KR20180080287A - 직접 구동 발전기를 위한 냉각 수단 - Google Patents

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휴-피터 그랜빌 켈리
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그린스퍼 리뉴어블스 리미티드
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Abstract

발전기(10)는, 일련의 회전자들(11) 사이에 개재된 일련의 이격된 고리형 고정자들(15)로서, 상기 회전자들(11) 각각은 고리형 칼라들(annular collars)(16)에 의해 분리되고, 상기 고리형 칼라들(16)은 중심 공동(cavity)을 형성하는, 고리형 고정자들(15); 상기 중심 공동으로 가스를 공급하기 위한 적어도 하나의 냉각 가스 공급원; 상기 중심 공동으로부터 반경 방향 외측으로 상기 회전자들(11)과 고리형 고정자들(15)을 걸쳐 냉각 가스(20)를 배출하는 수단을 제공하기 위해 고리형 칼라들(16)을 관통하는 통기구들(vents)(23,24,25,26,27,28,31,32,33,34,35);을 포함한다.

Description

직접 구동 발전기를 위한 냉각 수단
본 발명은 저속 직접 구동 발전기(low speed direct drive generator)를 위한 냉각 수단에 관한 것으로, 특히, 함께 계류중인(co-pending) 특허 출원 공개 번호 GB 2 520 516호와 출원 번호 GB 201508568.1호에 개시된 직접 구동 발전기의 형태를 위한 냉각 수단에 관한 것이다.
직접 구동 발전기들은 보통 풍력 터빈에서 풍력 에너지를 전기로 전환하기 위해 사용된다. 비용과 효율의 면에서, 현재의 경향은 예를 들어 최대 8 메가와트(8MW)의 발전 용량을 가진 더 큰 기계를 사용하는 것이다. 이 발전기들의 기대되는 전환 효율의 수준은 95%의 범위 내이다. 따라서, 풍력 터빈의 임펠러에 의해 발전기로 제공된 에너지의 19/20는 전기로 전환되어 지역 송전망(local grid)으로 전달되고, 1/20은 발전기 자체 내부의 열로 발산된다.
8MW 발전기의 경우에, 95%의 전환 효율이더라도, 8MW의 1/20, 즉 400,000와트가 발전기의 고정자의 권선들(windings)로부터 벗어나게 된다는 것은 쉽게 이해될 것이다. 이는 발전기 제조자와 발전기가 수용되는 나셀(nacell)의 설계자들에게 상당한 도전을 제시한다. 이러한 발전기들의 회전자 및/또는 고정자의 임의의 부분 또는 부분들의 결과적인 파괴를 유발하는 핫 스팟(hot spot)의 가능성을 방지하기 위해, 열이 균일하게 발산되는 것이 매우 중요하다.
전술한 함께 계류중인 출원 번호 GB 201508568.1호의 발전기에서, 발전기의 회전부는 일련의 일렬(in line) 고리형 자석 지탱 회전자들을 포함하며, 이 회전자들은 중간 고리형 칼라(collar)에 의해 내부 영역들에서 서로 이격되고, 고정자 코일들이 내장된 일련의 고정 고리형 코일 고정자 플레이트들을 개재하며, 고정자 코일들은 두 개의 마주보는 회전자들 사이에서 외측 영역 공간을 차지한다. 회전자들의 면들과 이들 사이에 끼워진 고정자들의 면들 사이에 에어 갭(air gap)이 존재하며, 에어 갭의 하나의 기능은 둘 사이에 적절한 기계적 간격을 보장하는 것이다. 회전자들과 칼라들은 서로 기계적으로 견고하게 연결되며, 풍력 터빈의 임펠러로부터의 토크는 기계적 수단에 의해 이 조립체로 전달된다.
본 발명의 목적은 향상된 냉각 수단을 가진 발전기를 제공하는 것이다.
본 발명은 발전기를 제공하며, 상기 발전기는: 일련의 회전자들 사이에 개재된 일련의 이격된 고리형 고정자들로서, 상기 회전자들 각각은 고리형 칼라들(annular collars)에 의해 분리되고, 상기 고리형 칼라들은 중심 공동(cavity)을 형성하는, 고리형 고정자들; 상기 중심 공동으로 가스를 공급하기 위한 적어도 하나의 냉각 가스 공급원; 상기 중심 공동으로부터 반경 방향 외측으로 상기 회전자들과 고리형 고정자들을 걸쳐 냉각 가스를 배출하는 수단을 제공하기 위한, 상기 고리형 칼라들을 관통하는 통기구들(vents);을 포함한다.
실시예에 따르면, 이러한 형태의 발전기를 위한 냉각 가스(예컨대, 공기)는 하나 이상의 공급원에 의해 일련의 고리형 회전자들 내부의 그리고 이들에 의해 형성된 중심 공동으로 압력하에서 공급되며, 통기구들은, 상기 칼라들로부터 반경 방향 외측으로 상기 회전자들과 이들 사이에 개재된 고정자들을 걸쳐 냉각 가스를 배출하는 수단을 제공하도록, 상기 회전자들 사이에 배치된 상기 칼라들을 관통하여 제공되며, 상기 통기구들의 수 및/또는 구멍 크기(aperture size)는, 임의의 주어진 회전자들의 쌍과 이들 사이에 개재된 고정자를 걸쳐, 하나 이상의 냉각 가스 공급원으로부터 상기 회전자들의 쌍과 이들 개별의 개재된 고정자의 공간적 분리에 상관없이, 냉각 가스의 실질적으로 균일한 분산을 보장하도록 선택되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 이러한 장치에 의해, 상기 회전자들을 분리하는 칼라들 내의 통기구들을 통과하는 냉각 가스는 외측으로 배출되면서 상기 회전자들과 고정자들의 표면들을 걸쳐 지나가며, 가스의 부피는 일련의 회전자들과 고정자들의 길이를 따라서 어느 곳에든 실질적으로 일정하게 유지된다. 상기 고정된 고정자들에 대한 일련의 회전자들의 회전 때문에, 상기 칼라들 내의 통기구들로부터 나오는 가스의 제트는 상기 고정자들의 코일들을 걸쳐 반경 방향으로 그리고 원주 방향으로 나선형으로 쓸면서 지나가며, 이에 따라 고정자 코일들의 냉각과 열의 분산을 최적화 한다.
바람직한 형태에서, 상기 통기구들은, 가스가 상기 고정자 코일을 걸쳐 나선형으로 통과하는 것을 보조하며 통기구들로부터 나오는 가스 제트의 동등한 반작용이 상기 회전자들의 회전 방향을 적어도 보조하는 방식으로, 상기 회전자들의 실제 반경에 대해 각도를 이룬다.
실질적으로 일련의 회전자들, 예를 들어 6개 이상의 회전자들을 포함하는 발전기를 위한 바람직한 장치에서 냉각 가스는 상기 회전자들에 의해 형성된 중심 공동 내부로 각각의 단부로부터 강제로 보내진다. 이러한 수단에 의해, 냉각 가스의 체적이 2배가 되며, 이 장치로부터 기인한 회전자 공동 내부의 상승된 압력은 상응하게 상승되어 전술한 통기구들을 통한 가스의 배출을 돕는다. 더 중심의 회전자들과 고정자들 전체에 걸친 균일한 분포는 그들에 도달하는 더 작은 거리를 가진 냉각 가스에 의해 더 용이하게 된다.
전술한 함께 계류중인 출원의 발전기를 위한 구성 방법은, 중심 샤프트에 장착된 하나 이상의 중심 베어링들을 지지하는 하우징을 향해 내측으로 연장되도록 회전자들에 고정된 하나 이상의 반경 방향 지지 부재들을 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 가스를 중심 공동 내부로 추진하기 위해 사용되는 공급원은 하나 이상의 팬들(fans)을 포함하며, 이 팬들은 중심 샤프트를 공유하며 보조 전기 모터들에 의해 회전된다.
선택적인 장치에서, 상기 반경 방향 지지 부재들은 상기 샤프트에 영구적으로 고정될 수 있으며, 이에 의해 상기 회전자들과 샤프트는 함께 회전한다. 상기 샤프트는 외측 베어링들에 의해 지탱된다. 다시, 냉각 팬들은 가스를 중심 공동 내부로 추진하기 위해 이 샤프트를 공유할 수 있다.
매우 큰 발전기를 위해, 가스 냉각의 유효성은 완전히 필수적이며, 본 발명의 측면에 따르면, -가스 유입구를 제외한- 전체 발전기는 용기 내부에 실질적으로 밀봉되며, 가스는 하나 이상의 추가 냉각 팬(들)에 의해 용기로부터 추출된다.
본 발명은 이제 첨부된 도면들을 참조하면서 서술될 것이다.
도 1은 본 발명의 가스 냉각 수단을 포함하는 직접 구동 발전기를 단면도로 보여주며,
도 2a와 2b는 도 1에 묘사된 공기 통기(venting) 장치를 각각 평면도와 단면도로 더욱 상세하게 보여주며,
도 3은 발전기의 회전자들과 고정자들을 가로지르는 냉각 가스의 흐름을 단면도로 보여주며,
도 4a는 발전기 내부로 냉각 가스를 불어주기 위한 장치를 단면도로 보여주고, 도 4b는 가스의 체적 유량을 배가하는 방법을 보여준다.
도 5는 냉각 가스를 배출하기 위한 추가 수단을 가진 용기 내부에 수용된 직접 구동 발전기를 보여준다.
도 1을 참조하면, 본 발명이 적용될 수 있는 직접 구동 발전기는 전반적으로 10으로 표시된다. 상기 발전기는, 중심 실린더(12) 상에 유지되고 장착되며, 고정된 고정자들(15)에 대해 회전하기 위한 일련의 고리형 회전자들(annular rotors)(11)을 포함하며, 상기 고정자들은 회전자들 사이에 개재된다. 상기 고정자들(15)에 대한 상기 회전을 가져오도록 토크를 실린더/회전자 조립체로 전달하기 위해 기계적 수단(미도시)이 사용된다. 상기 회전자들(11) 각각의 외측 면 둘레에는 영구자석들(13, 14)의 어레이가 장착된다. 도시된 바와 같이, 반대되는 자극들은 회전자들(11) 사이의 갭을 가로질러 서로 마주본다. 상기 고정자들 각각의 주변부 둘레에는 코일들의 어레이(15a)가 장착된다. 마주보는 자석들(13, 14) 사이의 자속선들(lines of magnetic flux)이 고정자 코일들을 쓸면서 지나감에 따라, 상기 고정자 코일들(15a) 내에 전기가 발생된다.
어떤 애플리케이션에서, 예를 들어 풍력 에너지를 전기로 전환하기 위해 이러한 발전기를 사용하면, 상당한 열 손실이 발생한다. 실례로서, 95%의 전환 효율로 작동하는 8메가와트의 발전기는 상기 고정자 코일(15a) 권선들 내부에 400,000와트의 열을 발산시킨다. 이 열은, 핫 스팟(hot spot)의 발생과 상기 고정자 코일(15a)의 결과적인 파괴를 방지하기 위해, 특히 상기 고정자 코일(15a)로부터 체계적으로 배출된다.
이제, 이를 달성하는 방법이 도 1을 참조하면서 다시 설명된다.
상기 회전자들(11) 각각은 중간 고리형 칼라들(intermediate annular collars)(16)들에 의해 그 양측의 회전자들(11)에 대하여 제 위치에 유지된다. 상기 중간 고리형 칼라들은 상기 회전자들(11)의 반경 방향 내부 영역에 기대져 있다. 상기 회전자들(11)과 칼라들(16)을 끝에서 끝까지 길이 방향으로 관통하는 드로 볼트(draw bolt)(미도시)가 전체 조립체를 함께 유지한다. 상기 칼라들(16)은 상기 중심 실린더(12)에 동축으로 장착되고 상기 중심 실린더(12)에 의해 지지되며, 상기 회전자들(11)도 유사한 방식이다. 냉각 가스(예컨대, 공기)는 화살표(20)로 도시된 바와 같이 상기 중심 실린더(12) 내부로 송풍된다(예컨대, 밀려지거나 흡입된다). 상기 중심 실린더(12)의 원단부(far end)(미도시)는 가스의 탈출을 방지하기 위해 막혀 있다. 상기 회전자(11)와 고정자(15)의 냉각은 아래와 같이 시행된다.
상기 칼라(16)를 반경 방향으로 관통하며 원주 방향으로 둘레에 제공된 가스 통기구들(gas vents)은 제조 중에 상기 중심 실린더(12)를 따라서 배치된 오리피스들(orifices)과 정렬된다. 이는, 도 1에 작은 화살표들로 표시된 바와 같이, 중심 실린더(12) 내부의 (예컨대, 압력을 받은) 가스가 중심 실린더(12)로부터 배출되어 회전자들(11)과 고정자들(15)의 면들을 지나가는 갭(gap) 내부로 들어가도록 하는 직접적인 경로를 제공한다. 상기 칼라들(11)의 반경 방향 최외측 표면 내의 상기 통기구들의 출구는, 고정자 코일들(15a)의 축방향 일단부 또는 양단부들 및/또는 영구자석들(13, 14)의 외측으로 향하는 축방향 일단부 또는 양단부들과 축방향으로 정렬된다. 상기 회전자들(11)의 회전 때문에, 배출되는 가스는 고정자(15)의 표면들 전체로 유리하게 분산된다. 가스는 결국, 18과 19로 표시된 바와 같이, 상기 고정자(15)와 회전자(11) 사이의 갭으로부터 배출된다.
이 장치는 상기 회전자들(11)과 고정자들(15)의 쌍들의 비교적 짧은 시리즈, 예를 들어 3 또는 그 이하의 시리즈(series)를 포함하는 발전기를 위해 만족스럽다. 더 긴 시리즈를 위해서는, 상기 실린더(12) 내부의 가스 압력은 난류 및 이전의 통기구를 통한 가스의 배출의 결과로서 자연적으로 감소되는 경향이 있다.
본 발명에 따르면, 이를 극복하는 방법은, 상기 중심 실린더 내부의 가스가 대기압에 비해 높은 압력인 경우에, 도 2a를 참조하면서 설명된다.
상기 회전자들(11)을 분리하는 도 1에 도시된 고리형 칼라들(16)은 다시 평면도에서 21, 22 및 22a로 표시된다. 이 칼라들을 반경 방향으로 관통하고 원주 방향 둘레에 제공된 통기구들(23 내지 28)의 열들(rows)이 도식적으로 도시된다. 좌측 칼라의 좌측의 통기구들은, 즉, 냉각 가스(20)의 공급원에 가장 가까운 부분의 통기구들은 더 작은 직경을 가지며, 개략적으로 도시된 바와 같이, 냉각 가스의 공급원으로부터 더 멀리 떨어진 통기구들은 전술한 가스 압력의 점진적인 감소를 보상하기 위해 그 직경 및/또는 수가 점진적으로 증가한다. 이러한 수단에 의해, 회전자(11)의 표면들과 이들 사이에 개재된 고정자들(15) 전체에 걸쳐 각각의 전체 시리즈를 따라서 냉각 가스의 실질적으로 균일한 분산이 실현된다. 다시 말하면, 통기구들(23-28)의 열 내의 통기구들의 단면적들의 합은 냉각 가스(20)의 공급원으로부터 멀수록 증가한다.
가스가 (예를 들어, 아래에서 설명되는 팬(54, 55)에 의해) 상기 중심 실린더(12) 내에 생성되는 압력하에서 상기 중심 실린더(12)를 통과하는 경우에, 회전자(11) 표면들에 걸친 가스 유동의 균일한 분배는 통기구들(23-28)의 수 및/또는 구멍 크기의 상이한 분포에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 수 및/또는 구멍 크기는 팬(54, 55)으로부터의 거리가 증가함에 따라 증가할 것이다.
상기 통기구들의 구체적인 기하학적 구조 및 디자인은 도 2b를 참조하면서 설명된다. 상기 통기구들을 수용하는 상기 칼라들 중 하나의 측면은 30으로 표시되고, 상기 통기구들 자체는 31 내지 35로 표시된다. 상기 통기구들(31-35)은 상기 칼라(30)의 실제 반경과 일직선을 이루지 않으며, 대신에 상기 칼라(30)의 반경에 대해 각도를 이룬다. 주된 목적은 배출되는 가스가 칼라(30)로부터 원주 방향으로 그리고 (도 2b의 상부에 화살표로 표시된) 회전 방향과 반대 방향으로 배출되도록 함으로써, 냉각 가스의 운동을 고정자 코일들(15a)의 면들을 걸쳐 지나가는 나선형 운동으로 편향시키도록 하기 위한 것이다. 이차 목적은, 비록 작지만, 상기 칼라(30)와 그 양측의 회전자들(11)의 회전 운동을 보조하기 위한 것이다. 가스가 배출되는 각도 때문에, 작은 스러스트 벡터(thrust vector)(36)가 발생하고, 이는, Hero에 의해 발명된 회전하는 증기 구(rotating steam sphere)의 방식으로, 외부의 주된 토크 제공 장치에 의한 회전자 시리즈의 강제적인 회전 운동에 추가된다.
도 2의 나선형 냉각 효과의 보다 명확한 표현은 도 3에 도시되어 있다. 상기 통기구들로부터 배출되는 가스의 제트(37 내지 41)는 회전자 플레이트(44a) 상에 장착된 영구자석들(42)과 고정자 플레이트(44b) 내에 내장된 코일들(43)을 쓸면서 지나간다.
상기 발전기(10)에 냉각 가스의 스트림을 제공하기 위한 수단은 도 4a에 도시된다. 상기 회전자들-이들 중 하나가 참조번호 45로 도시된다-을 지탱하는 실린더(12)는 보조 전기 모터(47)에 의해 벨트로 구동되는 (미는(pushing)) 팬(46)을 구비한다. 이 수단에 의해, 냉각 가스는 상기 실린더(12)에 의해 형성된 공동(cavity) 내부로 직접 도입된다(밀려 들어간다).
바람직하게는, 그리고 특히 긴 시리즈의 회전자와 고정자 발전기들에서, 냉각 가스는 상기 실린더(12)의 각각의 단부에 배치된 두 개의 (미는) 팬들(도 4b에 50과 51로 표시됨)의 사용에 의해 도입된다. 이러한 수단에 의해 2배의 가스 부피가 냉각을 목적으로 상기 실린더(12) 내부로 공급된다. 양 단부들로부터 가스의 동일한 공급은 냉각 통기구들을 통한 가스의 균일한 분포를 더 용이하게 한다.
상기 발전기(10)를 통한 냉각 가스의 통과를 강화하는 추가적인 수단으로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 용기(52) 내부에 발전기가 내장될 수 있다. 따라서, 상기 발전기는 실질적으로 하우징 내부에 밀봉되도록 장착된다. (미는) 팬(53)(그리고, 도 4b를 참조하며 설명된 바와 같이, 반대쪽 단부에도 선택적으로 하나의 팬)에 의해 가스가 흡입되어 실린더(12) 내부로 추진되며, 및/또는 그 다음에 회전자들(11)과 고정자들(15)을 걸쳐 지나간 가스는 흡입 팬들(54, 55)에 의해 용기 내의 하나 이상의 추가 오리피스들을 통해 용기(52)의 밖으로 흡입된다. 상기 장치의 축방향 길이를 따라서 통기구들(23-28 및 31-35)의 수 및/또는 구멍 크기에서의 변화와 조합으로 또는 변화없이, 상기 팬들(54, 55)은 각각의 고정자들(15) 전체에 실질적으로 동일한 냉각을 달성하도록 배치될 수 있다. 단일의 흡입 팬(54), 또는 다수의 흡입 팬들(54, 55)은 미는 팬들(50, 51)과 조합으로 또는 미는 팬들(pushing fans) 없이 제공될 수 있다. 상기 팬들(54, 55)의 동작은 전체적으로 강화된 가스 유동을 제공하며, 가스를 밀기 위한 팬들(50, 51)과 가스를 당기기 위한 팬(54, 55) 둘 다 사용될 경우, 추가적으로 균일한 가스 유동이 달성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 냉각 가스는 공기이다. 상기 공기는 상기 발전기를 둘러싸는 환경으로부터의 공기일 수 있다.
많은 변형들이 이 기술 분야의 기술자에게 명백할 것이다.

Claims (11)

  1. 발전기로서:
    일련의 회전자들 사이에 개재된 일련의 이격된 고리형 고정자들로서, 상기 회전자들 각각은 고리형 칼라들(annular collars)에 의해 분리되고, 상기 고리형 칼라들은 중심 공동(cavity)을 형성하는, 고리형 고정자들;
    상기 중심 공동으로 가스를 공급하기 위한 적어도 하나의 냉각 가스 공급원;
    상기 중심 공동으로부터 반경 방향 외측으로 상기 회전자들과 고리형 고정자들을 걸쳐 냉각 가스를 배출하는 수단을 제공하기 위한, 상기 고리형 칼라들을 관통하는 통기구들(vents);을 포함하는, 발전기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 통기구들의 수 및/또는 구멍 크기(aperture size)는, 임의의 주어진 회전자들의 쌍과 이들 사이에 개재된 고정자를 걸쳐, 적어도 하나의 냉각 가스 공급원으로부터 상기 회전자들의 쌍과 이들 개별의 개재된 고정자의 공간적 분리에 상관없이, 냉각 가스의 실질적으로 균일한 분산을 보장하도록 선택되는, 발전기.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    사용 시, 상기 칼라들의 회전 방향과 반대되는 나선 방향으로 냉각 가스의 분산을 보조하기 위해, 상기 통기구들은 상기 칼라들의 실제 반경에 대하여 각도를 이루는, 발전기.
  4. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    개별의 고리형 칼라의 반경 방향 외측 표면 내의 각각의 통기구의 출구는 개별의 고리형 고정자의 축방향 일단부 또는 양단부들 및/또는 개별의 회전자의 축방향 단부와 축방향으로 정렬되는, 발전기.
  5. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 냉각 가스 공급원은 냉각 가스를 상기 중심 공동 내부로 강제로 밀기 위한 하나 이상의 팬(fan)을 포함하는, 발전기.
  6. 제 5항에 있어서,
    중심 샤프트;를 더 포함하며, 상기 중심 샤프트 상에 상기 회전자들과 고리형 칼라들이 지지되며,
    상기 하나 이상의 팬은 상기 중심 샤프트에 장착되는, 발전기.
  7. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    중심 샤프트;를 더 포함하며, 상기 중심 샤프트 상에 상기 회전자들과 고리형 칼라들이 지지되는, 발전기.
  8. 전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발전기는 하우징 내부에 실질적으로 밀봉되도록 장착되며, 상기 하우징에는 특히 냉각 가스의 흡입을 허용하기 위해 하나 이상의 오리피스들이 있고, 상기 하우징에는 냉각 가스의 배출을 허용하기 위한 하나 이상의 추가 오리피스들이 있는, 발전기.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 냉각 가스 공급원은 상기 하나 이상의 추가 오리피스들을 통한 냉각 가스의 강제 추출을 용이하게 하는 수단을 포함하는, 발전기.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 냉각 가스의 강제 추출을 용이하게 하는 수단은 상기 하우징 밖으로 가스를 흡입하기 위한 하나 이상의 팬을 포함하는, 발전기.
  11. 실질적으로 첨부된 도면들을 참조하여 앞에서 설명된 바와 같은 및/또는 첨부된 도면들에 도시된 바와 같은 발전기.
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