KR101608229B1 - 풍력 터빈용 동기 발전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 회전자(11)를 포함하며, 이 회전자는 기계 축(28) 둘레에서 회전하며 고정자 권선(20)을 가진 고정자(19)에 의해 동심으로 둘러싸여지며, 이에 의해, 복수의 영구 자석들(16) 및 자극 피스들(17)이 회전자(11)의 림에, 영구 자석들(16)이 기본적으로 접선 방향으로 배향되게, 교번하여 배열되는, 특히, 풍력 터빈용 동기 발전기(10)에 관한 것이다.
자극 피스들(17)과 영구 자석들(16)의 쌍들을 교번시키고, 이에 의해, 영구 자석들(16)이 각각 축 방향에서 직사각형의 단면을 가지며, 자극 피스들(17) 이 각각 축 방향에서 대칭인 사다리꼴 단면을 가짐과 동시에, 사다리꼴의 대칭 평면이 기계 축(28)을 통과하고 평행한 변들 중 더 큰 변이 외부에 위치하고, 영구 자석들의 각 쌍의 2개 영구 자석들(16)이 중간 웨지(15)에 의해 서로 분리되며, 이 중간 웨지가 그의 단면에 있어 사다리꼴 자극 피스들(17)에 대응하는 것에 의해, 발전기의 토크 및 전력 특성이 향상된다.

Description

풍력 터빈용 동기 발전기{SYNCHRONOUS GENERATOR, ESPECIALLY FOR WIND TURBINES}
본 발명은 회전하는 전기 기계들에 관한 것이다. 본 발명은 제 1 항의 전제부에 따른 동기 발전기와 관련 있다.
영구 자석 발전기들은 통상적으로 다음의 이점들: 간단한 구성, 고효율, 높은 역률, 및 높은 전력 밀도를 특징으로 한다. 따라서, 이들 유형들의 발전기들이 직접-구동 풍력 터빈 응용에 매우 적합하다.
풍력 터빈들의 출력 전력이 빠르게 증가함에 따라, 진보된 발전기들의 발달은 큰 직경 및 저속의 기계들의 디자인 및 구성을 본질적으로 수반하고 있다. 과거 수 년에 걸쳐서, 진보된 자성 재료들을 사용한 고효율 및 경량의 발전기들이 개발되어 왔다.
영구 자석(PM) 동기 발전기들에는 여러 유형들의 회전자 토폴로지(topology)가 존재한다. 회전자들의 구성들은 영구 자석들의 자화 방향의 방위에 따라서 방사상 유형 및 횡단하는 유형으로 나눌 수 있다 (예를 들어, US 6,879,075의 도 1a 및 도 1b 참조).
횡단하는(transversal)(또는, 주변의 또는 접선의) 구성이 높은 전력 밀도 및 성능을 요구하는 응용에 보다 적합하다. 횡단-방향(transversal-oriented) 자석 구성은 교번하는 횡단-방향 영구 자석들과 철 회전자 자극 피스들(rotor pole pieces)과 함께, 부분 비-자성 회전자 코어를 특징으로 한다. 회전자 자극 피스들은 플럭스 집중을 수행함으로써, 고정자의 구리 및 철의 사용을 향상시킨다. 고정자는 종래의 방사상 방향의 자석 발전기 디자인과 동일하지만, 감소된 치수 및 중량, 및 더 낮은 손실들을 가질 수도 있다.
방사상-방향의 자석 구성들과 비교할 때 횡단-방향의 자석 구성들의 하나의 단점은 누설 플럭스가 상대적으로 더 클 수도 있다는 점이다. 누설 플럭스는 공기 간극을 가로지르지 않고, 회전자에서 손실되어 어떤 유용한 자기장도 제공하지 않는 자기 플럭스이다. 따라서, 종래의 횡단하는 영구 자석 구성은 회전자 본체를 통한 플럭스 누설로 인해서 자석들의 열악한 사용을 초래한다:
이들 누설들을 감소시키는 방법은 문헌 EP 제 2 028 744 호에서 설명하는 바와 같이, 비자성 재료로 제조되는 중간 링(intermediate ring)을 사용하는 것이다.
자석 사용을 최대화하는 또 다른 방법은 전술한 문헌 US 6,879,075(본 문헌의 도 5 및 도 6 참조) 에서 설명하는 바와 같이, 사다리꼴 자석들을 사용하는 것이다.
본 발명의 목적은 향상된 토크 및 전력 특성들을 갖는 동기 발전기를 구성하는 것이다.
본 목적은 제 1 항에 따른 동기 발전기에 의해 달성된다. 풍력 터빈들에 적합한 이 동기 발전기는 회전자를 포함하고, 이 회전자는 기계 축 둘레를 회전하며 고정자 권선을 가진 고정자에 의해 동심으로 둘러싸이며, 이에 의해, 복수의 영구 자석들 및 자극 피스들이 회전자의 림에 교번하여 배열되고, 영구 자석들은 기본적으로 접선 방향으로 배향된다. 자극 피스들 및 영구 자석들의 쌍들은 교번하며, 영구 자석들 각각이 축 방향에서 직사각형의 단면을 가지며, 자극 피스들 각각이 축 방향에서 대칭인 사다리꼴 단면을 가지되, 사다리꼴의 대칭 평면이 기계 축을 통과하며 평행한 변들 중 더 큰 변이 외측에 있으며, 영구 자석들의 각각의 쌍 중 2 개의 영구 자석들은 그 단면이 사다리꼴 자극 피스들에 대응하는 중간 웨지(wedge)에 의해 서로 분리되어 있다는 점에 특징이 있다.
본 발명은 회전자 플럭스 누설들을 최소화하는 것, 및 자석 효율을 최대화하는 것 양자에 관한 것이다. 본 발명에서, 하나의 사다리꼴 자석은 2 개의 더 작은 직사각형의 자석들로 대체된다. 이들 2 개의 자석들은 자석강으로 제조된 주로 삼각형 웨지의 양면 상에 배치된다. 어떤 플럭스 누설이 이 위치에서 일어날 수 있기 때문에, 심지어 회전자 휠이 자석강으로 제조되더라도, 이 중간 웨지는 회전자 휠 상에 바로 위치할 수 있다. 중간 웨지는 회전자 휠의 부품으로서 바로 제조되거나, 또는 용접에 의해 또는 기계적 고정에 의해 회전자 상에 조립될 수도 있다.
따라서, 자석들에 대한 향상된 제조성 및 더 나은 공기-냉각 가능성과 함께, 회전자에서의 누설 플럭스가 최소화된다. 교번하는 영구 자석들 및 자기 자극 피스들을 갖는, 횡단하는 영구 자석 구성이 사용된다. 영구 자석들은 2 개의 직사각형의 영구 자석들 및 개재된 자성 철 웨지를 조립하여 이루어진다. 그 후, 2 개의 직사각형의 자석들 및 중간 웨지의 세트가 사다리꼴 형태의 플럭스 집중 자극 피스들 사이에 삽입된다. 중간 금속 피스는 회전자에 통합되거나 또는 별개의 부품으로서 제조될 수 있다. 회전자 링은 이 디자인 덕분에, 여러 부품들로 제조될 수도 있다.
2 개의 직사각형의 영구 자석들 및 개재된 금속 삼각형 웨지를 갖는 이 배열은 전자기 플럭스(따라서, 영구 자석들의 사용)를 최대화하고 회전자에서의 손실들을 최소화하는 최적의 형태를 유발한다. (누설의 경우에) 자기 플럭스에 대한 가장 짧은 경로가 다른 구성들에 비해 증가되기 때문에, 회전자에서의 누설 플럭스가 최소화된다.
게다가, 직사각형의 영구 자석들의 자화가 보다 효율적이며 사다리꼴 자석의 자화보다 더 용이하다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 중간 웨지들은 자성 철로 제조된다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 영구 자석들은 원통형 자석 지지체 상에 탑재되며, 중간 웨지들 각각은 자석 지지체의 일체형 부품이다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 원통형 자석 지지체는 복수의 원통 세그먼트들로 조립된다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 그들의 인접한 영구 자석들을 갖는 자극 피스들은 중간 비-자성 스트립에 의해 자석 지지체로부터 각각 분리된다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 중간 비-자성 스트립들은 강화(reinforced) 에폭시 재료로 제조된다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 자극 피스들은 특히, 비-자성 스크루들의 수단 및 볼트들에 의해 자석 지지체 상에 착탈가능하게 탑재된다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 중간 웨지들의 팁에는 축방향으로 연장하는 체결 레일이 제공되며, 그 체결 레일들은 비록 그들이 소자되더라도, 인접한 영구 자석들을 자석 지지체에 체결한다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 회전자의 외측 직경이 이웃하는 자극 피스들 사이에서 감소됨으로써, 냉각 가스, 특히 공기의 흐름을 위한 축방향으로 연장하는 냉각 채널을 생성한다.
이하, 본 발명을 상이한 실시형태들에 의해, 그리고 첨부 도면들을 참조하여, 보다 자세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 동기 기계의 회전자의 부분 측면 사시도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 따른 기계의 회전자 및 고정자의 배열의 부분 사시도를 나타낸다.
도 3은 도 1 또는 도 2에 따른, 기계에서 중간 웨지의 양면 상의 영구 자석들의 자기 방위를 나타낸다.
도 4는 자극 피스들을 고정하는 수단을 가진, 도 1 또는 도 2에 따른 기계의 자석 지지체의 일부를 나타낸다.
도 5는 도 1 또는 도 2에 따른 기계의 자석 지지체의 외측 원통 세그먼트로부터의 사시도를 나타낸다.
도 6은 내부로부터의 사시도에서 동일한 원통 세그먼트를 나타낸다.
도 7은 간단한 단면 프로파일을 갖는 중간 웨지를 나타낸다.
도 8은 추가적인 체결 능력을 갖는, 향상된 단면 프로파일을 가진 중간 웨지를 나타낸다.
도 9는 도 8의 중간 웨지의 양면 상의 영구 자석들의 배열을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 동기 기계(synchronous machine)의 회전자의 부분 측면 사시도를 나타낸다. 도 1의 동기 기계(10)는 기계 축(28)을 회전하는 회전자(11)를 포함한다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 회전자(11)는 고정자 권선(20)이 장착된 고정자(19)에 의해 동심으로 둘러싸여진다. 복수의 영구 자석들(16) 및 자극 피스들(17)은 특수한 교번 배열로 회전자(11)의 림(rim) 에 배열된다.
영구 자석들(16)은 그들의 자화 방향에 따라 기본적으로 접선 방향으로 배향된다(도 3 참조). 영구 자석들(16)은 축 방향으로 연장되며 축 방향에서 직사각형의 단면을 각각 갖는다. 자극 피스들(17) 및 2 개의 영구 자석들(16)의 쌍들은 교번한다. 축 방향에서 세분될 수도 있는 자극 피스들(17)은 축 방향에서 대칭인 사다리꼴 단면을 각각 갖는데, 사다리꼴의 대칭 평면은 기계 축(28)을 통과한다. 사다리꼴의 2 개의 평행한 변들 중 더 큰 변이 외측에 위치한다.
영구 자석들의 각 쌍 중 2 개의 영구 자석들(16)은 중간 웨지(15)에 의해 서로 분리되며 (도 3 참조), 이 중간 웨지(15)는 그의 단면이 사다리꼴 자극 피스들(17)에 대응한다. 영구 자석들(16)의 쌍들 및 자극 피스들(17)의 이 구성으로 인해, 자극 피스들(17) 사이의 전자기 플럭스는 도 3에서 곡선 화살표로 표시된 곡선 특성을 갖는다.
2 개의 직사각형의 영구 자석들(16) 및 개재된 금속의 삼각형 웨지(15)를 갖는 이 배열은 전자기 플럭스(및 이에 따른 영구 자석들의 사용)을 최대화하고 회전자(11)에서의 손실들을 최소화하는 최적의 형상을 초래한다. (누설의 경우에) 자기 플럭스에 대한 가장 짧은 경로가 다른 구성들에 비해 증가되기 때문에, 회전자(11)에서의 누설 플럭스가 최소화된다. 게다가, 직사각형의 영구 자석들(16)의 자화가 보다 효율적이고 사다리꼴 자석의 자화보다 더 쉽다.
따라서, 횡단하는 영구 자석들을 갖는 종래의 회전자 디자인에서는, 반대 극성의 2 개의 영구 자석들 사이에 자석강 자극 피스(pole piece)가 자기 플럭스 집중기(concentrator)로서 사용되는 한편, 본 발명에 따르면, 동일한 극성의 영구 자석들의 쌍들 사이에 자석강 자극 피스가 역시 사용된다(도 3 참조). 자석강 플럭스 집중 자극 피스들(17)은 사다리꼴 형상을 갖는다.
도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 영구 자석들(16)은 회전자(11) 내의 원통형 자석 지지체(14) 상에 탑재된다. 자석 지지체(14)는 복수의 방사상 스포크들(spokes; 13)에 의해 회전자 코어(12; 도 1)에 연결된다. 자석 지지체(14)는 복수의 원통 세그먼트들 또는 도 5 및 도 6에 도시된 섹터들(14a)로 조립될 수도 있다. 이 구성은 회전자(11)를 섹터들에 의해 제조하는 것을 가능하게 한다. 각각의 세그먼트는 예를 들어, 모듈 철 주조로서 또는 강철 용접 물품으로서 제조될 수 있다. 세그먼트들(14a)이 복수의 주위의 립들(rib, 25)에 의해 내측면 상에 보강될 수도 있다. 각각의 세그먼트에는 회전자(11)의 스포크들(13)에 연결되기 위한 2 개의 연결 면들(faces; 26)이 제공된다. 이 회전자 모듈 구성은 멀티-메가와트 직접 구동 발전기 응용에 매우 유용하다.
영구 자석들의 각 쌍의 양자의 영구 자석들(16)을 자기적으로 연결하는 중간 웨지들(15)은, 자석 지지체(14) 또는 원통 세그먼트들(14a)의 외측면으로부터 방사상 방향으로 연장된다. 유리하게는, 이들은 도 5 또는 도 6에 나타낸 바와 같이, 자석 지지체(14) 또는 원통형 세그먼트(14a)의 일체형 부품이다.
플럭스 집중 자극 피스들(17) 아래에서 회전자(11)의 플럭스 누설은 그 아래에 비-자성 스트립 또는 웨지(18)의 사용에 의해 감소된다(도 2 및 도 3 참조). 이들 비-자성 스트립들 또는 웨지들(18)은 회전자 본체 상에의 자석들 및 강철 피스들의 기계적 고정에 필요하다. 이들은 예를 들어, 섬유 유리 합성물 재료들 및 에폭시 수지로 제조될 수 있다. 중간 비-자성 링이 더 이상 요구되지 않는다. 단지 플럭스 집중 자극 피스들(17)만이 회전자로부터 자기적으로 절연될 필요가 있다.
횡단하는 영구 자석 회전자 구성들을 갖는 하나의 구성 문제는 종종 자석들의 고정이다. 종래기술의 해법들에서는 금속 회전자와 자석들 사이에 비-자성 링이 요구되었기 때문에, 자석들의 전자기력이 고정을 위해 사용될 수 있었으며, 따라서 자석들의 정확하고 충분한 위치결정을 보장하는데 정확한 어셈블리 프로세스가 요구되었다.
본 발명은 영구 자석들(16) 을 금속 중간 웨지들 또는 삼각형들(15) 상에 직접 전자기력들을 통해서 고정하는 것이 가능하다. 자석 위치결정의 정확도는 중간 웨지(15)의 적합한 정렬에 기인한다. 중간 웨지(15)는 양 사이드 상에서 자석들을 끌어 당기고, 따라서, 자석들이 자기-지지된다. 마지막으로, 정확한 위치결정이 이미 달성되어 있는 동안에 플럭스 집중 자극 피스들(17)이 삽입된다.
자극 피스들(17)은 회전자(11)상에, 각각의 보어(도 5의 23)에 삽입되는 비-자성 스크루, 및 자석 지지체(14)의 내측면 상에 위치하는 비-자성 볼트(도 4의 24)를 사용하여 고정된다. 자극 피스(17)와 회전자(11)의 자석 지지체(14) 사이의 비-자성 스트립(18)이 이들 스크루들 및 볼트들로 역시 고정된다. 지지체(14)와 비-자성 스트립(18) 사이에 기계적 어셈블리를 확보하기 위해서 어떤 접착제가 사용될 수도 있다. 게다가, 자극 피스들(17)의 고정이 영구 자석들(16)에 대한 2차 고정 및 체결 디바이스로서 사용된다. 이 자석들의 기계적 고정은 소자(demagnetization)의 경우에 안전성을 가져온다.
도 8 및 도 9에 나타낸 바와 같이, 중간 웨지들(15')의 팁에는 축방향으로 연장하는 체결 레일(27)이 제공되며, 이 체결 레일들은 비록 그들이 소자되더라도, 인접한 영구 자석들(16)을 자석 지지체에 체결한다. 따라서, 체결 레일(27)은 목표들을 달성하는 것, 즉 (1) 영구 자석 어셈블리를 용이하게 하고, (2) 회전자(11)상에의 영구 자석들(16)의 고정에 참여하는 것을 도와줌으로써, 특히, 자석들이 소자될 때에 레일들(27)이 자석들을 회전자 상에 체결할 것이다.
마지막으로, 자극 피스의 영구 자석 어셈블리의 형태는, 회전자(11)의 외측 직경이 이웃하는 자극 피스들(17) 사이에서 감소되는 경우, (종래의 디자인에서와 같이) 회전자와 고정자 사이에 최소 공기 간극을 초래하지만, 영구 자석들(16) 과 고정자(19) 사이에 더 큰 간극 또는 볼륨을 추가로 제공한다. 이 추가적인 볼륨은 고정자 방사상 벤트들을 공급하기 위해, 공기-간극에서 축방향으로 흐르는 공기에 대한 추가적인 단면 또는 냉각 채널(22)을 제공한다. 따라서, 이것은 고정자 환기를 향상시킨다. 또한, 영구 자석들(16)의 공기 냉각을 향상시킨다.
10 동기 발전기
11 회전자
12 회전자 코어
13 스포크
14 자석 지지체 (회전자 링)
14a 원통 세그먼트
15,15' 중간 웨지 (금속)
16 영구 자석
17 자극 피스
18 비-자성 스트립
19 고정자
20 고정자 권선
21 공기 간극
22 냉각 채널
23 보어
24 볼트 (비-자성)
25 립
26 연결 면
27 체결 레일
28 축

Claims (12)

  1. 회전자(11)를 포함하는 동기 발전기(10)로서,
    상기 회전자는 기계 축(28) 둘레에서 회전하고 고정자 권선(20)을 가진 고정자(19)에 의해 동심으로 둘러싸이며, 이에 의해 복수의 영구 자석들(16) 및 자극 피스들(17)이 상기 회전자(11)의 림(rim)에 교번하여 배열되고, 상기 영구 자석들(16)은 기본적으로 접선 방향으로 배향되는, 상기 동기 발전기에 있어서,
    자극 피스들(17) 및 영구 자석들(16)의 쌍들이 교번하며,
    상기 영구 자석들(16) 각각은 축 방향에서 직사각형의 단면을 가지며,
    상기 자극 피스들(17) 각각은 축 방향에서 대칭적인 사다리꼴 단면을 가지되 상기 사다리꼴의 대칭 평면이 상기 기계 축(28)을 통과하며 평행한 변들 중 더 큰 변이 외부에 위치하며,
    상기 영구 자석들의 각 쌍 중 2 개의 영구 자석들(16)은 중간 웨지(15, 15')에 의해 서로 분리되며,
    상기 중간 웨지는 삼각형 단면 또는 사다리꼴 단면을 가지며, 중간 웨지들(15, 15')은 상기 회전자(11)의 림의 외측으로부터 반경 방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는 동기 발전기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중간 웨지들(15, 15')은 자성 철로 제조되는 것을 특징으로 하는 동기 발전기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 영구 자석들(16)은 원통형 자석 지지체(14) 상에 탑재되며,
    상기 중간 웨지들(15, 15') 각각은 상기 자석 지지체(14)의 일체형 부품인 것을 특징으로 하는 동기 발전기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 원통형 자석 지지체(14)는 복수의 원통 세그먼트들(14a)로 조립되는 것을 특징으로 하는 동기 발전기.
  5. 제 3 항에 있어서,
    자극 피스들의 인접한 영구 자석들(16)을 갖는 상기 자극 피스들(17)은 각각 중간 비-자성 스트립(18)에 의해 상기 자석 지지체(14, 14a)로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 동기 발전기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 중간 비-자성 스트립들(18)은 강화 에폭시 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 동기 발전기.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 자극 피스들(17)은 상기 자석 지지체(14, 14a) 상에 착탈가능하게 탑재되는 것을 특징으로 하는 동기 발전기.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 중간 웨지들(15')의 팁에는 축방향으로 연장하는 체결 레일(27)이 제공되며, 상기 체결 레일은 인접한 영구 자석들이 소자(demagnetize)되더라도 상기 인접한 영구 자석들을 상기 자석 지지체에 체결하는 것을 특징으로 하는 동기 발전기.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 회전자(11)의 외측 직경이 이웃하는 자극 피스들(17) 사이에서 감소됨으로써, 냉각 가스의 흐름을 위한 축방향으로 연장하는 냉각 채널을 생성하는 것을 특징으로 하는 동기 발전기.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 동기 발전기(10)는 풍력 터빈용인 것을 특징으로 하는 동기 발전기.
  11. 제 3 항에 있어서,
    상기 자극 피스들(17)은 비-자성 스크루들 및 볼트들(24)에 의해 상기 자석 지지체(14, 14a) 상에 착탈가능하게 탑재되는 것을 특징으로 하는 동기 발전기.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 냉각 가스는 공기인 것을 특징으로 하는 동기 발전기.
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