KR20220009891A - 전기 기계의 냉각 - Google Patents

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사데오 람타할
앤드류 토마스 크로쓰
리날도 루이기 마이오리니
훌리오 세자르 우레스티
카사이스 세자르 뮤니즈
락쉬미나라야나 카나카메달라
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제너럴 일렉트릭 레노바블레스 에스빠냐 에스.엘.유.
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Abstract

전기 기계는 로터(20), 스테이터(30) 및 로터(20)와 스테이터(30) 사이에 배치된 에어 갭(40)을 포함한다. 상기 스테이터(30) 또는 로터(20)는 복수의 전기 코일(90)을 포함하며, 하나 이상의 전기 코일(90)은 히트 싱크를 구비하며, 히트 싱크는 열전도성 재료를 사용하여 전기 코일에 부착된다. 전기 기계에서 스테이터의 온도 분포를 변경하는 방법이 또한 제공된다.

Description

전기 기계의 냉각{COOLING OF ELECTRICAL MACHINES}
본 개시내용은 전기 기계에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로, 전기 기계를 냉각시키기 위한 디바이스, 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 개시내용은 또한, 이러한 전기 기계를 포함하는 풍력 터빈, 특히 냉각 배열체를 구비하는 영구 자석 발전기를 포함하는 풍력 터빈에 관한 것이다.
모터 및 발전기와 같은 전기 기계는 일반적으로 로터 구조체 및 스테이터 구조체를 포함한다. 대형 전기 발전기는 영구 자석 여자형 발전기(PMG: permanent magnet excited generator) 또는 전기 여자형 동기 발전기(EESG: electrically excited synchronous generator)일 수 있다.
이러한 발전기는, 예를 들어, 풍력 터빈에 사용될 수 있다. 풍력 터빈은 일반적으로 로터 허브를 갖는 로터 및 복수의 블레이드를 포함한다. 로터는 블레이드에 대한 바람의 영향하에서 회전된다. 로터 샤프트의 회전은 발전기 로터를 직접적으로 구동("직접적으로 피동")하거나, 기어 박스의 사용을 통해서 구동한다. 이러한 직접 구동 풍력 터빈 발전기는, 예를 들어 6 - 10 미터(236 - 328 인치)의 직경, 예를 들어, 2 - 3 미터(79 - 118 인치)의 길이를 가질 수 있고, 예를 들어 2 내지 20 rpm(분당 회전수) 범위에서 저속으로 회전될 수 있다. 또는, 영구 자석 발전기 또는 전기 여자형 동기 발전기는 또한, 발전기의 회전 속도를, 예를 들어, 50 내지 500 rpm 또는 그 이상으로 증가시키는 기어 박스에 결합될 수 있다.
전기 기계는 스테이터에 대해 회전되는 로터를 포함한다. 로터는 내측 구조체이고 스테이터는 외측 구조체일 수 있다. 이러한 경우, 스테이터는 따라서 로터를 둘러싸고 있다. 대안으로, 구성은 이와 반대일 수 있다. 즉, 로터가 스테이터를 둘러싼다.
영구 자석 여자형 발전기(PMG)의 경우, 영구 자석(PM)은 일반적으로 로터에 포함되나(영구 자석은 또한, 대안적으로 스테이터 구조체에 배열될 수도 있음), 권선 요소(예컨대, 코일)는 일반적으로 스테이터에 포함된다(권선 요소는 대안적으로 로터 구조체에 배치될 수 있음). 영구 자석 발전기는 일반적으로 신뢰할 수 있는 것으로 간주되고, 다른 발전기 유형보다 더 적은 유지 보수를 필요로 한다.
다수의 영구 자석은 영구 자석 모듈에 제공될 수 있으며, 이 모듈은 단일 항목으로 로터에 부착될 수 있다. 영구 자석 모듈은, 복수의 자석이 함께 장착되고 분리될 수 있도록, 복수의 영구 자석을 갖는 유닛으로서 정의될 수 있다. 이러한 모듈은 베이스에 고정될 수 있는 복수의 영구 자석을 수용하거나 지지하기에 적합한 형상을 구비한 모듈 베이스를 가질 수 있다. 베이스는 복수의 자석이 모듈 베이스를 통해 로터 림에 함께 고정되는 방식으로 로터 림에 고정되도록 구성될 수 있다. 영구 자석 모듈의 사용은 로터의 제조를 용이하게 할 수 있다.
전기 여자형 동기 발전기는 일반적으로 복수의 폴 슈(pole shoe) 및 여기 코일을 갖는 로터를 포함한다. 사용 중에, 극의 극성을 생성하는 여기 코일에 전류가 가해진다. 인접한 극들은 상이한 자기 극성을 갖는다. 로터가 회전되면, 폴 슈로부터의 자기장이 스테이터 권선에 가해져, 스테이터 권선에 가변 자속이 발생되며, 이는 스테이터 권선에 전압을 생성한다. 전기 여자형 동기 발전기에서, 전력을 생성하기 위한 자기장이 전기적으로 생성된다. 결과적으로, 이러한 발전기는 희토류 원소를 포함하는 영구 자석의 사용을 요구하지 않는다.
활성 요소(자석 또는 코일)가 사용 중에 가열되기 때문에 냉각은 일반적으로 전기 기계에서 중요하다. 너무 높은 온도는 이러한 요소의 고장 및 저효율 작동으로 이어질 수 있다.
전기 기계에 대한 상이한 구성, 예를 들어, 반경방향 기계 및 축방향 기계가 알려져 있다. 축방향 기계에서, 로터와 스테이터는 축방향으로 서로 대향한다. 에어 갭은 로터와 스테이터 사이에 축방향으로 배열된다. 반경방향 기계에서, 실질적으로 환형의 에어 갭이 로터와 스테이터 사이에 형성될 수 있다. 그리고 로터와 스테이터 중 하나는 다른 하나를 반경방향으로 둘러싸도록 배열된다. 로터의 움직임으로 인해, 에어 갭 내의 공기가 둘레로 이동된다. 이로써 공기는 냉각 효과를 제공한다.
내측 스테이터 구조체를 통해 저온 공기 유동을 제공하는 능동 공랭 또는 공조 시스템을 제공하는 것이 알려져 있다. 다음으로, 냉각 공기 유동은 스테이터의 원주방향을 따라 분산된다. 그런 다음, 공기 유동은 축방향으로 일 측부로부터 다른 측부로 에어 갭을 가로질러 가며, 이로써 로터와 스테이터의 활성 요소를 냉각시킨다. 다음으로, 고온 공기는 반대쪽 축방향 측부에 수집된다. 고온 공기는 다음으로 배기되거나, 열교환기에서 냉각되어 다시 사용될 수 있다.
냉각 공기가 일 측부로부터 다른 측부로 축방향으로 에어 갭을 가로질러 가면, 냉각 공기는 에어 갭을 통과하면서 가열된다. 따라서 냉각 공기는 반대쪽 측부보다 일 측부에서 더 차갑기 때문에, 일 측부 상에서 다른 측부보다 더 효과적인 냉각을 제공한다. 그 결과는 활성 요소의 냉각이 균일하지 않다는 점, 즉, 전기 기계의 코일의 일 측부는 동일한 코일의 다른 측부보다 지속적으로 더 높은 온도를 가질 수 있다는 점이다. 이 효과는, 물론 단일 코일에만, 또는 코일들에만 한정되지 않는다. 오히려 이러한 효과는 일반적으로 에어 갭을 따라 배열된 능동 요소에 대해서 보여질 수 있다.
불균일한 온도 분포는 전기 기계의 작동에 영향을 준다. 전기 기계의 최대 온도는 일반적으로, 특정 임계 값 미만으로 유지되도록 요구된다. 이러한 최대 온도의 요구 사항을 준수하기 위해서, 냉각 공기 유동을 늘리는 것이 필요할 수 있거나, 또는 이것은 전기 기계의 최대 전력에 제한을 가할 수 있다. 주어진 전기 기계에 대해, 온도 분포가 보다 균일하게 될 수 있는 경우, 공기 냉각 시스템의 요구 사항이 낮아 지거나, 공칭 전력이 증가될 수 있다.
본원에 설명된 전기 기계의 사이즈와 유형 및 잠재적인 문제는 직접 구동 응용 분야의 발전기에만 한정되지 않고, 또한 풍력 터빈 분야에만 한정되지 않는다. 동일한 문제를 가질 수 있고/있거나, 동일한 복잡성을 가질 수 있는 상당한 치수의 전기 기계는 또한, 예를 들어 증기 터빈 및 수력 터빈에서 발견될 수 있다.
본 개시내용은 상술된 단점 중 일부를 적어도 부분적으로 해결하는 시스템 및 방법의 실시예를 제공한다.
제1 양태에서, 로터, 스테이터 및 로터와 스테이터 사이에 배치된 에어 갭을 포함하는 전기 기계가 제공된다. 스테이터 및/또는 로터는 복수의 전기 코일을 포함하며, 여기서 전기 코일들 중 하나 이상은 전기 코일로부터 에어 갭으로 열을 방출하도록 히트 싱크를 구비한다. 히트 싱크는 열전도성 재료를 사용하여 전기 코일에 부착된다.
이러한 양태에 따르면, 전기 코일의 냉각은 영향을 받고, 맞춰질 수 있다. 코일의 표면에 히트 싱크가 부착되어, 코일 주변의 공기 유동이 영향을 받을 수 있다. 이것은, 전기 코일이 일반적으로 구리와 같이 열 전도성이 높은 재료로 만들어지기 때문에, 히트 싱크가 부착된 위치뿐만 아니라 코일의 전체 길이를 따라 코일의 온도 분포에 영향을 미칠 수 있다.
실시예에 있어서, 이것은 코일 전체에서 온도 분포를 보다 균일하게 만들 수 있다. 고온 스팟을 피함으로써, 전기 기계의 효율성이 향상될 수 있다.
본 개시내용 전체에 걸쳐 사용되는 히트 싱크는 전기 코일로부터 에어 갭 내의 공기로 열을 전달하는 수동 열교환기로서 작용을 하는 임의의 구조체로서 이해될 수 있다.
추가 양태에서, 전기 기계에서 스테이터의 온도 분포를 변경하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 전기 기계를 작동하는 단계, 및 작동 시 스테이터의 온도 분포를 측정하는 단계를 포함한다. 방법은 전기 코일 주위의 공기 유동과의 접촉 표면을 증가시키기 위해 스테이터의 하나 이상의 전기 코일의 표면의 선택된 영역에 히트 싱크를 부착하는 단계를 더 포함한다.
본 개시내용의 비제한적인 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 아래에 설명될 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 사시도를 예시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 나셀의 상세한 내부도를 예시한다.
도 3은 전기 기계의 일 실시예의 단면도를 개략적으로 나타낸다.
도 4는 전기 기계에서 코일의 길이에 따른 온도 분포를 개략적으로 예시한다.
도 5는 일 실시예에 따른 복수의 히트 싱크를 갖는 전기 기계의 스테이터의 코일을 개략적으로 예시한다.
도 6은 히트 싱크를 갖는 전기 코일의 또 다른 실시예를 개략적으로 예시한다.
이 도면에서는 매칭되는 요소를 지정하기 위해서 동일한 참조 부호가 사용되었다.
도 1은 풍력 터빈(160)의 일 실시예의 사시도를 예시한다. 도시된 바와 같이, 풍력 터빈(160)은 지지 표면(150)으로부터 연장되는 타워(170), 타워(170) 상에 장착된 나셀(161), 및 나셀(161)에 결합된 로터(115)를 포함한다. 로터(115)는 회전 가능한 허브(110) 및 허브(110)에 결합되고 이로부터 외측으로 연장되는 적어도 하나의 로터 블레이드(120)를 포함한다. 예를 들어, 예시된 실시형태에서, 로터(115)는 세 개의 로터 블레이드(120)를 포함한다. 그러나, 대안적인 실시형태에서, 로터(115)는 세 개 초과 또는 세 개 미만의 로터 블레이드(120)를 포함할 수 있다. 각각의 로터 블레이드(120)는 운동 에너지가 바람으로부터 사용 가능한 기계적 에너지로, 그리고 이어서 전기 에너지로 전달되도록 로터(115)의 회전을 용이하게 하기 위해서 허브(110) 둘레로 이격될 수 있다. 예를 들어, 허브(110)는 전기 에너지가 생성되는 것을 허용하도록 나셀(161) 내에 배치된 발전기(162)(도 2)에 회전 가능하게 결합될 수 있다.
도 2는 도 1의 풍력 터빈(160)의 나셀(161)의 일 실시예의 단순화된 내부도를 예시한다. 도시된 바와 같이, 발전기(162)는 나셀(161) 내에 배치될 수 있다. 일반적으로, 발전기(162)는 로터(115)에 의해 생성된 회전 에너지로부터 전력을 생성하기 위해 풍력 터빈(160)의 로터(115)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 로터(115)는 허브(110)와 함께 회전하도록 허브에 결합된 메인 로터 샤프트(163)를 포함할 수 있다. 그 다음, 발전기(162)는 로터 샤프트(163)의 회전이 발전기(162)를 구동하도록 로터 샤프트(163)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 예시된 실시형태에서, 발전기(162)는 기어 박스(164)를 통해 로터 샤프트(163)에 회전 가능하게 결합된 발전기 샤프트(166)를 포함한다.
로터 샤프트(163), 기어 박스(164) 및 발전기(162)는 일반적으로 풍력 터빈 타워(170)의 꼭대기에 배치된 지지 프레임 또는 베드플레이트(165)에 의해 나셀(161) 내에서 지지될 수 있다는 점이 이해되어야 한다.
나셀(161)은 나셀(161)이 요(yaw) 축선(YA)을 중심으로 회전될 수 있도록 요 시스템(20)을 통해 타워(170)에 회전 가능하게 결합된다. 요 시스템(20)은 서로에 대해 회전되도록 구성된 두 개의 베어링 구성요소를 갖는 요 베어링을 포함한다. 타워(170)는 베어링 구성요소들 중 하나에 결합되고, 나셀(161)의 베드플레이트 또는 지지 프레임(165)은 다른 베어링 구성요소에 결합된다. 요 시스템(20)은 환형 기어(21), 및 베어링 구성요소들 중 하나를 다른 것에 대해 회전시키기 위해 환형 기어(21)와 맞물리기 위한 피니언(25), 기어 박스(24) 및 모터(23)를 갖는 복수의 요 드라이브(22)를 포함한다.
블레이드(120)는, 블레이드(120)와 허브(110) 사이에 있는 피치 베어링(100)으로 허브(110)에 결합된다. 피치 베어링(100)은 내측 랭 및 외측 링을 포함한다. 풍력 터빈 블레이드는 내측 베어링 링 또는 외측 베어링 링 중 어느 하나에 부착될 수 있는 한편, 허브는 나머지 베어링 링에 연결된다. 블레이드(120)는 피치 시스템(107)이 작동될 때 허브(110)에 대해 상대적인 회전 운동을 수행할 수 있다. 따라서, 내측 베어링 링은 외측 베어링 링에 대해 회전 운동을 수행할 수 있다. 도 2의 피치 시스템(107)은 풍력 터빈 블레이드를 피치 축선(PA)을 중심으로 회전시키기 위해 내측 베어링 링에 제공된 환형 기어(109)와 맞물리는 피니언(108)을 포함한다.
발전기에 의해 생성된 에너지는 발전기의 출력 전력을 파워 그리드의 요구 사항에 맞게 조정하는 컨버터로 전달될 수 있다. 전기 기계는 전기 위상, 예를 들어, 세 개의 전기 위상을 포함할 수 있다. 컨버터는 나셀 내부에, 또는 타워 내부에 또는 외부적으로 배치될 수 있다.
도 3은 발전기, 구체적으로 직접 구동 풍력 터빈 발전기를 개략적으로 예시한다.
도 3의 발전기(10)는 제1 측부(101)로부터 제2 측부(102)로 연장되고 회전 축선(33)을 중심으로 회전되도록 구성된 로터(20), 스테이터(30), 및 로터(20)와 스테이터(30) 사이의 에어 갭(40)을 포함한다.
이 도면의 스테이터(30)는 복수의 전기 코일(90), 및 복수의 전기 코일(90)을 지지하는 원주방향 지지체(60)를 포함하는 스테이터 구조체(50)를 포함한다. 스테이터 구조체(50)는 발전기의 회전 축선(33)을 따라 제1 측부(31)로부터 제2 측부(32)로 연장된다.
도 3의 발전기(10)는 복수의 전기 코일(90)을 냉각시키기 위한 공기 냉각 시스템(110)을 더 포함한다. 이 실시예에서, 공기 냉각 시스템(110)은 전기 기계 공기 입구(111), 원주방향 지지체(60)의 일 부분을 통해 연장되는 공기 분산 채널(72), 및 에어 갭(40)과 유체 연통되는 전기 기계 공기 출구(112)를 포함한다. 전기 기계 공기 입구는 공기 유동이 전기 기계 안으로 들어가는 것을 허용할 수 있다.
공기 냉각 시스템(110)에 의해 전달된 냉각 공기는 에어 갭(40)에 저온 공기를 제공할 수 있다. 이로써, 이러한 공기는 에어 갭을 따라 배열된 전자기 요소, 예를 들어 로터와 함께 배열된 자석 또는 코일 및 스테이터 상에 배열된 전기 코일(90)을 냉각시킬 수 있다.
이러한 실시예의 공기 분산 채널(72)은 전기 기계 공기 입구(111)와 유체 연통되고 원주방향 지지체(60)의 제1 측부(31)에 배열되는 공기 출입구(71)를 포함한다. 공기 분산 채널은 에어 갭(40)을 따라 전기 기계 공기 입구(111)로부터의 공기 유동을 분산시키기 위해 공기 갭(40)과 유체 연통되는 원주방향 지지체(60)의 제2 측부(32)에 배열된 복수의 축방향 공기 개구(73)를 더 포함한다.
이 도면의 발전기(10)에서, 로터(20)는 스테이터(30)를 둘러싼다. 로터는 발전기 베어링(11)을 통해 풍력 터빈의 지지 프레임(9) 상에 회전 가능하게 장착된다. 로터(20)는, 로터가 회전되게 하는 풍력 터빈의 로터 허브에 연결될 수 있다(이 도면에 미도시). 스테이터(30)는 풍력 터빈의 지지 프레임(9)에 강체적으로 연결될 수 있다. 전기 권선(90)은 원주방향 지지체의 외측 림의 외측 측부 상에 배열되고, 자석 모듈(21)은 외측 로터 림(22)의 내측 측부 상에 배치될 수 있다.
이 도면의 실시예에서, 발전기는 제1 측부(101)에 배열된 커버 플레이트(12)를 포함한다. 커버 플레이트(12)는 발전기를 폐쇄할 수 있고, 풍력 터빈의 지지 프레임(9)에 고정적으로 부착될 수 있다. 로터 림(22)의 제1 측부(101)에 가까운 부분과 커버 플레이트(12) 사이에는 밀봉 부재가 배치될 수 있다.
다른 실시예에서, 커버 플레이트(12)는 로터(20)의 일부를 형성할 수 있다. 이러한 실시예들 중 일부에서, 추가 발전기 베어링은 커버 플레이트를 풍력 터빈의 지지 프레임과 회전 가능하게 연결할 수 있다.
저온 공기 유동은 전기 기계 공기 입구(111)를 통해 발전기(10) 안으로 유입될 수 있다. 이러한 저온 공기 유동은 스테이터 구조체(50) 및 복수의 축방향 공기 개구(73)를 통해 발전기(10)의 에어 갭(40)을 향해 가이드될 수 있다. 따라서 공기 유동은 에어 갭(40)의 원주를 따라 실질적으로 균일하게 분산될 수 있다. 따라서 이러한 저온 공기 유동은 에어 갭(40)에 배열된 로터 및 스테이터의 전자기 구성요소를 냉각시킬 수 있다. 공기 유동은 에어 갭에 배열된 전자기 구성요소를 냉각시키도록 제2 측부(102)로부터 제1 측부(101)로 에어 갭을 축방향으로 통과될 수 있다. 전자기 구성요소로부터의 열은 공기 유동으로 전달되고, 제1 측부(101)에서의 공기 유동의 온도는 제2 측부(102)에서 보다 더 높을 수 있다. 이러한 고온 공기 유동은 다음으로 열교환기에서 냉각되도록 전기 기계 공기 출구(112)를 통해 발전기를 빠져나갈 수 있다. 전기 기계 공기 출구는 공기 유동이 전기 기계를 빠져나가는 것을 허용할 수 있다.
따라서, 에어 갭에 배치된 전자기 구성요소, 예를 들어, 전기 코일은 미리 결정된 범위 내의 온도에서 작동될 수 있고, 따라서 전기 기계가 효율적으로 작동될 수 있다. 스테이터 구조체가 스테이터의 원주를 따라 공기 유동을 분산시키기 위해서 사용되므로, 더 적은 수의 공기 출입구가 필요할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 직접 구동 풍력 터빈에 발전기를 장착하는 통합 제약이 최소화될 수 있다.
이 도면에 따른 공기 냉각 시스템은 원주방향 지지체(60)의 제2 측부(32)와 로터(20)의 제2 측부(102) 사이에서 반경방향으로 연장되는 제2 측부 반경 방향 공기 채널(114)을 포함한다. 제2 측부 반경방향 공기 채널(114)은 복수의 축방향 공기 개구(73)를 에어 갭(40)과 연통시킬 수 있다.
공기 냉각은 원주방향 지지체(60)의 제1 측부(31)와 로터(20)의 제1 측부(101) 사이에서 반경방향으로 연장되는 제1 측부 반경방향 공기 채널(113)을 포함할 수 있다. 제1 측부 반경방향 공기 채널(113)은 전기 기계 공기 출구(112)와 에어 갭(40)을 연통시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 냉각 시스템은 열교환기를 포함할 수 있다. 열교환기는 제1 유체 회로 및 제2 유체 회로를 포함할 수 있다. 제1 유체 회로는 전기 기계를 냉각시키기 위해 냉각 시스템에 연결될 수 있다. 제2 유체 회로는 제1 유체 회로를 따라 유동되는 유체를 냉각시킬 수 있다. 제2 유체 회로의 유체는 예를 들어, 공기 또는 물일 수 있다. 제1 유체 회로는 에어 갭으로부터 따뜻한 공기 유동을 수용하기 위해 전기 기계 공기 출구에 연결된 열교환기 공기 입구를 포함할 수 있다. 또한, 제1 유체 회로는 공기 유동을 에어 갭으로 전달하도록 전기 기계 공기 입구에 연결된 열교환기 공기 출구를 포함할 수 있다. 전기 기계 공기 출구와 열교환기 공기 입구 사이에 도관이 배열되어 공기 유동을 열교환기로 가이드할 수 있다. 도관은 열교환 기 공기 출구를 전기 기계 공기 입구에 연결할 수 있다.
에어 갭으로부터의 공기 유동은 제2 유체 회로에 의해 냉각될 수 있고, 이러한 냉각된 공기 유동은 에어 갭 상에 배열된 전자기 구성요소를 냉각시키기 위해서 전기 기계 공기 입구를 통해 전기 기계에 입력될 수 있다.
앞에서 언급된 바와 같이, 저온 공기 유동은 따라서 에어 갭(40)에 배열된 로터 및 스테이터의 전자기 구성요소를 냉각시킬 수 있다. 공기 유동은 에어 갭에 배열된 전자기 구성요소를 냉각시키도록 제2 측부(102)로부터 제1 측부(101)로 에어 갭을 축방향으로 통과될 수 있다. 전자기 구성요소로부터의 열은 공기 유동으로 전달되고, 제1 측부(101)에서의 공기 유동의 온도는 제2 측부(102)에서 보다 더 높을 수 있다. (냉각) 공기 유동의 온도가 제1 측부(101)에서 더 높을 수 있기 때문에, 전기 기계의 이 측부에 있는 코일의 냉각은 더 따뜻한 공기로 수행된다. 따라서 냉각은 국부적으로 덜 효과적일 수 있다.
코일의 축방향 길이에 따른 온도 분포의 예는 도 4에서 도시될 수 있다. 제1 측부(101)에서, 코일은 제2 측부(102), 즉 냉각 공기 유동이 에어 갭에 접근하는 측부보다 상당히 높은 온도를 갖는다.
이러한 국부적으로 고온인 스팟은 전기 기계의 설계에서 제한 요소가 될 수 있다. 고온의 스팟을 줄이는 한 가지 방법은 더 저온의 냉각 공기, 또는 더 높은 질량 유량의 냉각 공기를 제공하는 것이다. 그러나 이러한 방법은 펌핑 또는 송풍 파워의 전체적인 증가가 요구한다.
도 5 및 도 6과 관련하여, 전기 코일의 온도를 낮추기 위해서 그리고 전기 코일을 따라 열을 상이하게, 특히 더 균일하게 분포시키기 위한 일부 시스템 및 방법이 제공된다. 반경방향 에어 갭을 갖는 전기 기계에서 불균일한 온도 분포 문제가 나타났지만, 축방향 에어 갭의 경우에 다음이 또한 적용된다. 그리고 도 3에서는 로터가 스테이터를 반경방향으로 둘러싸는 것으로 도시되었지만, 스테이터가 로터를 반경방향으로 둘러싸는 경우에도 동일하거나 유사한 시스템 및 방법이 적용될 수 있다.
일 양태에서, 전기 기계(10)는 로터(20), 스테이터(30) 및 로터(20)와 스테이터(30) 사이에 배열된 에어 갭(40)을 포함하며, 스테이터(30)는 복수의 전기 코일(90)을 포함한다. 하나 이상의 전기 코일(90)은 히트 싱크(82, 84)를 구비하며, 히트 싱크(82, 84)는 열전도성 재료로 전기 코일(90)에 부착된다.
전기 기계는 영구 자석 발전기일 수 있다. 영구 자석 발전기의 로터는 영구 자석 모듈의 형태일 수 있는 복수의 자석을 구비한다. 로터는 스테이터를 반경방향으로 둘러싸도록 배열될 수 있다. 풍력 터빈은 전기 기계, 즉 이 경우 영구 자석 발전기를 포함할 수 있다. 영구 자석 발전기는 직접적으로 구동될 수 있다.
일부 실시예에서, 도 5의 실시예와 같이, 히트 싱크(82, 84)는 복수의 핀(fin)을 포함할 수 있다. 본원에서 핀은 외부적으로 돌출된 리브로서 간주될 수 있다. 핀들은 서로 간에 일정하거나 변하는 간격을 가질 수 있다. 핀의 디자인과 이들 간격은 최적화된 냉각 공기 유동을 제공하도록 최적화될 수 있다. 에어 갭의(냉각) 공기는 핀을 냉각시킬 수 있다.
히트 싱크는 이의 주위 공기와 접촉되는 표면적을 최대화하도록 구성될 수 있다. 공기 속도, 재료 선택, 돌출부 구성 및 표면 처리는 히트 싱크의 성능에 영향을 미치는 요소이다.
핀은 열 전도성 접착제 또는 수지 또는 양면 테이프를 통해 전기 코일에 부착될 수 있다. 핀이 냉각될 때, 전기 코일이 국부적으로 냉각될 수 있다. 수지 또는 접착제는 전기적 절연 재료일 수 있다. 또한, 핀은 전기적으로 비전도성 재료로 만들어질 수 있다.
일부 실시예에서, 접착제는 금속, 금속 산화물, 실리카 또는 세라믹 미소구체를 포함하는 에폭시 수지일 수 있다. 예를 들어, 질화 알루미늄 또는 질화 붕소 필러를 구비하는 에폭시가 사용될 수 있다. 이러한 재료는 높은 열 전도성 및 전기적 절연성일 수 있다.
전기 코일은 일반적으로, 구리와 같이 높은 열 전도성의 재료로 만들어지고, 따라서 코일에서 국부적으로 온도가 감소되는 경우, 이것이 열적 전도를 통해 코일의 나머지 부분에 걸쳐 열 분포에 영향을 미칠 것이다.
일부 실시예에서, 히트 싱크는 실질적으로 비자성 재료로 만들어질 수 있다. 비자성 재료를 사용함으로써, 로터와 스테이터 사이에 생성된 전자기장이 히트 싱크의 배열체에 의해 영향을 받지 않을 수 있다. 히트 싱크/핀에 적합한 재료는 알루미늄일 수 있다.
일부 실시예에서, 예를 들어, 도 5 및 도 6에 예시된 바와 같이, 전기 코일은 스테이터 치형부(96) 둘레에 배열될 수 있으며, 코일(90)은 제1 직선 측부(93), 제1 직선 측부(93)에 평행한 제2 직선 측부(94), 제1 단부(101)에서 제1 직선 측부(93)와 제2 직선 측부(94)를 연결하는 제1 만곡 부분(91), 및 제2 단부(102)에서 제1 직선 측부(93)와 제2 직선 측부(94)를 연결하는 제2 만곡 부분(92)을 가지는 실질적으로 장공(obround) 형상을 포함할 수 있다.
스테이터 치형부(96)는, 전기 코일이 둘레에 배열되는 폴 코어(pole core)를 형성하고, 폴 슈(pole shoe)를 포함할 수 있다. 스테이터 치형부(96)는 베이스(98)에서 스테이터의 림에 부착될 수 있다.
도 6의 실시예에서, 히트 싱크(82, 84)는 제1 만곡 부분(91)에 부착된다. 이러한 실시예에서, 도 3 및 도 4의 실시예에 따라, 상기 제1 단부(101)보다는 제2 단부(102)가 냉각 공기 공급부에 더 가깝다.
일부 실시예에서, 히트 싱크(82)는 권선의 외부에 부착될 수 있다. 도 5의 실시예에서, 코일은 코일(90)의 양쪽 끝에서 외측 직경과 내측 직경을 정의한다. 히트 싱크(82)는 코일의 외측 직경을 따라 부착된다. 일부 실시예에서, 특히 극 코어(스테이터 치형부(96))와 코일(90) 사이에 이용 가능한 공간에 따라, 히트 싱크(84)는 권선의 내부, 즉 코일의 내측 직경을 따라 부착될 수 있다.
일부 실시예에서, 도 5 및 도 6에서와 같이, 히트 싱크는 권선의 내부와 권선의 외부 모두에 부착될 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 전기 코일은 복수의 히트 싱크를 포함한다. 일부 전기 기계에서, 냉각 공기 유동은 원주방향을 따라(즉, 반경방향 에어 갭을 따라) 실질적으로 균일하게 분산되는 것으로 가정될 수 있다. 다른 전기 기계에서는, 냉각 공기 유동이 실제로 균일하게 분산되지 않는다. 코일의 선택부에만, 또는 다양한 코일들 사이에 다양한 사이즈 및 개수의 히트 싱크를 배치하는 것은 원주방향을 따라 이러한 불균일한 냉각 공기 분산을 보상할 수 있다.
앞서 설명된 바와 같이, 냉각 공기가 제2 단부에서 공급되는 경우, 더 높은 온도는 제1 단부에서 예상될 수 있다. 이것은 히트 싱크가 제2 단부에서만 적합하거나 유용하다는 것을 의미하지 않는다.
도 6의 실시예에서, 제1 단부(101)에서 제1 만곡 부분(91)의 내측 측부에 제1 히트 싱크(82)가 부착되고, 제1 만곡 부분(91)의 외측 측부에 제2 히트 싱크(84)가 부착된다. 그리고 제3 히트 싱크가 제2 만곡 부분(92)에 부착될 수 있다. 제3 히트 싱크(87)는 제2 단부(102)에서 전기 코일의 외측 측부에 부착될 수 있다. 제4 히트 싱크(89)는 제2 단부(102)에서 전기 코일의 내측 측부에 부착될 수 있다.
일부 실시예에서, 도 6에서와 같이, 히트 싱크(86)는 제1 및 제2 직선 측부(93, 94) 중 하나 또는 제1 및 제2 직선 측부 모두에 부착된다. 이러한 실시예에서 직선 측부를 따른 히트 싱크는 실질적으로 직선 핀일 수 있다. 직선 측부를 따른 히트 싱크의 배열은 일반적으로 스테이터 코일의 평균 온도를 낮추고/낮추거나 온도 분포를 보다 균일하게 만들기 위해 전기 기계의 특정 필요에 따라 맞춰질 수 있다.
도 6의 실시예에서, 히트 싱크는 전기 코일의 전체 높이를 따라 확장될 수 있다. 다른 실시예에서, 히트 싱크는 전기 코일의 높이의 일 부분을 따라서만 확장될 수 있다.
추가 양태에서, 전기 기계에서 스테이터(30)의 온도 분포를 변경하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 전기 기계를 작동하는 단계, 및 작동 시 스테이터(30)의 전기 코일(90)의 온도 분포를 측정하는 단계를 포함한다. 방법은 전기 코일 주위의 공기 유동과의 접촉 표면을 증가시키기 위해 스테이터(또는, 로터가 코일을 갖는 경우에, 로터)의 하나 이상의 전기 코일의 표면의 선택된 영역에 히트 싱크(82, 84, 87, 89, 86)를 부착하는 단계를 더 포함한다.
전기 기계는 다시 발전기 또는 모터일 수 있다. 전기 기계를 구성하고 작동하기 전에 시뮬레이션이 수행되었다고 하더라도, 실제 온도 분포는 예상된 것과 다를 수 있다. 문제가 될 수 있는 온도 분포가 검출되면, 예를 들어, 평균 온도가 예상된 것보다 높거나, 또는 국소적인 고온 스팟이 발생될 수 있는 경우, 히트 싱크의 제공은 이러한 문제를 해결하는 비교적 쉬운 방법이 될 수 있다. 하나 이상의 히트 싱크는 기존 전기 기계에 새로 장착될 수 있다.
일 실시예에서, 히트 싱크를 장착하기 전에 전기 코일의 최저 온도와 최고 온도 사이의 온도 차이는, 예를 들어, 30℃ 또는 40℃ 또는 50℃ 이상일 수 있다. 히트 싱크는 선택된 영역, 특히 전기 코일의 더 뜨거운 영역에 부착될 수 있다. 코일의 적절한 영역의 선택은 작동 시 온도 분포와 코일 상의 그리고 주변의 공간 가용성을 고려할 수 있다. 일부 실시예에서, 히트 싱크를 장착한 후, 최대 온도 차이는, 예를 들어, 20℃ 이하일 수 있다.
특히 직접 구동되는 풍력 터빈 발전기와 같은 대형 전기 기계에서는, 국소 히트 싱크를 새로 장착하는 것이 공기 유동 질량을 증가시키는 것과 같은 대안적인 해결책에 비해 유리할 수 있다.
일부 실시예에서, 작동 시 스테이터 코일의 온도 분포는 히트 싱크(들)를 부착한 후에 더 균일할 수 있다. 추가 실시예에서, 평균 전체 온도는 하나 이상의 히트 싱크를 부착한 후에 낮아질 수 있다. 다른 실시예에서, 평균 온도는 더 낮을 수 있고, 전체 열 분포는 더 균일할 수 있다.
일부 예들에서, 전기 기계를 작동하는 것은 로터와 스테이터 사이에 배열된 에어 갭을 통해 냉각 공기 유동을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 일부 전기 기계에서는, 전용 공기 냉각 시스템이 제공되었을 수 있다. 본원에 개시된 장치 및 시스템이 사용될 수 있는 다른 전기 기계에는, 전용 공기 냉각 시스템이 없다. 대신, 냉각은 일반적으로 에어 갭을 통한 공기의 이동에 의해 제공된다.
본 개시내용의 추가 양태에서, 복수의 전기 코일을 갖는 스테이터, 로터, 및 스테이터와 회전자 사이에 반경 방향으로 배열된 에어 갭을 포함하는 전기 기계가 제공된다. 전기 기계는 또한, 에어 갭의 제1 측부로부터 에어 갭의 제2 측부로 냉각 공기 유동을 제공하도록 구성된 냉각 시스템을 포함한다. 본원에서, 냉각 공기 유동을 변경하고/하거나, 공기 유동과의 접촉 표면을 증가시키도록 구성된 하나 이상의 수동 열교환기가 전기 코일에 부착된다.
상술된 바와 같이, 냉각 공기 흐름을 변경하는 것 및 냉각될 코일과 냉각 공기 유동 사이의 접촉을 증가시키는 것은 코일의 평균 온도 및 온도 분포에 영향을 미칠 수 있다.
수동 열교환기는 복수의 핀을 포함할 수 있다. 실시예에서, 이러한 수동 열교환기 또는 "히트 싱크"는(냉각) 공기 유동과 히트 싱크 사이의 접촉을 최적화하기 위해 난류 또는 와류를 생성하는 구조체를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 전기 코일은 스테이터 치형부 둘레에 배열될 수 있으며, 코일은 제1 직선 측부, 제1 직선 측부에 평행한 제2 직선 측부, 제1 단부에서 제1 직선 측부와 제2 직선 측부를 연결하는 제1 만곡 부분, 및 제2 단부에서 제1 직선 측부와 제2 직선 측부를 연결하는 제2 만곡 부분을 가지는 실질적으로 장공 형상을 포함할 수 있다. 핀은 제1 및 제2 만곡 부분들 중 하나 또는 둘 모두에 부착될 수 있다. 접촉 면적을 증가시키는 구조체가 또한 직선 측부를 따라 부착될 수 있지만, 일반적으로 코일의 만곡된 단부에 더 많은 이용 가능한 공간이 있다.
예시된 실시예에서, 히트 싱크의 수동 열교환기가 스테이터 상의 코일의 표면에 부착된 것으로 도시되었지만, 동일한 사항이 로터 상의 코일에 적용될 수 있다.
이러한 기재된 설명은, 바람직한 실시형태를 포함하여 본 발명을 개시하고, 또한, 당업자가, 임의의 디바이스 또는 시스템을 만들고 사용하는 것 및 임의의 포함된 방법을 수행하는 것을 포함하여 본 발명을 실시할 수 있도록 하기 위해 실시예를 사용한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 정의되고, 당업자에게 착상되는 다른 실시예를 포함할 수 있다. 이러한 다른 실시예는, 이 실시예가 청구범위의 문자적 언어와 다르지 않은 구조적 요소를 갖는 경우, 또는 이 실시예가 청구범위의 문자적 언어와 실질적인 차이가 없는 균등한 구조적 요소를 포함하는 경우, 청구범위 내에 있는 것으로 의도된다. 설명된 다양한 실시형태로부터의 양태 및 각각의 이러한 양태에 대한 다른 공지된 균등물은 본 출원의 원리에 따라 추가적인 실시형태 및 기술을 구성하기 위해 당업자에 의해 혼합되고 매칭될 수 있다. 도면과 관련된 참조 기호가 청구항에서 괄호 안에 배치된 경우, 이는 단지 청구항의 이해도를 높이기 위해 시도된 것이며, 청구항의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

Claims (15)

  1. 로터(20);
    스테이터(30);
    상기 로터(20)와 상기 스테이터(30) 사이에 배열된 에어 갭(40)
    을 포함하는 전기 기계(10)에 있어서,
    상기 스테이터(30) 및/또는 상기 로터(20)는 복수의 전기 코일(90)을 포함하며,
    상기 전기 코일들(90) 중 하나 이상은, 열을 상기 에어 갭(40)에 방출하기 위해서 히트 싱크(82, 84)를 구비하며, 상기 히트 싱크(82, 84, 86, 87, 89)는 열 전도성 재료를 사용하여 상기 전기 코일(90)에 부착된 것인, 전기 기계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 복수의 핀(fin)을 포함하는 것인, 전기 기계.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 실질적으로 비자성 재료로 제조된 것인, 전기 기계.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히트 싱크(82, 87)는 상기 코일의 외부에 부착된 것인, 전기 기계.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 상기 코일(84, 89)의 내부에 부착된 것인, 전기 기계.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 코일(90)은 치형부(96) 둘레에 배열되며, 상기 전기 코일(90)은, 제1 직선 측부(93), 상기 제1 직선 측부(93)에 평행한 제2 직선 측부(94), 제1 단부(101)에서 상기 제1 직선 측부(93)와 상기 제2 직선 측부(94)를 연결하는 제1 만곡 부분(91), 및 제2 단부(102)에서 상기 제1 직선 측부(93)와 상기 제2 직선 측부(94)를 연결하는 제2 만곡 부분(92)을 가지는 실질적으로 장공(obround) 형상을 포함하는 것인, 전기 기계.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 상기 제1 만곡 부분(91)에 부착되는 것인, 전기 기계.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제1 단부(101)보다는 상기 제2 단부(102)가 냉각 공기 공급부에 더 가까운 것인, 전기 기계.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 코일들(90) 중 하나 이상은 복수의 히트 싱크(82, 84, 86, 87, 89)를 포함하는 것인, 전기 기계.
  10. 제9항에 있어서,
    제1 히트 싱크(84)가 상기 제1 만곡 부분(91) 중 하나의 내측 측부에 부착되고, 제2 히트 싱크(82)가 상기 제1 만곡 부분(91)의 외측 측부에 부착되며, 제3 히트 싱크(87, 89)가 상기 제2 만곡 부분(92)에 부착되고, 선택적으로 추가 히트 싱크(86)가 상기 제1 직선 측부(93) 및 상기 제2 직선 측부(94) 중 하나에 부착되는 것인, 전기 기계.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스테이터(30)는 상기 복수의 전기 코일을 포함하는 것인, 전기 기계.
  12. 풍력 터빈에 있어서,
    제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 전기 기계
    를 포함하되,
    선택적으로 상기 전기 기계는 영구 자석 발전기인 것인, 풍력 터빈.
  13. 전기 기계(10)에서 전기 코일(90)의 온도 분포를 변경하기 위한 방법에 있어서,
    전기 기계(10)를 작동하는 단계;
    작동 시 상기 전기 코일(90)의 온도 분포를 측정하는 단계;
    상기 전기 코일 주위의 공기 유동과의 접촉 표면을 증가시키도록 히트 싱크(82, 84, 86, 87, 89)를 상기 전기 코일(90)의 표면의 선택된 영역에 부착하는 단계
    를 포함하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    작동 시 상기 전기 코일(90)의 온도 분포는, 상기 히트 싱크를 부착하기 전보다는 상기 히트 싱크를 부착한 후에 더 균일하며, 특히, 전기 코일의 최고 온도와 최저 온도 사이의 차이는 20℃ 미만인 것인, 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 전기 기계(10)를 작동하는 단계는 로터와 스테이터 사이에 배열된 에어 갭(40)을 통해 냉각 공기 유동을 제공하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
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