KR20230016582A - 전기 기계의 능동 요소들의 냉각 - Google Patents

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샨무가-프리얀 서브라마니안
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제너럴 일렉트릭 레노바블레스 에스빠냐 에스.엘.유.
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Abstract

본 개시는, 전기 기계 및 전기 기계의 능동 요소들을 냉각시키기 위한 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 개시는, 전기 기계의 로터에 관한 것이다. 전기 기계는, 예를 들어, 직접 구동 풍력 터빈을 위한 발전기일 수 있을 것이다. 전기 기계는, 복수의 능동 로터 요소를 포함하는 로터, 복수의 능동 스테이터 요소를 포함하는 스테이터, 및 능동 로터 요소들과 능동 스테이터 요소들을 분리하는 공기 틈새를 포함한다. 로터는 추가로, 공기 유동이 전기 기계에 진입하는 것을 그리고 로터의 회전에 응답하여 능동 로터 요소들 및/또는 능동 스테이터 요소들을 냉각하는 것을 허용하도록 구성되는, 하나 이상의 로터 개구부를 포함한다.

Description

전기 기계의 능동 요소들의 냉각{COOLING OF ACTIVE ELEMENTS OF ELECTRICAL MACHINES}
본 개시는, 전기 기계 및 전기 기계의 능동 요소들을 냉각시키기 위한 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 개시는, 전기 기계의 로터에 관한 것이다. 전기 기계는, 예를 들어, 직접 구동 풍력 터빈을 위한 발전기일 수 있을 것이다.
모터들 및 발전기들과 같은, 전기 기계들은, 일반적으로 로터 구조물 및 스테이터 구조물을 포함한다. 대형 전기 발전기들은, 예를 들어, 전기 여기 발전기들 또는 영구자석 여기 발전기들(PMG)일 수 있을 것이다. 전기 기계의 로터는, 스테이터에 대해 회전한다. 로터는, 내측 구조물일 수 있으며, 그리고 스테이터는, 외측 구조물일 수 있을 것이다. 스테이터는, 이러한 경우에, 그에 따라, 예를 들어 반경 방향으로, 로터를 둘러싼다. 대안적으로, 구성은, 반대일 수 있고, 즉 로터는, 예를 들어 반경 방향으로, 스테이터를 둘러싼다.
그러한 발전기들은, 예를 들어 풍력 터빈들에서 사용될 수 있을 것이다. 풍력 터빈들은 일반적으로, 로터 허브 및 복수의 블레이드를 갖는, 로터를 포함한다. 로터는, 블레이드들 상의 바람의 영향 하에서 회전된다. 로터 샤프트의 회전은, 직접적으로 발전기 로터를 구동("직접적으로 구동됨")하거나, 또는 기어박스의 사용을 통해 구동한다.
직접 구동 풍력 터빈 발전기는, 예를 들어 6 내지 8 미터(236 내지 328 인치)의 직경, 예를 들어 2 내지 3 미터(79 내지 118 인치)의 길이를 가질 수 있으며, 그리고, 예를 들어 2 내지 20 rpm(분당 회전수)의 범위 내의, 낮은 속도에서 회전할 수 있을 것이다. 대안적으로, 발전기들은 또한, 예를 들어 50 내지 500 rpm 사이 또는 그 이상으로 발전기의 회전 속도를 증가시키는, 기어박스에 커플링될 수 있을 것이다.
직접 구동 풍력 터빈들의 발전기들과 같은, 전기 기계들에서, 냉각이 일반적으로 중요하다. 특히, 로터 및 스테이터의 능동 요소들, 예를 들어 영구자석들 및 코일들은, 가열될 수 있을 것이다. 능동 로터 및 스테이터 요소들의 온도의 증가가, 능동 요소들의 고장으로 이어질 수 있으며 그리고 발전기의 효율을 감소시킬 수 있을 것이다. 로터 및 스테이터의 능동 요소들의 온도를 감소시키기 위해, 열이, 능동 요소들을 분리하는 공기 틈새를 통한 냉각을 제공함으로써, 능동 요소들로부터 제거될 수 있을 것이다. 냉각 시스템이, 로터 및 스테이터의 능동 요소들의 온도를 감소시키기 위해 제공될 수 있을 것이다.
그러한 냉각 시스템은, 1차적 루프를 포함할 수 있을 것이다. 1차적 루프는, 1차적 유체 유입구를 구비할 수 있을 것이다. 1차적 유체, 예를 들어 공기가, 1차적 유체 유입구로부터 능동 로터 및 스테이터 요소들로 운반될 수 있을 것이다. 예를 들어, 공기는, 능동 로터 및 스테이터 요소들 사이의 공기 틈새로 유도될 수 있을 것이다. 능동 요소들이 가열됨에 따라, 유체는, 역시 가열된다. 가열된 1차적 유체는, 1차적 유체 배출구 밖으로 운반될 수 있을 것이다. 일부 예에서, 1차적 유체 배출구 및 유입구는, 풍력 터빈의 외부와, 예를 들어 기관실을 둘러싸는 공기와, 유동적으로 소통할 수 있을 것이다. 예를 들어, 냉각 시스템은, 1차적 유체 유입구를 통해 풍력 터빈 외부로부터 공기를 도입하기 위해, 예를 들어 기관실 내에, 팬들을, 포함할 수 있을 것이다. 도관들이, 1차적 루프 유체를 1차적 유체 유입구로부터 발전기 공기 틈새로 운반할 수 있으며, 그리고 이어서 도관들은, 가열된 1차적 루프 유체를 발전기 공기 틈새로부터 1차적 유체 배출구로 운반할 수 있을 것이다.
다른 예들에서, 1차적 유체 유입구 및 배출구는, 열교환기와 유동적으로 소통할 수 있을 것이다. 유체를 위한 2차적 루프가, 열교환기를 포함할 수 있을 것이다. 열교환기는, 열교환기 유입구 및 열교환기 배출구를 구비할 수 있을 것이다. 2차적 유체가, 열교환기 유입구를 통해 열교환기로 도입될 수 있으며, 그리고 일단 2차적 유체가 발전기 공기 틈새 내에서 가열된 1차적 유체를 냉각하면, 1차적 유체는, 열교환기 배출구를 통해 열교환기로부터 제거될 수 있을 것이다. 2차적 유체는 예를 들어, 물 또는 공기일 수 있을 것이다. 도관들은, 가열된 1차적 유체를, 열교환기 내부에서 그리고 이어서 일단 냉각되면 열교환기 밖으로, 안내하기 위해 사용될 수 있을 것이다. 냉각된 1차적 유체는 이어서, 다시 로터 및 발전기의 능동 요소들 사이의 공기 틈새를 향해 유도될 수 있을 것이다.
본 개시의 일 양태에서, 전기 기계가 제공된다. 전기 기계는, 복수의 능동 로터 요소를 포함하는 로터, 복수의 능동 스테이터 요소를 포함하는 스테이터, 및 능동 로터 요소들과 능동 스테이터 요소들을 분리하는 공기 틈새를 포함한다. 로터는 추가로, 주변 공기 유동이 전기 기계에 진입하는 것을 그리고 로터의 회전에 응답하여 능동 로터 요소들 및/또는 능동 스테이터 요소들을 냉각하는 것을 허용하도록 구성되는, 하나 이상의 로터 개구부를 포함한다.
이러한 양태에 따르면, 공기는, 로터를 회전시킬 때, 하나 이상의 로터 개구부를 통해 흡입될 수 있을 것이다. 일단 전기 기계 내부에서, 공기가, 로터 및 스테이터의 능동 요소들을 분리하는 공기 틈새를 통해, 예를 들어 반경 방향 또는 축 방향으로, 통과할 수 있으며, 그리고 가열될 수 있을 것이다. 가열된 공기는, 그에 따라 능동 로터 및 스테이터 요소들을 냉각하도록, 발전기에서 배출되도록 야기될 수 있을 것이다. 강제 대류가, 로터 및 스테이터의 능동 부품들을 냉각시킬 수 있으며, 그리고 전기 기계 내로 공기를 도입하기 위한 파이프들 및 팬들을 갖는 냉각 시스템은, 생략될 수 있을 것이다.
본 개시 전체에 걸쳐 사용되는 바와 같은, 능동 요소들은, 자기적으로 및/또는 전기적으로 능동인 로터 또는 스테이터의 요소들로서 간주될 수 있을 것이다.
전기 기계는, 발전기, 구체적으로 풍력 터빈을 위한 발전기, 그리고 더욱 구체적으로 직접 구동 풍력 터빈을 위한 발전기일 수 있을 것이다.
다른 양태에서, 전기 기계를 냉각하는 방법이, 제공된다. 전기 기계는, 로터, 스테이터, 및 로터와 스테이터를 분리하는 공기 틈새를 포함한다. 방법은, 전기 기계의 외부로부터의 냉각 공기 유동이 로터 내의 하나 이상의 개구부를 통해 전기 기계의 내부에 진입하도록 야기하기 위해 로터를 회전시키는 것을 포함한다.
또 다른 양태에서, 직접 구동 풍력 터빈을 위한 발전기가, 제공된다. 발전기는, 복수의 능동 로터 부품을 포함하는 로터, 복수의 능동 스테이터 부품을 포함하는 스테이터, 및 로터의 능동 부품들과 스테이터의 능동 부품들을 분리하는 공기 틈새를 포함한다. 로터는, 로터를 회전시키는 것의 결과로서 발전기의 내부와 외부 사이에 압력 차를 생성하도록 구성되는, 하나 이상의 개구부를 포함하고, 압력은, 발전기의 외부에서보다 발전기의 내부에서 더 낮다.
도 1은 풍력 터빈의 하나의 예의 사시도를 개략적으로 예시한다;
도 2는 풍력 터빈의 허브 및 기관실의 예를 예시한다;
도 3은 전기 기계의 예의 단면도를 개략적으로 예시한다. 전기 기계는, 직접 구동 풍력 터빈을 위한 발전기일 수 있을 것이다;
도 4a 내지 도 4c는 전기 기계의 상이한 예들의 단면도들을 개략적으로 예시한다;
도 5는 직접 구동 풍력 터빈을 위한 발전기의 후방측 사시도를 개략적으로 예시한다;
도 6은 능동 로터 및 스테이터 요소들을 냉각하기 위한 방법의 예에 대한 흐름도를 개략적으로 예시한다.
지금부터, 그의 하나 이상의 예가 도면들에 예시되는, 본 개시의 실시예들에 대해, 상세하게 참조될 것이다. 각각의 예는, 본 개시에 대한 제한이 아닌, 본 발명의 설명으로서 제공된다. 사실, 다양한 수정들 및 변형들이, 본 개시의 범위 또는 사상으로부터 벗어남 없이, 본 개시 내에서 이루어질 수 있다는 것이, 당업자에게 명백할 것이다. 예를 들어, 하나의 실시예의 일부로서 예시되거나 설명되는 특징들은, 또 다른 실시예를 생성하기 위해 다른 실시예와 함께 사용될 수 있다. 따라서, 본 개시는 첨부 청구항들 및 그들의 균등물의 범위 이내에 속하는 것으로서 그러한 수정들 및 변형들을 커버하는 것으로 의도된다.
비록 직접 구동 풍력 터빈을 위한 발전기가 본 명세서에 언급되지만, 본 개시는, 일반적인 전기 기계들에 적용될 수 있다.
도 1은 풍력 터빈(10)의 예의 사시도이다. 상기 예에서, 풍력 터빈(10)은, 수평-축 풍력 터빈이다. 대안적으로, 풍력 터빈(10)은, 수직-축 풍력 터빈일 수 있을 것이다. 상기 예에서, 풍력 터빈(10)은, 지면(12) 상의 지지 시스템(14)으로부터 연장되는 타워(15), 타워(15) 상에 장착되는 기관실(16), 및 기관실(16)에 커플링되는 로터(18)를 포함한다. 로터(18)는, 회전 가능한 허브(20) 및, 허브(20)에 커플링되며 그리고 허브(20)로부터 외향으로 연장되는, 적어도 하나의 로터 블레이드(22)를 포함한다. 상기 예에서, 로터(18)는, 3개의 로터 블레이드(22)를 구비한다. 대안적인 실시예에서, 로터(18)는, 3개 초과 또는 3개 미만의 로터 블레이드(22)를 포함한다. 타워(15)는, 지지 시스템(14)과 기관실(16) 사이에 캐비티(도 1에 도시되지 않음)를 한정하기 위해, 튜브형 강재로 제작될 수 있을 것이다. 대안적인 실시예에서, 타워(15)는, 임의의 적절한 높이를 갖는 임의의 적절한 유형의 타워이다. 대안예에 따르면, 타워는, 콘크리트로 이루어지는 부분 및 튜브형 강재 부분을 포함하는, 하이브리드 타워일 수 있다. 또한, 타워는, 부분적인 또는 완전한 격자 타워일 수 있다. 풍력 터빈(10)은, 육상 또는 해상 양자 모두에 배치될 수 있을 것이다.
로터 블레이드들(22)은, 바람으로부터 전달될 운동 에너지를, 사용 가능한 기계적 에너지로, 그리고 후속적으로 전기적 에너지로, 변환하는 것을 가능하게 하도록, 로터(18)를 회전시키는 것을 가능하게 하기 위해, 허브(20) 둘레에서 이격된다. 로터 블레이드들(22)은, 블레이드 루트 부분(24)을 복수의 부하 전달 구역(26)에서 허브(20)에 커플링함에 의해, 허브(20)에 접속된다. 부하 전달 구역들(26)은, 허브 부하 전달 구역 및 블레이드 부하 전달 구역(양자 모두 도 1에 도시되지 않음)을 구비할 수 있을 것이다. 로터 블레이드들(22)로 유도되는 부하는, 부하 전달 구역들(26)을 통해 허브(20)에 전달된다.
예들에서, 로터 블레이드들(22)은, 약 15 미터(m) 내지 약 90 m 또는 그를 초과하는 범위의 길이를 가질 수 있을 것이다. 로터 블레이드들(22)은, 풍력 터빈(10)이 본 명세서에 설명되는 바와 같이 기능하는 것을 가능하게 하는, 임의의 적절한 길이를 가질 수 있을 것이다. 예를 들어, 블레이드 길이의 비-제한적인 예들은, 20 m 이하, 37 m, 48.7 m, 50.2m, 52.2 m, 또는, 91 m 초과인 길이를 포함한다. 바람이 바람 방향(28)으로부터 로터 블레이드들(22)을 타격함에 따라, 로터(18)는, 로터 축(30)을 중심으로 회전하게 된다. 로터 블레이드들(22)이 회전하게 되며 그리고 원심력에 종속됨에 따라, 로터 블레이드들(22)은 또한, 다양한 힘들 및 모멘트들에 종속된다. 그에 따라, 로터 블레이드들(22)은, 중립 또는 편향되지 않은 위치로부터 편향된 위치로, 편향 및/또는 회전할 수 있을 것이다.
더불어, 로터 블레이드들(22)의 피치각, 즉 바람 방향에 대해 로터 블레이드들(22)의 배향을 결정하는 각도는, 바람 벡터들에 대한 적어도 하나의 로터 블레이드(22)의 각도 위치를 조절함으로써 부하 및 풍력 터빈(10)에 의해 생성되는 출력을 제어하기 위해, 피치 시스템(32)에 의해 변경될 수 있을 것이다. 로터 블레이드들(22)의 피치 축들(34)이 도시된다. 풍력 터빈(10)의 작동 도중에, 피치 시스템(32)은, 특히, 로터 블레이드들(의 부분들)의 받음각이 감소되어, 회전 속도를 감소시키는 것을 가능하게 하고 및/또는 로터(18)의 실속(stall)을 가능하게 하도록, 로터 블레이드들(22)의 피치각을 변경할 수 있을 것이다.
상기 예에서, 각 로터 블레이드(22)의 블레이드 피치가, 풍력 터빈 컨트롤러(36)에 의해 또는 피치 제어 시스템(80)에 의해, 개별적으로 제어된다. 대안적으로, 모든 로터 블레이드들(22)의 블레이드 피치는, 상기 제어 시스템에 의해 동시에 제어될 수 있을 것이다.
추가로, 상기 예에서, 바람 방향(28)이 변경됨에 따라, 기관실(16)의 요우(yaw) 방향이, 바람 방향(28)에 대해 로터 블레이드들(22)을 배치하기 위해 요우 축(38)을 중심으로 회전될 수 있을 것이다.
상기 예에서, 풍력 터빈 컨트롤러(36)는, 기관실(16) 내부에 중심을 두는 것으로 도시되지만, 풍력 터빈 컨트롤러(36)는, 풍력 터빈(10) 전체에 걸쳐, 지지 시스템(14) 상에, 풍력 발전 단지 내부에, 및/또는 원격 제어 센터에, 분산된 시스템일 수 있을 것이다. 풍력 터빈 컨트롤러(36)는, 본 명세서에 설명되는 방법들 및/또는 단계들을 실행하도록 구성되는, 프로세서(40)를 포함한다. 또한, 본 명세서에 설명되는 많은 다른 구성요소들이, 프로세서를 포함한다.
여기에서 사용되는 바와 같은, 용어 "프로세서"는, 컴퓨터로서 당해 기술 분야에서 언급되는 집적 회로들로 제한되지 않는 대신, 컨트롤러, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 컴퓨터, 프로그램 가능한 논리 컨트롤러(PLC), 특정 용도 집적 회로, 및 다른 프로그램 가능한 회로들을 널리 지칭하며, 그리고 이러한 용어들은, 여기에서 상호 교환 가능하게 사용된다. 프로세서 및/또는 제어 시스템이 또한, 메모리, 입력 채널들, 및/또는 출력 채널들을 포함할 수 있을 것이다.
도 2는 풍력 터빈(10)의 일부분에 대한 확대 단면도이다. 상기 예에서, 풍력 터빈(10)은, 기관실(16) 및 기관실(16)에 회전 가능하게 커플링되는 로터(18)를 포함한다. 더욱 구체적으로, 로터(18)의 허브(20)는, 메인 샤프트(44), 기어박스(46), 고속 샤프트(48), 및 커플링(50)에 의해, 기관실(16) 내부에 배치되는 전기 발전기(42)에 회전 가능하게 커플링된다. 상기 예에서, 메인 샤프트(44)는, 기관실(16)의 종방향축(미도시)과 적어도 부분적으로 동축으로 배치된다. 메인 샤프트(44)의 회전이, 로터(18)의 그리고 메인 샤프트(44)의 상대적으로 느린 회전 운동을 고속 샤프트(48)의 상대적으로 빠른 회전 운동으로 변환함으로써 후속적으로 고속 샤프트(48)를 구동하는, 기어박스(46)를 구동한다. 고속 샤프트는, 커플링(50)의 도움으로 전기적 에너지를 생성하기 위해 발전기(42)에 연결된다. 더불어, 변압기(90) 및/또는 적절한 전자기기, 스위치들, 및/또는 인버터들이, 400 V 내지 1000 V 사이의 전압을 갖는 발전기(42)에 의해 생성되는 전기적 에너지를 중간 전압(10 - 35 KV)을 갖는 전기적 에너지로 변환하기 위해, 기관실(16) 내에 배열될 수 있을 것이다. 상기 전기적 에너지는, 기관실(16)로부터 타워(15) 내로 전력 케이블을 통해 전달된다.
기어박스(46), 발전기(42) 및 변압기(90)는, 선택적으로 메인 프레임(52)으로서 실시되는, 기관실(16)의 메인 지지 구조 프레임에 의해 지지될 수 있을 것이다. 기어박스(46)는, 하나 이상의 토크 아암(103)에 의해 메인 프레임(52)에 연결되는, 기어박스 하우징을 포함할 수 있을 것이다. 상기 예에서, 기관실(16)은 또한, 메인 전방 지지 베어링(60) 및 메인 후방 지지 베어링(62)을 포함한다. 더불어, 발전기(42)는, 특히 발전기(42)의 진동이 메인 프레임(52) 내로 도입되는 것 그리고 그로 인해 소음 방출 소스를 생성하는 것을 방지하도록 하기 위해, 디커플링 지지 수단(54)에 의해 메인 프레임(52)에 장착될 수 있다.
선택적으로, 메인 프레임(52)은, 로터(18) 및 기관실(16)의 구성요소들의 중량에 의해 그리고 바람 및 회전 부하에 의해 야기되는 전체 부하를 지탱하도록, 그리고 더불어, 풍력 터빈(10)의 타워(15) 내로 이러한 부하들을 도입하도록, 구성된다. 로터 샤프트(44), 발전기(42), 기어박스(46), 고속 샤프트(48), 커플링(50), 및, 이에 국한되는 것은 아니지만, 지지대(52), 그리고 전방 지지 베어링(60) 및 후방 지지 베어링(62)을 포함하는, 임의의 연관된 체결, 지지, 및/또는 고정 장치들은, 때때로, 구동 트레인(64)으로 지칭된다.
일부 예에서, 풍력 터빈은, 기어박스(46)를 갖지 않는 직접 구동 풍력 터빈일 수 있을 것이다. 발전기(42)는, 직접 구동 풍력 터빈들에서 로터(18)와 동일한 회전 속도로 작동한다. 이들은 그에 따라 일반적으로, 기어박스를 갖는 풍력 터빈과 비교하여 유사한 양의 출력을 제공하기 위해, 기어박스(46)를 구비하는 풍력 터빈들에서 사용되는 발전기들보다 훨씬 더 큰 직경을 갖는다.
기관실(16)은 또한, 바람 방향(28)에 대한 로터 블레이드들(22)의 시선(perspective)을 제어하기 위해 요우 축(38)을 중심으로 기관실(16) 및 그로 인해 또한 로터(18)를 회전시키도록 하기 위해 사용될 수 있는, 요우 구동 메커니즘(56)을 포함할 수 있을 것이다.
기관실(16)을 바람 방향(28)에 대해 적절하게 위치설정하기 위해, 기관실(16)은 또한, 풍향계 및 풍속계를 포함하는, 적어도 하나의 기상 측정 시스템을 포함할 수 있을 것이다. 기상 측정 시스템(58)은, 바람 방향(28) 및/또는 풍속을 포함할 수 있는 정보를 풍력 터빈 컨트롤러(36)에 제공할 수 있다. 상기 예에서, 피치 시스템(32)은, 적어도 부분적으로 허브(20) 내의 피치 조립체(66)로서 배열된다. 피치 조립체(66)는, 하나 이상의 피치 구동 시스템(68) 및 적어도 하나의 센서(70)를 포함한다. 각 피치 구동 시스템(68)은, 피치 축(34)을 따라 로터 블레이드(22)의 피치각을 조절하기 위해 개개의 로터 블레이드(22)(도 1에 도시되지 않음)에 커플링된다. 3개의 피치 구동 시스템(68) 중의 단지 하나만이, 도 2에 도시된다.
상기 예에서, 피치 조립체(66)는, 피치 축(34)을 중심으로 개개의 로터 블레이드(22)를 회전시키기 위해 허브(20)에 그리고 개개의 로터 블레이드(22)(도 1에 도시되지 않음)에 커플링되는, 적어도 하나의 피치 베어링(72)을 포함한다. 피치 구동 시스템(68)은, 피치 구동 모터(74), 피치 구동 기어박스(76), 및 피치 구동 피니언(78)을 포함한다. 피치 구동 모터(74)는, 피치 구동 모터(74)가 피치 구동 기어박스(76)에 기계적 힘을 부과하도록, 피치 구동 기어박스(76)에 커플링된다. 피치 구동 기어박스(76)는, 피치 구동 피니언(78)이 피치 구동 기어박스(76)에 의해 회전되도록, 피치 구동 피니언(78)에 커플링된다. 피치 베어링(72)은, 피치 구동 피니언(78)의 회전이 피치 베어링(72)의 회전을 야기하도록, 피치 구동 피니언(78)에 커플링된다.
피치 구동 시스템(68)은, 풍력 터빈 컨트롤러(36)로부터의 하나 이상의 신호의 수신 시에 로터 블레이드(22)의 피치각을 조절하기 위해, 풍력 터빈 컨트롤러(36)에 커플링된다. 상기 예에서, 피치 구동 모터(74)는, 전력 및/또는, 피치 조립체(66)가 본 명세서에 설명되는 바와 같이 기능하는 것을 가능하게 하는, 유압 시스템에 의해 구동되는, 임의의 적절한 모터이다. 대안적으로, 피치 조립체(66)는, 임의의 적절한 구조, 구성, 배열, 및/또는, 이에 국한되는 것은 아니지만, 유압 실린더들, 스프링들, 및/또는 서보 메커니즘들과 같은, 구성요소들을 구비할 수 있을 것이다. 특정 실시예에서, 피치 구동 모터(74)는, 허브(20)의 회전 관성 및/또는 풍력 터빈(10)의 구성요소들에 에너지를 공급하는 저장 에너지 공급원(미도시)으로부터 추출되는 에너지에 의해 구동된다.
피치 조립체(66)는 또한, 특정 우선 순위 상황의 경우에 및/또는 로터(18) 과속 도중에, 풍력 터빈 컨트롤러(36)로부터의 제어 신호들에 따라 피치 구동 시스템(68)을 제어하기 위한, 하나 이상의 피치 제어 시스템(80)을 포함할 수 있을 것이다. 상기 예에서, 피치 조립체(66)는, 풍력 터빈 컨트롤러(36)와 독립적으로 피치 구동 시스템(68)을 제어하기 위해 개개의 피치 구동 시스템(68)에 통신 가능하게 커플링되는, 적어도 하나의 피치 제어 시스템(80)을 포함한다. 상기 예에서, 피치 제어 시스템(80)은, 피치 구동 시스템(68)에 그리고 센서(70)에 커플링된다. 풍력 터빈(10)의 정상 작동 도중에, 풍력 터빈 컨트롤러(36)는, 로터 블레이드들(22)의 피치각을 조절하기 위해 피치 구동 시스템(68)을 제어할 수 있다.
실시예에 따르면, 예를 들어 배터리 및 전기 커패시터들을 포함하는, 전력 생성기(84)가, 허브(20)에 또는 허브(20) 내부에 배열되며, 그리고 센서(70)에, 피치 제어 시스템(80)에, 그리고 피치 구동 시스템(68)에, 이러한 구성요소들에 전원을 제공하기 위해, 커플링된다. 상기 예에서, 전력 생성기(84)는, 풍력 터빈(10)의 작동 도중에 피치 조립체(66)에 연속적인 전원을 제공한다. 대안적인 실시예에서, 전력 생성기(84)는, 단지 풍력 터빈(10)의 전력 손실 사고 도중에만, 피치 조립체(66)에 전력을 제공한다. 전력 손실 사고는, 전력망 손실 또는 강하(dip), 풍력 터빈(10)의 전기 시스템의 오작동, 및/또는 풍력 터빈 컨트롤러(36)의 고장을 포함할 수 있을 것이다. 전력 손실 사고 도중에, 전력 생성기(84)는, 피치 조립체(66)가 전력 손실 사고 도중에 작동할 수 있도록, 피치 조립체(66)에 전력을 제공하도록 작동한다.
상기 예에서, 피치 구동 시스템(68), 센서(70), 피치 제어 시스템(80), 케이블들, 및 전력 생성기(84)는, 각각, 허브(20)의 내측 표면(88)에 의해 한정되는, 캐비티(86) 내에 배치된다. 대안적인 실시예에서, 상기 구성요소들은, 허브(20)의 외측 표면에 대해 배치되며, 그리고 외측 표면에, 직접적으로 또는 간접적으로, 커플링될 수 있을 것이다.
본 개시의 일 양태에서, 전기 기계(100)가 제공된다. 전기 기계(100)는, 로터(110) 및 스테이터(120)를 포함한다. 로터(110)는, 복수의 능동 로터 요소(112)를 포함하며, 그리고 스테이터(120)는, 복수의 능동 스테이터 요소(122)를 포함한다. 공기 틈새(115)가, 능동 로터 요소들(112)과 능동 스테이터 요소들(122)을 분리한다. 로터는 추가로, 주변 공기 유동이 전기 기계에 진입하는 것을 그리고 로터의 회전에 응답하여 능동 로터 요소들 및/또는 능동 스테이터 요소들을 냉각하는 것을 허용하도록 구성되는, 하나 이상의 로터 개구부(150)를 포함한다.
전기 기계에 진입하는 공기는, 공기를 위한 안내 도관들, 팬들 및/또는 열교환기를 제공할 필요 없이, 로터 및 스테이터 능동 요소들을 냉각할 수 있을 것이다. 로터(110)의 회전은, 주변 공기가 전기 기계(100)에 진입하는 것 및 능동 요소들(112, 122)을 냉각하는 것을 야기하기에 충분할 수 있을 것이다.
도 3은 전기 기계(100)의 예의 단면도를 개략적으로 예시한다. 전기 기계(100)는, 로터(110), 스테이터(120), 및 로터(110)와 스테이터(120) 사이의 공기 틈새(115)를 포함한다. 로터(110)는, 회전축(105)을 중심으로 회전하도록 구성된다. 이러한 예에서, 공기 틈새(115)는, 방사방향 공기 틈새이며, 그리고 전기 기계는, 직접 구동 풍력 터빈을 위한 방사류형 발전기이지만, 다른 예들에서, 전기 기계(100)는, 축방향 공기 틈새를 갖는 축류형 전기 기계일 수 있을 것이다. 도 3에서, 로터(110)는, 스테이터(120)를 둘러싼다. 다른 예들에서, 스테이터는, 로터를 둘러쌀 수 있을 것이다.
스테이터(120)는, 스테이터 림(121) 및 복수의 능동 스테이터 요소(122)를 포함한다. 로터(110)는, 로터 림(111) 및 복수의 능동 로터 요소(112)를 포함한다. 능동 스테이터 요소(122)는, 하나 이상의 영구자석, 또는 하나 이상의 영구자석 모듈, 하나 이상의 코일, 또는 하나 이상의 코일 모듈일 수 있을 것이다. 능동 로터 요소(112)는 마찬가지로, 하나 이상의 영구자석, 또는 하나 이상의 영구자석 모듈, 하나 이상의 코일, 또는 하나 이상의 코일 모듈일 수 있을 것이다. 예를 들어, 능동 스테이터 요소(122)는, 코일일 수 있으며, 그리고 능동 로터 요소(112)는, 영구자석 모듈일 수 있을 것이다. 다른 예들에서, 능동 스테이터 요소들(122) 및 능동 로터 요소들(112) 양자 모두가, 코일들일 수 있을 것이다. 공기 틈새(115)는, 로터의 능동 요소들(112)을 스테이터의 능동 요소들(122)로부터 분리한다.
복수의 영구자석이, 단일 품목으로서 로터(110)에 부착될 수 있는, 영구자석 모듈 내에 제공될 수 있을 것이다. 영구자석 모듈은, 복수의 자석이 함께 장착 및 장착해제될 수 있도록 하는, 복수의 영구자석을 갖는 유닛으로서 규정될 수 있을 것이다. 그러한 모듈은, 베이스에 고정될 수 있는 복수의 영구자석을 수용하거나 보유하기에 적절한 형상을 갖는, 모듈 베이스를 구비할 수 있을 것이다. 베이스는, 복수의 자석이 모듈 베이스를 통해 로터 림(111)에 함께 고정되는 방식으로, 로터 림(111)과 같은 로터 구조물에 고정되도록 구성될 수 있을 것이다. 영구자석 모듈들의 사용은, 로터(110)의 제조를 용이하게 할 수 있을 것이다. 유사하게, 스테이터 코일들이, 코일 모듈들로 함께 그룹화될 수 있을 것이다. 코일 모듈들은, 스테이터 림(121)과 같은 발전기 구조물에 고정될 수 있을 것이다.
로터(110)는, 구동 측부(161), 중앙 측부(162) 및 비-구동 측부(163)를 포함할 수 있을 것이다. 구동 측부(161)는 또한, 전방 측부(161)로도 지칭될 수 있으며, 그리고 풍력 터빈 허브(20)를 지향하도록 구성될 수 있을 것이다. 구동 측부(161)에서, 로터는, 주로 방사 방향(140)으로 그리고 접선 또는 원주 방향(142)으로 연장될 수 있는, 구동 측부 커버(131)를 포함할 수 있을 것이다. 구동 측부 커버(131)는, 로터 및 스테이터의 능동 요소들을, 축 방향(141)으로 먼지와 같은 바람 내의 바람직하지 않은 입자들 및 수분으로부터 보호할 수 있을 것이다. 중앙 측부(162)에서, 로터는, 로터 림(111)을 포함할 수 있으며, 그리고 주로 원주 방향(142)으로 그리고 축 방향(141)으로 연장될 수 있는, 중앙 측부 커버(132)를 포함할 수 있을 것이다. 로터는, 비-구동 측부(163)에서, 비-구동 측부 커버(133)를 더 포함할 수 있을 것이다. 비-구동 측부(163)는 또한, 후방 측부(163)로도 지칭될 수 있을 것이다. 중앙 측부 커버(132)는, 로터(110)의 전방 측부 커버(131)와 후방 측부 커버(133) 사이에서 연장될 수 있을 것이다.
스테이터(120)는, 발전기 지지대(103) 상에 고정식으로 장착될 수 있을 것이다. 로터(110)는, 발전기 지지대(103) 상에 회전 가능하게 장착될 수 있으며 그리고 풍력 터빈(10)의 허브(20)에 연결될 수 있을 것이다. 로터(110)의 전방 측부(131)는, 베어링(미도시)에 의해 발전기 지지대(103)에 결합될 수 있을 것이다. 로터(110)가 발전기 지지대(103)까지 연장되는 비-구동 측부 커버(133)를 포함하는 경우에, 베어링은 또한, 비-구동 측부 커버(133)를 지지대(103)에 결합하기 위해 사용될 수 있을 것이다. 발전기 지지대(103)는, 풍력 터빈 프레임, 예를 들어 직접 구동 풍력 터빈 프레임의 전방 부분일 수 있을 것이다.
개구부(150)가, 로터(110)의 전방 측부 커버(131), 중앙 측부 커버(132), 및 후방 측부 커버(133) 중의 어느 것에 제공될 수 있을 것이다. 예를 들어, 하나 이상의 로터 개구부(150)가, 로터(110)의 구동 측부 커버(131)에 제공될 수 있을 것이다. 이러한 옵션의 예가, 도 4a에 개략적으로 도시되어 있다. 구동 측부 커버(131)가 상류에 놓이도록 구성될 수 있음에 따라, 하나 이상의 전방 개구부(150)가 제공되는 경우에, 주변 공기 유동이, 자연스럽게 발전기(100)에 진입할 수 있을 것이다. 로터(110)의 회전은, 발전기(100)를 통해 그리고 특히 로터 및 스테이터의 능동 요소들 사이의 공기 틈새(115)를 통해, 공기 유동을 순환시키도록 도울 수 있을 것이다. 로터(110)의 회전은, 주변 공기를 로터 내로 흡입하기 위해, 로터 내부의 압력의 감소를 야기한다. 공기, 예를 들어 능동 요소들(112, 122)과 접촉한 이후에 가열된 공기는, 로터(110)의 후방을 통해 배기될 수 있을 것이다. 로터가 후방 측부 커버(133)를 포함하는 경우에, 공기는, 후방 측부 커버(133) 내의 하나 이상의 배출구(153)를 통해 발전기(100)를 떠날 수 있을 것이다. 다른 예들에서, 비-구동 측부 커버(133)는, (예를 들어, 도 4b 및 도 4c에서와 같이) 발전기 지지대에 대해 반경 방향 내향으로 연장되지 않으며, 그리고 공기는, 후방 측부 커버(133)와 발전기 지지대(103) 사이의 공간을 통해 발전기를 떠날 수 있을 것이다.
일부 다른 실시예에서, 예를 들어 도 4b에서와 같이, 하나 이상의 로터 개구부(150)가, 로터(110)의 중앙 측부 커버(132)에 제공될 수 있을 것이다. 이러한 예들에서, 로터(110)의 회전 속도는, 예를 들어 상대적으로 평행하게, 중앙 측부 커버(132)에 가깝게 유동하는 주변 공기가, 전기 기계의 외부로부터 전기 기계의 내부로 발전기(100)에 진입하는 것을 야기할 수 있을 것이다. 도 3의 전기 기계(100)에서, 중앙 개구부(들)(150)를 통해 진입하는 공기는, 로터(110)의 능동 요소들(112) 사이로 공기 틈새(115)를 향해 유동할 수 있을 것이다. 가열된 공기는, 이상에 설명된 바와 같이, 로터(110)의 후방을 통해 배기될 수 있을 것이다. 중앙 측부 커버(132) 내의 개구부(150)가, 로터(110)의 구동 측부 커버(131)로부터 비-구동 측부 커버(133)까지 완전히 연장될 수 있을 것이다.
또 다른 예들에서, 예를 들어 도 4c에서와 같이, 하나 이상의 개구부(150)가, 로터(110)의 후방 측부 커버(133)에 제공될 수 있을 것이다. 로터(110)의 회전은, 후방 측부 커버(133)에 가까운 주변 공기가, 능동 로터 및 스테이터 요소들의 온도를 감소시키도록, 발전기(100) 내로 흡입되는 것, 그리고 공기 틈새(115)를 가로질러 유동하는 것을 야기할 수 있을 것이다. 공기 틈새(115) 내의 공기를 배기하기 위한 하나의 가능한 방법이, 로터의 전방 측부 커버(131)에 가까운 가열된 공기를, 도 4c에 나타난 바와 같이, 스테이터(120)를 통해 로터의 후방으로 순환시키도록 하는 것일 수 있을 것이다. 스테이터(120), 예를 들어 스테이터 프레임은, 이러한 목적을 위한 유입구(들) 및 배출구(들)를 구비할 수 있을 것이다. 도 4c의 예에서, 스테이터를 통한 냉각 유동의 전달을 허용하는, 통창(124)이, 제공된다. 유입구(들)는, (존재하는 경우) 스테이터의 제1 또는 전방 측부 커버 내에 제공될 수 있으며, 그리고 배출구(들)는, (존재하는 경우) 스테이터의 제2 또는 후방 측부 커버 내에 제공될 수 있을 것이다. 가열된 공기가 스테이터(120)를 횡단한 이후에, 공기는, 로터(110)의 후방 측부 커버(133) 내의 하나 이상의 배출구(153)를 통해 또는 로터(110)와 발전기 지지대(103) 사이의 공간(136)을 통해, 배기될 수 있을 것이다.
이상의 예들에서, 로터(110)는, 특히 방사 방향으로, 스테이터(120)를 둘러싼다. 스테이터(120) 둘레에 로터(110)를 구비하는 것은, 주변 공기가 로터 및 스테이터의 능동 요소들을 냉각하기 위해 발전기(100)에 진입하도록 그리고 공기 틈새(115)를 통해 유동하도록 야기하는 것을 용이하게 할 수 있을 것이다. 스테이터(120)는, 다른 예들에서, 로터(110)를 둘러쌀 수 있을 것이다.
도 4a 내지 도 4c에서, 로터 개구부들(150)은, 단지 로터(110)의 하나의 측부 커버 내에만 도시되어 있다. 그러나, 개구부들(150)은, 로터(110)의 하나 초과의 측면 커버에 제공될 수 있을 것이다. 예를 들어, 하나 이상의 개구부(150)가, 로터의 중앙 측부 커버(132)에 제공될 수 있으며, 그리고 하나 이상의 개구부가, 로터의 후방 측부 커버(133)에 제공될 수 있을 것이다. 유사하게, 하나 이상의 개구부(150)가, 로터의 구동 측부 커버(131)에 제공될 수 있으며, 그리고 하나 이상의 개구부가, 로터의 비-구동 측부 커버(133)에 제공될 수 있을 것이다. 구동 측부 커버(131)에 있는 하나 이상의 개구부는, 축 방향(141)으로 비-구동 측부 커버(133)에 있는 하나 이상의 개구부와 정렬될 수 있을 것이다. 일반적으로, 개구부들(150)의 개소는, 전기 기계(100)를 따르는 및/또는 통한 공기 유동을 위한 적절한 경로를 생성하도록 맞춰질 수 있을 것이다.
로터 개구부들(150)은, 원주 방향(142)을 따라 분산될 수 있을 것이다. 도 5는 후방으로부터의 로터(110)의 사시도를 도시한다. 이러한 도면에서, 로터(110)는, 후방 측부 커버(133)를 구비한다. 후방 측부 커버(133)는, 복수의 세그먼트(145)를 포함하는, 환형 커버(140)이다. 따라서, 발전기 지지대(103)에 장착될 때, 후방 측부 커버(133)는, 지지대(103)에 결합되지 않을 것이다. 환형 커버(140)는, 일부 예에서, 로터의 중앙 측부 커버(132)의 플랜지에 부착될 수 있을 것이다.
6개의 세그먼트(145)가, 도 5의 환형 커버(140)로부터 제거되었다. 로터(110)가 축(105)을 중심으로 회전될 때, 압력이, 로터(110) 내부에서 강하할 수 있으며, 그리고 주변 공기가, 발전기(100) 내로 도입될 수 있으며 그리고 능동 로터 및 스테이터 요소들의 온도를 낮출 수 있을 것이다. 원주 방향(142)을 따라 복수의 공기 유입구를 제공하는 것은, 능동 요소들(112, 122)과 접촉하는 공기의 양을 증가시킬 수 있을 것이다. 냉각은, 그에 따라, 향상될 수 있을 것이다.
로터 개구부(150)는, 특정 면적을 갖는다. 로터에서의 개구부들(150)의 면적들의 합계는, 조합 면적으로 지칭될 수 있을 것이다. 일부 예에서, 로터 개구부들(150)의 조합 면적은, 로터 측부 커버의 총 표면의 10% 내지 40% 사이, 더욱 구체적으로 10% 내지 25% 사이를 나타낼 수 있을 것이다. 예를 들어, 개구부들(150)이 단지 로터의 측부 커버(131, 132, 133)에 제공되는 경우, 개구부들(150)은, 로터 커버들의 총 (외부) 표면의 10% 내지 25% 사이를 점유할 수 있을 것이다. 일부 예에서, 개구부들에 의해 점유되는 표면은, 로터의 총 (외부) 표면의 약 15%일 수 있을 것이다. 다른 예들에서, 개구부들(150)이 로터의 하나 초과의 측부 커버에 제공되는 경우, 개구부들의 조합 면적은, 로터의 총 (외부) 표면의 약 15%일 수 있을 것이다. 로터(110)의 충분한 구조적 무결성 및 능동 요소들(112, 122)의 충분한 냉각이, 이러한 범위 내에서 제공될 수 있을 것이다.
일부 예에서, 로터 개구부(150)는, 최대 2 m2(제곱미터)의 면적을 가질 수 있을 것이다. 이러한 예들 중의 일부에서, 로터 개구부(150)는, 0.3 m2 내지 1.5 m2 사이의 면적을 가질 수 있을 것이다. 예를 들어, 로터 개구부(150)는, 약 1.1 m2의 면적을 가질 수 있을 것이다. 로터 측부 커버들에서의 개소와 무관하게, 모든 로터 개구부들(150)은, 실질적으로 동일한 면적을 가질 수 있을 것이다.
일부 예에서, 로터(110)는, 2개 이상의 개구부(150)를 포함할 수 있을 것이다. 예를 들어, 로터(110)는, 2개 내지 10개 사이의 개구부(150)를, 그리고 더욱 구체적으로 4개 내지 8개 사이의 개구부를, 포함할 수 있을 것이다. 예를 들어 도 5에 예시된 바와 같이, 6개의 로터 개구부(150)가, 제공될 수 있을 것이다.
로터 개구부들(150)은, 이들이 공기 틈새(115)를 지향하도록 제공될 수 있을 것이다. 예를 들어, 도 4a 및 도 4c에서, 로터 개구부들(150)은, 축 방향(141)으로, 공기 틈새(115)를 지향하거나, 또는 공기 틈새(115)와 실질적으로 정렬된다. 도 4b에서, 로터 개구부들(150)은, 방사 방향(140)으로, 공기 틈새(115)를 지향하거나, 또는 공기 틈새(115)와 실질적으로 정렬된다. 이는, 공기 틈새(115)를 향해 공기 유동을 유도하도록 도울 수 있을 것이다.
전기 기계(100)는, 로터 개구부들(150) 중의 하나 이상의 개구부 내에 배열되는, 하나 이상의 공기 필터(155)를 더 포함할 수 있을 것이다. 도 5는, 개구부 내의 필터(155)를 도시한다. 개구부(150)를 채우거나 커버하는 필터(155)는, 발전기(100)의 외부로부터의, 예를 들어 먼지, 수분, 염분과 같은, 유해 물질의 있을 수 있는 진입을 방지 또는 감소시킬 수 있을 것이다. 전기 기계(100)의 수명이, 그에 따라, 연장될 수 있을 것이다. 일부 예에서, 필터(155)는, 로터 개구부(150)와 함께, 예를 들어 로터 개구부 내부에, 배열된다. 로터(110)의, 예를 들어 직접 구동 풍력 터빈(10)의 로터의, 회전은, 필터(들)(155)의 압력 강하를 극복하기에 그리고 로터 내로 주변 공기를 흡입하기에 충분할 정도로 낮은, 로터(110) 내부의 압력을 생성하기 충분할 수 있을 것이다.
상이한 유형의 필터들(155)이, 사용될 수 있을 것이다. 필터(155)는, 하나 이상의 여과 구역을 구비할 수 있을 것이다. 일부 예에서, 제1 여과 구역이, 베인 분리기를 포함할 수 있으며, 그리고 제2 영역이, 하나 이상의 여과 요소를 포함할 수 있을 것이다. 하나 이상의 여과 요소는, 베인 분리기보다 더욱 미세하게 공기를 여과하도록 구성될 수 있을 것이다. 부가적으로, 후속의 여과 구역들이, 선택적으로 존재할 수 있을 것이다. 그에 따라, 로터(110)에 진입하는 공기가, 먼저 제1 여과 구역에서 여과될 수 있으며, 그리고 이어서, 제2 여과 구역에서; 그리고 더 많은 여과 구역들이 존재하는 경우, 또한 후속의 여과 구역들에서, 더욱 미세하게 여과될 수 있을 것이다. 필터(155)는, 예를 들어 베인 분리기를 포함하는 제1 여과 구역이 로터(110)의 외부를 지향하고 있도록, 배치될 수 있을 것이다.
일부 예에서, 전기 기계(100)는, 하나 이상의 로터 배출구(153, 136)에 하나 이상의 팬을 더 포함할 수 있을 것이다. 팬들은, 냉각을 지원하기 위해 사용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 풍속이 로터 및 스테이터의 능동 요소들을 만족스럽게 냉각하기에 충분하지 않은 경우, 팬들이, 낮은 압력 구역들을 생성하기 위해 그리고 공기 틈새(115)로부터 로터 배출구들(153, 136)로 공기가 유동하도록 강제하기 위해, 켜질 수 있을 것이다.
본 개시의 일 양태에서, 방법(200)이 제공된다. 방법(200)은, 전기 기계(100)의 능동 로터 요소들(112) 및 능동 스테이터 요소들(122)을 냉각하기에 적절하다. 방법(200)은, 도 6에 개략적으로 예시된다.
일부 예에서, 전기 기계는, 발전기, 구체적으로 풍력 터빈을 위한 발전기, 그리고 더욱 구체적으로 직접 구동 풍력 터빈을 위한 발전기일 수 있을 것이다.
10MW 이상의 공칭 출력을 갖는 직접 구동 풍력 터빈을 위해, 15 m3/s 체적 유량 초과의, 그리고 구체적으로 20 m3/s 체적 유량 초과의, 그리고 더욱 구체적으로 25 m3/s 체적 유량의 냉각 유동이, 제공될 수 있을 것이다. 그러한 체적 냉각 유량을 제공하도록 하기 위해, 5 m2 초과의, 구체적으로 6 m2 초과의, 그리고 더욱 구체적으로 6.5 m2 이상의, (필터들을 포함하는) 조합 표면적을 갖는 유입구들이, 제공될 수 있을 것이다.
방법은, 블록(210)에서, 로터(110), 스테이터(120), 및 로터와 스테이터를 분리하는 공기 틈새(115)를 포함하는 전기 기계(100)를 제공하는 것을 포함한다.
로터 개구부들(150)은, 예를 들어 도 4a 내지 도 4c에 대해, 이상에 설명된 바와 같이, 배치될 수 있을 것이다. 하나 이상의 개구부(150)가, 로터의 구동 측부 커버(131) 내에 제공될 수 있고, 및/또는 하나 이상의 개구부(150)가, 로터의 중앙 측부 커버(132) 내에 제공될 수 있으며, 및/또는 하나 이상의 개구부가, 로터의 비-구동 측부 커버(133) 내에 제공될 수 있을 것이다. 하나 이상의 필터(155)가, 하나 이상의 로터 개구부(150)와 함께, 예를 들어 개구부들 내부에, 배열될 수 있을 것이다. 로터 개구부들은, 필터들(155)에 의해 완전히 커버되거나 채워질 수 있을 것이다.
로터(110)는, 예를 들어 방사 방향(140)으로, 스테이터(120)를 둘러쌀 수 있을 것이다. 냉각은, 전기 기계(100)가 이러한 구성을 갖는 경우에, 향상될 수 있을 것이다.
방법은, 블록(220)에서, 전기 기계(110)의 외부로부터 전기 기계의 내부로 로터(110) 내의 하나 이상의 개구부(150)를 통해 냉각 공기 유동을 야기하기 위해 로터(110)를 회전시키는 것을 더 포함한다. 로터(110)를 회전시킴으로써, 주변 공기가, 그로 인해 로터의 능동 부품들 및 스테이터의 능동 부품들을 냉각하도록, 개구부들(150)을 통해 전기 기계(100)에 진입하도록 그리고 공기 틈새(115)를 통해 유동하도록 야기될 수 있을 것이다.
로터(110)는, 하나 이상의 풍력 터빈 블레이드(22) 상에서의 바람의 작용에 의해 회전될 수 있을 것이다.
여러 인자들이, 전기 기계(100) 내로 공기를 흡입하는 능력 및 그에 따른 공기 틈새(115)의 냉각에 영향을 미칠 수 있을 것이다. 일부 인자들은, 전기 기계의 출력, 로터(110)의 회전 속도 및 로터의 직경일 수 있을 것이다. 기계의 출력 및 로터 크기에 의존하여, 로터 개구부들(150)의 개수, 크기, 및 위치가, 공기 틈새(115)를 적절하게 냉각하기 위해 선택될 수 있을 것이다. 예를 들어 2 내지 14 rpm(분당 회전수) 사이의, 직접 구동 풍력 터빈의 로터의 회전 속도는, 공기 틈새(115)를 적절하게 냉각하기에 충분할 수 있을 것이다.
본 개시의 또 다른 양태에서, 직접 구동 풍력 터빈(10)을 위한 발전기(100)가 제공된다. 발전기(100)는, 로터(110) 및 스테이터(120)를 포함한다. 로터(110)는, 복수의 능동 로터 부품(112)을 포함하며, 그리고 스테이터(120)는, 복수의 능동 스테이터 부품(122)을 포함한다. 공기 틈새(115)가, 로터의 능동 부품들과 스테이터의 능동 부품들을 분리한다.
로터(110)는, 로터(110)를 회전시킨 결과로서 발전기(100)의 내부와 외부 사이에 압력 차를 생성하도록 구성되는, 하나 이상의 개구부(150)를 포함한다. 압력은, 발전기의 외부에서보다 발전기(100)의 내부에서 더 낮다.
하나 이상의 로터 개구부(150)는, 로터의 전방 측부 커버, 로터의 중앙 측부 커버, 및 로터의 후방 측부 커버 중의 적어도 하나에 제공된다.
로터(110)는, 2개 이상의 개구부(150)를 포함할 수 있을 것이다. 예를 들어, 로터(110)는, 2개 내지 10개 사이의 개구부(150)를, 그리고 더욱 구체적으로 4개 내지 8개 사이의 개구부를, 포함할 수 있을 것이다. 6개의 로터 개구부(150)가, 일부 예에서, 제공될 수 있을 것이다.
로터 개구부(150)는, 최대 2 m2(제곱미터)의 면적을 가질 수 있을 것이다. 이러한 예들 중의 일부에서, 로터 개구부(150)는, 0.3 m2 내지 1.5 m2 사이의 면적을 가질 수 있을 것이다. 예를 들어, 로터 개구부(150)는, 약 1.1 m2의 면적을 가질 수 있을 것이다. 로터 측부 커버들에서의 개소와 무관하게, 모든 로터 개구부들(150)은, 실질적으로 동일한 면적을 가질 수 있을 것이다.
로터 개구부들(150)은, 로터 측부 커버들의 총 (외부) 표면의 10% 내지 40% 사이에, 그리고 더욱 구체적으로 로터 측부 커버들의 총 (외부) 표면의 10% 내지 25% 사이에 걸쳐 연장될 수 있을 것이다. 일부 예에서, 개구부들에 의해 커버되는 표면은, 로터의 총 (외부) 표면의 약 15%일 수 있을 것이다. 하나 이상의 필터(155)가, 하나 이상의 로터 개구부(150), 예를 들어 모든 개구부들과 함께 배열될 수 있을 것이다. 필터(155)는, 개구부(150)를 완전히 채우거나 또는 커버할 수 있을 것이다.
로터(110)는, 예를 들어 방사 방향(140)으로, 스테이터(120)를 둘러쌀 수 있을 것이다.
도 3 내지 도 5에 관한 설명은, 이러한 양태의 발전기(100)에 적용될 수 있을 것이다. 개시된 예들 중의 임의의 것에서, 베인들, 편향기들 또는 다른 유동 안내 요소들이, 전기 기계를 통해 적절한 방향으로 유입 공기 유동을 유도하기 위해 제공될 수 있을 것이다. 예를 들어, 유동 안내 요소들은, 도 4b 및 도 4c의 예들에서, 주변 공기가, 전기 기계 내에 적절한 냉각을 제공하기 위해 원주 방향으로 및/또는 축 방향으로, 전기 기계의 상이한 부품들에 도달할 수 있는 것을 보장하기 위해 제공될 수 있을 것이다. 유동 안내 요소들은, 개구부들의 선택과 더불어 제공될 수 있을 것이다. 유동 안내 요소들은, 모든 개구부들에 대해 동일할 수 있으며, 또는 이들은, 복수의 개구부에 대해 상이할 수 있을 것이다.
이러한 작성된 설명은, 바람직한 실시예들을 포함하는 교시를 개시하기 위해, 그리고 또한 당해 기술 분야의 임의의 숙련자가, 임의의 장치들 또는 시스템들을 만들고 사용하는 것 및 임의의 통합된 방법들을 실행하는 것을 포함하는, 본 명세서에 개시된 교시를 실행하는 것을 가능하게 하기 위해, 예들을 사용한다. 특허 가능한 범위는, 청구항들에 의해 한정되며, 그리고 당업자들에게 일어나는 다른 예들을 포함할 수 있을 것이다. 그러한 다른 예들은, 이들이 청구항들의 문자 그대로의 언어와 상이하지 않은 구조적 요소들을 구비하는 경우, 또는 이들이 청구항들의 문자 그대로의 언어와 실질적이지 않은 차이를 갖는 균등한 구조적 요소들을 포함하는 경우, 청구항들의 범위 이내에 속하는 것으로 의도된다. 설명되는 다양한 실시예들로부터의 양태들 뿐만 아니라, 각각의 그러한 양태에 대한 다른 공지의 균등물들은, 본 출원의 원리에 따라 부가적인 실시예들 및 기법들을 구성하기 위해, 당업자에 의해 혼합될 수 있으며 조화를 이룰 수 있다. 도면과 관련된 참조 부호들이 청구범위에서 괄호 안에 놓이는 경우, 이들은, 오로지 청구범위에 대한 이해도를 증가시키기 위한 것이며, 그리고 청구범위의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.

Claims (15)

  1. 전기 기계(100)로서,
    복수의 능동 로터 요소(112)를 포함하는 로터(110), 복수의 능동 스테이터 요소(122)를 포함하는 스테이터(120), 및 상기 능동 로터 요소들(112)과 상기 능동 스테이터 요소들(122)을 분리하는 공기 틈새(115)를 포함하고;
    상기 로터(110)는, 주변 공기 유동이 전기 기계(100)에 진입하는 것을 그리고 상기 로터(110)의 회전에 응답하여 상기 능동 로터 요소들(112) 및/또는 상기 능동 스테이터 요소들(122)을 냉각하는 것을 허용하도록 구성되는, 하나 이상의 로터 개구부(150)를 더 포함하는 것인, 전기 기계.
  2. 제1항에 있어서,
    공기 필터들(155)이, 상기 로터 개구부들(150) 중의 하나 이상의 개구부 내에 배열되는 것인, 전기 기계.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공기 필터들(155)들은, 베인 분리기를 포함하는 제1 여과 스테이지를 포함하며, 그리고 선택적으로 부가적인 미세 여과를 위한 제2 여과 스테이지를 더 포함하는 것인, 전기 기계.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 로터 개구부(150)는, 로터의 구동 측부 커버(131) 내에 및/또는 로터의 중앙 측부 커버(132) 내에 및/또는 로터의 비-구동 측부 커버(133) 내에 제공되는 것인, 전기 기계.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 로터 개구부(150)의 조합 면적이, 상기 로터 측부 커버들(131, 132, 133)의 총 표면의 10% 내지 40% 사이를 나타내는 것인, 전기 기계.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 로터 개구부(150) 중의 하나 이상이, 최대 2m2의, 그리고 더욱 구체적으로 0.3 m2 내지 1.5 m2 사이의, 면적을 갖는 것인, 전기 기계.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로터(110)는, 2개 이상의 개구부(150), 구체적으로 2개 내지 10개 사이의 개구부, 그리고 더욱 구체적으로 4개 내지 8개 사이의 개구부를 포함하는 것인, 전기 기계.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로터 개구부들(150)은, 원주 방향(142)을 따라 분산되는 것인, 전기 기계.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 로터 배출구(153)에 하나 이상의 팬을 더 포함하는 것인, 전기 기계.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로터(110)는 상기 스테이터(120)를 둘러싸는 것인, 전기 기계.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기 기계(100)는, 직접 구동 풍력 터빈(10)을 위한 발전기인 것인, 전기 기계.
  12. 직접 구동 풍력 터빈(10)으로서,
    제11항에 따른 발전기를 포함하는 것인, 직접 구동 풍력 터빈.
  13. 로터(110), 스테이터(120), 및 상기 로터(110)와 상기 스테이터(120)를 분리하는 공기 틈새(115)를 포함하는, 전기 기계(100)를 냉각하기 위한 방법(200)으로서,
    전기 기계(110)의 외부로부터의 냉각 공기 유동이 상기 로터(110) 내의 하나 이상의 개구부(150)를 통해 전기 기계(100)의 내부로 진입하도록 야기하기 위해 상기 로터(110)를 회전시키는 것을 포함하는 것인, 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 로터(110)는, 하나 이상의 풍력 터빈 블레이드(22) 상에서의 바람의 작용에 의해 회전되는 것인, 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 로터(110)는 상기 스테이터(120)를 둘러싸는 것인, 방법.
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