KR102126732B1 - Magnet bearing and windmill with the same - Google Patents

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KR102126732B1 KR1020200008605A KR20200008605A KR102126732B1 KR 102126732 B1 KR102126732 B1 KR 102126732B1 KR 1020200008605 A KR1020200008605 A KR 1020200008605A KR 20200008605 A KR20200008605 A KR 20200008605A KR 102126732 B1 KR102126732 B1 KR 102126732B1
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Abstract

The present invention relates to a magnetic bearing that is strong against axial and radial disturbances greater than normal loads using wind direction and wind speed signals, and a wind turbine having the same. According to the present invention, the magnetic bearing which is strong against axial and radial disturbances greater than normal loads using the wind direction and wind speed signals has permanent magnets installed only in an upper electromagnet in the radial direction of the bearing so that an axial load (normal load) can be handled during operation at a normal position, thereby securing power consumption only for precise position control to ensure minimum power consumption. And the magnetic bearing is operated in a state in which the position of the central axis of the bearing is moved in an opposite direction of the disturbance force by measuring the disturbance caused by the wind and predicting the change.

Description

풍향 및 풍속 신호를 이용하여 정상 하중보다 큰 축방향 및 반경방향 외란에 강인한 마그네트 베어링 및 그를 구비하는 풍력발전기{Magnet bearing and windmill with the same}Magnet bearings and windmills equipped with magnet bearings resistant to axial and radial disturbances greater than normal loads using wind direction and wind speed signals {Magnet bearing and windmill with the same}

본 발명은, 마그네트 베어링 및 그를 구비하는 풍력발전기에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 마그네트 베어링의 크기가 과도하게 커지는 것을 저지하면서도 과도한 외란에 대해서도 대응력을 확보할 수 있는, 풍향 및 풍속 신호를 이용하여 정상 하중보다 큰 축방향 및 반경방향 외란에 강인한 마그네트 베어링 및 그를 구비하는 풍력발전기에 관한 것이다.The present invention relates to a magnet bearing and a wind power generator having the same, and more specifically, by using a wind direction and wind speed signal, which can secure an ability to respond to excessive disturbance while preventing an excessively large size of the magnet bearing. The present invention relates to a magnet bearing that is robust to axial and radial disturbances larger than a normal load, and a wind turbine having the same.

풍력발전기(혹은 풍력터빈)는 바람에 의한 회전에너지로부터 전기에너지를 생산하는 장치로서, 화석연료의 고갈과 환경문제로 인해 점차 그 비중이 커지고 있다.Wind power generators (or wind turbines) are devices that produce electrical energy from rotating energy caused by wind, and their weight is gradually increasing due to exhaustion of fossil fuels and environmental problems.

이러한 풍력발전기는 바람에 의해 회전되는 복수의 블레이드(blade)가 허브(hub)에 연결되어 마련되는 로터(rotor)와, 로터와 연결되는 나셀(nacelle)을 지지하면서 보호하는 나셀 커버(nacelle cover)와, 나셀 커버를 지지하는 타워(tower)를 포함할 수 있다.The wind turbine is a rotor provided with a plurality of blades rotated by the wind connected to a hub, and a nacelle cover that protects while supporting a nacelle connected to the rotor. And, it may include a tower (tower) for supporting the nacelle cover.

블레이드는 공기 역학적으로 설계된 형상을 이용하여 바람의 에너지에서 유용한 공력 토크(torque)를 발생시키고 이 공력 토크를 이용하여 발전기를 회전시켜 전기를 발생시킨다.The blade uses aerodynamically designed shapes to generate useful aerodynamic torque in the wind energy and uses the aerodynamic torque to rotate the generator to generate electricity.

한편, 위의 구조가 풍력발전기에서 일반적인 구조인데, 이러한 고전적인 풍력발전기는 허브, 베어링 및 증속기 등으로 이루어진 회전부의 노화 및 왜형으로 인한 고장과 유지보수 비용 등의 부담이 큰 단점을 갖는다.On the other hand, the above structure is a general structure in a wind power generator, and such a classic wind power generator has a great disadvantage in that a burden such as failure and maintenance costs due to aging and distortion of a rotating part made of a hub, a bearing, and a speed reducer.

그 때문에, 증속기가 없는 직구동 방식의 영구자석형 동기발전기를 많이 사용하는 추세이지만, 여전히 허브 및 로터 베어링 등의 기계적 회전부 고정 및 회전 부위에서의 문제는 상존하고 있는 실정이다.For this reason, although there is a tendency to use many permanent magnet type synchronous generators of a direct drive type without a speed increaser, there are still problems in fixing and rotating parts of mechanical rotating parts such as hubs and rotor bearings.

한편, 기계적 베어링의 문제를 제거하는 방법으로 마그네트 베어링(Magnet bearing)의 적용을 고려해볼 수 있다.On the other hand, it is possible to consider the application of a magnet bearing (Magnet bearing) as a way to eliminate the problem of mechanical bearings.

다만, 마그네트 베어링을 적용할 경우, 정상 운전상태에서는 문제가 없으나, 비정상 운전상태 즉, 반경 방향의 돌풍이 발생할 때에 그에 의한 외란의 힘이 정상 부하의 최대 4배에 달하므로 마그네트 베어링이 로터와 비접촉을 유지하고 안전을 확보하기 위해서는 마그네트 베어링의 크기가 외란의 배율에 비례하여 커져야 하는데, 이러한 문제가 풍력발전기에 마그네트 베어링의 적용을 제한하는 주요인이 되고 있다는 점을 고려해볼 때, 이를 해결하기 위한 기술 개발이 필요한 실정이다.However, when the magnet bearing is applied, there is no problem in the normal operating state, but when the abnormal driving state, that is, in the radial gust, the disturbance force caused by it reaches up to 4 times the normal load, the magnetic bearing does not contact the rotor. In order to maintain and secure safety, considering the fact that the size of the magnet bearing must be increased in proportion to the magnification of the disturbance, considering that this problem has become a major factor limiting the application of the magnet bearing to the wind turbine, a technique for solving it Development is necessary.

대한민국특허청 출원번호 제10-2007-0093836호Korea Patent Office Application No. 10-2007-0093836 대한민국특허청 출원번호 제10-2009-0106930호Korea Patent Office Application No. 10-2009-0106930 대한민국특허청 출원번호 제10-2010-0021868호Korea Patent Office Application No. 10-2010-0021868 대한민국특허청 출원번호 제10-2018-0014832호Korea Patent Office Application No. 10-2018-0014832

본 발명의 목적은, 마그네트 베어링의 크기가 과도하게 커지는 것을 저지하면서도 과도한 외란에 대해서도 대응력을 확보할 수 있는, 풍향 및 풍속 신호를 이용하여 정상 하중보다 큰 축방향 및 반경방향 외란에 강인한 마그네트 베어링 및 그를 구비하는 풍력발전기를 제공하는 것이다.An object of the present invention, while preventing the size of the magnet bearing from being excessively large, a magnet bearing that is robust against axial and radial disturbances greater than the normal load by using wind direction and wind speed signals, which can secure a response against excessive disturbance, and It is to provide a wind power generator having the same.

상기 목적은, 베어링 반경 방향의 상부 전자석에만 영구자석이 설치되되 정상위치 운전시에 축중심 하중(normal load)을 감당할 수 있도록 함으로써 정밀 위치제어를 위한 전력소모만 필요하도록 하여 최소 전력소모를 보장하며, 바람에 의한 외란을 측정하고 그 변화를 예측하여 상기 베어링 중심축의 위치를 외란 포스(force)의 반대 방향으로 미리 이동시킨 상태로 운전하는 것을 특징으로 하는 마그네트 베어링에 의해 달성된다. 이는 마그네트 전류의 제어가 1 msec보다 더 짧은 주기에 이루어지는 데 반하여 풍향 및 풍속의 변화는 연속적이며 서서히 일어난다는 점에서 과도한 크기의 외란에 대하여 사전에 대응할 수 있다는 점에서 가능한 구현기술이다.The above object is to ensure that the minimum power consumption is required by only requiring power consumption for precise position control by installing a permanent magnet only in the upper electromagnet in the radial direction of the bearing, but can handle the normal load during normal position operation. , It is achieved by a magnet bearing, characterized in that driving in a state in which the position of the central axis of the bearing is previously moved in the opposite direction of the disturbance force by measuring the disturbance caused by the wind and predicting the change. This is a possible implementation technique in that the control of the magnet current is performed in a cycle shorter than 1 msec, whereas the change in wind direction and wind speed is continuous and gradually occurs, so that it can respond in advance to excessive magnitude disturbances.

한편, 상기 목적은, 복수의 블레이드(blade); 상기 블레이드의 축방향 하중을 지지하는 타워(tower); 및 상기 블레이드의 회전에 의해 전기를 생산하는 구조체의 한 부분을 담당하는 마그네트 베어링(Magnet bearing)을 포함하며, 상기 마그네트 베어링은, 베어링 반경 방향의 상부 전자석에만 영구자석이 설치되되 정상위치 운전시에 축중심 하중(normal load)을 감당할 수 있도록 함으로써 정밀 위치제어를 위한 전력소모만 있도록 하여 최소 전력소모를 보장하며, 바람에 의한 외란을 측정하고 그 변화를 예측하여 상기 베어링 중심축의 위치를 외란 포스(force)의 반대 방향으로 이동시킨 상태로 운전하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기에 의해서도 달성된다.On the other hand, the object is, a plurality of blades (blade); A tower supporting an axial load of the blade; And a magnet bearing in charge of a part of the structure that produces electricity by rotation of the blade, wherein the magnet bearing is provided with a permanent magnet only in the upper electromagnet in the radial direction of the bearing, but in normal position operation. By allowing normal load to be applied, it ensures minimum power consumption by ensuring only power consumption for precise position control, measures disturbances caused by wind, and predicts the change. It is also achieved by a wind turbine characterized in that the driving in the state moved in the opposite direction of (force).

외란의 방향을 측정하는 풍향계, 풍속의 변화를 감지하는 풍속계, 및 상기 풍향계 및 상기 풍속계의 정보와 상기 마그네트 베어링의 자속 여유도를 고려하여 상기 마그네트 베어링의 중심축 위치가 이동하도록 컨트롤하는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.A wind vane measuring the direction of disturbance, an anemometer detecting a change in wind speed, and a controller for controlling the position of the central axis of the magnet bearing to move in consideration of the information of the wind vane and the anemometer and the magnetic flux margin of the magnet bearing It can contain.

본 발명에 따르면, 마그네트 베어링의 크기가 과도하게 커지는 것을 저지하면서도 과도한 외란에 대해서도 대응력을 확보할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, while preventing the size of the magnet bearing from becoming excessively large, there is an effect that can secure a response against excessive disturbance.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기의 구조도이다.
도 2는 마그네트 베어링의 구조도이다.
도 3은 풍력발전기의 제어블록도이다.1 is a structural diagram of a wind power generator according to an embodiment of the present invention.
2 is a structural diagram of a magnet bearing.
3 is a control block diagram of a wind turbine.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art to which the present invention pertains may easily practice.

그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.However, the description of the present invention is only an example for structural or functional description, and the scope of the present invention should not be interpreted as being limited by the examples described in the text.

예컨대, 실시예들은 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있기 때문에 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.For example, it should be understood that the scope of the present invention includes equivalents capable of realizing the technical idea because the embodiments can be variously modified and have various forms.

또한 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니기 때문에 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.In addition, the objectives or effects presented in the present invention should not be understood as being limited by the scope of the present invention, because it does not mean that a specific embodiment should include all or only those effects.

본 명세서에서, 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.In this specification, the present embodiment is provided to make the disclosure of the present invention complete, and to fully inform the scope of the invention to those skilled in the art to which the present invention pertains. And the present invention is only defined by the scope of the claims.

따라서 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.Thus, in some embodiments, well-known components, well-known operations, and well-known techniques are not specifically described to avoid obscuring the present invention.

한편, 본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 사전적 의미에 제한되지 않으며, 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.Meanwhile, the meaning of the terms described in the present invention is not limited to the dictionary meaning, and should be understood as follows.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.When a component is said to be "connected" to another component, it may be understood that other components may exist in the middle, although they may be directly connected to the other component. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" to another component, it should be understood that no other component exists in the middle. On the other hand, other expressions describing the relationship between the components, that is, "between" and "immediately between" or "adjacent to" and "directly neighboring to" should be interpreted similarly.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Singular expressions are to be understood to include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise, and terms such as "comprises" or "have" include the features, numbers, steps, actions, components, parts or components described. It is to be understood that a combination is intended to be present, and should not be understood as pre-excluding the existence or addition possibility of one or more other features or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.All terms used herein have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art to which the present invention pertains, unless otherwise defined.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.The terms defined in the commonly used dictionary should be interpreted to be consistent with meanings in the context of related technologies, and cannot be interpreted as having ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined in the present invention.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 실시예의 설명 중 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하며, 경우에 따라 동일한 참조부호에 대한 설명은 생략하도록 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the embodiment, the same reference numerals are assigned to the same components, and the description of the same reference numerals is omitted in some cases.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기의 구조도, 도 2는 마그네트 베어링의 구조도, 도 3은 풍력발전기의 제어블록도이다.1 is a structural diagram of a wind power generator according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a structural diagram of a magnet bearing, and FIG. 3 is a control block diagram of the wind power generator.

이들 도면을 참조하되 우선 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기(100)는 복수의 블레이드(105, blade)와, 블레이드(105)의 축방향 하중을 지지하는 타워(101, tower)를 포함한다.Referring to these drawings, but first referring to Figure 1, the wind turbine 100 according to an embodiment of the present invention a plurality of blades (105, blade), the tower 101 supporting the axial load of the blade 105 , tower).

블레이드(105)는 바람에 의해 회전되면서 회전운동을 발생시키는 날개다. 허브(102)를 기준으로 방사상으로 배치되는 블레이드(105)는 바람에 의해 쉽게 회전될 수 있도록 유선형의 날개 형상을 가질 수 있으며, 2개 이상이 적용될 수 있다.The blade 105 is a blade that rotates by the wind to generate rotational motion. The blade 105 radially disposed with respect to the hub 102 may have a streamlined wing shape so that it can be easily rotated by wind, and two or more blades may be applied.

본 실시예의 풍력발전기에는 3개의 블레이드(105)가 적용되고 있지만 이의 개수에 본 발명의 권리범위가 제한되지 않는다.Three blades 105 are applied to the wind power generator of this embodiment, but the scope of the present invention is not limited to the number thereof.

허브(102)는 복수의 블레이드(105)가 연결되는 장소이다. 허브(102)와 복수의 블레이드(105)를 통틀어 로터(rotor)라 부르기도 한다. 허브(102)는 정면에서 바라볼 때 대략 원형의 형상을 가지며, 측면에서 바라볼 때는 돔(dome) 형상을 이룰 수 있다.The hub 102 is a place where a plurality of blades 105 are connected. The hub 102 and the plurality of blades 105 are collectively referred to as a rotor. The hub 102 has a substantially circular shape when viewed from the front, and a dome shape when viewed from the side.

타워(101)는 상하로 길게 배치되는 축으로서, 복수의 블레이드(105) 등의 구조물에 대한 축방향 하중을 지지한다.The tower 101 is an axis that is disposed vertically long, and supports an axial load on structures such as a plurality of blades 105.

타워(101) 역시, 블레이드(105)와 마찬가지로 내부가 빈 파이프(pipe) 형의 구조물이며, 타워(101)의 내부 빈 공간을 통해 케이블(cable) 등이 통과된다. 케이블은 송전용 파워 케이블(power cable), 통신용 케이블(cable) 등을 포함한 다양한 종류의 케이블일 수 있다.The tower 101, like the blade 105, is a hollow pipe type structure, and a cable or the like passes through the inner empty space of the tower 101. The cable may be various types of cables, including power cables for transmission and cables for communication.

허브(102)에는 블레이드(105)의 회전운동을 전달받아 동력을 발생시켜 전기에너지를 생산하는 여러 부품의 조합으로 이루어진 구조체가 연결되며, 이러한 구조체는 커버(106, cover)로 보호된다.The hub 102 is connected to a structure made of a combination of various parts that generate electric energy by generating power by receiving rotational motion of the blade 105, and the structure is protected by a cover 106.

자세히 도시하지는 않았으나 여기서 말하는 구조체는 마그네트 베어링(Magnet bearing, 110)을 포함할 수 있다.Although not shown in detail, the structure referred to herein may include a magnet bearing (110).

마그네트 베어링(110)은 자기부상의 원리를 이용하여 로터의 회전축을 비접촉으로 지지한다. 때문에, 기계의 진동 및 소음은 물론 마모, 마찰 등이 없고 반영구적인 특징이 있다.The magnet bearing 110 supports the rotating shaft of the rotor in a non-contact manner using the principle of magnetic levitation. Therefore, there is no vibration and noise of the machine, there is no abrasion, friction, etc., and has a semi-permanent characteristic.

그뿐만 아니라 본 실시예에 적용되는 마그네트 베어링(110)은 구조적인 특징으로 인해 그 크기가 과도하게 커지는 것을 저지하면서도 과도한 외란에 대해서도 대응력을 확보할 수 있게끔 한다.In addition, the magnet bearing 110 applied to this embodiment prevents the size from being excessively large due to the structural characteristics, and enables to secure a response against excessive disturbance.

특히, 후술하는 것처럼 본 실시예에 적용되는 마그네트 베어링(110)은 베어링 반경 방향의 상부 전자석(130)에만 영구자석(132)을 설치하여 축 중심운전(normal load)을 감당할 수 있도록 설치함으로써 영구자석(132)이 없는 경우에 비하여 소모전력을 최소화하고 전자석(130) 제작비용을 최소화할 수 있게끔 한다.In particular, as will be described later, the magnet bearing 110 applied to the present embodiment is provided with a permanent magnet 132 installed only in the upper electromagnet 130 in the radial direction of the bearing so as to be able to handle an axial center load (normal load). Compared to the case where there is no (132), power consumption is minimized and the manufacturing cost of the electromagnet 130 can be minimized.

또한, 본 실시예에서는 풍향계(171) 및 풍속계(172)를 이용하여 바람에 의한 외란을 측정하고, 그 변화를 예측하여 중심축(120)의 위치를 외란 포스(force)의 반대 방향으로 이동시킨 상태로 운전함으로써 정상 부하의 최대 4배를 지탱하기 위해 필요한 자로 단면적을 4배로 하지 않고, 2배 이내로 함으로써 대형 풍력발전기에서 마그네트 베어링(110)을 사용할 수 있는 방안을 제시한다.In addition, in this embodiment, the disturbance caused by the wind is measured using the wind vane 171 and the anemometer 172, and the change of the center axis 120 is moved in the opposite direction of the disturbance force by predicting the change. It is proposed to use a magnet bearing 110 in a large wind power generator by making it within 2 times, without doubling the cross-sectional area to 4 times as a ruler required to support a maximum of 4 times the normal load by driving in a state.

한편, 마그네트 베어링(110)이 로터 부하를 지탱하기 위해서는 최소 Mg KN의 힘이 필요한데, 여기에 충분한 제어 능력을 갖기 위해서는 대략 30~50%의 추가적 힘을 낼 수 있는 전자석(130)의 설계가 필요하다.On the other hand, the magnet bearing 110 requires a minimum Mg KN force in order to support the rotor load, and in order to have sufficient control capability, the design of the electromagnet 130 capable of generating approximately 30-50% additional force is required. Do.

실제, 풍력발전기(100)는 바람이 많이 부는 지역에 설치되는데, 돌풍이 부는 경우, 로터 무게 3배 이상의 돌풍 하중이 인가되는 경우가 있으며, 이것이 기존 풍력발전기의 베어링 부위에 손상을 가져오는 주된 원인이 되고 있다.Actually, the wind power generator 100 is installed in an area where there is a lot of wind, and when a gust is blown, there may be a case where a gust load of 3 times or more of the rotor weight is applied, which is the main cause of damage to the bearing portion of the existing wind power generator. Is becoming

전자석(130)의 세기는 전류의 제곱, 그리고, 전자석(130) 권선 수의 제곱에 비례하며, 베어링 부분의 간극의 제곱에 반비례한다.The strength of the electromagnet 130 is proportional to the square of the current and the number of windings of the electromagnet 130, and is inversely proportional to the square of the gap in the bearing portion.

전자석(130) 설계에서 중요한 요소는 전자석(130)의 자로가 포화되지 않도록 해야 하는데, 이를 위해서 전자석(130)을 크게 하는 것은 전자석(130)의 중량이 늘어나서 풍력발전기(100)의 타워(101) 건설 및 베어링 단가의 상승이 따르게 된다.An important element in the design of the electromagnet 130 is to prevent the magnetic path of the electromagnet 130 from being saturated. To this end, increasing the electromagnet 130 increases the weight of the electromagnet 130 so that the tower 101 of the wind power generator 100 The rise in construction and bearing costs will follow.

본 발명은 풍력발전기(100)의 외란이 로타 정적부하의 k배가 되는 경우, 자로 포화를 방지하기 위하여 전자석(130)의 자로 단면적을 k배로 하지 않고, 외란에 대응할 수 있게끔 하는 제어 기술을 제공한다.The present invention provides a control technology that can cope with disturbances without cross-sectional area of the electromagnet 130 by k times to prevent saturation when the disturbance of the wind turbine 100 is k times the static load of the rotor. .

외란에 대응하는 방법으로 전류의 증가를 최소화하고, 또한 자로 단면적의 증가를 최소화하기 위해, 외란의 방향과 크기의 변화를 사전에 측정 및 예측하여 외란에 대응하는 방향의 갭(gap)을 줄여줌으로써 외란에 대응하는 힘을 증가시키는 방법이다.By minimizing the increase in current in a way that responds to disturbances and also minimizing the increase in cross-sectional area of the magnetic path, by measuring and predicting changes in the direction and size of the disturbance in advance, the gap in the direction corresponding to the disturbance is reduced. It is a way to increase the power to respond to disturbances.

예컨대, 풍향계(171)와 풍속계(172)를 이용하여 풍향과 풍속을 측정하고, 풍속에 대응하여 마그네트 베어링(110)의 중심축(120)을 미리 이동시키면 전류의 큰 증가 없이 외란에 대응하는 힘을 확보할 수 있다. 그러므로 전자석(130)의 자로 단면적을 과도하게 증가시키지 않아도 사전에 축과 외란 방향의 전자석 간의 거리를 줄여줌으로써 마그네트 베어링(110)의 안정성을 유지하고, 마그네트 베어링(110)을 안전하게 유지할 수 있다.For example, the wind direction and wind speed are measured using the wind vane 171 and the anemometer 172, and when the center axis 120 of the magnet bearing 110 is moved in advance in response to the wind speed, the force corresponding to the disturbance without a large increase in current Can be secured. Therefore, even without excessively increasing the cross-sectional area with the ruler of the electromagnet 130, it is possible to maintain the stability of the magnet bearing 110 by reducing the distance between the shaft and the electromagnet in the disturbance direction in advance, and safely maintain the magnet bearing 110.

전자석(130)의 전류 제어는 20 Khz 초퍼(chopper)를 이용하며, 이에 따라 제어기도 고속으로 계산하여 20 Khz를 제어 주기로 한다.The current control of the electromagnet 130 uses a 20 Khz chopper, and accordingly, the controller is also calculated at a high speed to control 20 Khz as a control cycle.

본 실시예에서는 정상 부하 시 전력 소모 최소화를 위해 영구자석(132)을 매립하는 형태로 마련된다. 이때, 반경 방향의 전자석(130) 중에 상부의 한 개만 영구자석(132)을 매립할 수 있다.In this embodiment, the permanent magnet 132 is provided in a form of embedding to minimize power consumption during normal load. At this time, only one of the upper magnets 132 in the radial electromagnet 130 may be embedded.

영구자석(132)을 수직 상부에, 정상 거리에서 Mg KN force를 내도록 설치하여 정상 운전 시에는 거의 제로 파워 로스(zero power loss)로 운전하게 하며, 중심축(120)을 아래로 내려야 할 때는 아래의 베어링 전류 증가 및 상부의 전류를 영구자석(132) 약화 방향으로, 중심축(120)을 올려야 할 때는 상부의 전류를 영구자석(132) 강화 방향으로, 아래의 전자석(130)은 전류를 제로(zero) 가까이 줄일 수 있다.The permanent magnet 132 is installed on the vertical upper part to exert Mg KN force at a normal distance, so that it is operated with almost zero power loss during normal operation, and when the central axis 120 needs to be lowered down, Increasing the bearing current and increasing the current in the direction of weakening the permanent magnet 132, and when the central axis 120 needs to be raised, the current in the upper direction is in the direction of strengthening the permanent magnet 132, and the lower electromagnet 130 has zero current. (zero) can be reduced closer.

이때, 상부 전자석(130) 제어용 초퍼(chopper)만 4 상한 운전을 하고, 하부 전자석(130) 구동 및 측면 방향의 2개 초퍼 등 3개와 축 방향의 초퍼 2개는 4 상한 초퍼 또는 2 상한 초퍼로 구현할 수도 있다.At this time, only the chopper for controlling the upper electromagnet 130 performs 4 upper limit driving, and 3 such as the driving of the lower electromagnet 130 and 2 choppers in the lateral direction and 2 choppers in the axial direction are 4 upper limit choppers or 2 upper limit choppers. You can also implement

한편, 본 실시예의 풍력발전기(100)에 풍향계(171), 풍속계(172) 및 컨트롤러(180)가 탑재된다.On the other hand, a wind vane 171, an anemometer 172, and a controller 180 are mounted on the wind power generator 100 of this embodiment.

풍향계(171)는 외란의 방향을 측정하고, 풍속계(172)는 풍속의 변화를 감지한다. 그리고, 컨트롤러(180)는 풍향계(171) 및 풍속계(172)의 정보와 마그네트 베어링(110)의 자속 여유도를 고려하여 마그네트 베어링(110)의 중심축(120) 위치가 이동하도록 컨트롤한다. 예를 들어 거리를 1/2로 하면 같은 전류로도 4배의 힘을 낼 수 있다. 같은 크기의 전자석으로 4배의 하중을 버티며, 안전을 유지할 수 있게 된다는 의미로 해석될 수 있다.The wind vane 171 measures the direction of disturbance, and the anemometer 172 detects a change in wind speed. Then, the controller 180 controls the position of the central axis 120 of the magnet bearing 110 to move in consideration of the information of the wind vane 171 and the anemometer 172 and the magnetic flux margin of the magnet bearing 110. For example, if the distance is 1/2, it can generate 4 times the power with the same current. It can be interpreted to mean that it can withstand a load of 4 times with an electromagnet of the same size and maintain safety.

특히, 컨트롤러(180)는 풍향계(171) 및 풍속계(172)의 정보, 즉 신호를 받는다. 돌풍이 일정 범위 이상으로 증가할 가능성이 있을 때 미리 베어링 중심축(120)을 돌풍이 오는 방향으로 갭(gap)을 줄여감으로써 최대 돌풍시에 정상위치에서는 약 2배의 전류가 흘러서 포스(force)를 4배로 하여야 하지만, 미리 갭(gap)을 2/3로 줄여주면, 전류를 1.3배 정도만 흘려줘도 자중과 외란을 포함하는 약 4배의 유지력을 확보할 수 있게 된다. 그러므로 마그네트 베어링(110)의 자로 단면적을 1.3배 정도, 즉 정상적인 마진(margin) 내에서 과도한 외란에 대응이 가능하다는 장점이 있다.In particular, the controller 180 receives the information of the wind vane 171 and the anemometer 172, that is, a signal. When the gust is likely to increase beyond a certain range, by reducing the gap in the direction in which the blast comes from the bearing central axis 120 in advance, about twice the current flows at the normal position during the maximum gust to force it. ) Should be quadrupled, but if the gap is reduced to 2/3 in advance, it is possible to secure a holding force of about 4 times, including self-weight and disturbance, even if only 1.3 times the current is passed. Therefore, there is an advantage that the cross-sectional area of the magnet bearing 110 is about 1.3 times, that is, it is possible to cope with excessive disturbance within a normal margin.

돌풍 외란에 대응하기 위해서 정상 부하의 4배를 감당하기 위해서는 자료의 단면적이 4배가 되어야 하는데, 1,3배만 되게 하면 되므로 과도한 마그네트 베어링(110)의 중량증대(4배)를 1.3배로 하면서 필요기능을 수행할 수 있게 되는 것이다. 거리를 1/2로 제어하면 마그네트 베어링의 단면적 증가 없이도 모든 대응이 가능하다.In order to cope with the blast disturbance, the cross-sectional area of the data should be 4 times in order to handle 4 times the normal load, but it is only necessary to make it 1, 3 times, so the necessary function while increasing the weight increase (4 times) of the excessive magnet bearing 110 to 1.3 times You will be able to do it. If the distance is controlled to 1/2, all responses are possible without increasing the cross-sectional area of the magnet bearing.

이러한 역할을 수행하는 컨트롤러(180)는 중앙처리장치(181, CPU), 메모리(182, MEMORY), 그리고 서포트 회로(183, SUPPORT CIRCUIT)를 포함할 수 있다.The controller 180 performing such a role may include a central processing unit 181 (CPU), a memory 182 (MEMORY), and a support circuit (183, SUPPORT CIRCUIT).

중앙처리장치(181)는 본 실시예에서 풍향계(171) 및 풍속계(172)의 정보에 기초하여 마그네트 베어링(110)의 중심축(120) 위치를 컨트롤하기 위해서 산업적으로 적용될 수 있는 다양한 컴퓨터 프로세서들 중 하나일 수 있다.The central processing unit 181 is a variety of computer processors that can be applied industrially to control the position of the central axis 120 of the magnet bearing 110 based on the information of the wind vane 171 and the anemometer 172 in this embodiment. It can be either.

메모리(182, MEMORY)는 중앙처리장치(181)와 연결된다. 메모리(182)는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체로서 로컬 또는 원격지에 설치될 수 있으며, 예를 들면 랜덤 액세스 메모리(RAM), ROM, 플로피 디스크, 하드 디스크 또는 임의의 디지털 저장 형태와 같이 쉽게 이용가능한 적어도 하나 이상의 메모리일 수 있다.The memories 182 and MEMORY are connected to the central processing unit 181. The memory 182 may be installed in a local or remote location as a computer-readable recording medium, and is easily available, for example, random access memory (RAM), ROM, floppy disk, hard disk, or any digital storage form. It may be at least one memory.

서포트 회로(183, SUPPORT CIRCUIT)는 중앙처리장치(181)와 결합되어 프로세서의 전형적인 동작을 지원한다. 이러한 서포트 회로(183)는 캐시, 파워 서플라이, 클록 회로, 입/출력 회로, 서브시스템 등을 포함할 수 있다.The support circuit 183 (SUPPORT CIRCUIT) is combined with the central processing unit 181 to support the typical operation of the processor. The support circuit 183 may include a cache, a power supply, a clock circuit, an input/output circuit, a subsystem, and the like.

본 실시예에서 컨트롤러(180)는 풍향계(171) 및 풍속계(172)의 정보에 기초하여 마그네트 베어링(110)의 중심축(120) 위치를 컨트롤하는데, 이러한 일련의 컨트롤 프로세스 등은 메모리(182)에 저장될 수 있다. 전형적으로는 소프트웨어 루틴이 메모리(182)에 저장될 수 있다. 소프트웨어 루틴은 또한 다른 중앙처리장치(미도시)에 의해서 저장되거나 실행될 수 있다.In this embodiment, the controller 180 controls the position of the central axis 120 of the magnet bearing 110 based on the information of the wind vane 171 and the anemometer 172, such a series of control processes, such as memory 182 Can be stored in. Typically, software routines may be stored in memory 182. Software routines may also be stored or executed by other central processing units (not shown).

본 발명에 따른 프로세스는 소프트웨어 루틴에 의해 실행되는 것으로 설명하였지만, 본 발명의 프로세스들 중 적어도 일부는 하드웨어에 의해 수행되는 것도 가능하다. 이처럼, 본 발명의 프로세스들은 컴퓨터 시스템 상에서 수행되는 소프트웨어로 구현되거나 또는 집적 회로와 같은 하드웨어로 구현되거나 또는 소프트웨어와 하드웨어의 조합에 의해서 구현될 수 있다.Although the process according to the invention has been described as being executed by a software routine, it is also possible that at least some of the processes of the invention are performed by hardware. As such, the processes of the present invention may be implemented in software executed on a computer system, hardware such as an integrated circuit, or a combination of software and hardware.

컨트롤러(180)에 의한 마그네트 베어링(110)의 컨트롤을 좀 더 부연한다. 본 실시예의 경우, 매우 큰 외란이 오기 전에 중심축(120)의 위치를 움직여서 전자석(130)의 자기 포화가 되지 않은 범위에서 마그네트 베어링(110)의 기능을 달성할 수 있도록 함으로써 마그네트 베어링(110)의 무게를 기존의 정상 크기로 구현되도록 한다.The control of the magnet bearing 110 by the controller 180 is further expanded. In the case of this embodiment, by moving the position of the central axis 120 before a very large disturbance comes to enable the magnetic bearing 130 to achieve the function of the magnet bearing 110 in a range that is not self-saturating, the magnet bearing 110 The weight of is to be implemented in the existing normal size.

이상 설명한 바와 같은 구조를 기반으로 작용을 하는 본 실시예에 따르면, 마그네트 베어링의 크기가 과도하게 커지는 것을 저지하면서도 과도한 외란에 대해서도 대응력을 확보할 수 있다. 특히, 현재 경제성과 과도한 마그네트 베어링의 크기 및 무게 문제 때문에 이루어지지 못하는 마그네트 베어링의 풍력발전기 적용 난제의 해결 방안을 제시할 수 있다.According to the present embodiment acting on the basis of the structure as described above, while preventing the size of the magnet bearing from being excessively large, it is possible to secure a response to excessive disturbance. In particular, it is possible to present a solution for the difficulty of applying the wind power generator of the magnet bearing that cannot be achieved due to the current economic feasibility and the size and weight problems of the excessive magnet bearing.

이처럼 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 청구범위에 속한다고 하여야 할 것이다.As such, the present invention is not limited to the described embodiments, and it is obvious to those skilled in the art that various modifications and variations can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, it should be said that such modifications or variations belong to the claims of the present invention.

100 : 풍력발전기 101 : 타워
105 : 블레이드 110 : 마그네트 베어링
120 : 중심축 130 : 전자석
132 : 영구자석 171 : 풍향계
172 : 풍속계 180 : 컨트롤러100: wind power generator 101: tower
105: blade 110: magnet bearing
120: central axis 130: electromagnet
132: permanent magnet 171: wind vane
172: anemometer 180: controller

Claims (3)

베어링 반경 방향의 상부 전자석에만 영구자석이 설치되되 정상위치 운전시에 축중심 하중(normal load)을 감당할 수 있도록 함으로써 정밀 위치제어를 위한 전력소모만 있도록 하여 최소 전력소모를 보장하며,
바람에 의한 외란을 측정하고 그 변화를 예측하여 상기 베어링 중심축의 위치를 외란 포스(force)의 반대 방향으로 이동시킨 상태로 운전하는 것을 특징으로 하는 마그네트 베어링.
Permanent magnets are installed only in the upper electromagnet in the radial direction of the bearing, so that it can handle the normal load during normal position operation, thereby ensuring only the power consumption for precise position control, ensuring minimum power consumption.
A magnetic bearing, characterized in that it operates by moving the position of the central axis of the bearing in the opposite direction of the disturbance force by measuring the disturbance caused by the wind and predicting the change.
복수의 블레이드(blade);
상기 블레이드의 축방향 하중을 지지하는 타워(tower); 및
상기 블레이드의 회전에 의해 전기를 생산하는 구조체의 한 부분을 담당하는 마그네트 베어링(Magnet bearing)을 포함하며,
상기 마그네트 베어링은,
베어링 반경 방향의 상부 전자석에만 영구자석이 설치되되 정상위치 운전시에 축중심 하중(normal load)을 감당할 수 있도록 함으로써 정밀 위치제어를 위한 전력소모만 있도록 하여 최소 전력소모를 보장하며,
바람에 의한 외란을 측정하고 그 변화를 예측하여 상기 베어링 중심축의 위치를 외란 포스(force)의 반대 방향으로 이동시킨 상태로 운전하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
A plurality of blades;
A tower supporting an axial load of the blade; And
It includes a magnet bearing (Magnet bearing) responsible for a part of the structure for generating electricity by the rotation of the blade,
The magnet bearing,
Permanent magnets are installed only in the upper electromagnet in the radial direction of the bearing, so that it can handle the normal load during normal position operation, thereby ensuring only the power consumption for precise position control, ensuring minimum power consumption.
Wind power generator characterized in that the driving by moving the position of the center of the bearing in the opposite direction of the disturbance force by measuring the disturbance caused by wind and predicting the change.
제2항에 있어서,
외란의 방향을 측정하는 풍향계;
풍속의 변화를 감지하는 풍속계; 및
상기 풍향계 및 상기 풍속계의 정보와 상기 마그네트 베어링의 자속 여유도를 고려하여 상기 마그네트 베어링의 중심축 위치가 이동하도록 컨트롤하는 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.According to claim 2,
Wind vane measuring the direction of disturbance;
An anemometer that detects a change in wind speed; And
And a controller for controlling the position of the central axis of the magnet bearing to move in consideration of the information of the wind vane and the anemometer and the magnetic flux margin of the magnet bearing.
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