KR20060051920A - 영구자석식 회전전기 및 풍력 발전시스템 - Google Patents

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KR20060051920A
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마모루 기무라
가즈마사 이데
모토노부 이이즈카
슈지 미즈타니
데츠오 후지가키
겐고 이와시게
히사토 다가와
유사쿠 마루노
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가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
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Abstract

본 발명은 회전전기, 특히 풍력 발전용 회전전기에 있어서 냉각성능을 향상하여 체격을 축소하는 것이다.
이를 위하여 본 발명에서는 회전전기 및 풍력 발전시스템을, 고정자 철심에 분포권을 실시한 고정자와 영구자석 회전자를 가지는 영구자석식 회전전기에 있어서, 상기 영구자석 회전자가 축방향으로 통풍로를 배치한 것으로 한다. 또 축방향으로 냉각풍을 보내는 팬을 회전축에 설치한 것으로 한다. 또한 영구자석 회전자를 회전자 코어가 스파이더를 사용하여 샤프트에 접속한 것으로 한다.

Description

영구자석식 회전전기 및 풍력 발전시스템{ROTARY ELECTRIC MACHINE USING PERMANENT MAGNET AND WIND TURBINE SYSTEM}
도 1은 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 1)
도 2는 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 1)
도 3은 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 1)
도 4는 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 1)
도 5는 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 1)
도 6은 회전전기의 실시방법을 나타내는 설명도, (실시예 1)
도 7은 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 1)
도 8은 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 1)
도 9는 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 1)
도 10은 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 1)
도 11은 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 1)
도 12는 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 1)
도 13은 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 1)
도 14는 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 1)
도 15는 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 1)
도 16은 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 2)
도 17은 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도이다. (실시예 3)
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 100 : 고정자 2, 30, 50, 60, 70 : 회전자
4 : 덕트피스 5 : 스파이더
6 : 샤프트 7 : 냉각덕트
8 : 상 코일 9 : 하 코일
10 : 코일엔드 11 : 코일
12 : 고정자 티스 13 : 고정자 슬롯
14 : 영구자석 슬롯 20 : 회전자 철심
21 : 에어쿨러 22 : 팬
23 : 냉각풍의 흐름 24 : 외기
25 : 덕트 스페이스 31 : 아크형 자석
41, 42 : 평판 자석 51, 61, 71 : 통풍구멍
82, 92 : 영구자석 83 : 가이드
101 : 접착제 102 : 돌기
103 : 비자성 쐐기 111 : 회전전기
112 : 풍차 113 : 증속 기어
114 : 풍차 나셀 115 : 전력변환기
본 발명은, 영구자석식 회전전기 및 풍력 발전시스템에 관한 것이다.
풍력 발전 도입량이 최근 비약적으로 증가하고 있어, 점점 더 대용량화의 요구가 높아지고 있다. 대용량화를 행할 때에는 가령 효율이 높더라도 그 손실은 절대값으로서는 큰 것이 된다. 그 때문에 발열밀도를 소용량기와 같은 정도로 하기 위하여 회전전기 체격을 크게 한 경우에는, 중량 증가가 된다. 풍력 발전의 특성상, 회전전기는 지상 약 100 m 정도의 타워 상부에 설치되기 때문에 중량물을 100 m의 높은 곳으로 매달아 올리는 작업이 필요하게 되어 건설 비용 저감을 위해서는 중량은 가능한 한 가볍게 하는 것이 바람직하다.
따라서, 체격을 작게 하여 발열밀도를 올릴 필요가 있으나, 높은 발열밀도는 높은 냉각성능을 요구하여 결과적으로 비용증가로 이어진다.
또, 지금까지 있었던 영구자석식 회전전기에서는 용량이 작기 때문에 냉각을 문제로 하는 일은 없었다.
개선책으로서는, 소용량의 회전전기를 다단 접속하는 방법이 있으나, 축방향으로의 증가는 피할 수 없다.
[특허문헌 1]
일본국 특개2001-186740호 공보
[특허문헌 2]
일본국 특개평10-318120호 공보
해결하고자 하는 과제는, 영구자석식 회전전기, 특히 풍력 발전용 영구자석식 회전전기에 있어서 냉각성능을 향상하여 체격을 축소하는 것이다.
본 발명의 하나의 특징은, 영구자석식 회전전기 및 풍력 발전시스템에 있어서, 고정자 철심에 분포권을 실시한 고정자와 영구자석 회전자를 가지게 하여 영구자석 회전자가 축방향으로 통풍로를 배치한 점에 있다.
또, 본 발명의 다른 특징은, 영구자석식 회전전기 및 풍력 발전시스템에 있어서 회전자부에 덕트피스를 설치하여 액셜플로우와 레이디얼플로우를 조합한 것으로 한다.
이하, 본 발명의 상세를 도면을 사용하면서 설명한다. 각 도면에 있어서 동일부분은 동일한 번호를 부여하고 있다.
(실시예 1)
도 1은 본 발명장치의 제 1 실시예 6극 72슬롯 영구자석식 회전전기의 발전기 끝부 단면도이다. 상기 발전기는, 수 MW급의 풍력 발전용 발전기에 적합하고, 1000∼2000 rpm의 회전수를 허용한다. 고정자(1)는, 고정자 티스(12)에 코일(11)을 분포적으로 감은 분포권 고정자로 되어 있다. 코일(11)은 UVW의 3상 권선이 실시되고 있고 72 슬롯으로 6극이 전기적에 만들어지도록 배치되어 있다. 또 코일(11)은 고정자 티스(12) 사이의 고정자 슬롯(13)에 상 코일(8), 하 코일(9)과 같이 배치되어 코일 엔드(10)로 구성되어 있다. 제 1 실시예에 있어서 코일(11)은 전절 권(全節卷)이라 불리우는 방식으로 감겨져 있고, 고정자 슬롯(13)에 반시계방향으로 편의적으로 만들어진 #1부터 #72 슬롯 중 #1 슬롯의 하 코일(9)로부터 나온 코일(11)은, 슬롯수 72를 극수 6으로 나눈 12를 더한, #13 슬롯의 상 코일(8)로 들어 가게 되어 있다. 이것이 둘레 방향으로 계속해서 3상 권선을 형성하고 있다. 고정자(1)의 중심에는 회전자(2)가 회전 가능하게 배치되어 있다. 회전자(2)에서는 영구자석(3)이 회전자 철심(20)의 영구자석 슬롯(14)에 넣어져 있고, 회전자(2)에 대하여 방사상으로 배치되어 있다. 또 회전자 철심(20)은 스파이더(5)를 사용하여 샤프트(6)에 접속되어 있다. 이 스파이더(5)에 의하여 만들어지는 냉각 덕트(7)를 통과한 냉각풍은, 회전자(2)의 끝면에 배치된 덕트피스(4)로 만들어지는 레이디얼 덕트부를 통과하여 스테이터측으로 빠져 나감으로써 코일(11)을 영구자석식 회전전기 중심부보다 효과적으로 냉각할 수 있고, 발전기의 발열밀도를 올림으로써 발전기 체격 저감을 행할 수 있다. 또 덕트피스(4)는 영구자석(3)이 축방향으로 움직이는 것을 억제할 수 있어, 조립성을 향상할 수 있다. 다음에 도 2를 사용하여 냉각풍의 흐름을 설명한다.
도 2는 본 발명 장치의 제 1 실시예 6극 72슬롯 영구자석식 회전전기의 축방향 1/2 단면도이다. 냉각풍의 흐름(23)을 보면, 에어쿨러(21)로 외기(24)에 의하여 차가워진 공기는 샤프트(6)에 접속된 팬(22)에 의하여 냉각 덕트(7)를 통과하여 덕트피스(4)에 의하여 만들어진 덕트 스페이스(25)로 빠져 에어쿨러(21)로 순환한다. 덕트 스페이스(25)를 설치함으로써 발전기 중심부를 효과적으로 냉각할 수 있어 발전기의 체격 저감에 기여할 수 있다.
또, 제 1 실시예에 있어서 회전자(2)는 도 3, 도 4와 같은 아크형 자석(31)을 사용한 회전자(30)나, 평판 자석(41, 42)을 같은 극이 마주 보도록 V자 배치된 회전자(40)를 사용하여도 좋다.
또, 제 1 실시예에 있어서 냉각 덕트(7)는 스파이더(5)를 사용하지 않고 도 5, 도 6, 도 7에 나타내는 통풍구멍(51, 61, 71)을 가지는 회전자(50, 60, 70)를 사용하여도 좋다.
또, 영구자석 슬롯(14)에 영구자석을 고정하는 방법을 도 8, 도 9에 나타낸다. 제 1 실시예의 영구자석(3)을 이분할한 영구자석(82)을 영구자석 슬롯(81)에 설치한 가이드(83)에 의하여 고정하거나, 마찬가지로 제 1 실시예의 영구자석(3)을 이분할한 영구자석(92)을 접착제(101)에 의하여 고정한다. 수 MW급의 대용량 영구자석식 회전전기의 경우, 사용하는 자석도 대형화된다. 이때 큰 자석을 제작하는 것이 곤란하기 때문에, 자석 분할방식을 채용함으로써 영구자석 회전전기의 제작 용이성을 향상할 수 있다.
도 10은 상기 영구자석 회전자의 상기 회전자 철심(20)과 스파이더(5)의 접속도이다. 스파이더(5)에 더블테일구조의 돌기(102)를 설치함으로써 용이하게 회전자철심(20)과 접속하는 것이 가능하게 된다.
도 11은 영구자석 삽입법이다. 영구자석 회전자에 바깥 둘레측 개구부를 설치하여 비자성 쐐기(103)로 자석을 고정한다. 이에 의하여 자석 끝부의 누설자속 저감과 자석 고정을 동시에 행할 수 있다.
도 12는 상기 회전자 철심(20)과 스파이더(5)의 접속도이다. 회전자 철심 (20)에 더블테일구조의 돌기(201)를 설치함으로써, 스파이더(5)에 접속된 자석 안 둘레측의 자속 단락을 방지하기 위한 비자성 금속부재(202)와 용이하게 회전자 철심(20)과 접속하는 것이 가능하게 된다.
도 13은 비자성 쐐기(103)를 사용하였을 때의 영구자석 고정법이다. 자석 분할방식을 채용하여 영구자석(131, 132)을 자석 삽입구멍에 나열한다. 또한 영구자석(131, 132)의 사이에 고정용 코터(133)를 삽입함으로써 영구자석(131, 132)은 자석 삽입구멍내에서 고정할 수 있다.
도 14는 상기 영구자석 회전자에 안 둘레측 개구부를 설치하였을 때의 상기 회전자 철심(20)과 샤프트(6)의 접속도이다. 안 둘레측 개구부에 비자성 쐐기(141)를 삽입하여 영구자석(3)을 고정한다. 비자성 쐐기(141)는 스파이더(142)를 거쳐 샤프트(6)에 접속된다. 이에 의하여 자석 끝부의 누설자속 저감과 자석 고정을 동시에 행할 수 있다.
도 15는 상기 영구자석 회전자에 안 둘레측 개구부를 설치하였을 때의 상기 회전자 철심(20)과 샤프트(6)의 접속도이다. 안 둘레측 개구부에 비자성 쐐기(141)를 삽입하여 영구자석(3)을 고정한다. 회전자 철심(20)은 스파이더(151)를 거쳐 샤프트(6)에 접속된다. 이에 의하여 자석 끝부의 누설자속 저감과 자석 고정을 동시에 행할 수 있고, 또한 금속부재끼리의 접속이 용이해진다.
(실시예 2)
도 16은 본 발명의 제 2 실시예인 6극 72슬롯 영구자석식 회전전기의 발전기끝부 단면도이다. 고정자(100)는, 고정자 티스(12)에 코일(11)을 분포적으로 감은 분포권 고정자로 되어 있다. 코일(11)은 UVW의 3상 권선이 실시되어 있고 72슬롯으로 6극이 전기적으로 만들어지도록 배치되어 있다. 또 코일(110)은 고정자 티스(12)사이의 고정자 슬롯(13)에 상 코일(8), 하 코일(9)과 같이 배치되어 코일엔드(10)로 구성되어 있다. 제 1 실시예에 있어서 코일(11)은 단절권이라 불리우는 방식으로 감겨 있고, 고정자 슬롯(13)에 반시계방향으로 편의적으로 붙여진 #1부터 #72 슬롯 중 #1 슬롯의 하 코일(9)로부터 나온 코일(11)은 슬롯수 72를 극수 6으로 나눈 12보다도 적은 10을 더하여, #11 슬롯의 상 코일(8)로 들어 가게 되어 있다. 이것이 둘레방향으로 연속하여 3상 권선을 형성하고 있다. 제 1 실시예의 고정자(1) 대신에 제 2 실시예 고정자(100)를 사용하여도 지금까지 설명하여 온 효과를 얻을 수 있다.
(실시예 3)
도 17은 본 발명의 회전전기를 풍력 발전시스템에 적용한 예를 나타낸다. 제 1 실시예 및 제 2 실시예에서 나타낸 회전전기(111)는, 풍차(112)와 증속기어(113)를 거쳐 접속되어, 풍차나셀(114)내에 설치된다. 또한 회전전기(111)는 전력계통(116)과 전력 변환기(115)를 거쳐 접속되어 발전운전을 행할 수 있다. 또한 본 발명에서는 풍력을 동력원으로 하고 있으나 예를 들면 수차, 엔진, 터빈 등에서도 충분히 적용이 가능하다. 회전전기 설치장소의 제한이 엄격한 풍력 발전에 사용한 경우에 가장 효과적이다. 또 풍차(112)와 회전전기(111)는 직결하는 것도 가능하다.
상기 실시예의 풍력 발전용 회전전기는, 대용량이 된 경우에 소형으로 냉각 을 행할 수 있는 이점이 있다.
본 발명에 의하면, 영구자석식 회전전기 및 풍력 발전시스템의 냉각효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (10)

  1. 고정자 철심에 분포권을 실시한 고정자와 영구자석 회전자를 가지는 영구자석식 회전전기에 있어서,
    상기 영구자석 회전자가 축방향으로 통풍로를 배치한 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기.
  2. 고정자 철심에 분포권을 실시한 고정자와 영구자석 회전자를 가지는 영구자석식 회전전기에 있어서,
    상기 영구자석 회전자가 축방향으로 통풍로를 배치하고, 상기 영구자석 회전자는 회전자 코어가 스파이더를 사용하여 샤프트에 접속된 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 영구자석식 회전전기에 있어서, 상기 영구자석 회전자는 회전자 코어에 통풍 구멍을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기.
  4. 제 1항에 있어서,
    축방향으로 냉각풍을 보내는 팬을 회전축에 설치한 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 영구자석 회전자는, 아크형상의 자석을 둘레방향에 배치한 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 영구자석 회전자는, 평판 자석을 V자 형상으로 같은 극 대면 배치한 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 영구자석 회전자는, 평판 자석을 방사상으로 같은 극 대면 배치한 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기.
  8. 제 1항에 있어서,
    영구자석을 분할한 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기.
  9. 제 1항에 있어서,
    회전자 철심은 스파이더에 설치된 더블테일구조의 돌기에 의하여 샤프트와 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기.
  10. 고정자 철심에 분포권을 실시한 고정자와 영구자석 회전자를 가지고, 상기 영구자석 회전자가 축방향으로 통풍로를 배치한 영구자석식 회전전기를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전시스템.
KR1020050092007A 2004-10-01 2005-09-30 영구자석식 회전전기 및 풍력 발전시스템 KR20060051920A (ko)

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