KR20190138483A - 고정자 코일 구조와 이를 포함하는 고정자 및 발전기 - Google Patents

고정자 코일 구조와 이를 포함하는 고정자 및 발전기 Download PDF

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KR20190138483A
KR20190138483A KR1020180064995A KR20180064995A KR20190138483A KR 20190138483 A KR20190138483 A KR 20190138483A KR 1020180064995 A KR1020180064995 A KR 1020180064995A KR 20180064995 A KR20180064995 A KR 20180064995A KR 20190138483 A KR20190138483 A KR 20190138483A
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Abstract

본 발명은 발전기의 고정자 코일 구조에 관한 것으로, 고정자코어에 형성된 슬롯부에 배치되고, 내부에 중공부가 형성된 고정자바 및 상기 중공부의 내부에 배치되는 복수개의 소선를 포함한다. 본 발명에 따르면, 고정자바의 내부에 배치되는 복수개의 소선을 비절연된 소선과 절연된 소선으로 교대로 배치하여, 절연효과를 유지함과 동시에 비절연된 소선 전도체의 단면적을 증가시켜 권선저항을 감소시키는 효과를 기대할 수 있다.

Description

고정자 코일 구조와 이를 포함하는 고정자 및 발전기{STRUCTURE FOR STATOR COIL AND STATOR HAVING THE SAME AND GENERATOR }
본 발명은 고정자 코일 구조와 이를 포함하는 고정자 및 발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고정자바의 내부에 배치되는 복수개의 소선을 비절연된 소선과 절연된 소선으로 교대로 배치하여, 절연효과를 유지함과 동시에 비절연된 소선 전도체의 단면적을 증가시켜 권선저항을 감소시킬 수 있는 고정자 코일 구조에 관한 것이다.
발전기에는 여러 종류가 있다. 터빈과 같이 작동유체를 이용한 회전력으로 전력을 생산하는 방식, 전자기적 유도현상을 이용한 회전력으로 전력을 생산하는 방식 등이 있다. 그 밖에 언급하지는 않았으나 다른 방식도 있다.
여기서 전자기적 유도현상을 이용한 발전기는 고정자와 회전자의 상호작용으로 전력을 생산한다.
발전기 케이싱(casing)의 내부에 고정자프레임(stator frame)이 배치되고, 고정자프레임의 내측 둘레에는 고정자코어(stator core)가 배치된다. 그리고 고정자코어에는 슬롯(slot)이 형성되고, 슬롯의 내부에는 복수개의 고정자 권선코일(stator winding)이 배치된다. 그 밖에 다른 부품들이 있으나, 가장 기본적인 상기 부품들을 포함하여 고정자(stator)로 지칭된다.
회전자(rotor)는 고정자의 중앙에 배치되며, 이러한 회전자는 기본적으로 회전자축(rotor shaft)과 회전자축의 외주면에는 코일 웨지(coil wedge)가 가공되고 코일 웨지에는 계자 권선코일(field winding)이 배치된다. 그 밖에 다른 부품들이 추가된다.
여기서 도 1 및 도 2를 참고하면, 종래 고정자 권선코일(1)의 구조가 게시되어 있다.
종래 고정자 권선코일(10)은 고정자코어의 슬롯이 배치되는 고정자바(2)와, 고정자바(2)의 내부에 형성된 중공부에 배치되는 복수개의 소선 전도체(4)을 포함한다. 고정자바(2)는 기본적으로 절연되어 있으며, 복수개의 소선 전도체(4)또한 개별적으로 순환전류를 줄이기 위해 절연물질(3)로 코팅되어 있다.
권선저항은 일반적으로 소선 전도체(4)의 단면적(A)이 클수록 낮아지게 된다. 그런데, 종래 고정자 권선코일(1)은 소선 전도체(4)의 표면에 절연물질(3)이 코팅되어 있고, 이러한 절연물질(3)이 고정자바(2)의 중공부 내부에서 일정 단면적를 차지하고 있다.
즉 절연물질(3)이 코팅된 단면적만큼 소선 전도체(4)가 차지할 수 있는 단면적(A)이 줄게 되므로, 권선저항을 줄이는데 제약이 따르게 된다.
미국특허 등록번호:US 7634852 B2
본 발명은 상기와 같이 관련 기술분야의 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 고정자바의 내부에 배치되는 복수개의 소선을 비절연된 소선과 절연된 소선으로 교대로 배치하여, 절연효과를 유지함과 동시에 비절연된 소선 전도체의 단면적을 증가시켜 권선저항을 감소시킬 수 있는 고정자 코일 구조를 제공하는 데에 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 발전기의 고정자 코일 구조에 있어서, 고정자코어에 형성된 슬롯에 배치되고, 내부에 중공부가 형성된 고정자바 및 상기 중공부에 배치되는 복수개의 소선을 포함하되, 상기 복수개의 소선 중 적어도 어느 하나는 비절연될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 소선 중 비절연된 소선은 복수개가 배치되고, 상기 중공부의 내부에서 서로 이격 분리되어 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 복수개의 소선은 복수개의 절연부 소선과 복수개의 비절연부 소선으로 구성되고, 상기 중공부의 내부에서 상기 절연부 소선과 상기 비절연부 소선은 서로 인접하여 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 복수개의 소선은 상기 중공부의 내부에서 복수의 행렬로 배치되고, 상기 복수개의 절연부 소선과 상기 복수개의 비절연부 소선은 각각 지그재그로 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 비절연부 소선의 전도체 단면적은 상기 절연부 소선의 전도체 단면적보다 크게 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 비절연부 소선의 전도체 단면적은 상기 절연부 소선의 전도체 단면적보다 5 ~ 10 % 정도 크게 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 복수의 열로 배치된 복수개의 소선은 서로 꼬아지고, 상기 복수의 열 사이에는 중간절연부재가 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 복수개의 소선 중 적어도 어느 하나는 냉각유체가 흐르는 냉각유로가 내부에 형성된 비전도성 냉각소선일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 냉각소선은 복수개가 배치되고, 상기 복수의 열 중 서로 다른 위치에 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 냉각소선의 적어도 일면에는 비절연부 소선이 인접하여 배치될 수 있다.
본 발명은 발전기의 고정자에 있어서, 고정자프레임과 상기 고정자프레임의 내부 둘레를 따라 배치되고, 슬롯부가 형성된 고정자코어와 상기 슬롯부에 배치되고, 내부에 중공부가 형성된 고정자바 및 상기 중공부의 내부에 배치되는 복수개의 소선을 포함하되, 상기 복수개의 소선 중 적어도 어느 하나는 비절연될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 소선 중 비절연된 소선은 복수개가 배치되고, 상기 중공부의 내부에서 서로 이격 분리되어 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 복수개의 소선은 복수개의 절연부 소선과 복수개의 비절연부 소선으로 구별되고, 상기 중공부의 내부에서 상기 절연부 소선과 상기 비절연부 소선은 서로 인접하여 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 복수개의 소선은 상기 중공부의 내부에서 복수의 열로 배치되고, 상기 복수개의 절연부 소선과 상기 복수개의 비절연부 소선은 각각 지그재그로 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 비절연부 소선의 전도체 단면적은 상기 절연부 소선의 전도체 단면적보다 크게 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 비절연부 소선의 전도체 단면적은 상기 절연부 소선의 전도체 단면적보다 5 ~ 10 % 크게 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 복수의 열로 배치된 복수개의 소선은 서로 꼬아지고, 상기 복수의 열 사이에는 중간절연부재가 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 복수개의 소선 중 적어도 어느 하나는 냉각유체가 흐르는 냉각유로가 내부에 형성된 냉각소선일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 냉각소선은 복수개가 배치되고, 상기 복수의 열 중 서로 다른 위치에 배치되며, 상기 냉각소선의 적어도 일면에는 비절연부 소선이 인접하여 배치될 수 있다.
본 발명인 발전기는 케이싱과 상기 케이싱의 내부에 배치되는 상기 고정자 및 상기 고정자의 중앙부에 배치되는 회전자를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 고정자바의 내부에 배치되는 복수개의 소선을 비절연된 소선과 절연된 소선으로 교대로 배치하여, 절연효과를 유지함과 동시에 비절연된 소선 전도체의 단면적을 증가시켜 권선저항을 감소시키는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 종래 고정자 권선코일의 구조를 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 게시된 종래 고정자 권선코일의 개략 부분단면도.
도 3은 본 발명인 고정자 권선코일의 구조에 대한 제1 실시예를 나타낸 도면.
도 4는 도 3에 게시된 고정자 권선코일의 구조에 대한 제1 실시예의 개략 부분단면도.
도 5는 본 발명인 고정자 권선코일의 구조에 대한 제2 실시예를 나타낸 개략 부분단면도.
도 6는 본 발명인 고정자 권선코일의 구조에 대한 제3 실시예를 나타낸 개략 부분단면도.
도 7는 본 발명인 고정자 권선코일의 구조에 대한 제4 실시예를 나타낸 개략 부분단면도.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 고정자 코일 구조와 이를 포함하는 고정자 및 발전기의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명인 고정자 코일(10)의 구조에 대한 제1 실시예를 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3에 게시된 고정자 코일(10)의 구조에 대한 제1 실시예의 개략 부분단면도이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명인 고정자 코일(10)의 구조는 고정자바(20)와 복수개의 소선(40)을 포함할 수 있다.
상기 고정자바(20)는 고정자코어에 형성된 슬롯에 배치될 수 있다. 이때 고정자코어의 슬롯은 고정자바(20)가 삽입될 수 있도록 홈 형태로 형성될 수 있다. 그리고 상기 고정자바(20)의 내부에는 중공부(20a)가 형성될 수 있으며, 상기 고정자바(20)의 외면은 기본적으로 절연코팅이 되어 있을 수 있다.
상기 복수개의 소선(40)은 복수의 행렬로 상기 중공부(20a)에 배치될 수 있으며, 기본적으로 전류가 흐를 수 있는 전도체를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 상기 복수개의 소선(40) 중 적어도 어느 하나는 비절연될 수 있다. 종래에는 모든 소선이 절연코팅이 되어 있었다. 절연코팅의 목적은 전도체로 이뤄진 복수개의 소선간에 접촉이 발생되어 순환전류가 발생되는 것을 완화하기 위함이다.
다만 소선이 모두 절연코팅됨에 따라 실제로 상기 고정자바(20)의 중공부(20a)에서 전도체가 차지하는 단면적은 줄어들게 되고, 이는 권선저항의 증가를 유도하게 된다.
본 발명에서는 복수개의 소선(40) 중 비절연된 소선이 존재하고, 이러한 비절연된 소선은 종래에 비해 소선 절연코팅(30)의 단면적만큼이 소선 전도체의 단면적으로 대체되므로, 증가하는 소선 전도체의 단면적 크기만큼 종래 구조에 비해 권선저항을 줄일 수 있는 효과가 있다.
그리고 본 발명에서는 상기 소선(40) 중 비절연된 소선은 복수개가 배치될 수 있으며, 이 경우 상기 중공부(20a)의 내부에서 비절연된 소선은 서로 이격 분리되어 배치될 수 있다. 복수개의 비절연된 소선간에 접촉이 발생되어 순환전류가 증가하는 것을 방지하기 위함이다.
구체적으로 도 4를 참고하면, 상기 복수개의 소선(40)은 복수개의 절연부 소선(43)과 복수개의 비절연부 소선(43)로 구성될 수 있으며, 상기 중공부(20a)의 내부에서 상기 절연부 소선(43)과 상기 비절연부 소선(43)은 서로 인접하여 배치될 수 있다.
이 경우 상기 복수개의 비절연부 소선(43)은 서로 이격 분리되어 배치되게 되고, 자연스럽게 순환전류가 발생되는 것을 방지하게 된다.
본 발명의 실시예에서는 상기 복수개의 소선(40)은 상기 중공부(20a)의 내부에서 복수의 행렬로 배치되고, 상기 복수개의 절연부 소선(43)과 상기 복수개의 비절연부 소선(43)은 각각 지그재그로 배치될 수 있다.
도 4를 참고하면, 상기 복수개의 비절연부 소선(43)이 지그재그로 서로 분리되어 배치됨에 따라, 상호 접촉에 의한 순환전류 발생을 차단할 수 있음을 확인할 수 있다.
그리고 상기 절연부 소선(43)은 소선 절연코팅(30)이 되어 있고, 상기 비절연부 소선(43)은 소선 절연코팅(30)이 되어 있지 않아, 상기 비절연부 소선(43)의 전도체가 차지하는 단면적(B)이 상기 절연부 소선(43)의 전도체가 차지하는 단면적(C)에 비해 상대적으로 크게 형성된 것을 확인할 수 있으며, 이로 인해 권선저항이 추가적으로 감소되게 된다.
이때 본 발명의 실시예에서 바람직하게는 상기 비절연부 소선(43)의 전도체 단면적(B)은 상기 절연부 소선(43)의 전도체 단면적(C)보다 5~10% 정도 크게 형성될 수 있다.
상기 비율 5~10% 정도는 상기 절연부 소선(43)에서 전류가 누설되지 않도록 하는 상기 소선 절연코팅(30)의 단면적 비율일 수 있다. 즉 상기 비절연부 소선(43)의 전도체가 상기 비율만큼 증가되므로, 그에 따라 권선저항 역시 그에 비례하는 비율로 감소하게 된다.
한편, 도 5는 본 발명인 고정자 권선코일의 구조에 대한 제2 실시예를 나타낸 개략 부분단면도이다.
도 5를 참고하면, 본 발명의 제2 실시예에서는 상기 고정자바(20)의 중공부(20a) 내부에, 절연부 소선(43)과 비절연부 소선(43)로 구성되는 복수개의 소선에 더하여 중간절연부재(50)가 추가적으로 배치될 수 있다.
상기 중간절연부재(50)는 상기 복수개의 소선(40)이 복수의 열로 배치될 때, 복수의 열 사이에 배치되게 된다.
본 발명의 실시예에서는 상기 복수개의 소선(40)간에 길이방향으로의 순환전류 발생에 의한 발열을 감소시키기 위해 상기 중공부(20a)의 내부에서 상기 복수개의 소선(40)은 서로 꼬아져 전위(transposition)되어 배치될 수 있다.
이때 전위되는 과정에서 비절연부 소선(43)간에 발생될 수 있는 접촉을 상기 중간절연부재(50)가 차단하는 기능을 수행한다.
다음으로, 도 6는 본 발명인 고정자 권선코일의 구조에 대한 제3 실시예를 나타낸 개략 부분단면도이다.
도 6를 참고하면, 본 발명의 제3 실시예에서는 상기 고정자바(20)의 중공 내부에, 절연부 소선(43)과 비절연부 소선(43) 이외에 비전도성 냉각소선(45)이 추가적으로 배치될 수 있다.
상기 냉각소선(45)은 상기 복수개의 소선(40) 중 적어도 어느 하나일 수 있으며, 냉각유체가 흐르는 냉각유로(45a)가 내부에 형성되어 제공될 수 있다. 상기 냉각소선(45)은 전류의 흐름에 따라 다른 소선 전도체에 발생되는 발열을 냉각시키게 된다.
본 발명의 실시예에서는 상기 냉각소선(45)은 복수개가 배치될 수 있으며, 상기 복수의 열 중 서로 다른 위치에 배치될 수 있다. 도 6에서는 상기 복수개의 소선(40)이 2열로 배치됨에 따라 각 열의 서로 다른 위치에 상기 냉각소선(45)이 배치된 것을 확인할 수 있다.
이때 상기 냉각소선(45)의 적어도 일면에는 상기 비절연부 소선(43)이 인접하여 배치될 수 있다. 상기 냉각소선(45)은 비전도성이므로, 상기 비절연부 소선(43)이 인접하더라도 접촉에 의한 순환전류는 발생되지 않는다.
본 발명의 실시예에서는 상기 냉각소선(45)의 3면에 상기 비절연부 소선(43)이 배치된다. 이와 같은 배치를 통해 상기 비절연부 소선(43)에서 발생되는 발열을 제거함과 동시에, 상기 비절연부 소선(43)의 전도체 단면적을 확보할 수 있어, 권선저항 감소를 유발할 수 있다.
한편, 도 7는 본 발명인 고정자 권선코일의 구조에 대한 제4 실시예를 나타낸 개략 부분단면도이다.
도 7를 참고하면, 본 발명의 제4 실시예에서는 상기 고정자바(20)의 중공부(20a) 내부에, 절연부 소선(43)과 비절연부 소선(43) 및 냉각소선(45)으로 구성되는 복수개의 소선(40)에 더하여 중간절연부재(50)가 추가적으로 배치될 수 있다.
상기 중간절연부재(50)는 상기 복수개의 소선(40)이 복수의 열로 배치될 때, 복수의 열 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 상기 복수개의 소선(40)간에 길이방향으로의 순환전류 발생에 의한 발열을 감소시키기 위해 상기 중공부(20a)의 내부에서 상기 복수개의 소선(40)은 서로 꼬아져 전위(transposition)되어 배치될 수 있다.
이때 전위되는 과정에서 비절연부 소선(43)간에 발생될 수 있는 접촉을 상기 중간절연부재(50)가 차단하게 된다.
이상의 사항은 고정자 코일 구조와 이를 포함하는 고정자 및 발전기의 특정한 실시예를 나타낸 것에 불과하다.
따라서 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양한 형태로 치환, 변형될 수 있음을 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 파악할 수 있다는 점을 밝혀 두고자 한다.
10:고정자 코일
20:고정자바
20a:중공부
30:소선 절연코팅
40:소선
41:비절연부 소선
43:절연부 소선
45:냉각소선
45a:냉각유로
50:중앙 절연부재
B:비절연부 소선의 단면적
C:절연부 소선의 단면적

Claims (20)

  1. 발전기의 고정자 코일 구조에 있어서,
    고정자코어에 형성된 슬롯에 배치되고, 내부에 중공부가 형성된 고정자바; 및
    상기 중공부에 배치되는 복수개의 소선;
    를 포함하되, 상기 복수개의 소선 중 적어도 어느 하나는 비절연되는 발전기의 고정자 코일 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 소선 중 비절연된 소선은 복수개이고, 상기 중공부의 내부에서 서로 이격 분리되어 배치되는 발전기의 고정자 코일 구조.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수개의 소선은 복수개의 절연부 소선과 복수개의 비절연부 소선을 포함하고,
    상기 중공부의 내부에서 상기 절연부 소선과 상기 비절연부 소선은 서로 인접하여 배치되는 발전기의 고정자 코일 구조.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수개의 소선은 상기 중공부의 내부에서 복수의 행렬로 배치되고, 상기 복수개의 절연부 소선과 상기 복수개의 비절연부 소선은 각각 지그재그로 배치되는 발전기의 고정자 코일 구조.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 비절연부 소선의 전도체 단면적은 상기 절연부 소선의 전도체 단면적보다 크게 형성되는 발전기의 고정자 코일 구조.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 비절연부 소선의 전도체 단면적은 상기 절연부 소선의 전도체 단면적보다 5 ~ 10 % 정도 크게 형성되는 발전기의 고정자 코일 구조.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 복수개의 소선은 복수의 열로 서로 꼬아지게 배치되고, 상기 복수의 열 사이에는 중간절연부재가 배치되는 발전기의 고정자 코일 구조.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 복수개의 소선 중 적어도 어느 하나는 냉각유체가 흐르는 냉각유로가 내부에 형성된 비전도성 냉각소선인 발전기의 고정자 코일 구조.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 냉각소선은 복수개가 배치되고, 상기 복수의 열 중 서로 다른 위치에 배치되는 발전기의 고정자 코일 구조.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 냉각소선의 적어도 일면에는 비절연부 소선이 인접하여 배치되는 발전기의 고정자 코일 구조.
  11. 발전기의 고정자에 있어서,
    고정자프레임;
    상기 고정자프레임의 내부 둘레를 따라 배치되고, 슬롯부가 형성된 고정자코어;
    상기 슬롯부에 배치되고, 내부에 중공부가 형성된 고정자바; 및
    상기 중공부의 내부에 배치되는 복수개의 소선;
    를 포함하되, 상기 복수개의 소선 중 적어도 어느 하나는 비절연되는 발전기의 고정자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 복수개의 소선 중 비절연된 소선은 복수개이고, 상기 중공부의 내부에서 서로 이격 분리되어 배치되는 발전기의 고정자 코일 구조.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수개의 소선은 복수개의 절연부 소선과 복수개의 비절연부 소선을 포함하고,
    상기 중공부의 내부에서 상기 절연부 소선과 상기 비절연부 소선은 서로 인접하여 배치되는 발전기의 고정자 코일 구조.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 복수개의 소선은 상기 중공부의 내부에서 복수의 열로 배치되고, 상기 복수개의 절연부 소선과 상기 복수개의 비절연부 소선은 각각 지그재그로 배치되는 발전기의 고정자 코일 구조.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 비절연부 소선의 전도체 단면적은 상기 절연부 소선의 전도체 단면적보다 크게 형성되는 발전기의 고정자 코일 구조.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 비절연부 소선의 전도체 단면적은 상기 절연부 소선의 전도체 단면적보다 5 ~ 10 % 크게 형성되는 발전기의 고정자 코일 구조.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 복수개의 소선은 복수의 열로 서로 꼬아지게 배치되고, 상기 복수의 열 사이에는 중간절연부재가 배치되는 발전기의 고정자 코일 구조.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 복수개의 소선 중 적어도 어느 하나는 냉각유체가 흐르는 냉각유로가 내부에 형성된 냉각소선인 발전기의 고정자 코일 구조.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 냉각소선은 복수개가 배치되고, 상기 복수의 열 중 서로 다른 위치에 배치되며, 상기 냉각소선의 적어도 일면에는 비절연부 소선이 인접하여 배치되는 발전기의 고정자 코일 구조.
  20. 케이싱;
    상기 케이싱의 내부에 배치되는 제11항의 고정자; 및
    상기 고정자의 중앙부에 배치되는 회전자;
    를 포함하는 발전기.


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