다.

임의의 코일 턴(150)의 직선부(154)를 따라 유동하는 유체의 온도 분포를 보면, 컨덕터(152)에 형성된 덕트(154a)의 배열에 따라 로터 바디(110)의 첫번째 덕트부터 로터 센터의 마지막 덕트까지 유량이 분배된다(도 3 참고). 하나의 직선부(154) 내에서 흐르는 냉각 유체는 유입단 쪽인 A 영역에 비해 B 영역의 온도가 상대적으로 높게 나타난다. 이렇게 냉각 유체에 의한 열전달에 불균형이 발생하면 코일 턴(150) 및 로터 바디(110)의 냉각 효율이 저하되는 문제가 있다.

따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 턴 인슐레이터(170)의 관통홀(172) 배열을 달리함으로써 열전달의 불균형을 해소하고 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 방법을 제공하고자 한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 턴 인슐레이터(170)에 형성된 관통홀(172)은 하나의 덕트(154a)에 대응하는 위치에 2개가 대응되는 형태를 가질 수 있다. 즉, 하나의 덕트(154a) 길이의 1/2인 관통홀(172) 2개가 하나의 덕트(154a)에 대응하는 위치에 배치될 수 있다. 이때, 냉각 유체의 유동 방향은 화살표 방향이다. 이렇게 하나의 덕트(154a)에 대응하는 관통홀(172)을 복수 개로 구성함으로써 냉각 유체에 의한 열 전달이 한쪽으로 치우치지 않도록 하는 효과가 있다.

턴 인슐레이터의 관통홀은 다음과 같이 여러 형태로도 변형 설계될 수 있다.

도 5는 도 3의 코일 턴에 따른 턴 인슐레이터의 다른 실시 예를 도시한 평면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 턴 인슐레이터(170')의 관통홀(172')은 하나의 덕트(154a)에 대응하는 위치에 3개가 대응되는 형태를 가질 수 있다. 즉 하나의 덕트(154a) 길이의 1/3인 관통홀(172') 3개가 하나의 덕트(154a)에 대응하는 위치에 배치될 수 있다. 이때, 냉각 유체의 유동 방향은 화살표 방향이다.

도 6은 도 3의 코일 턴에 따른 턴 인슐레이터의 또 다른 실시 예를 도시한 평면도 이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 턴 인슐레이터(170'')의 관통홀(172'')은 하나의 덕트(154a)에 대응하는 위치에 서로 길이가 다른 2개의 관통홀(172'')이 대응되는 형태를 가질 수 있다. 즉, 2개의 길이 비율이 1:2인 형태의 관통홀(172'')이 구비됨으로써 냉각 유체가 서브 슬롯으로 유입되는 유입 방향쪽의 크기가 더 크게 형성될 수 있다. 이때, 냉각 유체의 유동 방향은 화살표 방향이다.

전술한 바와 같이, 턴 인슐레이터의 관통홀 형상을 변경하는 것은 각각의 관통홀의 면적을 제어함으로써 관통홀을 통과하는 냉각 유체의 유량을 설계하는 방법이다. 코일 턴의 구조나 냉각 유로를 크게 변경하지 않고도 냉각 유체에 의한 열전달의 불균형을 해소하고 코일 턴 및 로터 바디의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.

앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 일 실시 예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 권리범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경이 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한, 본 발명의 권리범위에 속하게 될 것이다.

10: 로터 어셈블리 100: 로터
110: 로터 바디 112: 투쓰
130: 스핀들 150: 코일 턴
152: 컨덕터 154: 직선부
154a: 덕트 156: 곡선부
170: 턴 인슐레이션 172: 관통홀
190: 하우징

Claims

다층으로 적층되며, 길이 방향을 따라 복수의 덕트가 관통 형성된 컨덕터와, 상기 컨덕터의 사이에 각각 삽입되어 상기 컨덕터 간의 절연 역할을 하는 턴 인슐레이터가 구비된 코일 턴과,
로터 바디의 외주면으로부터 반경 방향 외측으로 연장되며, 상기 코일 턴이 삽입되어 지지되고, 상기 코일 턴의 하부에는 냉각 유체가 유입되는 서브 슬롯이 형성된 투쓰(tooth)를 포함하며,
상기 턴 인슐레이터에는 상기 덕트에 대응하는 위치에 상기 덕트보다 짧은 길이의 관통홈이 복수 개 관통 형성된 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
제1항에 있어서,
상기 관통홈은 상기 덕트의 1/2 크기인 슬릿 2개가 하나의 상기 덕트 위치에 대응하여 배치된 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
제1항에 있어서,
상기 관통홈은 상기 덕트의 1/3 크기인 슬릿 3개가 하나의 상기 덕트 위치에 대응하여 배치된 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
제1항에 있어서,
상기 관통홈은 길이가 1:2인 2개의 슬릿이 하나의 상기 덕트 위치에 대응하여 배치된 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
제4항에 있어서,
상기 관통홈은 크기가 큰 슬릿이 작은 슬릿이 상기 냉각 유체의 유입 방향쪽에 배치되는 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 관통홈은 상기 냉각 유체가 상기 서브 슬롯으로 유입되는 방향 쪽이 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
다층으로 적층되며, 길이 방향을 따라 복수의 덕트가 관통 형성된 컨덕터와, 상기 컨덕터의 사이에 각각 삽입되어 상기 컨덕터 간의 절연 역할을 하는 턴 인슐레이터가 구비된 코일 턴과,
로터 바디의 외주면으로부터 반경 방향 외측으로 연장되며, 상기 코일 턴이 삽입되어 지지되고, 상기 코일 턴의 하부에는 냉각 유체가 유입되는 서브 슬롯이 형성된 투쓰(tooth)를 포함하며,
상기 턴 인슐레이터에는 상기 냉각 유체의 유입 방향 쪽 유량이 유출 방향 쪽 유량보다 커지도록 형성된 복수의 관통홈이 관통 형성된 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
제7항에 있어서,
상기 관통홈은 상기 덕트의 1/2 크기인 슬릿 2개가 하나의 상기 덕트 위치에 대응하여 배치된 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
제7항에 있어서,
상기 관통홈은 상기 덕트의 1/3 크기인 슬릿 3개가 하나의 상기 덕트 위치에 대응하여 배치된 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
제7항에 있어서,
상기 관통홈은 길이가 1:2인 2개의 슬릿이 하나의 상기 덕트 위치에 대응하여 배치된 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
제10항에 있어서,
상기 관통홈은 크기가 큰 슬릿이 작은 슬릿이 상기 냉각 유체의 유입 방향쪽에 배치되는 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 관통홈은 상기 냉각 유체가 상기 서브 슬롯으로 유입되는 방향 쪽이 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.