WO2011034336A2 - 직접구동식 전기기기 - Google Patents

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WO2011034336A2
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김봉준
아브라함페레이라 얀
헨크폴린더
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Bang Deok Je
Kim Bong Jun
Ferreira Jan Abraham
Polinder Henk
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Definitions

  • the present invention relates to a direct drive electric machine, and more particularly, a large high torque direct drive permanent magnet such as a generator of a wind turbine for generating power, an tidal generator, a hydro generator, and an electric motor driven by external power. It relates to a type electric device.
  • FIG. 1 shows a typical example of a low speed large direct drive wind turbine (wind generator), wherein the direct drive wind turbine 10 includes a rotor such as a rotor blade 11 and a rotor 12 of a generator. And a fixed body such as a shaft 13 and a stator 14 of the generator, and a bearing 15 rotatably supporting the rotating body on the shaft 13.
  • the direct drive wind turbine 10 includes a rotor such as a rotor blade 11 and a rotor 12 of a generator.
  • a fixed body such as a shaft 13 and a stator 14 of the generator, and a bearing 15 rotatably supporting the rotating body on the shaft 13.
  • the rotor 12 of the generator since the rotor 12 of the generator is directly connected to the rotor blade 11 that rotates at low speed by the wind, the rotor 12 of the generator also rotates at the same speed as the rotor blade 11, This requires a higher torque of the direct-drive generator.
  • the direct drive method is disadvantageous in terms of cost compared to the gear drive method, but is known to be excellent in terms of power output and reliability.
  • the weight and price of the direct-driven generator increase significantly with up-scaling, there will be a limit to continue to apply the existing direct-drive technology to the large wind turbine system.
  • the present invention has been invented in view of the above, and it is possible to reduce the amount of material used by the optimized structure, thereby reducing the manufacturing cost, easy to manufacture, move, install and maintain
  • the purpose is to provide a direct drive permanent magnet type electric machine.
  • the present invention in the direct-drive type electric machine having a stator together with a rotor or a mover, such as a generator and a motor, a plurality of rotor or mover and a stator combined therewith each configured separately It provides a direct-drive type electric machine, characterized in that the two modules are combined with each other in a multi-module combination structure having a short magnetic flux path.
  • the stator is arranged to have a gap on both sides around the rotor or the mover is characterized in that it is composed of a two-gap structure.
  • the air gap between both the rotor or the mover and the stator is maintained by a bearingless drive that maintains the air gap by controlling the current applied to the winding of each stator.
  • the rotor and the stator are characterized in that each of the ring shape.
  • the electric device may be a transverse flux generator or a transverse flux motor, or the electric device may be a seed flux generator or a seed flux motor.
  • the air gap between the rotor and the stator is maintained by a fluid hydrostatic bearing supporting the rotor by fluid pressure and buoyancy, and a bearingless drive that maintains the air gap by controlling the current applied to the windings of each stator. It is characterized by.
  • a ring-shaped fixing part for filling fluid is fixed to the fixed structure, and a ring-shaped rotating part disposed in a concentric circle is installed inside the fixing part, and a stator is provided on an inner side of the fixing part.
  • the rotor is installed on a position opposite to the stator on the outer surface of the rotor, the fluid is filled with a fluid for maintaining the voids, and the rotor is connected to the rotor through the connection extending to the outside of the fixing part. It is characterized by having a configuration connected to the blade.
  • the rotor blade is disposed toward the outer diameter of the fixing portion, characterized in that the rotating portion is connected to the rotor blade through a connecting portion extending toward the outer diameter of the fixing portion.
  • the rotor blade is disposed toward the inner diameter of the fixing portion, characterized in that the rotating portion is connected to the rotor blade through a connecting portion extending toward the inner diameter of the fixing portion.
  • two permanent magnets are provided for each module in the rotor or the mover, and an iron core having a triangular cross-sectional shape is formed between the two permanent magnets to form a magnetic flux path of the permanent magnet.
  • a magnetic flux concentrating iron core is provided, and the two permanent magnets are disposed on both inclined surfaces of the magnetic flux concentrating iron core, and each permanent magnet is disposed between the inclined surface of the magnetic flux concentrating iron core and the inclined surface of the magnetic flux path maintaining iron core. It is characterized by.
  • the cost can be reduced by maximizing the force density and minimizing the active component or the electromagnetic material, and supporting and guiding the rotating body such as the rotor
  • the bearingless method can be used to significantly reduce the inactive material or structural material.
  • the rotor, stator, etc. have a modular structure consisting of a plurality of modules to assemble, handle, It has the advantage of easy transportation, installation and maintenance.
  • FIG. 1 is a view showing an example of a direct-drive generator in a wind turbine.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating (a) a configuration for reducing the active component material, and (b) a configuration for increasing the iron core core area.
  • FIG 3 is a schematic view showing a configuration in which a gap is maintained by a bearingless.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram of a lightweight and modular direct drive generator for a large wind turbine.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating the structure of a new TFPM device.
  • FIG. 6 is a view showing the structure of the flux concentration TFPM device according to the present invention, a structure that can prevent the separation of the permanent magnet.
  • FIG. 7 is a view showing a bearingless drive structure according to the prior art, (a) the winding structure of the four-pole permanent magnet bearingless motor, (b) the four-pole and two-pole winding arrangement of the basic bearingless drive structure, (c A schematic diagram showing a rotor of an insert PM type bearingless motor and (d) a rotor of a buried PM type bearingless motor.
  • FIG. 8 is a view illustrating a bearingless TFPM device according to the present invention, in which (a) the direction of travel of the rotor and the path of the magnetic flux, (b) the current flowing in the stator winding and the gap length are controlled using a gap sensor. And (c) is a view showing a more preferable configuration of a bearingless drive.
  • FIG. 9 is a graph showing magnetic flux densities for cases where the void lengths are different.
  • 10 to 12 is a view showing a ring-shaped direct drive generator (motor) according to the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic diagram illustrating various forms of bearing support structures in a direct drive wind turbine.
  • 15 is a conceptual diagram for a hydrostatic bearing.
  • Figure 16 is an exemplary view applying a rotating body having a buoyancy and a hydrostatic bearing in the present invention.
  • 17 and 18, 19, 20 is an exemplary view of the support and guiding structure of the rotor blades and generator rotor of the direct drive wind turbine according to the present invention.
  • direct-driven generators can be broadly divided into electromagnetic parts or active parts used to generate power and structural parts or inactive parts constituting the structure. These two components are important to be considered in the design of the generator, namely electromagnetic design and mechanical design.
  • large direct-driven equipment may have a lot of difficulties in manufacturing, transportation, installation, and maintenance, and therefore, important issues should be considered when designing.
  • a structure that can significantly reduce inactive material by using a bearingless drive system is provided.
  • each module can be operated independently by having a module structure composed of a plurality of modules, so that even if a problem occurs in a specific module or a certain part, power generation is continued in other modules without problems.
  • Structure available For example, assuming that a 10 MW system consists of five modules of generators, the output of the individual modules is 2 MW. If a problem occurs in any one module, information about the problem can be obtained through the sensor. From this point on, control and operation are possible to continue to produce power with only the remaining four modules. Thus, there is a need for a fault tolerance concept that allows some components to have a problem and can continue to produce power (up to 8 MW) until the problem is solved without stopping the entire system.
  • FIGS. 2 to 4 The solutions mentioned above are shown in FIGS. 2 to 4, respectively.
  • Permanent magnet devices (generators / motors) have higher advantages in terms of output ratio, weight, efficiency, reliability, and energy output per unit weight than winding devices. Therefore, in the present invention, the structure of the permanent magnet device is employed as a method for maximizing the force density of the large wind turbine generator and minimizing the inactive component material. This permanent magnet machine is based on the direction of the formation of magnetic flux. Magnet, TFPM) device can be classified. Of these, transverse flux permanent magnet devices have a higher force density than other devices and are likely to reduce active component materials. Therefore, the present invention proposes a new concept of transverse permanent magnet device for maximizing force density and minimizing active component material.
  • TFPM devices such as the pole core type
  • the flux concentration permanent magnet type has a high force density, which has the advantage of reducing weight and volume compared to other types.
  • the single winding type and single side air gap type have the advantage that the structure can be simply and easily configured.
  • the claw pole core type has an advantage of increasing the applied voltage by increasing the area of the iron core to which the magnetic flux is interlinked.
  • ring-shaped windings have been used mainly for small diameter TF (transverse flux) devices.
  • TF transverse flux
  • the same use of the ring-shaped winding in a large direct drive device there is a difficulty in terms of manufacturing, installation, and maintenance.
  • modular shaped windings that do not have large dimensions, such as ring shaped windings will be useful in large direct drive equipment.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a new TFPM device configuration, and the diagram on the left shows the concept of Concepts A, B, C, D, and E above, and the configuration on the right square shows the concept A, B above.
  • the claw pole cores are stator iron cores, and a “ ⁇ ” shaped component represents a modular winding in the form of a racetrack.
  • the permanent magnets (PM) of the rectangular parallelepiped magnetic flux-intensive core (core) is interposed, the permanent magnets and iron cores are alternately arranged, the arrows on the permanent magnets indicate the magnetization direction of the permanent magnets.
  • A shows one of the general structures of the transverse flux generator (or electric motor)
  • B illustrates the use of a plurality of modular windings as windings suitable for the transverse flux generator (or electric motor) having a large diameter.
  • Ring-shaped windings are mainly used in conventional lateral flux generators (or motors), and it is difficult to use such ring-shaped windings in large diameter lateral flux generators (or motors) in various aspects such as manufacturing, installation, and maintenance. many. Since the generator of a large direct drive wind turbine is very large in diameter, the direct drive electric machine (generator / motor) according to the present invention is constructed by using a plurality of windings shown in FIG. In FIG.
  • C, D, and E are known structures, and E represents an initial concept of reducing the amount of iron cores (or iron cores and permanent magnets) of a generator (or electric motor).
  • 5 is a basic structure according to the present invention, in which the rotor (or the mover) is changed to the structure shown in FIG. 6 (f) in the structure of the present invention. / Motor).
  • Increasing the output and size of a direct-drive PM machine results in an increase in the air gap diameter of the device, ie the diameter of the rotor and stator, as well as the field design dimensions of other variables. Increase together.
  • the variables are air gap length, pole pitch, pole width and permanent magnet length.
  • it becomes difficult to manufacture and handle the permanent magnet which makes the price of the permanent magnet and the permanent magnet type device expensive.
  • separation of the permanent magnet may occur as shown in (a) of FIG. 6.
  • the structure of the present invention can be prevented from leaving the permanent magnet while lowering the manufacturing cost related to the permanent magnet, and the amount of the permanent magnet can be increased without increasing the amount of iron cores. This is as follows.
  • the structure of FIG. 6A may be rearranged as shown in FIG. 6D by dividing the iron core and the permanent magnet as shown in FIG. 6C.
  • the structure of FIG. 6 (e) is a structure in which the amount of permanent magnet is increased in the same manner as in FIG. 6 (b) without increasing the amount of iron cores.
  • the structure (f) of FIG. 6 is a structure capable of improving problems of the structure (a) of FIG. 6 and the structure (b) of FIG. 6, and is a rotor (or mover) structure according to the present invention.
  • the rotor or the mover consisting of a plurality of modules in each module of two thin rectangular parallelepiped instead of one thick permanent magnet for each module
  • the magnet 24 is used, and a triangular cross-sectional iron core 22 is disposed between the permanent magnets 24 to form and maintain a magnetic flux path of the permanent magnets.
  • each module is provided with a magnetic flux concentrated iron core 23 having an inverted triangular cross-sectional shape (preferably in an inverted conical flask cross-sectional shape as an inverted triangular cross-sectional shape as shown in FIG.
  • the two permanent magnets 24 are disposed on both inclined surfaces of the magnetic flux concentrated iron core 23.
  • the permanent magnets 24 of the modules adjacent to each inclined surface of the iron core 22 of the triangular cross-sectional shape is arranged one by one, each of the permanent magnets 24 is the slope and the magnetic flux path of the magnetic flux concentrated iron core 23 It becomes a structure arrange
  • the structure that prevents the release of permanent magnets and makes the manufacturing and handling easy can be applied to the general RFPM device and AFPM device having seed flux as well as the transverse flux device.
  • the role of inactive parts in generators used in wind turbines can be defined as:
  • the weight of the active component accounts for a large portion, but as the size increases, the inactive component portion of the total weight increases. This is because, in the case of a direct drive wind turbine, a generator having a higher torque is required as it becomes larger. Thus, the following considerations may be considered to minimize the inactive component material.
  • Bearingless driving method has been proposed and used to solve bearing related problems that occur in space, harsh environment, high speed operation, and the like.
  • the bearingless driving method has been studied by various researchers to apply to the following fields.
  • the present invention employs a permanent magnet bearingless driving method.
  • a big feature of bearingless motors is that the (magnetic) bearing windings are combined with the motor.
  • FIG. 7A shows the winding structure of the 4-pole permanent magnet bearingless motor.
  • bearing windings and torque windings are designed with different numbers of poles.
  • the winding arrangement of the basic bearingless drive structure can be simplified as shown in FIG.
  • four-pole motor windings (torque windings) are indicated by reference numerals 4a and 4b
  • two-pole bearing windings are indicated by reference numerals 2a and 2b.
  • PM permanent magnet
  • the buried PM type bearingless electric motor shown in FIG. 7 (d) has a structure in which radial bearing force can be improved because of low magnetic reluctance in the permanent magnet.
  • the bearingless drive structure As described above, in the bearingless drive structure, the bearing force and the torque winding (torque winding) must be used to simultaneously control the bearing force and torque. Therefore, the bearingless drive structure is more complicated to configure and control than the drive structure of a general electric machine (motor / generator), and becomes expensive.
  • the weight of inactive components accounts for a large portion of the generator weight. If the bearingless driving method is applied, the weight of the inactive components can be significantly reduced, and if there is a method to significantly reduce the price of the generator using the bearingless driving method, the bearingless driving can be applied to the large direct drive.
  • the weight of the rotor including the weight of the active component and the weight of the inactive component
  • the bearing force is used to support the weight of the rotor and maintain the required position.
  • the power consumption in the lease driving is expected to be large. Therefore, the new concept of bearingless drive for large direct drive must satisfy the following.
  • the new permanent magnet bearingless drive (drive) structure used in the present invention is also a structure having an iron core and a permanent magnet in the rotor.
  • the stator also consists of an iron core and a winding.
  • 8 is a view showing a structure of a permanent magnet bearingless drive (drive) according to the present invention, and has a shape of a bilateral axial flux machine as shown. As shown in Fig. 8, the bearing force is used only to keep the void length of the rotor and the stator constant, and has a structure that is not used to support the weight of the rotor.
  • the bearingless drive structure shown in FIG. 8 has the structure of the TFPM device shown in FIG. 5, it can be implemented even if it is applied to normal permanent magnet (PM) machine (seed flux permanent magnet machine etc.).
  • the structure of FIG. 8 is a structure that transmits rotational force and maintains an air gap in a new bearingless driving structure without a structural component such as a conventional general generator (or electric motor).
  • Common generators (or electric motors) are structural parts, which are electromagnetic parts or active parts that produce electricity, and structures for the transmission of bearings, shafts and rotational forces, and for maintaining air gaps. Or inactive part).
  • the bearingless drive generator (or electric motor) according to the present invention has a distinct difference from the conventional bearingless drive generator (or electric motor) which requires both a bearing winding and a torque winding.
  • the bearingless drive type generator (or motor) structure has a bilateral pore type structure, and by applying different magnitudes of current to the windings when the pore lengths of both sides are not equal to each other. Both voids can be kept constant (same). That is, like the existing bearingless drive structure, both windings are not required for the generation of torque and the generation of bearing force, but only one winding can perform both roles.
  • the air gap 1 and air gap 2 will have the same length. No-load voltage applied to the gap sensor or both stators 1 and 2 when the gaps 1 and 2 are not equal in length, that is, in an unstable state. The difference in the pore length on both sides can be seen from the difference in load induced voltage. If the length of pore 1 is greater than the length of pore 2, increasing the attraction force between the stator and the rotor of pore 1 and reducing the suction force in pore 2 causes the rotor to move to the same point on both sides of pore length. . To this end, it is necessary to increase the magnitude of current ( i ) flowing in the winding of stator 1 and decrease the magnitude of current flowing in the winding of stator 2.
  • the suction force in the void 2 is relatively much larger than that in the void 1 so as to increase the current of the stator 1 and decrease the current of the stator 2. There may be a limit to equalizing both voids. In this case, it is also possible to reverse the direction of the current flowing through the stator 2 to reduce the suction force in the air gap 2.
  • Fig. 8C shows a more preferable bearingless drive structure of the present invention that can solve this problem.
  • the bearingless drive structure proposed in the present invention is not only a wind turbine but also other large direct drive type. It can also be used in the device. Furthermore, the present invention can be applied to a linear drive system, in which the control target is a mover rather than a rotor.
  • the flux density (B) in each pore is changed, and finally, the magnitude of the suction force existing between the rotor and the stator is also changed.
  • the magnetic flux density decreases on the increase side of the pore length and the magnetic flux density increases on the decrease side.
  • the gap sensor is used to know the change in the air gap length.
  • the generator or the motor
  • no gap load is applied to each winding without using the gap sensor.
  • the change of a gap can be known.
  • the generator or motor
  • it is difficult to measure the no-load voltage so a gap sensor is used.
  • FIG. 9 magnetic flux densities for different pore lengths are shown in consideration of magnetic flux density characteristics of an iron core having a non-linearly varying characteristic according to the magnitude of magnetic intensity (H).
  • the magnetic flux density characteristics in the actual iron core do not show a straight line shape as shown in Fig. 9. That is, Fig. 9 is shown schematically.
  • FIG. 9 shows a change in magnetic flux density in both pores at this time. It is shown briefly on the phase.
  • B air gap is a magnetic flux density at a stable state in which voids 1 and 2 are the same, and B smaller air gap and B larger air gap are smaller in larger voids and larger voids when voids 1 and 2 are not equal. Indicates the magnetic flux density of each.
  • a second way to significantly reduce the inactive mass is a ring shaped generator (also a motor) structure as shown in FIG.
  • the shape thereof is schematically illustrated in FIGS. 10 to 12, which will be described below.
  • the ring-shaped transverse flux generator (or electric motor) shown in FIG. 10 is a bilateral air gap type, and the direction of the magnetic flux interlinked in the air gap is axial direction. It has a structure of an axial flux machine. Stators are located on both sides with a rotor in the middle, and each stator consists of an iron core and a copper winding. The rotor is composed of an iron core and a permanent magnet, and as can be seen from the flux path shown in FIG. 8, there are rotors corresponding to each stator on both sides. Thus, this structure consists of a set of stators + rotors on the left and a set of stators + rotors on the right.
  • the structure shown in FIG. 10 is a form in which the shaft, the inactive structure necessary for maintaining the air gap and the torque transmission of the existing generator (or electric motor) is removed as much as possible.
  • the weight of the structure which is an important part to be solved in the large high torque direct drive generator (or electric motor) mentioned above.
  • This structure is a structure mainly used in the past.
  • the generator or electric motor
  • the generator should be stopped, solved, and restarted. If the generator (or motor) output is large, the impact on the entire operating system is very significant when the generator (or motor) is stopped.
  • the present invention realizes the following by making it possible to configure a ring-shaped generator (or electric motor) in a plurality of modules.
  • the rotor, the stator, the power converter and the structure of the generator (or electric motor) are configured in a modular fashion rather than in one piece.
  • the generator (or motor) is a three-phase structure
  • each stator module becomes the stator of the three-phase generator (or motor) individually, only the output is small.
  • the output of each module becomes 'the total number of outputs / modules of generators (motors)'.
  • FIG. 11 and 12 show a large ring-shaped transverse flux generator (or electric motor) according to the present invention, which shows that it is divided into a plurality of modules.
  • the rotor may be manufactured in a modular form and connected to each other to be finally configured as a circular rotor.
  • the stator composed of a modular structure is easy to disassemble / assemble for each module, it is possible to combine the power converter corresponding to each module on the surface of each stator module. Using the modular structure in this way allows the generation of power (or operation) in other modules, even if there are problems with some stator and some power converter modules as mentioned above.
  • this modular structure is applicable to both generators and motors using large direct drive as well as wind turbines.
  • ring-shaped generator (or electric motor) structure as a transverse flux generator (or electric motor), it is possible to implement such a ring-shaped structure as a seed flux generator (or electric motor).
  • a ring-shaped generator (or electric motor) structure without a shaft and a structure for transmitting torque and maintaining an air gap has a low speed and high speed. It is also applicable to a torque generator (or electric motor) (for example, a propulsion motor for ships, submarines, etc., generators for tidal or hydraulic power generation, etc.).
  • linear motor or generator
  • rotary generator or a motor
  • linear motor for a transfer system
  • generator for linear reciprocating motion
  • FIG. 13 The structure of a conventional direct drive system usable in a wind turbine is shown in FIG. 13. Referring to FIG. 13, a rotating part, a fixture, and a bearing are shown, and problems of the existing bearing system as shown can be summarized as follows.
  • Bearings and the structure in which they are installed must be required and maintained for precision in manufacturing and operation.
  • Existing bearing structures can be applied to very large diameters, but it is difficult to satisfy the precision required by the large diameter structures.
  • the existing mechanical bearing system must be robust and precise.
  • the diameter of the bearing must be large, similar to that of the generator.
  • the bearing must support and guide the weight of the rotor blades of the wind turbine and the rotor weight of the generator at the same time.
  • the structure becomes very precise, robust, heavy and expensive.
  • the rotational speed of the rotating body or the moving speed of the linear moving object is high speed, high precision structure is required for the support and guiding of the object.
  • the support and guiding of the object can be performed even with a relatively low precision structure than the high speed device.
  • the rotational speed of the rotating body tends to decrease as it is enlarged. Therefore, if a bearing system having a lower precision than a conventional bearing system can be supported and guided within an error range that requires a large load of heavy loads, the above-mentioned conventional bearings can be used. Overcome problems that arise.
  • One way is to eliminate the mechanical contact of existing bearings in the bearing system. Therefore, by using a fluid bearing or a magnetic bearing, it is possible to support and guide the object while satisfying this condition.
  • a fluid having a pressure that can withstand the weight of the object must collide with the object in the opposite direction of gravity.
  • the bearing force in the opposite direction of gravity must be increased, and the bearing winding current must be increased for this purpose. If the object is very heavy, the energy consumption used to support and guide the weight is very high. Therefore, there is a need for a new concept bearing which is a bearing without mechanical contact and has a small amount of energy consumed to support the weight.
  • a rotating body (or moving body) having buoyancy for supporting and supporting the object may be used in the present invention.
  • a hydrostatic bearing may be used to prevent contact or touchdown between the rotor (or the mover) and the stator.
  • the fluid hydrostatic bearing it is possible to relieve the burden of the bearingless drive for maintaining the air gap. That is, since the hydrostatic bearing can also play a part to maintain the gap, there is an effect that can reduce the peak load of the bearingless drive.
  • buoyancy allows heavy structures to be easily lifted in the fluid. If the rotating body or moving body has a buoyancy structure in the fluid, the rotating body or moving body can be easily positioned at the required point to overcome gravity. Thus, the existing heavy, robust and precise structure is no longer needed to maintain the gravity position of the rotating or moving body within a certain range.
  • the hydrostatic bearing has a function of maintaining the air gap with the bearingless drive as well as preventing the rotor from contacting the stationary body and causing damage.
  • This new guiding and support scheme can be used for the rotor structure of large direct drive generators / motors.
  • This guiding and supporting method can also be used for guiding and supporting both rotor blades (or impellers, screws, etc.) and generator / motor rotor structures. Therefore, heavy structures for supporting and guiding rotating parts can be eliminated, thereby greatly reducing the weight of large direct-drive wind turbines.
  • FIG. 14 is a view illustrating a rotor having buoyancy
  • FIG. 15 is a basic principle of a hydrostatic bearing.
  • FIG. 14 (a) shows when the buoyant target object is in a stable state in the fluid. This buoyant object floats in the fluid. And, FIG. 14 (b) shows when the object is in an unstable state, and a force to shake or turn the object is generated. Therefore, when an object becomes unstable and shakes or flips, when the external force is applied in the opposite direction, the object returns to a stable state.
  • a hydrostatic bearing is used to utilize this point, and the basic concept and structure are as shown in FIG. 15.
  • the fluid supplied to the fluid passage by the pump is configured to support the rotating body by buoyancy while maintaining a constant pressure state around the rotating body.
  • the structure may be configured as shown in FIG. 16.
  • Such a structure can be applied to a large direct drive system, and in particular, it can be applied to the support and guiding of the rotor blades and the generator rotor of the direct drive wind turbine as shown in FIG. That is, when the generator structure according to the present invention is applied to the wind turbine, it is possible to implement a structure in which the rotor of the wind turbine is coupled together without being limited to the generator of the direct drive wind turbine, which is illustrated in FIG. 17.
  • the ring-shaped bearingless structure generator and the buoyant rotor structure and the hydrostatic bearing system according to the present invention can be applied to the guiding of the wind turbine rotor.
  • the ring-shaped fixing part by which fluid is filled is fixed to the fixed structure, and the ring-shaped rotation arrange
  • the unit is installed.
  • a stator is installed on an inner side of the stator, and a rotor is installed at a position facing the stator on an outer side of the rotor.
  • the inside of the fixing part is filled with a fluid for maintaining the air gap
  • the inside of the rotating part is filled with air, in particular a rotor blade (impeller or propeller, etc.) is integrally connected to the connection portion formed radially projecting on the outer diameter surface of the rotating part. do.
  • connection part extends to the outside through a sealing member (sealing fluid) installed on the outer diameter surface of the fixing part and is connected to the outer rotor blade, and the rotor and the rotating part are rotated integrally with the rotor blade inside the fixing part.
  • sealing member sealing fluid
  • the application of the hydrostatic bearing enables the rotating structure including the rotor to be rotated while being supported by the pressure and buoyancy of the fluid with respect to the fixed structure including the stator.
  • FIG. 17 illustrates an embodiment in which a rotor blade is installed toward an outer diameter of a generator (or an electric motor) and a fixing part, but the rotor blade is installed toward an inner diameter of the generator and the fixing part as shown in FIGS. 18, 19, and 20.
  • the structure can also be implemented.
  • the connecting portion extends to the outside through the sealing member installed on the inner diameter surface of the fixing portion, the connecting portion extends toward the inner diameter of the fixing portion, and the rotor blade is also installed to be integrally connected with the connecting portion at the inner diameter side of the fixing portion.
  • the ring-shaped generator (or electric motor) structure to which the hydrostatic bearing is applied may be applied to a low speed high torque generator (or electric motor) in addition to a wind turbine (for example, a propulsion motor for ships, submarines, etc.) Or hydroelectric generators, etc.).
  • a wind turbine for example, a propulsion motor for ships, submarines, etc.
  • hydroelectric generators etc.

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Abstract

본 발명은 직접구동식 전기기기에 관한 것으로서, 전력을 생산하는 풍력터빈의 발전기, 조력 발전기, 수력 발전기 및 외부 전력에 의해 회전 구동하는 전동기 등과 같은 대형 고토크 직접구동식의 영구자석형 전기기기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 최적화된 구조에 의해 사용되는 재료의 양을 줄일 수 있고, 이에 제작 원가를 낮출 수 있으며, 제작, 이동, 설치 및 유지보수가 용이한 직접구동식 영구자석형 전기기기를 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명에 따른 직접구동식 전기기기에서는 힘 밀도의 최대화 및 활동성 구성부 재료(active material)의 최소화를 통해 원가를 낮출 수 있고, 회전자 등 회전체의 지지 및 가이딩을 위해 베어링리스(bearingless) 방식을 적용하여 비활동성 구성부의 재료(inactive material)를 현저하게 줄일 수 있으며, 회전자 및 고정자 등이 복수개의 모듈로 분리 구성된 모듈 구조를 가짐으로써 조립, 취급, 수송, 설치, 유지보수가 용이한 장점이 있다.

Description

직접구동식 전기기기
본 발명은 직접구동식 전기기기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전력을 생산하는 풍력터빈의 발전기, 조력 발전기, 수력 발전기 및 외부 전력에 의해 회전 구동하는 전동기 등과 같은 대형 고토크 직접구동식의 영구자석형 전기기기에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 직접구동식 풍력터빈의 구조물은 크게 로터 블레이드, 발전기, 그리고 고정부 구조물 등으로 분류된다.
첨부한 도 1은 저속 대형 직접구동식 풍력터빈(풍력발전기)의 전형적인 예를 도시한 것으로서, 직접구동식 풍력터빈(10)은 로터 블레이드(11) 및 발전기의 회전자(12) 등 회전체와, 샤프트(13) 및 발전기의 고정자(14) 등 고정체와, 상기 회전체를 샤프트(13)에서 회전 가능하게 지지하는 베어링(15)을 포함한다.
여기서, 발전기의 회전자(12)는 풍력에 의해 저속으로 회전하는 로터 블레이드(11)와 직접 연결되어 있으므로, 발전기의 회전자(12)도 로터 블레이드(11)와 같은 속도로 저속 회전하게 되며, 이에 직접구동식 발전기의 고토크화가 요구된다.
발전기 또는 전동기에서 저속시에 높은 토크가 발생되도록 하기 위해서는 접선력(tangential force)과 직경을 증가시키는 것이 필요하다. 따라서, 저속 고토크 직접구동식 전기기기(발전기/전동기)는 상기의 이유들로 인해 크기가 크고 재료가 많이 사용되어 무거우며 가격이 비싸지게 된다.
이러한 특성은 풍력터빈의 크기와 출력 레벨을 증가시킬수록, 즉 업-스케일링(up-scaling)할수록 더욱 현저해진다.
직접구동방식은 기어구동방식에 비해 가격적인 면에서는 불리하지만, 전력생산량과 신뢰성 측면에서 우수하다고 알려져 있다. 그러나, 상기에서 언급한 바와 같이 업-스케일링할수록 직접구동식 발전기의 무게와 가격이 현저하게 증가한다면, 기존의 직접구동 기술을 대형 풍력터빈 시스템에 계속 적용하여 사용하기에는 한계가 따를 것이다.
그러므로 기존의 대형 직접구동방식이 가지고 있는 한계를 극복할 수 있는 새로운 개념의 직접구동방식이 절실한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 최적화 된 구조에 의해 사용되는 재료의 양을 줄일 수 있고, 이에 제작 원가를 낮출 수 있으며, 제작, 이동, 설치 및 유지보수가 용이한 직접구동식 영구자석형 전기기기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 발전기 및 전동기와 같이 회전자 또는 이동자와 함께 고정자를 가지는 직접구동식의 전기기기에 있어서, 상기 회전자 또는 이동자 그리고 이에 조합되는 고정자가 각각 분리 구성된 복수개의 모듈들이 서로 조합되어 짧은 자속경로를 가지는 복수 모듈 조합형 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기를 제공한다.
여기서, 상기 회전자 또는 이동자와 상기 고정자의 조합된 구조에서 상기 회전자 또는 이동자를 중심으로 양측으로 공극을 가지도록 고정자가 배치되는 양측 공극형 구조로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 회전자 또는 이동자와 상기 고정자 사이에서 양측의 공극은, 각 고정자의 권선에 인가되는 전류의 제어를 통해 공극을 유지하는 베어링리스 드라이브(drive)에 의하여 유지되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 회전자와 상기 고정자가 각각 링 형상으로 되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 전기기기가 횡자속 발전기 또는 횡자속 전동기일 수 있고, 또는 상기 전기기기가 종자속 발전기 또는 종자속 전동기일 수 있다.
또한 상기 회전자와 고정자 사이에서 공극은, 유체 압력 및 부력에 의해 회전자를 지지하는 유체 정압 베어링과, 각 고정자의 권선에 인가되는 전류의 제어를 통해 공극을 유지하는 베어링리스 드라이브에 의하여 유지되는 것을 특징으로 한다.
또한 발전기 또는 전동기로서, 고정 구조물에 유체가 채워지는 링 형상의 고정부가 고정 설치되고, 상기 고정부의 내부에는 동심원상에 배치되는 링 형상의 회전부가 설치되며, 상기 고정부의 내측면에 고정자가 설치되고, 상기 회전부의 외측면에는 상기 고정자와 대향된 위치에 회전자가 설치되며, 상기 고정부의 내부에는 공극 유지를 위한 유체가 채워지고, 상기 회전부는 고정부의 외부로 연장된 연결부를 통해 로터 블레이드와 연결된 구성을 가지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 로터 블레이드가 고정부의 외경 쪽으로 배치되어, 상기 회전부가 고정부의 외경 쪽으로 연장된 연결부를 통해 로터 블레이드와 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 로터 블레이드가 고정부의 내경 쪽으로 배치되어, 상기 회전부가 고정부의 내경 쪽으로 연장된 연결부를 통해 로터 블레이드와 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 회전자 또는 이동자에서 각 모듈마다 두 개의 영구자석이 구비되되, 상기 두 개의 영구자석 사이에 영구자석의 자속경로를 형성하는 삼각형 단면 모양의 철심이 배치되고, 각 모듈에서 역삼각형 단면 모양의 자속 집중형 철심이 구비되되, 상기 두 개의 영구자석이 상기 자속 집중형 철심의 양측 경사면에 배치되어, 각 영구자석이 자속 집중형 철심의 경사면과 자속경로 유지용 철심의 경사면 사이에 배치되는 구조로 된 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 직접구동식 전기기기에서는 힘 밀도의 최대화 및 활동성 구성부 재료(active material 또는 electromagnetic material)의 최소화를 통해 원가를 낮출 수 있고, 회전자 등 회전체의 지지 및 가이딩을 위해 베어링리스(bearingless) 방식을 적용하여 비활동성 구성부의 재료(inactive material 또는 structural material)를 현저하게 줄일 수 있으며, 회전자 및 고정자 등이 복수개의 모듈로 분리 구성된 모듈 구조를 가짐으로써 조립, 취급, 수송, 설치, 유지보수가 용이한 장점이 있게 된다.
도 1은 풍력터빈에서 직접구동식 발전기의 예를 도시한 도면이다.
도 2는 (a) 활동성 구성부 재료를 줄이기 위한 구성, 및 (b) 철심 코어 면적을 증가시키기 위한 구성을 예시한 개략도이다.
도 3은 베어링리스에 의해 공극이 유지되는 구성을 도시한 개략도이다.
도 4는 대형 풍력터빈을 위한 경량화 되고 모듈화 된 직접구동식 발전기의 개념도이다.
도 5는 새로운 TFPM 기기의 구조를 예시한 개념도이다.
도 6은 본 발명에 따른 자속 집중 TFPM 기기의 구조를 도시한 도면으로서, 영구자석의 이탈을 방지할 수 있는 구조를 도시한 도면이다.
도 7은 종래기술에 따른 베어링리스 구동 구조를 도시한 도면으로서, (a) 4극 영구자석 베어링리스 전동기의 권선 구조, (b) 기본적인 베어링리스 구동 구조의 4극 및 2극 권선 배치, (c) 인서트 PM 타입의 베어링리스 전동기의 회전자, 및 (d) 베리드 PM 타입의 베어링리스 전동기의 회전자를 도시한 개략도이다.
도 8은 본 발명에 따른 베어링리스 TFPM 기기를 도시한 도면으로서, (a) 회전자의 진행방향과 자속의 경로, (b) 갭센서를 이용하여 고정자 권선에 흐르는 전류 및 공극길이가 제어되는 상태, 및 (c) 보다 바람직한 베어링리스 구동의 구성을 도시한 도면이다.
도 9는 공극길이가 다른 경우에 대한 자속밀도를 나타낸 도면이다.
도 10 ~ 도 12는 본 발명에 따른 링 형상의 직접구동식 발전기(전동기)를 보여주는 도면이다.
도 13은 직접구동식 풍력터빈에서 베어링 지지 구조의 여러 형태를 도시한 개략도이다.
도 14는 부력이 있는 물체가 유체 내에 존재할 때 (a) 안정한 상태와 (b) 불안정한 상태를 도시한 도면이다.
도 15은 유체 정압 베어링에 대한 개념도이다.
도 16은 본 발명에서 부력을 가지는 회전체 및 유체 정압 베어링을 적용한 예시도이다.
도 17 및 도 18, 도 19, 도 20는 본 발명에 따른 직접구동식 풍력터빈의 로터 블레이드와 발전기 회전자의 지지 및 가이딩 구조의 예시도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 풍력터빈11 : 로터 블레이드
12 : 회전자13 : 샤프트
14 : 고정자15 : 베어링
22 : 철심23 : 철심
24 : 영구자석
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
주지된 바와 같이, 직접구동식 발전기는 전력을 생산하는데 사용되는 전자계 구성부(electromagnetic part 또는 active part)와 구조물을 구성하는 구조적 구성부(structural part 또는 inactive part)로 크게 나눌 수 있다. 이러한 두 구성부는 발전기의 설계, 즉 전자계 설계(electromagnetic design)와 기계 설계(mechanical design)시에 중요하게 고려되어야 하는 부분이다. 그리고, 대형 직접구동식 기기는 제작, 이송, 설치 및 유지보수 등에 어려움이 많이 생길 수 있으므로 설계시 실제상의 이슈들에 대해서도 중요하게 고려되어야 한다.
전자계 구성부와 구조적 구성부에 대해서는 사용되는 재료의 양을 현저하게 줄일 수 있는 구조, 그리고 최종적으로 가격을 낮출 수 있는 구조가 요구된다. 실제상의 이슈들에 대해서도 제작, 이동, 설치 및 유지보수가 용이한 구조가 요구되며, 운용 면에서도 전력생산량을 최대화 할 수 있는 방법들이 요구된다. 이슈들에 대한 해결방안들은 다음과 같이 요약될 수 있다.
- 전자계 구성부(electromagnetic part/active part)
ㆍ 영구자석(Permanent Magnet, PM)형 기기로서 높은 힘 밀도를 가지는 구조.
ㆍ 자속경로 길이를 짧게 하여 활동성 구성부 재료(active matierial)를 줄일 수 있는 구조.
ㆍ 넓은 철심 면적을 가짐으로써 쇄교 자속을 증가시킬 수 있는 구조.
- 구조적 구성부(structural part/inactive part)
ㆍ 베어링리스(bearingless) 구동 방식을 이용함으로써 비활동성 구성부 재료(inactive material)를 현저하게 줄일 수 있는 구조.
- 실제상의 이슈(pratical issues)
ㆍ 복수개의 모듈로 분리 구성된 모듈 구조를 가짐으로써 조립, 취급, 수송, 설치, 유지보수가 용이한 구조.
ㆍ 복수개의 모듈로 분리 구성된 모듈 구조를 가짐으로써 각 모듈이 독립적으로 운전될 수 있는 구조, 따라서 특정의 모듈 또는 특정의 어떤 부품에서 문제가 발생하더라도 문제가 없는 나머지의 다른 모듈에서는 계속해서 전력 생산이 가능한 구조. 예를 들면, 10 MW 시스템이 5개의 모듈로 발전기가 구성되어 있다고 가정한다면, 개별 모듈의 출력은 2 MW이다. 임의의 1개 모듈에서 문제가 발생한 경우에 센서를 통해 문제에 대한 정보를 입수할 수 있으며, 이때부터는 나머지 4개의 모듈만으로 계속 전력을 생산할 수 있도록 제어 및 운전이 가능하다. 따라서, 일부 부품에 문제가 있더라도 시스템 전체를 정지시키지 않고, 문제가 해결될 때까지 (8 MW의) 전력 생산을 계속할 수 있는 폴트 톨러런스(fault tolerance) 개념의 구조가 요구된다.
ㆍ 유연하고 경량화(flexible and lightweight)된 구조, 및 큰 직경의 베어링(bearing)을 가져 구조물이 과도하게 무겁거나 튼튼하거나 정밀하지 않아도 되는 구조, 그리고 메인 샤프트(main shaft)에 대해 정밀함을 요하는 베어링이 없어도 되는 구조.
이상에서 언급한 해결방안들은 도 2 ~ 도 4에 각각 나타나 있다.
저속 고토크 직접구동식 전기기기(발전기/전동기)가 가지고 있는 문제를 해결하기 위해서는 위에서 언급된 해결방안들이 설계, 제작 및 운용시에 반영되어야 한다. 이상의 해결방안들을 만족하기 위하여, 본 발명에 따른 직접구동식 전기기기에서는 다음과 같이 크게 세 부분의 특징을 가지도록 고려되었으며, 각 부분을 실현하기 위한 구성을 첨부한 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
ㆍ 힘 밀도의 최대화 및 활동성 구성부 재료(active material)의 최소화
ㆍ 비활동성 구성부 재료(inactive material)의 최소화
ㆍ 신개념의 가이딩 및 베어링 시스템

- 힘 밀도의 최대화 및 활동성 구성부 재료의 최소화
영구자석형 기기(발전기/전동기)는 권선형 기기에 비해 단위무게당 출력비, 효율, 신뢰성 및 에너지 산출 측면에서 높은 장점을 가지고 있다. 따라서, 본 발명에서는 대형 풍력터빈 발전기의 힘 밀도의 최대화와 비활동성 구성부 재료의 최소화를 위한 방안으로 영구자석형 기기의 구조가 채용된다. 이 영구자석형 기기는 자속의 형성 방향에 따라 축자속 영구자석 기기(Axial Flux Permanent Magnet, AFPM) 기기, 반경자속 영구자석(Radial Flux Permanent Magnet, RFPM) 기기, 그리고 횡자속 영구자석(Transverse Flux Permanent Magnet, TFPM) 기기로 분류할 수 있다. 이 중에서 횡자속 영구자석 기기의 경우 힘 밀도가 다른 기기들에 비해 상대적으로 높고 활동성 구성부 재료를 줄일 수 있는 가능성이 높다. 따라서, 본 발명에서는 힘 밀도 최대화와 활동성 구성부 재료 최소화를 위해 새로운 개념의 횡자속 영구자석 기기의 구조가 제시된다.
도 3과 관련하여, 발전기(또는 전동기)의 설계시 손실을 최소화하기 위해 철심과 권선 사용량의 최소화가 요구되며, 공극에서 자속(flux)이 쇄교되는 철심(iron core)의 면적을 일정하게 유지하면서 자속의 경로(flux path)를 줄임으로써 철심의 사용량을 줄일 수 있다. 자속경로를 줄이기 위해서는 슬롯간격(slot pitch)과 슬롯높이(slot height)를 줄여야 하는데, 일반적으로 많이 사용되고 있는 종자속(longitudinal flux) 발전기(또는 전동기)는 슬롯간격을 줄이면 극간격(pole pitch)이 같이 감소하여 누설자속(leakage flux)이 증가하게 된다. 따라서, 종자속 발전기(또는 전동기)에서는 이 방법을 적용하여 철심의 사용량을 줄이기에 한계가 있으며, 반면 횡자속(transverse flux) 발전기(또는 전동기)는 슬롯간격을 줄이더라도 극간격이 감소하지 않기 때문에, 철심의 양을 줄여 철손(iron loss)을 줄이는 구조는 횡자속 발전기(또는 전동기)에 적용할 경우 유리해진다.
현재, 표면 장착 영구자석 타입(surface mounted PM type), 자속 집중 영구자석 타입(flux-concentrating PM type), 단일 권선 타입(single-winding type), 이중 권선 타입(double-winding type), 단측 공극 타입(single-sided air gap type), 양측 공극 타입(double-sided air gap type), C-코어 타입(C-core type), E-코어 타입(E-core type), 및 클로 폴 코어 타입(claw pole core type)과 같이 다양한 구조의 TFPM 기기들이 여러 연구자들에 의해 제안되어 있다. 이 중에서 자속 집중 영구자석 타입은 힘 밀도가 높아서 다른 종류에 비해 무게와 체적을 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한 단일 권선 타입과 단측 공극 타입은 구조를 간단히, 그리고 쉽게 구성할 수 있는 장점이 있다. 그리고, 클로 폴 코어 타입은 자속이 쇄교되는 철심의 면적을 증가시켜 인가되는 전압을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
권선의 형상을 고려해 보면, 링(ring) 형상의 권선은 작은 직경의 TF(횡자속) 기기에 주로 적용되어 사용되어 왔다. 그러나, 상기 링 형상의 권선을 대형 직접구동식 기기에 동일하게 사용하게 되면, 제작과 설치, 그리고 유지보수 측면에서도 어려움이 따르게 된다. 따라서, 링 형상의 권선처럼 큰 치수를 가지지 않는 모듈 형상의 권선이 대형 직접구동식 기기에서는 유용할 것이다. 이상의 사항들을 요약하면 다음과 같다.
1) 컨셉 A : 단측 공극, 단일 권선, 자속 집중 타입 TFPM 기기
2) 컨셉 B : 링 형상의 권선 대신 큰 직경의 기기에 적당한 모듈 형상의 권선
3) 컨셉 C 및 D : 높은 인가전압 생산을 위한 증가된 철심 코어 면적(Increased iron core area to produce higher induced voltage)
4) 컨셉 E : 슬롯 피치와 높이를 줄임으로써 활동성 구성부 재료를 줄일 수 있는 짧은 자속경로를 가지는 복수 모듈 컨셉(Plural module concept with short flux path to reduce the active material by decreasing slot pitch and height)
첨부한 도 5는 새로운 TFPM 기기 구성을 나타낸 도면으로, 좌측의 도면은 위의 컨셉 A, B, C, D 및 E의 사항을 나타낸 구성이고, 우측의 사각형에 나타낸 구성은 위의 컨셉 A, B, C, D 및 E의 장점을 모두 가질 수 있는 새로운 컨셉을 구성한 것이다. 여기서, 클로 폴 코어(claw pole core)들은 고정자 철심이며, "□" 형상의 구성부는 육상경기트랙(racetrack) 형태의 모듈형 권선을 나타낸다. 그리고, 직육면체의 영구자석(PM) 사이에 직육면체로 된 자속 집중형 철심(core)이 개재되어, 영구자석과 철심이 서로 번갈아 배치되며, 영구자석에 표시된 화살표들은 영구자석의 착자방향을 나타낸 것이다.
도 5의 좌측 도면에서 A는 횡자속 발전기(또는 전동기)의 일반적인 구조 중 하나를 나타낸 것이고, B는 큰 직경을 가지는 횡자속 발전기(또는 전동기)에 적합한 권선으로서 복수개의 모듈화된 권선들의 사용을 설명하기 위한 도면이다. 기존의 횡자속 발전기(또는 전동기)에는 링 형태의 권선이 주로 사용되고 있고, 이러한 링 형태의 권선을 큰 직경의 횡자속 발전기(또는 전동기)에 사용하기에는 제작, 설치, 유지보수 등 여러가지 측면에서 어려움이 많다. 대형 직접구동 풍력터빈의 발전기는 직경이 매우 크기 때문에, 본 발명에 따른 직접구동식 전기기기(발전기/전동기)는 도 5의 B에 나타낸 권선을 복수개 사용하여 구성된다. 도 5에서 C와 D, E는 이미 알려진 구조로서, E는 발전기(또는 전동기)의 철심(iron core)(또는 철심과 영구자석(PM))의 사용량을 줄일 수 있는 초기 개념을 나타낸 구조이다. 도 5의 우측 사각형에 나타낸 구성은 본 발명에 따른 기본 구조로서, 이 구조에서 회전자(또는 이동자)를 도 6의 (f)에 나타낸 구조로 변경한 것이 본 발명의 직접구동식 전기기기(발전기/전동기)의 특징이라 할 수 있겠다.
직접구동식 영구자석형 기기(direct-drive PM machine)의 출력과 크기를 증가시킬 경우, 기기의 공극(air gap)직경, 즉 회전자와 고정자의 직경 증가와 함께 다른 변수들의 전자계 설계치수들도 함께 증가하게 된다. 그 변수는 공극길이(air gap length), 극간격(pole pitch), 극폭(pole width), 영구자석 길이 등이 된다. 대형 영구자석형 기기에 큰 치수의 영구자석을 사용할 경우, 영구자석의 제조와 핸들링이 어렵게 되고, 이로 인해 영구자석의 가격과 영구자석형 기기의 가격이 비싸지게 된다. 그리고, 도 5에 나타낸 바와 같은 영구자석과 자속 집중형 철심의 형상을 사용하게 되면, 첨부한 도 6의 (a)에 나타낸 바와 같이 영구자석의 이탈이 발생할 수 있다.
도 6의 (a) 구조에 대해 좀더 상세히 설명하면, 자속 집중형 영구자석 발전기(또는 전동기)에 적용되는 구조로서, 종자속형과 횡자속형 발전기(또는 전동기)에 공통으로 사용될 수 있는 구조이다. 도시된 바와 같이, 영구자석을 접착제만을 사용하여 고정시키면 발전기(또는 전동기)의 운전 및 사용시 분리될 수 있는 문제가 있다. 그리고, 영구자석이 크거나 두꺼워서 이를 제작하고 다루는데 어려움이 있다. 또한 극간격(pole pitch)을 일정하게 유지하면서 영구자석의 두께를 변화시킬 수는 없으며, 영구자석의 양을 증대시키기 위해서는 영구자석과 철심의 높이를 동시에 증가시켜야 한다.
따라서, 위에서 언급한 바와 같이 영구자석에 관련된 제작 단가를 낮추면서 영구자석의 이탈을 방지할 수 있고, 철심의 양의 증대 없이 영구자석 양의 증대가 가능한 본 발명의 구조는 도 6의 (f)와 같으며, 이를 설명하면 다음과 같다.
도 6의 (a) 구조는 도 6의 (c)와 같이 철심과 영구자석을 분할하여 도 6의 (d) 구조와 같이 재배열 할 수 있다. 도 6의 (e) 구조는 철심 양의 증대 없이 도 6의 (b)와 동일하게 영구자석의 양을 증대시킨 구조이다. 도 6의 (f) 구조는 도 6의 (a) 구조와 도 6의 (b) 구조가 가지는 문제점들을 개선할 수 있는 구조로서, 본 발명에 따른 회전자(또는 이동자) 구조이다. 도시된 바와 같이, 영구자석들의 탈착을 방지하고 핸들링의 어려움을 해소하기 위한 방안으로서, 복수개의 모듈로 구성되는 회전자 또는 이동자에서 각 모듈마다 하나의 두꺼운 영구자석 대신에 두 개의 얇은 직육면체 형상의 영구자석(24)을 사용하며, 영구자석(24)들 사이에 영구자석의 자속경로를 형성 및 유지시켜 주기 위한 삼각형 단면 모양의 철심(22)이 배치된다. 또한 각 모듈에서 역삼각형 단면 모양(바람직한 실시예에서 도 6의 (f)에 나타낸 바와 같이 역삼각형 단면 모양으로서 뒤집어진 원뿔형 플라스크 단면 모양이 될 수 있음)의 자속 집중형 철심(23)이 구비되고, 상기 두 개의 영구자석(24)은 자속 집중형 철심(23)의 양측 경사면에 배치된다. 이때, 삼각형 단면 모양의 철심(22)의 각 경사면에 이웃한 모듈의 영구자석(24)이 하나씩 배치되는 구조가 되며, 각 영구자석(24)이 자속 집중형 철심(23)의 경사면과 자속경로 유지용 철심(22)의 경사면 사이에 배치되는 구조가 된다.
이와 같이 영구자석의 이탈을 방지하고 제조와 핸들링을 쉽게 할 수 있는 구조는 횡자속 기기뿐만 아니라 종자속을 가지는 일반 RFPM 기기와 AFPM 기기에 대해서도 적용이 가능하다.

- 비활동성 구성부 재료 최소화
풍력터빈에 사용되는 발전기에서 비활동성 구성부(inactive part)의 역할은 다음과 같이 정의할 수 있다.
ㆍ 발전기의 회전자와 고정자 사이의 공극 유지
ㆍ 터빈의 로터 블레이드로부터 회전력을 받아 발전기의 회전자로 전달
소형 직접구동식 기기에서는 활동성 구성부의 무게가 차지하는 비중이 크지만, 대형으로 갈수록 전체 무게 중에서 비활동성 구성부가 차지하는 비중이 더욱 커지는 것으로 알려져 있다. 직접구동식 풍력터빈의 경우, 대형화될수록 높은 토크를 가지는 발전기가 요구되기 때문이다. 따라서, 비활동성 구성부 재료의 최소화를 위해 다음의 사항들이 고려될 수 있다.
1) 베어링리스(bearingless) 영구자석 기기
2) 샤프트 및 기타 구조물이 없는 링(ring) 형상의 영구자석 기기
베어링리스 구동방식의 영구자석 기기의 설명에 앞서, 기존의 베어링리스 구동(드라이브)에 대한 설명을 통해 베이링리스 구동방식의 원리와 장단점에 대해 먼저 살펴보기로 한다. 이어서 기존의 베이링리스 구동방식이 가지고 있는 단점을 해결할 수 있고 기존 베어링리스 구동방식을 보다 간략히 구현할 수 있는 방법을 설명하기로 한다. 계속하여, 기존의 직접구동식 기기들이 가지고 있는 샤프트, 토크 전달을 위해 필요한 구조물, 공극을 유지하기 위해 필요한 구조물 등이 없는 링 형상의 영구자석형 기기에 대해 설명하기로 한다.
베어링리스 구동방식은 우주, 열악한 환경, 고속운전 등에 적용할 경우에 발생하는 베어링 관련 문제 등을 해결하기 위해 제안 및 사용되어 왔다. 상기 베어링리스 구동방식은 여러 연구자들에 의해 다음의 분야들에 적용하기 위한 연구가 수행되어 왔다.
1) 영구자석 베어링리스 전동기(PM bearingless motors)
2) 동기 릴럭턴스 베어링리스 전동기(synchronous reluctance bearingless motors)
3) 베어링리스 유도 전동기(bearingless induction motors)
4) 스위치드 릴럭턴스 베어링리스 전동기(switched reluctance bearingless motors)
5) 단극, 복합 및 가변극 베어링리스 전동기(homopolar, hybrid and consequent-pole bearingless motors)
상기의 베어링리스 구동방식들 중에서 영구자석 베어링 전동기의 장점은 다음과 같이 요약할 수 있다.
1) 작은 사이즈 및 경량화
2) 높은 파워 팩터(high power factor)와 고효율
3) 메인 권선의 인가전류 없이 생성되는 서스펜션 힘(suspension forces generated without excitation current in the main winding)
4) 자기 서스펜션이 전동기 권선 전류와 관계 없이 독립적으로 작동하므로 인버터 폴트에 대한 높은 독립성(high inverter fault independence because magnetic suspension operates independently of the motor winding current)
따라서, 본 발명에서는 영구자석 베어링리스 구동방식을 채용한다.
베어링리스 전동기의 큰 특징은 (자기)베어링 권선이 전동기와 결합되어 있다는 것이다.
첨부한 도 7의 (a)는 4극 영구자석 베어링리스 전동기의 권선 구조를 나타낸 것이다. 반경방향 베어링 힘과 토크를 분리하기 위해 베어링 권선과 토크 권선은 극수가 서로 다르게 설계된다. 기본적인 베어링리스 구동 구조의 권선배치는 도 7의 (b)와 같이 간략화하여 나타낼 수 있다. 여기서, 4극 전동기 권선(토크 권선)은 도면부호 4a와 4b로 나타내었으며, 2극 베어링 권선은 도면부호 2a와 2b로 나타내었다. 여러 타입의 PM(영구자석) 베어링리스 전동기들 중에서 인세트(inset) PM 타입의 베어링리스 전동기와 베리드(buried) PM 타입의 베어링리스 전동기의 회전자는 도 7의 (c)와 (d)에 각각 나타내었다. 도 7의 (d)에 나타낸 베리드 PM 타입 베어링리스 전동기는 영구자석에서의 자기저항(magnetic reluctance)이 작기 때문에 반경방향 베어링 힘을 향상시킬 수 있는 구조이다.
상술한 바와 같이, 베어링리스 구동 구조에서는 베어링 권선과 전동기 권선(토크 권선)을 사용하여 베어링 힘과 토크를 동시에 제어하여야 한다. 따라서, 베어링리스 구동 구조는 일반적인 전기기기(전동기/발전기)의 구동 구조보다 구성 및 제어가 복잡하며, 가격도 비싸지게 된다.
대형 직접구동식 풍력터빈 발전기의 경우, 발전기 전체 무게 중에서 비활동성 구성부의 무게가 차지하는 비중이 크다. 만약 베어링리스 구동 방식을 적용하게 되면 비활동성 구성부의 무게를 현저히 줄일 수 있고, 베어링리스 구동 방식을 적용한 발전기의 가격을 현저히 낮출수 있는 방법이 있다면 대형 직접구동에 베어링리스 구동의 적용이 가능할 것이다. 그런데 대형 직접구동의 경우, 회전자의 무게(활동성 구성부의 무게와 비활동성 구성부의 무게 포함)가 매우 무겁기 때문에, 베어링 힘(bearing force)으로 회전자의 무게를 지탱하고 요구 위치를 유지하기 위해서는 베어링리스 구동에서의 전력소모가 클 것으로 예상된다. 따라서, 대형 직접구동에 적용하기 위한 새로운 개념의 베어링리스 구동은 다음의 사항들을 만족하여야 한다.
(1) 비활동성 구성부 중량의 현저한 감소(significant mass reduction of the inactive part)
(2) 베어링 힘을 발생시키는데 소비되는 전력의 최소화(minimized power consumption to produce the bearing force)
(3) 단순화된 제어 및 구성 요소(simplified control and components)
본 발명에서 사용되는 새로운 영구자석 베어링리스 구동(드라이브) 구조 역시 회전자에 철심과 영구자석을 가지는 구조이다. 또한 고정자는 철심과 권선으로 구성된다. 첨부한 도 8은 본 발명에 따른 영구자석 베어링리스 구동(드라이브) 구조를 나타낸 도면으로서, 도시된 바와 같이 양측형 축자속 기기(axial flux machine)의 형상을 하고 있다. 도 8에 나타낸 바와 같이 베어링 힘은 단지 회전자와 고정자의 공극길이를 일정하게 유지하기 위해서만 사용되며, 회전자의 무게를 지탱하는 데는 사용되지 않는 구조를 하고 있다. 도 8에 나타낸 베어링리스 구동 구조는 도 5에 나타낸 TFPM 기기의 구조를 하고 있지만, 통상의 영구자석(PM) 기기(종자속 영구자석 기기 등)에 적용해도 구현이 가능하다.
도 8의 구조는 기존의 일반적인 발전기(또는 전동기)와 같은 구조적 구성부가 없이 새로운 베어링리스 구동방식의 구조로 회전력을 전달하고 공극(air gap)을 유지하는 구조이다. 일반적인 발전기(또는 전동기)는 전기를 생산하는 전자계 구성부(electromagnetic part 또는 active part)와 베어링, 축(shaft) 및 회전력의 전달과 공극(air gap)의 유지를 위한 구조물인 구조적 구성부(structural part 또는 inactive part)로 구성된다. 본 발명에 따른 베어링리스 구동방식 발전기(또는 전동기)는 베어링 권선과 토크 권선이 모두 필요한 기존의 베어링리스 구동방식 발전기(또는 전동기)와는 분명한 차이를 가진다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 베어링리스 구동방식 발전기(또는 전동기) 구조는 양측 공극형 구조를 하고 있으며, 양측의 공극길이가 서로 동일하지 않을 때 권선에 다른 크기의 전류를 인가함으로써 양측 공극을 일정(동일)하게 유지할 수 있다. 즉, 기존 베어링리스 구동방식 구조처럼 토크의 발생과 베어링 힘의 발생을 위해 두가지 권선이 모두 필요한 것이 아니고 하나의 권선만으로 두 가지 역할을 다 수행할 수 있는 구조인 것이다.
회전자(rotor)의 진행방향과 자속(flux)의 경로가 도 8의 (a)에 나타나 있다. 새로운 베어링리스 구동 구조가 안정된 상태(stable state)에 있다면, 공극 1(air gap 1)과 공극 2(air gap 2)의 길이가 같을 것이다. 공극 1과 공극 2의 길이가 동일하지 않는 상태, 즉 안정되지 않은 상태(unstable state)일 때는 갭센서(gap sensor) 또는 양측 고정자 1, 2(stator 1, 2)에 인가되는 무부하 전압(no-load induced voltage)의 차이를 통해 양측의 공극길이 차이를 알 수 있다. 공극 1의 길이가 공극 2의 길이보다 큰 경우, 공극 1의 고정자와 회전자 사이의 흡인력(attraction force)을 증가시키고 공극 2에서의 흡인력을 감소시키면 양측 공극길이가 동일한 지점으로 회전자가 이동하게 된다. 이를 위해서는 고정자 1(stator 1)의 권선에 흐르는 전류(current, i)의 크기를 증가시키고, 고정자 2(stator 2)의 권선에 흐르는 전류의 크기를 감소시키면 된다.
영구자석에 의한 자속과 흡인력이 존재하기 때문에, 공극 2의 길이가 너무 작은 경우에는 공극 2에서의 흡인력이 공극 1에서 보다 상대적으로 매우 커서 고정자 1의 전류를 증가시키고 고정자 2의 전류를 감소시키더라도 양측 공극을 동일하게 하는 데에는 한계가 있을 수 있다. 이러한 경우에는 고정자 2에 흐르는 전류의 방향을 반대로 하여 공극 2에서의 흡인력을 줄여주는 방법도 가능하다.
회전자가 회전방향 또는 진행방향을 축으로 하여 흔들리는 경우에는 양측 공극의 상부측 공극길이와 하부측 공극길이가 달라지게 된다. 따라서, 도 8의 (a)와 도 8의 (b)에 나타낸 베어링리스 구동 구조만으로는 이 문제를 해결하기가 충분하지 않다. 도 8의 (c)는 이 문제를 해결 가능한 보다 바람직한 본 발명의 베어링리스 구동 구조를 보여준다. 이러한 구조를 사용함으로써 회전자가 진행방향을 축으로 흔들리더라도 공극 1과 공극 2를 일정하게 유지하는 제어가 가능하게 된다.
따라서, 어떠한 방법으로든지 또는 어떠한 가이딩을 사용하든지, 회전자의 중력방향 위치를 요구범위 내에서 일정하게 유지해 줄 수 있다면, 본 발명에서 제시되는 베어링리스 구동 구조는 풍력터빈뿐만 아니라 다른 대형 직접구동식 장치에서도 사용이 가능하다. 나아가 선형 구동 시스템(linear drive system)에도 적용이 가능하며, 이때는 제어 대상이 회전자(rotor)가 아니라 이동자(mover)가 된다.
공극 1과 공극 2의 길이가 다른 경우에는 각 공극에서의 자속밀도(flux density, B)가 변하게 되어 최종적으로 회전자와 고정자 사이에 존재하는 흡인력의 크기도 변하게 된다. 즉, 다른 치수와 파라미터들은 변하지 않고 공극길이만 변하게 되면, 공극길이 증가측에서는 자속밀도가 감소하고 감소측에서는 자속밀도가 증가하게 된다.
도 8에서 갭센서는 공극길이의 변화를 알기 위해 보조적으로 사용되는 것으로, 발전기(또는 전동기)가 운전 중에 있는 경우에는 갭센서를 사용하지 않고 각 권선에 인가되는 무부하 전압(no-load induced voltage) 등을 측정 비교하여 갭의 변화를 알 수 있다. 단, 발전기(또는 전동기)의 초기 기동시 또는 비정상상태일 때는 무부하 전압의 측정이 어려우므로 갭센서가 사용된다.
첨부한 도 9에는 자계강도(magnetic intensity, H)의 크기에 따라 비선형적으로 변하는 특성을 가지는 철심(iron core)의 자속밀도 특성을 고려하여, 공극길이가 다른 경우에 대한 자속밀도를 표시하였다(실제 철심에서의 자속밀도 특성은 도 9와 같이 직선형태를 보이는 것이 아니고 곡선형태를 보인다. 즉, 도 9는 개략화하여 나타낸 것이다). 본 발명에 따른 베어링리스 구동방식 발전기(또는 전동기)에서는 전술한 바와 같이 한쪽의 공극길이가 감소하면 다른 쪽의 공극길이는 반대로 증가하게 되는데, 도 9는 이때 양측 공극에서의 자속밀도 변화를 B-H 곡선상에 간략히 나타낸 것이다.
도 9에서 B air gap 는 공극 1과 공극 2가 동일한 안정상태에서의 자속밀도이며, B smaller air gap 와 B larger air gap 는 공극 1과 공극 2가 동일하지 않은 상태일 때 작은 공극과 큰 공극에서의 자속밀도를 각각 나타낸다.
구조물의 무게(inactive mass)를 현저하게 줄일 수 있는 두 번째 방법은 도 4에 나타낸 바와 같은 링 형상의 발전기(전동기도 가능함) 구조이다. 그 형상을 개략적으로 나타내면 첨부한 도 10 ~ 도 12에 나타낸 바와 같으며, 이에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 10 ~ 도 12는 링 형상의 횡자속 발전기(또는 전동기)를 나타낸 것으로, 도시된 바의 링 형상의 횡자속 발전기(또는 전동기)는 양측 공극형이며, 공극에서 쇄교되는 자속의 방향이 축방향인 축자속 기기(axial flux machine)의 구조를 가지고 있다. 고정자(stator)는 회전자(rotor)를 가운데에 두고 양쪽에 위치해 있으며, 각 고정자는 철심(iron core)과 권선(copper winding)으로 구성되어 있다. 회전자는 철심과 영구자석(permanent magnet)으로 구성되며, 도 8에 나타낸 자속경로(flux path)를 보면 알 수 있듯이 양측의 각 고정자에 대응하는 회전자가 각각 존재한다. 따라서 이 구조는 좌측의 고정자+회전자 1 세트와 우측의 고정자+회전자 1 세트로 구성된다.
도 10에 나타낸 구조는 기존의 발전기(또는 전동기)가 가지고 있는 샤프트(shaft), 공극 유지와 토크의 전달의 위해서 필요한 구조물(inactive structure)을 최대한 제거한 형태이다. 따라서, 앞서 언급한 대형 고토크 직접구동식 발전기(또는 전동기)에서 해결해야 할 중요한 부분인 구조물의 현저한 무게 감소가 가능하게 된다.
대형 기기를 한 몸체로 구성하게 되면, 제작부터 조립, 이동, 설치 및 유지보수에 상당한 어려움이 발생하게 된다. 이는 곧 제품의 가격을 상승시키는 요인이 된다. 이러한 구조는 종래에 주로 많이 사용되는 구조이다. 기존의 일반 발전기(또는 전동기)와 같은 경우에는 시스템의 일부분 또는 일부 부품에서만 문제가 생겨도 발전기(또는 전동기)의 운전을 정지하고 문제를 해결한 후 다시 운전하여야 한다. 발전기(또는 전동기)의 출력이 큰 경우, 발전기(또는 전동기)의 운전이 정지되면 전체 운용시스템에 미치는 영향이 아주 크다.
따라서, 상기에 서술한 기존의 문제들을 개선하기 위해서, 본 발명에서는 링 형상의 발전기(또는 전동기)를 복수개의 모듈화로 구성이 가능하게 함으로써 다음사항들을 실현한다.
(1) 제작, 조립, 이동, 설치 및 유지보수 등에서 발생하는 문제들을 해결
(2) 발전기(또는 전동기)의 일부 부품 또는 일부 모듈에서 문제가 발생하더라도 문제가 없는 다른 모듈들은 계속해서 전력 생산(또는 운전)이 가능
이를 위해 발전기(또는 전동기)의 회전자, 고정자, 전력변환장치 및 구조물을 일체형이 아닌 모듈형으로 구성한다. 이 경우, 발전기(또는 전동기)가 3상(3 phase)의 구조라면 각 고정자 모듈은 개별적으로 3상 발전기(또는 전동기)의 고정자가 되며, 단지 출력만 작다. 따라서, 각 모듈의 출력은 '발전기(전동기)의 전체 출력/모듈의 수'가 된다.
도 11와 도 12는 본 발명에 따른 대형 링 형상의 횡자속 발전기(또는 전동기)를 나타낸 것으로, 복수개의 모듈로 분리 구성됨을 보여주고 있다. 이에 나타낸 바와 같이, 회전자는 모듈형으로 일부분씩 제작이 되어 서로 연결 조립됨으로써 최종적으로 원형의 회전자로 구성되는 것이 가능하다. 모듈형으로 구성된 고정자는 모듈별로 분해/조립이 용이한 구조를 하고 있으며, 각 고정자 모듈의 표면에 각 모듈에 해당하는 전력변환장치의 결합이 가능하다. 이와 같이 모듈형 구조를 사용함으로써 앞서 언급한 바와 같이 일부 고정자 및 일부 전력변환장치 모듈에 문제가 있더라도, 다른 모듈들에서는 계속해서 전력 생산(또는 운전)이 가능하다.
이와 같은 모듈형 구조를 풍력터빈에 적용하게 되게 되면, 일부 모듈이 고장이 나더라도 유지보수 이전까지 나머지 모듈들로 전력 생산이 가능하기 때문에 전력생산량을 향상시킬 수 있는 한 방법이 된다. 그리고, 이러한 모듈형 구조는 풍력터빈뿐만 아니라, 대형 직접구동 방식을 사용하는 발전기와 전동기에 모두 적용이 가능하다.
또한 도 10 ~ 도 12에는 횡자속 발전기(또는 전동기)로 링 형상의 발전기(또는 전동기) 구조를 나타내고 있지만, 종자속 발전기(또는 전동기)로도 이와 같은 링 형상의 구조를 구현하는 것이 가능하다.
또한 도 10 ~ 도 12에 나타낸 바와 같이 토크(torque)의 전달과 공극(air gap)의 유지를 위해 축(shaft)과 구조물이 없는 링 형상의 발전기(또는 전동기) 구조는 풍력터빈용 외에도 저속 고토크 발전기(또는 전동기)에도 적용이 가능하다(예를 들어, 선박, 잠수함 등의 추진용 전동기, 조력 또는 수력발전용 발전기 등).
그리고, 이러한 원리 및 구조는 회전형 발전기(또는 전동기) 외에도 직선형 전동기(또는 발전기)에도 적용이 가능하다(예를 들어, 이송시스템용 선형전동기, 선형왕복운동을 하는 발전기 등).

- 신개념의 가이딩 및 베어링 시스템
기존의 직접구동식 풍력터빈은 회전체와 고정체의 가이딩과 지지를 위해 일반 베어링(예컨대, 기계 베어링)을 사용한다. 베어링과 발전기 회전자의 구성을 고려하면 풍력터빈을 (1) 더블 베어링 시스템(double bearing system), (2) 싱글 베어링 시스템(single bearing system), (3) 내부 로터 시스템(internal rotor system), (4) 외부 로터 시스템(external rotor system) 등과 같이 분류할 수 있다. 풍력터빈에서 사용 가능한 통상의 직접구동식 시스템의 구조를 나타내면 첨부한 도 13과 같다. 도 13을 참조하면, 회전하는 부분, 고정체, 베어링이 도시되어 있으며, 도시된 바와 같은 기존의 베어링 시스템이 가지고 있는 문제점은 다음과 같이 요약할 수 있다.
베어링과 베어링이 설치되는 구조는 제작과 운전시에 정밀함이 요구 및 유지되어야 한다. 기존의 베어링 구조는 매우 큰 직경에 적용하는 것은 가능하지만, 베어링이 요구하는 정밀도를 큰 직경의 구조에서 만족시키기에는 어려움이 많이 따른다.
기존의 베어링은 로터 블레이드(rotor blade)를 지지하고 가이딩하는 것 외에 발전기의 회전자와 고정자 사이에 존재하는 흡인력(attraction force)을 이겨내고 공극길이를 일정한 범위 내에서 유지하여야 하기 때문에 베어링이 감당하여야 하는 부하가 아주 크다.
이상과 같은 이유 등으로 인해 기존의 기계적인 베어링 시스템은 튼튼하고 정밀하여야 한다. 이러한 기존의 베어링을 위에서 설명한 본 발명에 따른 베어링리스 구동 구조에 사용하기 위해서는, 베어링의 직경이 발전기의 직경과 비슷하게 커져야 한다. 그리고, 이때 베어링은 풍력터빈의 로터 블레이드 무게와 발전기의 회전자 무게를 동시에 지탱하고 가이딩 하여야 한다. 큰 직경의 베어링을 사용하여 로터 블레이드의 무게와 발전기 회전자의 무게를 모두 지지하고 가이딩하도록 하기 위해서는 구조가 매우 정밀해지고 튼튼해지며 무겁고 비싸지게 된다.
회전체의 회전속도 또는 직선 이동물체의 이동속도가 고속이라면, 대상 물체의 지지와 가이딩을 위해 높은 정밀도의 구조가 요구된다. 그러나, 상대적으로 저속인 대형 고토크(또는 고추력) 기기의 경우는 고속 기기 보다는 상대적으로 낮은 정밀도의 구조로도 대상 물체의 지지와 가이딩이 가능하다. 특히, 직접구동식 풍력터빈의 경우에는 대형화 될수록 회전체의 회전속도가 감소하는 경향을 가진다. 따라서, 기존의 베어링 시스템보다 낮은 정밀도를 가지는 베어링 시스템을 사용하고도 중(重)하중의 대형 물체를 요구하는 오차범위 내에서 지지하고 가이딩할 수 있다면, 상기에 언급한 기존의 베어링을 사용함으로써 발생하는 문제들을 극복할 수 있다.
이를 위해서는 베어링 시스템에서 기존의 베어링이 가지는 기계적인 접촉을 제거하는 것이 한 방법이 된다. 따라서, 유체베어링 또는 자기베어링을 사용하면 이 조건을 만족하면서 대상 물체의 지지와 가이딩이 가능하다.
먼저 유체베어링을 사용하여 대상 물체를 중력방향으로 일정 위치에 유지시키기 위해서는 물체의 무게를 이겨낼 수 있는 압력의 유체를 중력 반대방향으로 물체에 충돌시켜야 한다. 자기베어링을 사용하는 경우는 중력 반대방향의 베어링 힘을 증가시켜야 하며, 이를 위해 베어링 권선전류를 증가시켜야 한다. 만약, 대상 물체가 아주 무겁다면 무게를 지탱하고 가이딩 하기 위해 사용되는 에너지 소모도 아주 크게 된다. 따라서, 기계적인 접촉이 없는 베어링이면서, 무게를 지탱하기 위해 소모되는 에너지의 양이 적은 새로운 개념의 베어링이 필요하다. 이를 위해 본 발명에서 대상 물체의 지지 및 지탱을 위해 부력을 가지는 회전체(또는 이동체)가 사용될 수 있다. 그리고, 회전자(또는 이동자)와 고정자 사이의 접촉(contact or touchdown)을 방지하기 위한 유체 정압 베어링(hydrostatic bearing)이 사용될 수 있다. 상기 유체 정압 베어링을 사용할 경우에는 공극을 유지하기 위한 베어링리스 구동의 부담을 덜어줄 수 있게 된다. 즉, 유체 정압 베어링도 공극을 유지하기 위한 역할을 일정 부분 수행할 수 있기 때문에, 베어링리스 구동의 피크(peak) 부하를 줄일 수 있는 효과가 있게 된다. 이 새로운 베어링 시스템에 대한 설명을 추가하면 다음과 같다.
1) 부력을 가지는 회전체(또는 이동체)
부력을 사용하면 무거운 구조물도 유체 내에서 쉽게 들어올릴 수 있다. 회전체 또는 이동체가 유체 내에서 부력을 가지는 구조가 되면, 회전체 또는 이동체를 중력을 이겨내고 요구하는 지점에 쉽게 위치시킬 수 있다. 따라서, 회전체 또는 이동체의 중력방향 위치를 일정 범위 내에서 유지하기 위해 기존의 무겁고 튼튼하고 정밀한 구조가 더 이상 필요 없게 된다.
2) 유체 정압 베어링
발전기(또는 전동기)의 제어 이상이나 전력변환장치 등 일부 부품에서 이상이 발생하면 발전기(또는 전동기)와 베어링리스 드라이브의 운전이 동시에 정지되며, 이로 인해 회전체가 고정체에 접촉하여 구조물의 손상이 발생할 수 있다. 따라서, 유체 정압 베어링은 베어링리스 드라이브와 함께 공극을 유지하는 기능뿐만 아니라 회전체가 고정체에 접촉하여 손상이 발생하는 것을 방지하는 기능도 가지고 있다.
이러한 새로운 가이딩 및 지지 방식은 대형 직접구동식 발전기/전동기의 회전자 구조에 대해서 이용될 수 있다. 또한 이러한 가이딩 및 지지 방식은 로터 블레이드(또는 임펠러, 스크류 등)와 발전기/전동기 회전자 구조물 모두의 가이딩과 지지에 대해서도 이용될 수 있다. 따라서, 회전 부품을 지지하고 가이딩하는 무거운 구조물들이 제거될 수 있기 때문에 대형 직접구동식 풍력터빈의 무게를 크게 감소시킬 수 있게 된다.
상술한 부력을 가지는 회전체(또는 이동체)와 유체 정압 베어링을 도면을 참조하여 추가 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 적용되는 것으로서, 첨부한 도 14는 부력을 가지는 회전자를, 도 15는 유체 정압 베어링의 기본 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 14의 (a)는 부력이 있는 대상 물체가 유체 내에서 안정된 상태에 있는 때를 나타낸 것이다. 이와 같이 부력이 있는 물체는 유체에서 뜨게 된다. 그리고, 도 14의 (b)는 대상 물체가 안정되지 않은 상태에 있는 때를 나타낸 것으로, 물체가 흔들리거나 뒤집히려는 힘이 발생하게 된다. 따라서, 대상 물체가 불안정상태가 되어 흔들리거나 뒤집히려고 할 때, 외부에서 이와 반대방향의 힘을 가하게 되면 물체는 다시 안정상태로 돌아가게 된다. 본 발명에서는 이러한 점을 이용하기 위해 유체 정압 베어링을 사용하며, 기본적인 개념과 구조는 첨부한 도 15에 나타낸 바와 같다. 도 15를 참조하면, 펌프에 의해 유체 통로로 공급된 유체가 회전체 주변에서 일정 압력상태를 유지하면서 부력에 의해 회전체를 지지하는 구조로 되어 있다.
회전체인 경우에 부력을 가지는 회전체 및 유체 정압 베어링의 2가지 방식을 적용하게 되면, 첨부한 도 16과 같이 구성할 수 있다. 이러한 구조는 대형 직접구동식 시스템에 적용이 가능하며, 특히 첨부한 도 17과 같이 직접구동식 풍력터빈의 로터 블레이드와 발전기 회전자의 지지 및 가이딩에도 적용 가능하다. 즉, 풍력터빈에 본 발명에 따른 발전기 구조를 적용할 경우, 직접구동식 풍력터빈의 발전기에 한정하지 않고 풍력터빈의 로터를 함께 결합시킨 구조의 구현이 가능하며, 이를 도 17에 예시하였다. 본 발명에 따른 링 형상의 베어링리스 구조의 발전기와 부력을 가지는 회전자 구조 및 유체 정압 베어링 시스템을 풍력터빈 로터의 가이딩에도 통합 적용할 수가 있는 것이다.
도 16와 도 17에 나타낸 유체 정압 베어링이 적용되는 구조에 대해 설명하면, 고정 구조물에 유체가 채워지는 링 형상의 고정부가 고정 설치되고, 상기 고정부의 내부에 동심원상에 배치되는 링 형상의 회전부가 설치된다. 그리고, 상기 고정부의 내측면에는 고정자가 설치되고, 상기 회전부의 외측면에는 상기 고정자와 대향된 위치에 회전자가 설치된다. 또한 상기 고정부의 내부에는 공극 유지를 위한 유체가 채워지고, 회전부의 내부에는 공기가 채워지며, 특히 회전부의 외경면에 반경방향으로 돌출 형성된 연결부에는 로터 블레이드(임펠러 또는 프로펠러 등)가 일체로 연결된다. 상기 연결부는 고정부의 외경면에 설치된 실링부재(유체를 실링함)을 통해 외부로 연장되어서 외측의 로터 블레이드와 연결되며, 고정부의 내부에서 회전자 및 회전부가 로터 블레이드와 일체로 회전되게 된다. 이러한 유체 정압 베어링의 적용에 의해 고정자를 포함한 고정 구조물에 대해서 회전자를 포함한 회전 구조물이 유체의 압력 및 부력에 의해 지지되면서 회전될 수 있게 된다.
도 17에는 발전기(또는 전동기) 및 고정부의 외경 쪽으로 로터 블레이드가 설치된 실시예가 도시되어 있으나, 첨부한 도 18 및 도 19, 도 20에 나타낸 바와 같이 발전기 및 고정부의 내경 쪽으로 로터 블레이드가 설치되는 구조도 구현이 가능하다. 이 경우, 연결부는 고정부의 내경면에 설치된 실링부재를 통해 외부로 연장되되, 연결부가 고정부의 내경 쪽으로 연장되고, 로터 블레이드 역시 고정부 내경 쪽에서 연결부와 일체로 연결되게 설치된다.
상기와 같이 유체 정압 베어링이 적용된 링 형상의 발전기(또는 전동기) 구조는 풍력터빈용 외에도 저속 고토크 발전기(또는 전동기)에도 적용이 가능하다(예를 들어, 선박, 잠수함 등의 추진용 전동기, 조력 또는 수력발전용 발전기 등).
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

Claims (16)

  1. 발전기 및 전동기와 같이 회전자 또는 이동자와 함께 고정자를 가지는 직접구동식의 전기기기에 있어서,상기 회전자 또는 이동자 그리고 이에 조합되는 고정자가 각각 분리 구성된 복수개의 모듈들이 1개의 상(phase)을 구성하도록 서로 조합되어 짧은 자속경로를 가지는 복수 모듈 조합형 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
  2. 청구항 1에 있어서,상기 회전자 또는 이동자와 상기 고정자의 조합된 구조에서 상기 회전자 또는 이동자를 중심으로 양측으로 공극을 가지도록 고정자가 배치되는 양측 공극형 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
  3. 청구항 2에 있어서,상기 회전자 또는 이동자와 상기 고정자 사이에서 양측의 공극은, 각 고정자의 권선에 인가되는 전류의 제어를 통해 공극을 유지하는 베어링리스 드라이브에 의하여 유지되며, 상기 베어링리스 드라이브는 상기 회전자 또는 상기 이동자의 무게를 지탱하는데 사용되지 않도록 형성되는 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,상기 양측 공극에서 쇄교되는 자속의 방향이 축방향인 축자속 기기의 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
  5. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,양측의 각 고정자에 대응하는 회전자 또는 이동자가 각각 구비되어 좌측의 고정자+회전자(또는 이동자) 1 세트와 우측의 고정자+회전자(또는 이동자) 1 세트로 구성되는 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
  6. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,상기 회전자와 상기 고정자가 각각 링 형상으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
  7. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,상기 전기기기가 횡자속 발전기 또는 횡자속 전동기인 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
  8. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,상기 전기기기가 종자속 발전기 또는 종자속 전동기인 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
  9. 청구항 2에 있어서, 상기 회전자와 고정자 사이에서 공극은, 유체 압력 및 부력에 의해 회전자를 지지하는 유체 정압 베어링과, 각 고정자의 권선에 인가되는 전류의 제어를 통해 공극을 유지하는 베어링리스 드라이브에 의하여 유지되는 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
  10. 청구항 9에 있어서,발전기 또는 전동기로서, 고정 구조물에 유체가 채워지는 링 형상의 고정부가 고정 설치되고, 상기 고정부의 내부에는 동심원상에 배치되는 링 형상의 회전부가 설치되며, 상기 고정부의 내측면에 고정자가 설치되고, 상기 회전부의 외측면에는 상기 고정자와 대향된 위치에 회전자가 설치되며, 상기 고정부의 내부에는 공극 유지를 위한 유체가 채워지고, 상기 회전부는 고정부의 외부로 연장된 연결부를 통해 로터 블레이드와 연결된 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 로터 블레이드가 고정부의 외경 쪽으로 배치되어, 상기 회전부가 고정부의 외경 쪽으로 연장된 연결부를 통해 로터 블레이드와 연결되는 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
  12. 청구항 10에 있어서,상기 로터 블레이드가 고정부의 내경 쪽으로 배치되어, 상기 회전부가 고정부의 내경 쪽으로 연장된 연결부를 통해 로터 블레이드와 연결되는 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
  13. 청구항 1에 있어서,상기 회전자 또는 이동자에서 각 모듈마다 두 개의 영구자석이 구비되되, 상기 두 개의 영구자석 사이에 영구자석의 자속경로를 형성하는 삼각형 단면 모양의 철심이 배치되고, 각 모듈에서 역삼각형 단면 모양의 자속 집중형 철심이 구비되되, 상기 두 개의 영구자석이 상기 자속 집중형 철심의 양측 경사면에 배치되어, 각 영구자석이 자속 집중형 철심의 경사면과 자속경로 유지용 철심의 경사면 사이에 배치되는 구조로 된 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
  14. 청구항 1에 있어서,상기 각 모듈은 독립된 기능 및 운전을 수행할 수 있도록 독립된 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
  15. 청구항 3에 있어서,상기 권선은 육상경기트랙(racetrack) 모양의 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
  16. 청구항 3에 있어서,상기 직접구동식의 전기기기는 이동자와 고정자로 구성되는 선형구동의 전기기기인 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ITBO20110673A1 (it) * 2011-11-24 2013-05-25 Samp Spa Con Unico Socio Generatore elettrico per un generatore eolico
EP2802062A1 (en) 2013-05-08 2014-11-12 Phase Motion Control S.p.A. An electric generator for a wind power generator
EP2645536B1 (en) * 2012-03-30 2020-01-08 GE Renewable Technologies Wind B.V. Permanent magnet rotor
US11883345B2 (en) 2019-01-20 2024-01-30 Airborne Motors, Llc Medical stabilizer harness method and apparatus

Families Citing this family (35)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012092963A1 (en) * 2011-01-05 2012-07-12 Vestas Wind Systems A/S A wind turbine generator with fluid film bearing units
JP5812320B2 (ja) * 2011-01-18 2015-11-11 独立行政法人交通安全環境研究所 磁石体
CN102842974B (zh) * 2012-08-03 2015-06-03 埃塞克科技有限公司 横向磁通发电机
EP2891235B1 (de) * 2012-08-31 2020-01-22 LEANTEC Motor GmbH Elektromechanischer wandler
EP2728712A1 (en) * 2012-10-31 2014-05-07 Openhydro IP Limited A power generator for a hydro turbine
JP6134126B2 (ja) * 2012-11-20 2017-05-24 株式会社東芝 回転電機及び車輌
CN102938603B (zh) * 2012-11-26 2015-04-22 江苏大学 模块化c型定子铁芯的圆筒型永磁直线电机
JP6139353B2 (ja) * 2013-09-20 2017-05-31 株式会社東芝 回転電機、電動機、機械、発電機及び発電装置
GB2522021B (en) * 2014-01-08 2018-02-07 Protean Electric Ltd A rotor for an electric motor or generator
WO2016030168A1 (en) * 2014-08-28 2016-03-03 Pascal Chretien Electromagnetic distributed direct drive for aircraft
US9906111B2 (en) * 2014-10-21 2018-02-27 Xiuhong Sun Fine element magnet array
GB2545627B (en) * 2015-10-16 2021-04-21 Yasa Ltd Axial flux machine arrangement
US11476729B2 (en) * 2017-03-03 2022-10-18 Ge Renewable Technologies Salient pole machine with rotor having rotor rim with pole-rim interface and fixation points
FR3064837B1 (fr) * 2017-04-03 2020-01-17 Moving Magnet Technologies Rotor pour machine electrique a aimants permanents internes
JP6447662B2 (ja) 2017-05-09 2019-01-09 ダイキン工業株式会社 電動機システムおよびそれを備えたターボ圧縮機
CN107013410B (zh) * 2017-06-07 2023-08-11 曲阜师范大学 一种垂直轴永磁直驱风力发电机及其控制方法
TWI658682B (zh) * 2017-09-29 2019-05-01 煊銘國際股份有限公司 模組式發電裝置
EP3477820B1 (de) 2017-10-26 2021-02-24 Jan-Dirk Reimers Elektrische ringmaschine für den umrichterbetrieb
EP3503358A1 (de) 2017-12-21 2019-06-26 Jan-Dirk Reimers Baukasten für eine elektrische ringmaschine
KR102069579B1 (ko) * 2018-02-12 2020-01-23 엘지전자 주식회사 회전축의 하중 부담을 경감시키기 위한 모터 구동 장치
KR20210005609A (ko) * 2018-03-28 2021-01-14 에어본 모터 워크스 인코포레이티드 자체 추진식 추력 발생 제어된 모멘트 자이로스코프
DE102018109158A1 (de) 2018-04-17 2019-10-17 Wobben Properties Gmbh Generator einer Windenergieanlage und Windenergieanlage mit selbigem
CN110545010B (zh) * 2019-01-20 2024-05-31 深圳市实能高科动力有限公司 无轴承电机和安装有无轴承电机的铁路货车车厢
WO2021000184A1 (zh) * 2019-06-30 2021-01-07 瑞声声学科技(深圳)有限公司 振动电机
US11289985B2 (en) * 2019-08-09 2022-03-29 Hamilton Sundstrand Corporation Dual stator machine with a rotor magnet set configured to minimize flux leakage
US11264850B2 (en) * 2019-09-05 2022-03-01 Nidec Motor Corporation Laminated rotor having deflecting magnet retaining prongs and support posts for the prongs
CN110556994A (zh) * 2019-09-16 2019-12-10 续客商城（深圳）有限公司 电机
WO2021052564A1 (en) * 2019-09-17 2021-03-25 Kone Corporation Linear rotor for an electric linear motor, electric linear motor and elevator
KR20210089500A (ko) * 2020-01-08 2021-07-16 엘지전자 주식회사 회전 전기 기기의 스테이터
CN111404290B (zh) * 2020-03-12 2021-08-03 华中科技大学 一种集中绕组横向磁通永磁同步电机
US11923733B2 (en) * 2020-08-28 2024-03-05 Quantentech Limited High efficiency high density motor and generator with multiple airgaps
CN112511055B (zh) * 2020-10-21 2022-02-22 南京航空航天大学 一种集中绕组无轴承交替极电机的减小悬浮力脉动的方法
EP4089893A1 (en) * 2021-05-10 2022-11-16 General Electric Renovables España S.L. Armature assemblies for generators and assembly methods
US11641151B2 (en) * 2021-05-11 2023-05-02 Aac Microtech (Changzhou) Co., Ltd. Linear vibration motor with elastic members with brackets, foams and damping glue
KR20230001455U (ko) 2022-01-10 2023-07-18 두산에너빌리티 주식회사 직접구동식 풍력발전기

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5334899A (en) * 1991-09-30 1994-08-02 Dymytro Skybyk Polyphase brushless DC and AC synchronous machines
JPH09232164A (ja) * 1996-02-22 1997-09-05 Meidensha Corp 三角配置三脚鉄心形三相変圧器
DE10039466A1 (de) * 2000-05-05 2001-11-08 Bosch Gmbh Robert Unipolar-Transversalflußmaschine
JP2002101610A (ja) * 2000-09-20 2002-04-05 Toshiba Corp 磁気ディスク装置及びモータ
DE10140303A1 (de) * 2001-08-16 2003-02-27 Bosch Gmbh Robert Unipolar-Transversalflußmaschine
JP3935702B2 (ja) * 2001-10-12 2007-06-27 三菱重工業株式会社 風力発電装置
US6879080B2 (en) 2002-01-30 2005-04-12 Ramon A. Caamano High frequency electric motor or generator including magnetic cores formed from thin film soft magnetic material
KR100426616B1 (ko) * 2002-04-25 2004-04-14 한국과학기술연구원 베어링리스 리니어 모터
DE10255745A1 (de) 2002-11-28 2004-06-17 Jörck, Hartmut Direkt angetriebene Windenergieanlage mit im Generator integriertem Lager
CN100423408C (zh) * 2003-05-27 2008-10-01 奥蒂斯电梯公司 模块化、横向磁通的旋转电动机及其制造方法
FI117458B (fi) * 2004-05-27 2006-10-13 Abb Oy Sähkökoneen roottori
JP4543793B2 (ja) 2004-07-09 2010-09-15 株式会社デンソー 交流モータおよびその制御装置
DE102004039180A1 (de) * 2004-08-12 2006-02-23 Robert Bosch Gmbh Hauptelement für eine elektrische Maschine
KR100616614B1 (ko) * 2004-08-30 2006-08-28 삼성전기주식회사 전기모터
DE102005020952A1 (de) * 2005-05-04 2006-11-16 Bosch Rexroth Aktiengesellschaft Phasenmodul für eine Transversalflussmaschine
DE102006019533B4 (de) 2006-04-27 2007-12-13 Joachim-Andreas Wozar Hydrostatische Führungsvorrichtung sowie Kanüle hierfür
KR100860606B1 (ko) * 2006-12-28 2008-09-26 한국전기연구원 내전형 영구자석 여자 횡자속 전동기

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
None

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ITBO20110673A1 (it) * 2011-11-24 2013-05-25 Samp Spa Con Unico Socio Generatore elettrico per un generatore eolico
EP2645536B1 (en) * 2012-03-30 2020-01-08 GE Renewable Technologies Wind B.V. Permanent magnet rotor
EP2802062A1 (en) 2013-05-08 2014-11-12 Phase Motion Control S.p.A. An electric generator for a wind power generator
US11883345B2 (en) 2019-01-20 2024-01-30 Airborne Motors, Llc Medical stabilizer harness method and apparatus

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