WO2013032122A1 - 종축자속형 영구자석 동기발전기 및 모터 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예에 의한 풍력발전기용 종축자속형 동기발전기는, 상기 풍력발전기의 동력발생장치와 연결되어 동력을 전달받는 샤프트; 상기 샤프트와 결합되어 회전 가능하되, 원형 디스크 상ㆍ하부에 N, S극성을 가진 복수개의 스큐된(skewed) 영구자석이 간격을 두고 배열되어 부착되는 로터; 상기 스큐된 영구자석과 유사한 형상을 갖는 복수개의 슬롯에 코일이 권선되되, 상부가 하부에 비해 전기각으로 25~30° 비틀어져 있는 상부 스테이터 및 하부 스테이터; 상기 로터와 상기 상ㆍ하부 스테이터를 결합하기 위한 상부 하우징 및 하부 하우징; 및 상기 로터와 상ㆍ하부 스테이터가 일정한 간격을 유지할 수 있도록 상기 상ㆍ하부 하우징을 고정시키기 위한 허브 하우징을 포함한다.

Description

종축자속형 영구자석 동기발전기 및 모터
본 발명은 종축자속형 영구자석 동기발전기 및 모터에 관한 것으로서, 특히, 코깅토크를 효과적으로 줄일 수 있도록 한 동기발전기 및 모터에 관한 것이다.
풍력발전기의 효율과 출력향상을 위해 기어리스(Gearless) 타입의 종축자속형 영구자석 동기발전기에 대한 기술적 관심이 집중되고 있다.
종축자속형 영구자석 동기 발전기는 토크(Torque)를 발생시키는 자속의 방향이 축과 같은 방향으로 두께가 얇은 디스크 형태로 제작이 가능하며, 자기회로의 경로가 짧아 기존의 전기기기에 비해 고효율 운전이 가능하다.
도 1은 종래의 에이에프피엠 코어리스형 멀티 발전기 또는 모터를 나타낸다. 이러한 종래의 발전기 또는 모터에서 스테이터는 비자성체로 이루어진 상하부 지그판 사이에 코일들을 배열 설치하고, 상하부 지그판 사이의 코일이 설치된 공간부에 냉각 절연유를 채워 넣고 측면 지그판으로 밀봉하며, 발전기의 하우징에 열전도가 이루어지도록 측면 지그판이 연결 설치된다. 로터는 자성체로 이루어진 로터 디스크의 원호 상에 자석을 배열 설치하고, 자석이 설치된 내측 중앙 부분에 소정의 높이로 돌출되게 요크부가 일체형으로 형성된다. 로터 디스크가 회전축에 고정 설치되고, 일체형 요크부가 대응되는 이웃하는 다른 로터의 일체형 요크부와 서로 맞물려 자기장의 통로 역할을 하도록 코어리스(coreless)형 발전기가 구성되며, 로터(Rotor)와 스테이터(Stator)는 멀티 구조로 배열 설치되고, 동일 구성으로 모터로서도 적용 가능한 발전기가 제안된 바 있다.
그러나 이러한 종래의 코어리스형 고정자 구조는 코깅토크가 없어지는 장점은 있지만, 상대적으로 공극에서의 자기저항이 커져 발전전압이 낮아지며 이로 인해 출력효율이 낮아지는 단점을 가지고 있다.
본 발명은 코깅토크를 저감시킴으로써, 종래의 코어리스 고정자를 갖는 종축자속형 영구자석 동기발전기 보다 높은 발전효율 및 출력전압을 얻을 수 있도록 한 풍력발전기용 종축자속형 동기발전기 또는 모터를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 의한 풍력발전기용 종축자속형 동기발전기 또는 모터는, 샤프트; 상기 샤프트와 결합되어 회전 가능하되, 원형 디스크 상ㆍ하부에 N, S극성을 가진 복수개의 스큐된(skewed) 영구자석이 간격을 두고 배열되어 부착되는 로터; 상기 스큐된 영구자석과 유사한 형상을 갖는 복수개의 슬롯에 코일이 권선되되, 상부가 하부에 비해 일정한 전기각으로 비틀어져 전이(displace) 되어 있는 상부 스테이터 및 하부 스테이터; 상기 로터와 상기 상ㆍ하부 스테이터를 결합하기 위한 상부 하우징 및 하부 하우징; 및 상기 로터와 상ㆍ하부 스테이터가 일정한 간격을 유지할 수 있도록 상기 상ㆍ하부 하우징을 고정시키기 위한 허브 하우징을 포함할 수 있다.
상부 스테이터 및 하부 스테이터의 상기 전이각(αsde)은 스테이터 위치 변경 전이각으로서 전기각적으로
Figure PCTKR2012004800-appb-I000001
와 같이 나타낼수 있으며, ±
Figure PCTKR2012004800-appb-I000002
범위 내에서 결정될 수 있다. (여기서, Ns는 슬롯 수, P는 영구자석수, HCF{Ns,P}는 슬롯수 및 영구자석수의 최대 공약수이다.) 즉, 상기 전이각(αsde)은 전기각적으로
Figure PCTKR2012004800-appb-I000003
이상 및
Figure PCTKR2012004800-appb-I000004
이하의 범위 내에서 결정될 수 있다.
여기서, 상기 각도는 전기각으로서 통상적인 기계각과 달리 로터의 극수와 무관하게 로터의 연속되어 있는 임의의 N, S 2개의 극이 하나의 스테이터 티스를 통과하는 회전주기를 360°기준으로 하는 것이다.
상기 복수개의 스큐된 영구자석은, 상기 복수개의 슬롯에 코일이 권선되어 있는 상기 상ㆍ하부 스테이터에 영구자석의 자속을 쇄교시키기 위해 로터의 상ㆍ하부에 배열되되, 상기 로터의 상ㆍ하부 전체가 하나의 자기장내 폐회로를 이루도록 상기 복수개의 스큐된 영구자석이 설치될 수 있다.
또한, 상기 복수개의 스큐된 영구자석은, 상기 복수개의 슬롯에 코일이 권선되어 있는 상기 상ㆍ하부 스테이터에 영구자석의 자속을 쇄교시키기 위해 로터의 상ㆍ하부에 배열되되, 상기 로터의 상ㆍ하부 각각에 독립적인 하나의 자기장 내 폐회로를 이루도록 상기 복수개의 스큐된 영구자석이 설치될 수 있다.
또한, 상기 복수개의 스큐된 영구자석은, 코깅토크 저감을 위하여 언스큐된(unskewed) 영구자석인 “
Figure PCTKR2012004800-appb-I000005
”형상에서 영구자석 스큐(skew)가 적용된 “
Figure PCTKR2012004800-appb-I000006
”형상일 수 있다.
상기 영구자석의 스큐 각도는 전기각적으로
Figure PCTKR2012004800-appb-I000007
로 나타낼 수 있으며, ± 10o 의 범위 내에서 결정될 수 있다. (여기서, LCM{Ns,P}는 슬롯수 및 영구자석수의 최소공배수이다.) 즉, 상기 스큐 각도는 전기각적으로
Figure PCTKR2012004800-appb-I000008
이상 및
Figure PCTKR2012004800-appb-I000009
이하의 범위에서 결정될 수 있다.
상기 상ㆍ하부 스테이터는, 상기 상ㆍ하부 스테이터의 상기 슬롯에 권선되는 상기 코일의 횟수와 상ㆍ하부 스테이터의 형상이 동일할 수 있다.
상기 상ㆍ하부 하우징은, 강도를 증가시키기 위하여 상기 상ㆍ하부 하우징 각각에 방사선 형상의 하우징 립(Rib)이 형성될 수 있다.
또 다른 실시예의 풍력발전기용 종축자속형 동기발전기는, 풍력발전기용 종축자속형 동기발전기에 있어서, 상기 풍력발전기의 동력발생장치와 연결되어 동력을 전달받는 샤프트; 상기 샤프트와 결합되어 회전 가능하되, 원형 디스크 상ㆍ하부에 N, S극성을 가진 복수개의 스큐된(skewed) 영구자석이 간격을 두고 배열되어 부착되는 로터; 상기 스큐된 영구자석과 유사한 형상을 갖는 복수개의 슬롯에 코일이 권선되되, 상기 슬롯의 개수에 따라 상부가 하부보다 전기각으로 0 ~ 60° 비틀어져 있는 상부 스테이터 및 하부 스테이터; 상기 로터와 상기 상ㆍ하부 스테이터를 결합하기 위한 상부 하우징 및 하부 하우징; 및 상기 로터와 상ㆍ하부 스테이터가 일정한 간격을 유지할 수있도록 상기 상ㆍ하부 하우징을 고정시키기 위한 허브 하우징을 포함할 수 있다.
발명자의 연구에 의하면, 위와 같은 발전기에서 코깅토크는 상부스테이터에 의한 코깅토크와 하부스테이터에 의한 코깅토크의 합으로서 수학식 1과 같이 나타난다.
수학식 1
Figure PCTKR2012004800-appb-M000001
여기서, τc는 발전기의 총 코깅토크이며, τupper는 상부스테이터에 의한 코깅토크이고, τlower는 하부스테이터에 의한 코깅토크이다.
본 발명자는 상부스테이터를 하부스테이터에 대하여 소정의 전이각을 가지고 엇갈리게 설치되도록 함으로서, 발전기의 코깅토크를 저감시키는 방법을 생각하였다. 발전기의 코깅토크를 저감시키는 그러한 전이각에 대해 아래에 자세히 설명한다.
상ㆍ하부 각각의 스테이터에서 발생되는 1회전당 코깅토크의 발생횟수 Nc는 다음과 같은 수학식 2로 나타낼 수 있다.
수학식 2
Figure PCTKR2012004800-appb-M000002
따라서, 코깅토크의 발생 1주기의 기계각은 다음과 같은 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
수학식 3
Figure PCTKR2012004800-appb-M000003
αc를 전기각으로 표현한 αce는 다음과 같은 수학식 4와 같이 된다.
수학식 4
Figure PCTKR2012004800-appb-M000004
위 전기각은 로터의 극수와 무관하게 로터의 N, S 2개의 극이 스테이터를 쇄교하는 것을 360o 기준으로 하는 것이다.
전술한 수학식 1과 같이 코깅토크는 상부스테이터에 의한 코깅토크와 하부스테이터에 의한 코깅토크의 합으로 나타난다.
스테이터의 위치 변경은 상부 및 하부 스테이터 각각에서 발생되는 코깅토크를 저감하기 위한 방법으로 상부 스테이터 위치 변경을 통해 상부 스테이터에서 발생되는 코깅토크 발생 위상을 아래의 수학식 5와 같이 이동시켜 상부 및 하부 스테이터에서 발생되는 코깅토크 합이 0이 되게 만드는 것이다. 상부 스테이터를 위치 이동시켜 코깅토크 발생 위상을 전기각으로 180o 전이 시키면 발생되는 상부 및 하부 스테이터의 코깅토크 총합을 0으로 만들 수 있다.
수학식 5
Figure PCTKR2012004800-appb-M000005
여기서, θ는 로터의 전기각적인 위상각이다.
따라서, 상부 스테이터에서 발생하는 코깅토크 위상을 180o 이동시키는 스테이터 위치 변경 전이각은 전기각적으로 수학식 4를 통해 다음과 같은 수학식 6으로 나타낼 수 있다.
수학식 6
Figure PCTKR2012004800-appb-M000006
여기서, αsde는 전기각적으로 표현된 스테이터 위치 변경 전이각, αce는 코깅토크의 발생 주기의 전기각, αc는 코깅토크의 발생 주기의 기계각, Nc는 로터가 1회전 할 때 코깅토크 발생 횟수이다.
αce가 반으로 될 때 코깅토크는 전기각으로 180o의 위상을 가짐으로서 상부 스테이터를 전이각만큼 이동시켰을 때 상부 및 하부 스테이터에서 발생하는 코깅토크 위상이 서로 반대가 되어 코깅토크가 상쇄되어 발전기의 총 코깅토크가 감소하게 됨을 알 수 있다.
위와 같은 코깅토크와 관련된 본 발명의 내용은 전기를 발생시키는 발전기에 대해서만이 아니라 전기에 의해 동력을 발생시키는 모터에도 적용될 수 있는 것이며, 본 발명은 이를 배제하지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯이 있는 소형 풍력발전기용 종축자속형 영구자석 동기발전기는 다음과 같은 효과가 있다.
슬롯이 있는 상ㆍ하부 스테이터를 구성하고 있기 때문에, 상대적으로 공극에서의 자기저항이 커서 발전전압이 낮아 발전효율과 출력전압이 낮아지는 종래의 코어리스 고정자를 갖는 종축자속형 영구자석 동기발전기에 비하여 높은 발전효율 및 출력전압을 얻을 수 있다.
상부 스테이터가 하부 스테이터보다 설정된 전기각으로 비틀어져 있기 때문에 코깅토크를 저감시켜 적은 풍량에서도 풍력발전기의 초기 기동이 가능하다.
영구자석이 부착되어 있는 로터에 상ㆍ하부 스테이터가 위치해 있기 때문에 회전자 디스크인 로터가 팬의 역할을 하므로 냉각 특성이 우수하여 발전효율과 출력전압 이득 측면에서 유리하다.
도 1은 종래 기술의 AFPM(Axial Flux Permanent Magnet) 코어리스형 멀티 발전기의 단면 구조도,
도 2는 언스큐(unskewed) 영구자석을 종축자속형 영구자석 동기발전기의 전체 구성을 나타낸 도면,
도 3은 도 2의 동기발전기 로터에 부착되는 언스큐(unskewed)된 영구자석의 모양ㆍ형상을 나타낸 도면,
도 4는 스큐(skewed)된 영구자석을 부착시킨 종축자속형 영구자석 동기발전기의 전체 구성을 나타낸 도면,
도 5는 도4의 동기발전기 로터에 부착되는 스큐(skewed)된 영구자석 의 모양ㆍ형상을 나타낸 도면,
도 6은 언스큐(unskewed)된 영구자석 형상과 스큐(skewed)된 영구자석의 모양ㆍ형상을 비교한 도면,
도 7은 본 발명의 실시예로서, 스큐(skewed)된 영구자석을 포함하고, 상부 스테이터가 하부 스테이터에 비해 전기각으로 25~30°비틀어져 있는 종축자속형 영구자석 동기발전기의 구성을 나타낸 도면,
도 8의 (가)는 종축자속형 영구자석 동기발전기의 로터와 상ㆍ하부 스테이터의 모양ㆍ형상과 로터의 상ㆍ하부 전체가 하나의 자기장내 폐회로를 이루는 것을 나타낸 도면,
도 8의 (나)는 종축자속형 영구자석 동기발전기의 로터와 상ㆍ하부 스테이터의 모양ㆍ형상과 로터의 상ㆍ하부 각각에 독립적인 하나의 자기장내 폐회로를 이루는 것을 나타낸 도면,
도 9는 종축자속형 영구자석 동기발전기의 상부 스테이터가 하부 스테이터에 비해 전기각으로 비틀어진 것을 나타낸 도면,
도 10은 종축자속형 영구자석 동기발전기의 코깅토크 값을 나타낸 그래프,
도 11은 언스큐된 영구자석 (ABCD)과 스큐된 영구자석 (A'B'C'D')의 형상을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전기용 종축자속형 영구자석 동기발전기에 대하여, 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯이 있는 소형 풍력발전기용 종축자속형 동기발전기는 샤프트(100), 로터(Rotor, 110), 스큐된(skewed) 영구자석(122), 상부 스테이터(Upper Stator, 140a) 및 하부 스테이터(Lower Stator, 140b), 상부 하우징(150a) 및 하부 하우징(150b), 허브 하우징(160)을 포함한다.
먼저 도 2, 도 4 및 도 7의 도면을 참조하면, 상기 샤프트(100)는, 소형 풍력발전기의 동력발생장치와 연결되어 동력을 전달받는 수단으로서, 풍력을 받는 블레이드(미도시)와 연결된 회전체(미도시)에 고정되어 회전체가 회전함에 따라 발생되는 동력에 의해 회전하여 로터(110)를 회전시킨다.
도 2 내지 도 8의 도면을 참조하면, 상기 로터(110)는, 디스크 형상을 갖는 회전 수단으로서, 일정한 규격을 갖는 원형 디스크의 상ㆍ하부에 N 극성과 S 극성을 가진 다수개의 스큐된(skewed) 영구자석(122)이 일정 간격을 두고 배열되어 부착되어 있다.
여기서 로터에 배열되어 부착된 영구자석은 스큐(skew)를 주어 코깅토크를 상쇄하는 역할을 하는데, 영구자석 스큐 방법은 간단하면서도 효과적으로 코깅토크를 저감할 수 있다. 영구자석 스큐는 횡축자속형 기기보다 표면이 평면이고 구조가 간단한 종축자속형 기기에 보다 쉽게 적용이 가능하다. 도11은 본 발명에 적용된 영구자석 스큐 형상을 나타낸다. 영구자석 스큐 방법에는 영구자석의 형상에 따라 컨벤셔널 스큐(Conventional Skew), 트라이앵귤러 스큐(Triangular Skew), 패러렐 사이디드(Parallel-sided) 영구자석, 트라페조이달 스큐(Trapezoidal Skew), 서큘러(Circular) 영구자석, 듀얼 스큐(Dual-skew)와 같은 방법 등이 있다. 영구자석 스큐 방법 중 서큘러 영구자석을 사용하는 방법이 코깅토크에 가장 효과적이나, 원형의 영구자석 형상에 따른 극수배치가 제한적이기 때문에 본 발명에서는 제작과정이 간단하면서도 효과적인 컨벤셔널 스큐를 적용한 설계 및 해석을 진행한다.
도11은 언스큐된(Unskewed) 영구자석(A,B,C,D)과 스큐된(skewed) 영구자석(A',B',C',D')의 형상을 나타낸다.
최소 코깅토크를 위한 최소 스큐(skew) 각도는 수학식7로 나타낼 수 있다.
수학식 7
Figure PCTKR2012004800-appb-M000007
위 수학식 7에서 θskew는 skew 각도(전기각)이다.
또한, 슬롯수/영구자석수 = 정수이면 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
수학식 8
Figure PCTKR2012004800-appb-M000008
하지만, 일반적으로 영구자석의 내외 극호의 누설자속으로 인해 코깅토크 최소 스큐 각은 식 7과 같지 않고 대부분은 약간 크게 나타난다.
본 발명의 실시예에서는 도면들에 보이는 바와 같이, 영구자석수는 20이고, 슬롯수는 30이다. 본 실시예에서 영구자석의 스큐된 각도는 전기각적으로 50~70°이나, 영구자석의 크기나 모양과 개수에 따라 변경될 수 있다.
영구자석과 권선의 위치에 관해서는, 영구자석이 외측에 위치하고 고정자 권선이 내측에 위치한 구조와 영구자석이 내측에 위치하고 고정자 권선이 외측에 위치한 구조가 있다. 영구자석이 외측에 위치한 구조는 영구자석의 자속이 통과하는 공극길이가 짧아 자속 활용률이 높지만, 열이 많이 발생되는 전기자 권선이 발전기 내부에 위치하므로 열적냉각특성에서 다소 불리하나, 본 발명의 실시예와 같이 스큐된 영구자석이 배열되어 부착되는 로터(110)가 내부에 위치하고 고정자 권선(혹은 상ㆍ하부 스테이터)이 외부에 위치해 있으면 발전시 상기 로터(110)가 팬(Fan)의 역할을 하므로 전기자 권선의 냉각특성이 우수하여 발전효율이나 출력전압 이득 측면에서 유리하다.
한편, 도 8의 (가)를 참조한 본 발명의 실시예에 따른 다수개의 스큐 영구자석(122)은, 다수개의 슬롯에 코일이 권선되어 있는 상ㆍ하부 스테이터에 영구자석의 자속을 쇄교시키기 위해 로터의 상ㆍ하부에 N극 및 S극의 자석을 배열시키되, 로터의 상ㆍ하부 전체가 하나의 자기장 내 폐회로를 이루도록 상기 다수개의 스큐 영구자석이 고정ㆍ설치된다.
다시 말해서, 로터(110)의 상ㆍ하부에 N극과 S극의 자석을 배열시키되, 상부의 N극 및 S극과 하부의 N극 및 S극은 서로 엇갈리게 대향하여 로터(110)의 상ㆍ하부 전체가 하나의 자기장 내 폐회로를 구성하도록 영구자석을 고정ㆍ설치한다.
이때 상ㆍ하부 스테이터(140a, 140b)에 쇄교되는 자속은, 로터(110)의 상부에 배열되어 고정 설치된 스큐된 영구자석의 N극에서 S극으로 상부 스테이터(140a)에 영구자석의 자속을 쇄교시키고, 이와 동시에 상부 S극에서 나온 자속은 로터(110)의 하부에 배열되어 고정 설치된 스큐된 영구자석의 N극에서 S극으로 경유하여 하부 스테이터(140b)에 영구자석의 자속을 쇄교시킨다.
또한, 도 8의 (나)를 참조한 본 발명의 실시예에 따른 다수개의 스큐 영구자석(122)은, 다수개의 슬롯에 코일이 권선되어 있는 상ㆍ하부 스테이터에 영구자석의 자속을 쇄교시키기 위해 로터의 상ㆍ하부에 N극 및 S극의 자석을 배열시키되, 로터의 상ㆍ하부 각각에 독립적인 하나의 자기장 내 폐회로를 이루도록 상기 다수개의 스큐 영구자석이 고정 설치된다.
다시 말해서, 로터(110)의 상ㆍ하부에 N극과 S극의 자석을 배열시키되, 상부의 N극 및 S극과 하부의 N극 및 S극은 로터(110)를 중심으로 상하로 서로마주보도록 하여 로터(110)의 상ㆍ하부 각각에 독립적인 하나의 자기장 내 폐회로를 구성하도록 다수개의 스큐 영구자석을 로터의 상ㆍ하부, 즉 디스크의 양면에 고정ㆍ설치한다.
여기서 상ㆍ하부 스테이터(140a, 140b)에 쇄교되는 자속은, 로터(110)의 상부에 배열되어 고정ㆍ설치된 스큐된 영구자석의 N극에서 S극으로 독립된 하나의 자기장내 폐회로를 이루어 상부 스테이터(140a)에 영구자석의 자속을 쇄교시키고, 이와 동시에 로터(110)의 하부에 배열되어 고정ㆍ설치된 스큐된 영구자석의 N극에서 S극으로 독립된 하나의 자기장내 폐회로를 이루어 하부 스테이터(140b)에 영구자석의 자속을 쇄교시킨다.
도 6을 참조한 본 발명의 실시예에 따른 상기 다수개의 스큐(skewed) 영구자석(122)은, 코깅토크를 저감시키기 위하여 언스큐(unskewed) 영구자석(121)인 “
Figure PCTKR2012004800-appb-I000010
”형상에 비하여 전기각적으로 50~70° 영구자석 스큐(skew)가 적용된 “
Figure PCTKR2012004800-appb-I000011
”형상으로 제작된다.
도 3, 도 5, 도 8 및 도 9를 참조하면, 상부 스테이터(140a) 및 하부 스테이터(140b)는, 코일(130a, 130b)을 결선하고 영구자석에서 발생하는 자속의 자기통로의 역할을 하는 수단이다. 스큐된 영구자석과 유사한 형상을 갖는 다수개의 슬롯(130) 각각에 코일(131)이 일정하게 권선되어 있고, 코깅토크를 저감시키고 발전기의 출력을 증가시키기 위해서는 상부 스테이터(140a)가 하부 스테이터(140b)에 비해 전기각적으로 25~30°정도 비틀어져 있으며, 상기 로터(110)의 상ㆍ하부에 위치되어 상기 상ㆍ하부 하우징(150a, 150b)에 의해 고정 결합된다.
여기서 코깅토크(Cogging Torque)란, 발전기나 모터 내의 비균일 토크로서, 발전기 시스템의 자기 에너지가 최소인 위치로 이동하려는 접선 방향의 힘인데, 부하 전류와는 상관없이 회전자 영구자석과 고정자 슬롯의 상호작용에 의해 발생한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상ㆍ하부 스테이터(140a,140b)는, 동일한 크기의 코깅토크와 출력 발생을 위해서는 상기 상ㆍ하부 스테이터(140a, 140b) 슬롯(130)에 권선되는 코일(131)의 횟수와 상ㆍ하부 스테이터(140a,140b)의 형상을 동일하게 제작한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상ㆍ하부 스테이터(140a,140b)는, 코깅토크를 저감하기 위해 슬롯(130)의 개수에 따라 상부 스테이터(140a)를 하부 스테이터(140b) 보다 전기각적으로 0~60° 비틀어 배열ㆍ설치한다.
본 발명의 일 실시예에서는 상부 스테이터(140a)를 하부 스테이터(140b)보다 로터 회전 반대 방향으로 전기각적으로 25~30° 비틀어주는 기술적 구성으로부터 코깅토크를 감소시킬 수 있게 되는 특징이 있다. 상부 스테이터를 전기각적으로 25~30° 비틀면 상부 스테이터(140a)에서 발생하는 코깅토크와 하부 스테이터(140b)에서 발생하는 코깅토크가 서로 반대로 발생하게 되고, 발전기 내부에서는 서로 반대로 발생된 코깅토크가 상쇄되어 발전기 기동시 코깅토크를 최소화할 수 있기 때문이다.
본 발명의 실시예에서 코깅토크를 저감시키는 중요한 이유는, 회전자의 영구자석이 희토류 자석으로서 자속밀도가 높기 때문에 코깅토크가 커지게 되면 초기 기동시 큰 기동토크가 요구되므로 낮은 풍량에서는 풍력발전기의 초기 기동이 불가능하게 되고 발전기의 효율 및 출력 특성도 낮아지게 된다. 따라서 본 발명에서는 상부 스테이터(140a)가 하부 스테이터(140b)에 비해 전기각적으로 25~30° 비틀어 줌으로써, 코깅토크를 최소화시켜 발전기의 효율과 출력 특성을 높여 낮은 풍량에서도 풍력발전기의 초기 기동이 원활히 이루어지도록 하는 독특한 특징이 있기 때문이다.
도 10은 상부 스테이터가(140a)가 하부 스테이터(140b)에 비해 상대적으로 로터 회전 반대 방향으로 틀었을 때의 코깅토크 변화를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 실시예에 따라, 코깅토크는 상부 스테이터를 비트는 각도에 따라 서서히 감소하다가 전기각이 30°일 때 최소로 감소하고, 다시 서서히 상승하다가 60° 전기각에서 0° 전기각일 때와 비슷하게 나오는 것을 알 수가 있다.
상부 스테이터를 비트는 각도는 슬롯의 모양이나 크기 및 개수에 따라 달라 질수 있다. 표 1는 각도에 대한 코깅토크를 나타낸 것이다.
표 1
Figure PCTKR2012004800-appb-T000001
도 7을 참조하면, 상부 하우징(150a)과 하부 하우징(150b)은, 로터(110)와 상ㆍ하부 스테이터(140a, 140b)를 결합하기 위한 수단으로서, 허브 하우징(160)의 상ㆍ하부에 고정되며, 발전기의 이동이나 진동 발생 시 코깅토크의 최소화를 위해 상부 스테이터(140a)가 하부 스테이터(140b)에 비해 로터 회전 반대 방향으로 비틀어진 위치가 변화하지 않게 고정ㆍ체결하고, 발전 시 전기자 권선에서 발생하는 열이 외부로 쉽게 방출할 수 있도록 설계되어 있다.
상부 하우징(150a)과 하부 하우징(150b)의 상단에는 하우징 리브(Rib, 151)를 설치하여 상ㆍ하부 하우징의 기계적 강도를 증가시켰다.
허브 하우징(160)은, 로터(110)와 상ㆍ하부 스테이터(140a, 140b)가 일정한 간격을 유지할 수 있도록 상ㆍ하부 하우징(150a, 150b)을 고정시키기 위한 수단으로서, 본 발명의 로터(110)와 상ㆍ하부 스테이터(140a, 140b) 각각의 공극 간격이 1 mm 내외로 함으로써 영구자석에서 발생하는 자속이 발전기 내부에서 쉽게 형성될 수 있게 하였다. 발전기의 이동 및 진동 발생 시 발전기의 내부 구조가 변형되지 않게 상ㆍ하부 스테이터(140a, 140b)와 고정ㆍ체결되며, 발전 시 발전기 내부에서 발생하는 열이 외부로 쉽게 방출될 수 있도록 설계되어 있다.
이하 도 2 내지 도 10을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 슬롯이 있는 소형발전기용 종축자속형 영구자석 동기 발전기의 작용을 설명한다.
본 발명의 일 실시예는, 동력발생장치와 연결되어 그로부터 동력을 전달받아 발전기에 그 동력을 전달하는 샤프트(100); 상기 샤프트(100)와 결합되어 회전 가능하고 원형 디스크의 상ㆍ하부에 일정한 크기의 N, S 극성을 가진 스큐된(skewed) 영구자석(122)이 일정 간격을 두고 배열되어 고정 부착되는 로터(110); 상기 로터(110)에 고정 착된 스큐된(skewed) 영구자석(122)의 자속의 영향을 받는 코일(131)이 일정하게 권선되되, 코깅토크를 저감시키고 발전기의 출력을 증가시키기 위해 상부가 하부에 비해 로터(110) 회전 반대 방향으로 전기각적으로 25~30°비틀어져 있는 상부 스테이터(140a) 및 하부 스테이터(140b); 상기 상ㆍ하부 스테이터(140a, 140b)가 발전기의 이동이나 진동 발생 시 이탈되는 것을 방지하기 위해 상기 로터(110)와 상ㆍ하부 스테이터(140a, 140b)를 고정시키는 상부 하우징(150a) 및 하부 하우징(150b); 상기 상ㆍ하부 하우징(150a, 150b)에 고정 설치되어 있는 상ㆍ하부 스테이터(140a, 140b)가 로터(110)와 일정한 간격을 유지할 수 있도록 상기 상ㆍ하부 하우징(150a, 150b)을 고정시키기 위한 허브 하우징(160)을 포함한다. 이러한 동기발전기는, 상부 스테이터를 전기각적으로 25~30°정도 비틀어 설치함으로써, 상부 스테이터(140a)에서 발생하는 코깅토크와 하부 스테이터(140b)에서 발생하는 코깅토크가 서로 반대로 발생하게 되어 상쇄되기 때문에, 발전기 기동시 코깅토크를 최소화할 수 있는 잇점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 슬롯이 있는 종축자속형 영구자석 동기발전기는, 종래의 코어리스 고정자를 갖는 종축자속형 영구자석 동기발전기의 문제점인 코깅토크를 상ㆍ하부 스테이터의 위치를 다르게 함으로써, 낮은 풍량에서도 기동이 가능하고 풍력발전기의 출력 및 효율이 높이는데 그 특징이 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
(부호의 설명)
100 : 샤프트축 110 : 로터
121 : 언스큐 영구자석 122 : 스큐 영구자석
130a : 상부 코일 130b : 하부 코일
140a : 상부 스테이터 140b : 하부 스테이터
150a : 상부 하우징 150b : 하부 하우징
151 : 하우징 리브 160 : 허브 하우징
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본 특허출원은 2011년 08월 26일 한국에 출원한 특허출원번호 제 10-2011-0085567 호에 대해 미국 특허법 119(a)조(35 U.S.C § 119(a))에 따라 우선권을 주장하면, 그 모든 내용은 참고문헌으로 본 특허출원에 병합된다. 아울러, 본 특허출원은 미국 이외에 국가에 대해서도 위와 동일한 이유로 우선권을 주장하면 그 모든 내용은 참고문헌으로 본 특허출원에 병합된다.

Claims (11)

  1. 샤프트;
    상기 샤프트와 결합되어 회전 가능하되, 원형 디스크 상ㆍ하부에 N, S극성을 가진 복수개의 스큐된(skewed) 영구자석이 간격을 두고 배열되어 부착되는 로터;
    상기 스큐된 영구자석과 유사한 형상을 갖는 복수개의 슬롯에 코일이 권선되되, 상부가 하부에 비해 전기각적으로 25 ~ 30°비틀어져 있는 상부 스테이터 및 하부 스테이터;
    상기 로터와 상기 상ㆍ하부 스테이터를 결합하기 위한 상부 하우징 및 하부 하우징; 및
    상기 로터와 상ㆍ하부 스테이터가 일정한 간격을 유지할 수 있도록 상기 상ㆍ하부 하우징을 고정시키기 위한 허브 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 또는 동력 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 스큐된 영구자석은, 상기 복수개의 슬롯에 코일이 권선되어 있는 상기 상ㆍ하부 스테이터에 영구자석의 자속을 쇄교시키기 위해 로터의 상ㆍ하부에 배열되되, 상기 로터의 상ㆍ하부 전체가 하나의 자기장내 폐회로를 이루도록 상기 복수개의 스큐된 영구자석이 설치되는 것을 특징으로 하는 전기 또는 동력 발생 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 스큐된 영구자석은, 상기 복수개의 슬롯에 코일이 권선되어 있는 상기 상ㆍ하부 스테이터에 영구자석의 자속을 쇄교시키기 위해 로터의 상ㆍ하부에 배열되되, 상기 로터의 상ㆍ하부 각각에 독립적인 하나의 자기장 내 폐회로를 이루도록 상기 복수개의 스큐된 영구자석이 설치되는 것을 특징으로 하는 전기 또는 동력 발생 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 복수개의 스큐된 영구자석은 전기각적으로 50~70° 스큐(skew)가 적용된 것을 특징으로 하는 전기 또는 동력 발생 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 상ㆍ하부 스테이터는, 상기 상ㆍ하부 스테이터의 상기 슬롯에 권선되는 상기 코일의 횟수와 상ㆍ하부 스테이터의 형상이 동일한 것을 특징으로 하는 전기 또는 동력 발생 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 상ㆍ하부 하우징은, 강도를 증가시키기 위하여 상기 상ㆍ하부 하우징 각각에 방사선 형상의 하우징 리브(Rib)가 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 또는 동력 발생 장치.
  7. 샤프트;
    상기 샤프트와 결합되어 회전 가능하되, 원형 디스크 상ㆍ하부에 N, S극성을 가진 복수개의 스큐된(skewed) 영구자석이 간격을 두고 배열되어 부착되는 로터;
    상기 스큐된 영구자석과 유사한 형상을 갖는 복수개의 슬롯에 코일이 권선되되, 상기 슬롯의 개수에 따라 상부가 하부보다 전기각적으로 0 ~ 60° 비틀어져 있는 상부 스테이터 및 하부 스테이터;
    상기 로터와 상기 상ㆍ하부 스테이터를 결합하기 위한 상부 하우징 및 하부 하우징; 및
    상기 로터와 상ㆍ하부 스테이터가 일정한 간격을 유지할 수 있도록 상기 상ㆍ하부 하우징을 고정시키기 위한 허브 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 또는 동력 발생 장치.
  8. 샤프트;
    상기 샤프트와 함께 회전하도록 연결되며, 원주방향을 따라 배열된 복수의 스큐된 자석을 포함하는 로터;
    코일이 권선된 복수개의 슬롯이 원주방향으로 배열되며, 상기 로터의 일측에 위치하는 제1스테이터; 및
    상기 로터를 사이에 두고 상기 제1스테이터의 반대측에 설치되되, 상기 제1스테이터의 슬롯 수와 동일한 수의 슬롯을 가지며, 기 결정된 전이각을 가지고 상기 제1스테이터와 엇갈리며 설치되는 제2스테이터;
    를 포함하는 전기 또는 동력 발생 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 기설정된 전이각은 전기각적으로
    Figure PCTKR2012004800-appb-I000012
    이상 및
    Figure PCTKR2012004800-appb-I000013
    이하의 범위에서 결정된 것을 특징으로 하는 전기 또는 동력 발생 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 자석의 스큐 각도는 전기각적으로
    Figure PCTKR2012004800-appb-I000014
    이상 및
    Figure PCTKR2012004800-appb-I000015
    이하의 범위에서 결정된 것을 특징으로 하는 전기 또는 동력 발생 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 전이각은 코깅토크를 감소시키도록 상기 로터 자석의 갯수 및 상기 스테이터 슬롯의 갯수의 함수에 따라 결정된 것을 특징으로 하는 전기 또는 동력 발생 장치.
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