KR20230170773A - 전력 생산용 발전기 및 풍력 터빈 - Google Patents

Abstract

전력 생산용 발전기(4), 특히 풍력 터빈(1)의 발전기(4)로서, - 적층된 적층 시트들(21, 21a, 21b, 21c) 및 고정자 권선들(18)을 포함하는 고정자(5) ─ 적층 시트들(21, 21a, 21b, 21c)은 각각 고정자 요크 영역(33)으로부터 반경방향으로 연장되는 고정자 톱니부 영역(29)을 포함함 ─ , 및 - 자석들(11), 특히 영구 자석들(11)을 포함하고, 축방향(13)으로 연장되는 회전 축선(14)을 중심으로 회전 가능한 회전자(6) ─ 자석들(11) 및 고정자 권선들(18)은 고정자(5)와 회전자(6) 사이의 공극(10)을 통해 서로 마주하고, 공극(10)은 원주 방향(22) 및 축방향(13)으로 연장됨 ─ 를 포함하고, 적층 시트들(21, 21a, 21b, 21c)의 적어도 하나의 축방향 스택(40)은, 적층 시트들(21, 21a, 21b, 21c)의 스택의 공극 측(45)에 적어도 하나의 입구 개구부(44)와 적층 시트들(21, 21a, 21b, 21c)의 스택의 반경방향 반대편의 비-공극 측(47)에 적어도 하나의 출구 개구부(46)를 갖는 냉각 유체를 위한 적어도 하나의 냉각 채널(43)을 더 포함하는 전력 생산용 발전기에 있어서, 입구 개구부들(44) 및 상기 출구 개구부들(46)은 축방향(13)으로 엇갈린 방식으로 배열되고, 각각의 입구 개구부(44)는 축방향으로 이동된 2 개의 출구 개구부들(46)과 연관되어, 입구 개구부(44)를 통해 냉각 채널(43)로 유입되는 냉각 유체가 축방향으로 반대편의 경로들로 흐르고, 반경방향으로 개개의 연관 출구 개구부들(46)로 흐르도록 하는 것을 특징으로 하는 전력 생산용 발전기.

Description

전력 생산용 발전기 및 풍력 터빈

본 발명은 전력 생산용 발전기, 특히 풍력 터빈의 발전기에 관한 것으로, 발전기는,

- 적층된 적층 시트들 및 고정자 권선들을 포함하는 고정자 ─ 적층 시트들은 각각 고정자 요크 영역으로부터 반경방향으로 연장되는 고정자 톱니부 영역을 포함함 ─ , 및

- 자석들, 특히 영구 자석들을 포함하고, 축방향으로 연장되는 회전 축선을 중심으로 회전 가능한 회전자 ─ 자석들 및 고정자 권선은 고정자와 회전자 사이의 공극을 통해 서로 마주하고, 공극은 원주 방향 및 축방향으로 연장됨 ─ 를 포함하며,

적층 시트들의 적어도 하나의 축방향 스택은, 적층 시트들의 스택의 공극 측에 적어도 하나의 입구 개구부와 상기 적층 시트들의 스택의 반경방향 반대편의 비-공극 측에 적어도 하나의 출구 개구부를 갖는 냉각 유체를 위한 적어도 하나의 냉각 채널을 더 포함한다.

본 발명은 또한 이러한 발전기를 포함하는 풍력 터빈에 관한 것이다.

풍력 터빈들은 풍력으로부터 전력을 생성하는 역할을 하므로, 전형적으로 풍력 터빈의 나셀에 수용되는 발전기를 포함한다.

이러한 발전기는 잘 알려져 있으며 회전력을 전력으로 변환한다. 이를 달성하기 위해, 자석들, 특히 영구 자석들을 포함하는 회전자는 공극을 통해 회전자의 자석들과 마주보는 고정자 권선들을 포함하는 발전기의 고정자에 대해 회전할 수 있다. 회전자의 회전 운동 및 그로 인한 권선들에 대한 자석들의 회전 운동에 의해 고정자 권선들에 전류가 유도된다. 고정자 주위를 회전하는 외부 또는 외측 회전자가 사용되는 구성들 및 회전자가 고정자 내부에서 회전하는 내부 회전자를 갖는 구성들 모두가 알려져 있다.

최신 풍력 터빈들에는 기어 박스들이 필요 없는 직접 구동 발전기들이 제안되었다. 대신 회전자는 바람과 풍력 터빈 블레이드들의 상호 작용에 의해 구동되는 회전자 허브의 회전 속도에 따라 움직인다.

물론, 이러한 발전기들의 다른 응용 분야들도 당업계에 알려져 있다. 이러한 발전기들을 사용하면 열이 발생한다. 가장 큰 열 손실들은 코일 권선들에서 발생한다. 공지된 발전기들, 특히 직접 구동 발전기들에서, 고정자 권선들은 일반적으로 고정자 톱니부들을 정의하는 하나 이상의 적층 시트들의 스택들에 의해 지지된다. 그런 다음 고정자 권선들은 고정자 톱니부들 사이의 공간들에 배치될 수 있다. 최신 기술에 따르면, 고정자 권선들로부터 열이 제거되고 이에 따라 적층으로의 열 전도에 의해 코일로부터 열이 제거된다. 그런 다음 이번에는 공극을 통과하는 공기에 의해 적층 시트들의 스택이 냉각된다. 또한, 적어도 하나의 적층 시트들의 스택을 통과하는 다수의 반경방향으로 배향된 공기 덕트를 사용하는 것이 제안되었다. 그러나, 대부분의 열이 적층 시트들의 스택의 적층 방향(축방향)을 따라 전도되는데, 이는 낮은 열 전도성을 특징으로 한다. 예시적인 실시예에서, 반경방향 공기 덕트들을 생성하기 위해 적층 재료의 약 5％ 내지 10％가 제거될 수 있으며, 이로 인해 전자기 플럭스가 감소하고 이에 따라 관련 특성들이 저하될 수 있다.

EP 3 151 384 A1은 바람직하게는 고정자 및 회전자를 포함하는 풍력 터빈의 발전기를 개시한다. 고정자는 고정자의 공극과 비-공극-측 사이를 반경방향으로 연장하는 서로 다른 관통 개구부들을 갖는 적층된 제1 및 제2 적층 시트들을 포함한다. 제1 적층 시트들은 반경방향으로 연장되는 관통-개구부를 제공하고, 제2 적층 시트들은 반경방향 입구 및 출구 개구부들을 제공하는 2개의 관통-개구부들을 포함하여, 공극-측으로부터 비-공극-측으로 반경방향 공기 흐름이 이루어지도록 하여 냉각 덕트들 및 연결부들에 의해 제공되는 넓은 냉각 표면과 다소 낮은 압력 손실을 갖는 향상된 냉각 성능을 제공한다. 따라서, 냉각 유체, 특히 공기의 국부적인 반경방향 흐름이 제공된다.

고정자의 길이를 따라 냉각을 개선하기 위해, 고정자의 일단부면으로부터 고정자의 타단부면으로 이어지는 축방향 냉각 채널을 상상할 수 있다. 그러나, 고정자의 두 면들 사이를 축방향으로 연결하면, 모든 공기가 동일한 단면을 통과해야 하므로 막대한 압력 손실이 발생한다. 또한, 회전자를 추가로 냉각하기 위한 공극 내 흐름이 존재하지 않을 것이다.

본 발명의 목적은 발전기, 특히 풍력 터빈 내 발전기의 고정자에 대한 효율적이고 실현하기 쉬운 냉각 방식을 제공하여 자속 특성들을 유지하면서 냉각을 개선할 수 있도록 하는 것이다.

이 목적은 청구항 1에 따른 발전기 및 청구항 10에 따른 풍력 터빈을 제공함으로써 달성된다. 종속 청구항들에서는 유리한 실시예들이 설명되어 있다.

전력 생산을 위한 본 발명에 따른 발전기, 특히 풍력 터빈의 발전기, 바람직하게는 풍력 터빈의 직접 구동 발전기는,

- 적층된 적층 시트들 및 고정자 권선들을 포함하는 고정자 ─ 적층 시트들은 각각 고정자 요크 영역으로부터 반경방향으로 연장되는 고정자 톱니부 영역을 포함함 ─, 및

- 자석들, 특히 영구 자석들을 포함하고, 축방향으로 연장되는 회전 축선을 중심으로 회전 가능한 회전자 ─ 자석들 및 고정자 권선은 고정자와 회전자 사이의 공극을 통해 서로 마주하고, 공극은 원주 방향 및 축방향으로 연장됨 ─

를 포함한다.

적층 시트들의 적어도 하나의 축방향 스택은, 적층 시트들의 스택의 공극 측에 적어도 하나의 입구 개구부와 상기 적층 시트들의 스택의 반경방향 반대편의 비-공극 측에 적어도 하나의 출구 개구부를 갖는 냉각 유체를 위한 적어도 하나의 냉각 채널을 더 포함하며, 입구 개구부들과 출구 개구부들은 축방향으로 엇갈린 방식으로 배열되고, 각각의 입구 개구부는 축방향으로 이동된 2개의 출구 개구부들과 연관되어 입구 개구부를 통해 냉각 채널로 유입되는 냉각 유체가 둘 모두의 경로들로 축방향으로, 그리고 개개의 연관 출구 개구부들을 향해 반경방향으로 흐르도록 한다.

따라서, 입구 개구부를 통해 유입되는 냉각 유체, 특히 공기가 각각 연관된 출구 개구부로 향하는 두 부분들로 분할되어 두 부분들이 축방향에 대해 서로 반대 방향으로 이동하도록 엇갈린 입구 및 출구 개구부들이 제안된다. 이는 출구 개구부들이 입구 개구부의 포지션으로부터 축방향의 서로 다른 두 방향들로 변위되어 반경방향 흐름에 추가로 대향하는 축방향 흐름들이 강제되기 때문이다.

따라서, 축방향 공기 덕트는 바람직하게는 적층 시트들의 적어도 하나의 스택의 각각의 고정자 톱니부에 도입되며, 바람직하게는 스택의 전체 길이를 관통한다. 축방향 공기 덕트 또는 냉각 채널은 열원, 즉 고정자 권선들에 가깝게 위치하며, 열은 적층 시트들을 따라 전도된다. 냉각 유체, 특히 공기를 냉각 채널로 공급하기 위해, 공극 측 및 반대편의 비-공극 측을 따라 입구 및 출구 개구부들이 생성되는데, 엇갈린 입구 개구부들 및 출구 개구부들이 사용되기 때문에 냉각 채널에 반대 축방향 속도들이 생성되어 개선된 냉각 성능을 제공하고 그리고 단순한 순수 축방향 냉각 채널에서 발생하는 것보다 압력 손실이 적다는 특징이 있다. 즉, 엇갈린 입구 및 출구 개구부들은 사실상 고정자를 더 작은 축방향 세그먼트들로 분할하여 공극으로부터 입구 개구부를 통해 유입되고 축방향으로 입구 개구부의 포지션으로부터 변위된 반경방향으로 반대되는 연관 출구 개구부들을 통해 유출되는 공기에 의해 냉각된다.

특히, 이는 또한 공극을 통해 입구 개구부들로 관련 공기가 흐르도록 하여 회전자, 특히 자석들도 냉각될 수 있도록 한다. 회전자 냉각은 부차적인 것으로 간주될 수 있도록, 자석들은 냉각이 덜 필요한 영구 자석들인 것이 바람직하다. 냉각 유체가 고정자를 냉각하기 위해 입구 개구부들을 통해 냉각 채널로 분기되기 전에, 자석들은 공극을 따라 냉각 유체, 특히 공기에 의해 냉각된다. 대류 표면들이 반경방향 공기 덕트들에 비해 열원에 더 가깝게 이동하는 동안 공극을 따르는 냉각 유체의 흐름이 유지된다. 즉, 냉각 흐름은 주요 열원, 즉 고정자 권선들에 더 가깝게 집중되지만 공극으로부터의 입구 개구부들로 인해 회전자의 자석들의 냉각이 유지된다.

요약하면, 다소 낮은 압력 손실 및 넓은 냉각 표면과 조합되는 높은 냉각 성능이 제공된다. 전자기 특성들, 특히 적층 시트들의 자속과 관련된 전자기 특성들은 크게 악화되지 않는다. 이러한 맥락에서, 고정자 톱니부들이 분산형 고정자 권선 발전기들에 비해 대략 두 배의 폭을 가지므로 냉각 채널을 구현할 수 있는 공간이 더 넓기 때문에 집중형 고정자 권선 구성들이 선호된다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 고정자의 열 특성들을 개선할 수 있으며, 특히 설계에 따라 전자기 개선들과 결합할 수 있다. 이는 더 낮은 온도들 및/또는 더 높은 정격을 갖는 더 효율적인 발전기로 이어진다.

바람직하게는, 입구 및 출구 개구부들의 엇갈린 배열은 적어도 입구 개구부와 관련하여 대칭이다. 즉, 입구 개구부와 연관된 두 개의 출구 개구부들은 입구 개구부로부터 동일한 거리만큼 축방향으로 변위될 수 있어, 결과적인 분할된 공기 흐름이 또한 적어도 본질적으로 대칭을 이룬다.

이미 언급한 바와 같이, 냉각 채널은 적어도 본질적으로는 전체 고정자에 걸쳐 축방향으로 연장될 수 있다. 즉, 적층 시트들의 스택은 적층된 고정자 톱니부 영역들에 의해 형성된 각각의 고정자 톱니부에 대해, 고정자 톱니부를 통해 축방향으로 연장되는 축방향 개방 또는 폐쇄 냉각 채널을 포함할 수 있다. 공간적으로 고정자의 전체 축방향 길이에 걸쳐 축방향 개방 냉각 채널이 사용되는지 또는 고정자의 단부 면들에서 냉각 채널이 폐쇄되는지는 주로 발전기의 구체적인 기하학적 설계, 특히 발생하는 압력 손실들에 따라 달라진다. 축방향 단부들이 개방된 상태로 남겨지면, 단부들에서 냉각 유체의 축방향 흐름을 유도하는 대체 입구들의 역할을 할 수 있다. 그러나, 이러한 경로가 공극을 통과하여 이어지는 흐름들보다 압력 손실이 현저히 낮으면, 흐름 바이패스가 발생하여 바람직하지 않다. 따라서, 특히 발전기의 구체적인 기하학적 형상의 경우 압력 손실 분석을 수행하여 단부들을 개방할지 폐쇄할지 결정할 수 있다.

바람직하게는, 축방향으로 이격된 두 개의 입구 개구부들 사이에, 두 입구 개구부들과 연관된 하나의 출구 개구부가 위치결정될 수 있다. 즉, 하나의 입구 개구부가 두 개의 출구 개구부들과 연관되므로, 2 개의 입구 개구부들 사이에 놓이는 적어도 내부 출구 개구부가 또한 이들 입구 개구부들 모두에 사용될 수 있으므로, 입구 개구부들 및 출구 개구부들이 서로 교대로 뒤따르는 단순한 설계를 제공할 수 있다.

더욱 바람직하게는, 각각의 냉각 채널은 고정자의 길이를 따라 홀수 개의 입구 개구부들, 특히 적어도 3개, 특히 균등하게 분포된 적어도 3개의 입구 개구부들을 포함하여, 다수의 국부적 축방향 및 반경방향 흐름들이 생성된다. 더 바람직하게는, 최외측 반경방향 개구부들은 출구 개구부들일 수 있으므로, 출구 개구부들의 수는 입구 개구부들의 수에 1을 더한 수일 수 있다. 예를 들어, 축방향으로 출구 개구부-입구 개구부-출구 개구부-입구 개구부-출구 개구부-입구 개구부-출구 개구부-입구 개구부-출구 개구부의 시퀀스가 사용될 수 있다. 홀수 개의 입구 개구부들이 축방향을 따라 균등하게 분포하는 경우, 하나의 입구 개구부가 공극의 중앙에 위치결정되어 양쪽으로부터 냉각 유체를 수용하므로 전체 공극을 관통하는 축방향 공기 흐름을 보장한다는 이점이 있다.

고정자 권선들의 전류들에 의해 고정자 톱니부들에서 생성된 열은 적층된 적층 시트들을 통해 짧은 거리에 걸쳐 냉각 유체로 전달되어 고정자 톱니부들 내 열적 핫스팟들을 피할 수 있는 것이 바람직하다. 예를 들어, 고정자 톱니의 임의의 지점 또는 위치와 가장 가까운 냉각 채널 사이의 최대 거리는 10㎜ 미만, 특히 5㎜ 미만, 바람직하게는 3.5㎜ 미만일 수 있다. 전형적으로, 제1 및 제2 적층 시트들은 와전류들을 방지하기 위해 전기적으로 비전도성인 코팅으로 덮일 수 있기 때문에, 바람직한 실시예들에서, 냉각 채널의 벽들은 열 전도성을 증가시키고 적층 시트들의 생산을 단순화하기 위해 코팅이 없을 수 있다. 더욱 바람직하게는, 사용되는 각각의 적층 시트의 외형 및 치수들은 적어도 본질적으로 동일할 수 있다.

바람직한 실시예들에서, 출구 개구부를 제공하기 위한 적층 시트 내 관통 개구부의 폭은 유체 흐름 저항을 감소시킬 수 있도록 디퓨저를 형성하기 위해 반경방향 및 비-공극 방향으로 증가될 수 있다. 이러한 방식으로, 디퓨저는 대응하는 관통 개구부들을 절단하는 것만으로 쉽게 제조할 수 있다.

이미 언급한 바와 같이, 자석들은 바람직하게는 영구 자석들이며, 예를 들어 NdFeB를 포함할 수 있다. 적층 시트들의 두께는, 예를 들어, 0.1㎜ 내지 2㎜일 수 있고, 그리고/또는 발전기의 공칭 출력 전력은 100㎾를 초과할 수 있으며, 바람직하게는 1.5㎿를 초과할 수 있다. 구체적인 예들에서, 적층 시트들은 수지에 의해 서로 고정 및/또는 내장될 수 있다.

바람직한 실시예들에서, 고정자는 원주 방향으로 복수의 고정자 세그먼트들로 분할될 수 있으며, 각각의 세그먼트는 적층 시트들의 스택에 의해 형성될 수 있다. 이는 대형 고정자들의 운반 및 장착을 단순화한다. 따라서, 고정자는 다수의 적층 시트들의 스택들로 구성될 수 있으며, 각각의 적층 시트들의 스택은 고정자 세그먼트의 베이스를 제공한다.

바람직한 구체적 실시예들에서, 적층된 적층 시트들은,

- 반경방향으로 연장되고 공극-측 개구부 및 비-공극-측 폐쇄 단부를 갖는 제1 관통 개구부를 갖는 제1 적층 시트들,

- 반경방향으로 연장되고 공극-측 폐쇄 단부 및 비-공극-측 개방 단부를 갖는 제2 관통 개구부를 갖는 제2 적층 시트들 및

- 반경방향으로 연장되고 공극-측 및 비-공극-측 폐쇄 단부들을 갖는 제3 관통 개구부를 갖는 제3 적층 시트들

을 포함할 수 있으며,

여기서, 제1, 제2 및 제3 관통 개구부들은 중첩되고, 적층 시트들의 스택은, 적어도 하나의 제2 적층 시트의 출구 그룹에 인접한 적어도 하나의 제3 적층 시트의 폐쇄 그룹에 인접한 적어도 하나의 제1 적층 시트의 입구 그룹에 인접한 적어도 하나의 제3 적층 시트의 폐쇄 그룹에 인접한 적어도 하나의 제2 적층 시트의 출구 그룹의 적어도 하나의 시퀀스를 포함한다.

따라서, 고정자는 세 가지 서로 다른 유형들의 적층 시트들, 즉 제1 적층 시트들(입구 개구부들 생성용), 제2 적층 시트들(출구 개구부들 생성용) 및 냉각 채널의 폐쇄 부분들용 제3 적층 시트들만을 사용하여 구성될 수 있다. 원칙적으로, 입구, 출구 또는 폐쇄 그룹에 대해 하나의 적층 시트만을 사용하는 것을 고려할 수 있지만, 바람직하게는 그룹들 중 적어도 하나, 특히 모든 그룹들이 다수의 개개의 적층 시트들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 입구 그룹 및/또는 출구 그룹은 각각 5 개 내지 20 개의 제1/제2 적층 시트들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 폐쇄 그룹은 유도되는 구체적인 공기 흐름에 따라 5 내지 50 개 또는 그 이상의 제3 적층 시트들을 포함할 수 있다. 적층 시트들의 수 및 이에 따른 입구 개구부들, 출구 개구부들 및 입구와 출구 개구부들 사이의 폐쇄된 냉각 채널 부분들의 축방향 길이는 예를 들어 발전기 및 발전기의 고정자의 구체적인 기하학적 형상에 따라 계산들, 시뮬레이션들 및/또는 측정들로부터 도출될 수 있다.

예시적인 실시예에서, 적층 시트들의 50％ 내지 60％는 제3 적층 시트들일 수 있고, 나머지 40％ 내지 50％의 적층 시트들은 제1 및 제2 적층 시트들 사이에 적어도 본질적으로 균등하게 분할될 수 있다. 그러나, 이미 언급한 바와 같이, 이러한 개수는 구체적인 발전기의 기하학적 형상에 따라 크게 달라진다.

바람직한 실시예에서, 제1 및 제2 관통 개구부들은 제3 관통 개구부와 완전히 중첩된다. 즉, 제3 관통 개구부는 전체 축방향 길이에 걸쳐 사용되는 원주 방향 및 반경방향으로 냉각 채널의 치수들을 규정하며, 입구 또는 출구 개구부를 생성하기 위해 이러한 기본 형상은 단순히 개개의 반경방향 측면에서 개방되도록 확장된다. 결과적으로, 축방향으로 균일한 냉각 채널 형상이 존재하여 난류들을 줄이고 규정된 흐름들을 유도한다.

바람직한 실시예들에서, 제3 관통 개구부는 열이 고정자 권선들로부터 멀리 이동되어야 하는 제3 적층 시트들의 톱니부 영역에서만 연장된다. 고정자 톱니부의 반경방향 크기의 대부분을 덮는 넓은 표면을 제공하기 위해, 제3 관통 개구부는 반경방향 높이가 고정자 톱니부의 적어도 80％의 높이, 특히 고정자 톱니부의 적어도 90％의 높이를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제3 관통 개구부는 적어도 본질적으로 고정자 톱니부의 전체 반경방향 높이까지 늘어나거나, 그리고/또는 고정자 요크 영역으로 인발될 수도 있다. 그러나, 바람직한 실시예들에서, 제3 관통 개구부의 비-공극-측 폐쇄 단부는 톱니부 영역의 비-공극-측 단부일 수 있다.

냉각 채널은 축방향으로 개방될 수 있지만, 즉 고정자의 축방향 단부 면들에서 적어도 하나의 제3 적층 시트로 종결되는 반면, 발전기는 또한 고정자의 단부 면들에서 냉각 채널을 축방향으로 폐쇄하기 위해 관통 개구부가 없는 적어도 2개의 제4 적층 시트들을 포함할 수 있다. 물론, 냉각 채널의 개방 또는 폐쇄 축방향 단부들에 관한 일반적인 언급들은 여기에도 적용된다.

바람직하게는, 냉각 채널의 원주 방향 폭은 1 내지 20㎜, 특히 2 내지 5㎜일 수 있다. 이 크기는 필요한 전자기 특성들을 유지하는 것과 고도로 향상된 냉각을 위한 충분한 공기 흐름을 제공하는 것 사이에서 우수한 절충안인 것으로 나타났다. 또한, 이러한 냉각 채널들을 갖는 고정자를 생산하기 위해 현재의 제조 프로세스들을 여전히 적용할 수 있다.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 발전기를 포함하는 풍력 터빈에 관한 것이다. 특히, 풍력 터빈은 각각 직접 구동 발전기를 갖는 직접 구동 풍력 터빈일 수 있다. 바람직하게는, 회전자는 고정자를 둘러싸는 외부 회전자일 수 있다. 발전기에 관한 모든 설명들 및 특징들은 본 발명에 따른 풍력 터빈에 유사하게 적용되며, 동일한 이점들이 달성된다.

본 발명의 다른 목적들 및 특징들은 첨부된 도면들과 함께 고려되는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 도면들은 단지 예시의 목적으로 설계된 개략적인 스케치들일 뿐이며 본 발명을 한정하지 않는다.
도 1 풍력 터빈의 개략적인 부분도를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 풍력 터빈 발전기의 라인 Ⅱ-Ⅱ를 따른 개략적인 절단도를 도시한다.
도 3은 도 2의 고정자의 적층 시트의 3 차원도를 도시한다.
도 4는 제1 적층 시트의 상세도를 도시한다.
도 5는 제2 적층 시트의 상세도를 도시한다.
도 6은 제3 적층 시트의 상세도를 도시하며, 그리고
도 7은 본 발명에 따른 발전기 내의 적층 시트 스택의 3 차원 부분 절단도를 도시한다.

도 1은 본 발명에 따른 풍력 터빈(1)의 개략적인 단면도를 도시한다. 풍력 터빈(1)은 육상뿐만 아니라 해상 응용 분야들에서도 사용될 수 있는 직접 구동 풍력 터빈이다. 풍력 터빈(1)은 회전 가능한 회전자 허브(2)를 포함하며, 이 회전자 허브에 다수의 회전자 블레이드들(3), 예를 들어 3개의 회전자 블레이드들(3)이 부착된다. 회전자 허브(2)는 풍력 터빈(1)의 발전기(4)의 회전자(6)에 회전 운동을 전달하도록 조정된다. 회전자(6)는 고정자(5)에 대해 회전 가능하게 지지되며, 회전자의 내부 표면에 장착되고 고정자(5)를 향하는 영구 자석들(11)을 포함한다. 이를 위해, 회전자(6)는 회전할 수 없는 중공 샤프트(8) 상에 배치된 개개의 베어링 유닛(7) 상에 의해 지지되고, 고정자(5)는 고정자 프레임(9) 상에 지지된다. 고정자 프레임(9)은 90° 둥근 각도로 연장되고 수직 풍력 터빈 타워(12)에 연결된 중앙 중공 샤프트(8) 상에 직접 지지된다.

공극(10)은 축방향(13)으로 고정자(5)와 회전자(6)의 영구 자석들(11) 사이에 연장된다. 공극(10)의 반경방향 치수들은 대략 6㎜이다. 발전기(4)는 외부 회전자 구성 또는 "외부 회전자(6) - 내부 고정자(5)" 구성을 갖는다. 발전기(4)의 회전 축선은 숫자 14로 표시된다. 회전자(6)의 비-구동-측에는 회전자 브레이크 디스크(15)가 장착될 수 있다. 구동 단부에서 회전자(6)는 회전자 허브(2)에 연결된다. 고정자(5) 또는 나셀(19)에 위치한 하나 또는 다수의 팬들(16)이 작동하여 발전기(4)에 냉각 유체 흐름, 이 경우에서는 공기 흐름을 생성함으로써 추가로 후술되는 바와 같이 냉각 채널들의 입구와 출구 개구부들 사이에 압력차를 제공한다.

도 2는 도 1의 라인 Ⅱ-Ⅱ를 따르는 개략적인 단면도이다. 고정자(5)는 원주방향으로 분할되어 있다. 즉, 고정자(5)는 원주 방향으로 배치된 링 세그먼트와 같은 형상의 고정자 세그먼트들(17)을 포함한다. 회전자(6)는 고정자를 향하는 면에 다수의 영구 자석들(11)을 포함한다. 고정자 세그먼트들(17)은 각각 다수의 고정자 권선들(18)을 보유지지한다(도 1에 개략적으로 표시됨). 인접한 고정자 세그먼트들(17)은 서로 고정되며, 고정자 프레임(9) 또는 고정자(5)의 각각의 축방향 단부에 있는 고정자 플레이트(20)에 고정된다.

도 3은 적층 시트(21)의 일반적인 3 차원도이다. 이러한 적층 시트들(21)의 다수가 특히 도 2의 고정자 세그먼트(17)로서 적층 시트들의 스택을 형성하기 위해 적층될 수 있다. 단순화를 위해, 관통 개구부들은 도 3에는 도시되어 있지 않지만, 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명될 것이다.

도 3에 예시된 바와 같은 적층 시트(21)는 원의 60°섹터를 커버하고 원주 방향(22) 및 반경방향(23)으로 연장된다. 축방향(13)으로의 두께(24)는 예를 들어, 0.1 내지 2㎜, 바람직하게는 0.5 내지 0.8㎜일 수 있다.

적층 시트(21)는 다수의 돌출부들(25)을 포함하며, 다수의 적층 시트들(21)을 서로의 최상부에 적층할 때, 고정자 세그먼트(17)의 다수의 고정자 톱니부들을 형성한다. 고정자 톱니부들 사이에는 고정자 슬롯들(26)이 형성되고, 여기에 고정자 권선들(18)이 위치결정된다. 돌출부들(25)은 적층 시트(21)의 베이스 부분(27)으로부터 반경방향(23)으로 연장되며, 이는 적층 시 고정자 요크를 형성한다.

도 4 내지 도 6은 각각 부분적으로 베이스 부분(27)과 하나의 돌출부(25)를 포함하는 다수의 유형들의 적층 시트들(21)에 대한 단면(28)을 도시한다.

도 4는 제1 적층 시트(21a)의 단면(28)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 고정자 톱니부 영역(29)의 돌출부(25)는, 반경방향(23)으로 연장되고 공극-측 개구부(31)와 고정자 톱니부 영역(29)의 고정자 요크 영역(33)쪽 단부에 대응하는 비-공극-측 폐쇄 단부(32)를 갖는 제1 관통 개구부(30)를 포함한다. 도 4 및 도 5와 도 6에서 고정자 웨지들은 단순화를 위해 도시되지 않는다.

도 5는 또한 반경방향으로 연장되는 제2 관통 개구부(34)를 포함하지만 이 제2 관통 개구부가 공극-측 폐쇄 단부(35)와 비-공극-측 개방 단부(36)를 포함하는 제2 적층 시트(21b)를 도시한다.

마지막으로, 도 6은 제3 적층 시트(21c)를 도시하는데, 제3 적층 시트(21c)는 고정자 톱니부 영역(29)에서 반경방향으로 연장되고 공극-측 및 비-공극-측 모두에서 폐쇄 단부들(38, 39)을 포함하는 제3 관통 개구부(37)를 갖는다.

도시된 바와 같이, 관통 개구부들(30 및 34)은 관통 개구부들(37)과 완전히 중첩되므로, 다수의 적층 시트들(21a, 21b 및 21c)이 적층되는 경우, 축방향(13)으로 균일한 치수의 냉각 채널이 형성된다. 제1 적층 시트들(21a)이 사용될 때마다 공극 측에 입구 개구부가 형성되는 반면, 제2 적층 시트들(21b)은 개개의 고정자 세그먼트(17)의 비-공극-측에 출구 개구부를 제공한다.

도 7은 고정자 세그먼트(17) 내의 적층 시트들(21)의 스택(40)을 도시하며, 여기서 고정자 톱니부(41)는 중간에 절단된 것으로 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 고정자 권선(18)은 고정자 요크(42)의 고정자 톱니부(41)에 인접한 슬롯에 위치하는 것으로 도시되어 있다. 이 예시적인 예의 스택(40)은 동일한 유형의 다수의 적층 시트들(21)의 그룹들, 즉 다수의 제3 적층 시트들(21c)의 폐쇄 그룹들, 다수의 제1 적층 시트들(21a)의 입구 그룹들 및 다수의 제2 적층 시트들(21b)의 출구 그룹들을 포함한다. 축방향(13)의 순서는 폐쇄 그룹 - 출구 그룹 - 폐쇄 그룹 - 입구 그룹 - 폐쇄 그룹 - 출구 그룹 - 폐쇄 그룹 - 입구 그룹 - 폐쇄 그룹 - 출구 그룹 - 폐쇄 그룹 - 입구 그룹 - 폐쇄 그룹 - 출구 그룹 - 폐쇄 그룹이다. 이러한 방식으로, 공극 측(45)에 3개의 입구 개구부들(44) 및 비-공극 측(47)에 4개의 출구 개구부들(46)을 갖는 고정자(5)의 전체 축방향 길이에 걸친 냉각 채널(43)이 형성된다. 입구 개구부들(44) 및 출구 개구부들(46)은 엇갈려진다(staggered). 즉, 입구 개구부(44)와 연관된 2 개의 반대쪽 출구 개구부들(46)의 포지션들은 입구 포지션(44)의 포지션으로부터 축방향(13)으로 변위된다. 이로 인해 화살표들(48)로 표시된 바와 같이 냉각 유체로서 규정된 특정 공기의 흐름이 발생한다.

도시된 바와 같이, 공극(10)으로 흐르는 공기는 고정자 권선들(18)과 회전자(6)의 자석들(11)을 냉각시키고, 부분적으로 입구 개구부들(44)로 들어간다. 냉각 채널(43)에서, 공기 흐름은 개개의 입구 개구부(44)와 연관된 각각의 출구 개구부(46)에 대해 두 부분들(축방향으로 서로 반대 방향으로 향함)로 분할되어, 축방향(13) 및 반경방향(23)의 두 부분 흐름들이 발생한다. 도시된 바와 같이, 두 개의 중앙 출구 개구부들(46)은 인접한 둘 모두의 입구 개구부들(44)과 연관된다. 즉, 각각 배향된 두 개의 부분 흐름들을 비-공극 측면(47)으로 유도한다.

이러한 방식으로, 고정자 권선들(18)에서 생성되고 적층 시트들(21)을 통해 냉각 채널(43)의 넓은 냉각 표면으로 전도되는 열은 냉각 채널(43)을 통해 흐르는 냉각 유체로서 공기에 의해 비-공극 측(47)으로 이송될 수 있다.

본 실시예에서, 냉각 채널(43)은 축방향으로 개방되어 있어서, 이러한 축방향 개구부들은 개개의 제1 출구 개구부(46)로 유도되는 하나의 축방향 공기 흐름에 대한 추가적인 유입 개구부들로서의 역할을 한다는 점에 유의한다. 다른 실시예들에서는, 냉각 채널(43)을 단부에서 축방향으로 폐쇄하기 위한 관통 개구부가 없는 제4 적층 시트들(21)을 제공하는 것도 가능하다. 또한, 도 7에 도시된 그룹들의 축방향 길이, 즉 각각의 그룹의 적층 시트들(21)의 수 또한 단지 예시적인 것일 뿐이며; 적합한, 특히 최적의 구성은 특히 압력 손실들과 관련하여 발전기(4)의 구체적인 기하학적 형상에 기초한 계산들, 시뮬레이션들 및/또는 측정들로부터 도출될 수 있음에 유의한다.

원주 방향(22) 내의 냉각 채널(43)의 폭은 예를 들어, 1 내지 20㎜, 특히 2 내지 5㎜일 수 있다.

또한, 도 6으로부터 알 수 있듯이, 냉각 채널 높이는 고정자 톱니부 영역(29)의 대부분에 걸쳐 있으며, 이 경우에는 고정자 톱니부(41) 높이의 적어도 90％를 갖는다.

본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 상세히 설명되었지만, 본 발명은 당업자가 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 변형들을 도출할 수 있는 개시된 예들에 의해 제한되지 않는다.

Claims (10)

1. 전력 생산용 발전기(4), 특히 풍력 터빈(1)의 발전기(4)로서,
   - 적층된 적층 시트(stacked lamination sheet)들(21, 21a, 21b, 21c) 및 고정자 권선들(18)을 포함하는 고정자(5) ─ 상기 적층 시트들(21, 21a, 21b, 21c)은 각각 고정자 요크 영역(stator yoke area)(33)으로부터 반경방향으로 연장되는 고정자 톱니부 영역(29)을 포함함 ─ , 및
   - 자석들(11), 특히 영구 자석들(11)을 포함하고, 축방향(13)으로 연장되는 회전 축선(14)을 중심으로 회전 가능한 회전자(6) ─ 자석들(11) 및 고정자 권선들(18)은 상기 고정자(5)와 상기 회전자(6) 사이의 공극(10)을 통해 서로 마주하고, 상기 공극(10)은 원주 방향(22) 및 축방향(13)으로 연장됨 ─ 를 포함하고,
   상기 적층 시트들(21, 21a, 21b, 21c)의 적어도 하나의 축방향 스택(axial stack)(40)은, 상기 적층 시트들(21, 21a, 21b, 21c)의 스택의 공극 측(45)에 적어도 하나의 입구 개구부(44)와 상기 적층 시트들(21, 21a, 21b, 21c)의 스택의 반경방향 반대편의 비-공극 측(47)에 적어도 하나의 출구 개구부(46)를 갖는 냉각 유체를 위한 적어도 하나의 냉각 채널(cooling channel)(43)을 더 포함하며,
   상기 입구 개구부들(44) 및 상기 출구 개구부들(46)은 축방향(13)으로 엇갈린(staggered) 방식으로 배열되고, 각각의 입구 개구부(44)는 축방향으로 이동된 2 개의 출구 개구부들(46)과 연관되어, 상기 입구 개구부(44)를 통해 상기 냉각 채널(43)로 유입되는 냉각 유체가 축방향으로 반대편의 경로들로 흐르고, 반경방향으로 개개의 연관 출구 개구부들(46)로 흐르도록 하는,
   전력 생산용 발전기(4).
2. 제1 항에 있어서,
   상기 적층 시트들(21, 21a, 21b, 21c)의 스택은 적층된 고정자 톱니부 영역들(29)에 의해 형성된 각각의 고정자 톱니부(41)에 대해, 상기 고정자 톱니부(41)를 통해 축방향으로 연장되는 축방향으로 개방되거나 폐쇄되는 냉각 채널(43)을 포함하는,
   전력 생산용 발전기(4).
3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
   축방향으로 이격된 2 개의 입구 개구부들(44) 사이에, 둘 모두의 입구 개구부들(44)과 연관된 하나의 출구 개구부(46)가 위치결정되는,
   전력 생산용 발전기(4).
4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   각각의 냉각 채널(43)은 홀수 개의 입구 개구부들(44), 특히 적어도 3개의 입구 개구부들(44)을 포함하는,
   전력 생산용 발전기(4).
5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 적층된 적층 시트들(21, 21a, 21b, 21c)이,
   - 반경방향(23)으로 연장되고 공극-측 개구부(31) 및 비-공극-측 폐쇄 단부(32)를 갖는 제1 관통 개구부(30)를 갖는 제1 적층 시트(lamination sheet)들(21a),
   - 상기 반경방향(23)으로 연장되고 공극-측 폐쇄 단부(35) 및 비-공극-측 개방 단부(36)를 갖는 제2 관통 개구부(34)를 갖는 제2 적층 시트들(21b), 및
   - 상기 반경방향(23)으로 연장되고 공극-측 및 비-공극-측 폐쇄 단부들(38, 39)을 갖는 제3 관통 개구부(37)를 갖는 제3 적층 시트들(21c)을 포함하고,
   상기 제1, 제2 및 제3 관통 개구부들(30, 34, 37)은 중첩되며, 그리고 상기 적층 시트들(21, 21a, 21b, 21c)의 스택(40)은, 적어도 하나의 제2 적층 시트(21b)의 출구 그룹에 인접한 적어도 하나의 제3 적층 시트(21c)의 폐쇄 그룹에 인접한 적어도 하나의 제1 적층 시트(21a)의 입구 그룹에 인접한 상기 적어도 하나의 제3 적층 시트(21c)의 폐쇄 그룹에 인접한 상기 적어도 하나의 제2 적층 시트(21b)의 출구 그룹의 적어도 하나의 시퀀스(sequence)를 포함하는,
   전력 생산용 발전기(4).
6. 제5 항에 있어서,
   상기 그룹들 중 적어도 하나, 특히 모든 그룹들이 다수의 개개의 적층 시트들(21, 21a, 21b, 21c)을 포함하는,
   전력 생산용 발전기(4).
7. 제5 항 또는 제6 항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 관통 개구부들(30, 34)이 상기 제3 관통 개구부(37)와 완전히 중첩되는,
   전력 생산용 발전기(4).
8. 제5 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제3 관통 개구부(37)는 상기 제3 적층 시트들(21, 21a, 21b, 21c)의 고정자 톱니부 영역(29)에서만 연장되고, 그리고/또는 상기 고정자 톱니부(41)의 높이의 적어도 80％의 반경방향 높이, 특히 상기 고정자 톱니부(41)의 높이의 적어도 90％의 높이를 가지며, 그리고/또는 상기 제3 관통 개구부(37)의 비-공극-측 폐쇄 단부(39)가 상기 고정자 톱니부 영역(29)의 비-공극-측 단부인,
   전력 생산용 발전기(4).
9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 냉각 채널(43)의 원주 방향(22)의 폭이 1㎜ 내지 20㎜, 특히 2㎜ 내지 5㎜인,
   전력 생산용 발전기(4).
10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 따른 발전기(4)를 포함하는 풍력 터빈(1).