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KR20190002597A - 기어리스 풍력 발전 설비의 동기 발전기, 동기 발전기의 제조를 위한 방법 및 성형권 코일의 이용 - Google Patents

기어리스 풍력 발전 설비의 동기 발전기, 동기 발전기의 제조를 위한 방법 및 성형권 코일의 이용 Download PDF

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KR20190002597A
KR20190002597A KR1020187034342A KR20187034342A KR20190002597A KR 20190002597 A KR20190002597 A KR 20190002597A KR 1020187034342 A KR1020187034342 A KR 1020187034342A KR 20187034342 A KR20187034342 A KR 20187034342A KR 20190002597 A KR20190002597 A KR 20190002597A
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KR
South Korea
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winding
stator
coil
grooves
segment
Prior art date
Application number
KR1020187034342A
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KR102140101B1 (ko
Inventor
얀 카르슈텐 치엠스
요헨 뢰에르
Original Assignee
보벤 프로퍼티즈 게엠베하
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 보벤 프로퍼티즈 게엠베하 filed Critical 보벤 프로퍼티즈 게엠베하
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Abstract

본 발명은 기어리스 풍력 발전 설비(100)의 동기 발전기(130)에 관한 것으로 로터(106)와 고정자(132)를 포함한다. 고정자(132)는 톱니들(34) 및 그 사이에 배치되며 고정자 권선을 수용하기 위한 홈들(32)을 가진 고정자 링(30)을 포함하고, 고정자 링(30)은 원주 방향으로 각각 동일한 개수의 홈(32)을 가진 고정자 세그먼트(36)로 분할된다. 하나의 세그먼트(36) 내에서 홈들(32)은 원주 방향으로 서로 동일한 간격(33)을 갖고, 이 경우 2개의 세그먼트(36)의 적어도 하나의 연결 영역(38, 40)에서 상이한 2개의 세그먼트(36) 중 각각 하나의 세그먼트에 할당된 적어도 인접한 2개의 홈(32)의 간격(42)은 하나의 세그먼트(36) 내의 홈들(32)의 간격(33)과 다르고, 고정자 권선은 성형권 코일(10)로 형성된다. 또한, 본 발명은 동기 발전기(130)의 제조를 위한 방법 및 이러한 발전기(130)에서 알루미늄 성형권 코일(10) 및 구리 성형권 코일(44)의 이용에 관한 것이다.

Description

기어리스 풍력 발전 설비의 동기 발전기, 동기 발전기의 제조를 위한 방법 및 성형권 코일의 이용
본 발명은 기어리스 풍력 발전 설비의 동기 발전기, 특히 4극 동기 링 발전기에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 동기 발전기의 제조를 위한 방법 및 성형권 코일의 이용에 관한 것이다.
풍력 발전 설비들은 일반적으로 공개되어 있고, 발전기를 이용해서 풍력으로부터 전력을 생성한다. 최근의 기어리스 풍력 발전 설비는 주로 다극 동기 링 발전기를 포함하고, 상기 링 발전기는 큰 에어갭 직경을 갖는다. 에어갭의 직경은 이 경우 적어도 4m이고, 일반적으로 거의 5m에 이른다. 복합 동기 발전기들은 심지어 대략 10m의 에어갭 직경을 가질 수 있다.
풍력 발전 설비, 즉 관련 동기 발전기의 작동 시 진동으로 인한 소음이 발생하고, 상기 진동은 큰 조립 공간에 의해, 예를 들어 풍력 발전 설비의 나셀 케이싱과 같은 대형 공명 바디로 전달되어 이러한 소음이 더 증폭될 수 있다. 기능상의 이유로, 기어리스 풍력 발전 설비의 이러한 동기 발전기는 약 5 내지 35 rpm의 전형적인 속도로 회전하는 매우 저속으로 회전하는 발전기이다. 이러한 느린 속도도, 특히, 예를 들어 1500 또는 3000 rpm과 같은 고속의 회전 속도로 회전하는 발전기와 달리, 특수한 소음을 조장하는데 기여할 수 있다.
기어리스 풍력 발전 설비의 이러한 동기 발전기 및 풍력 발전 설비 자체는 지속적인 운전으로 인해 영구적인 교란 소음원이 될 수 있다. 오늘날 특히 최근의 대형 풍력 발전 설비는 거주지로부터 멀리 떨어져 설치되어 운전되는 추세이므로, 풍력 발전 설비의 불시의 소음도 덜 교란적으로 인지된다.
이러한 소음 발생을 줄이기 위해, 따라서 로터와 고정자를 포함하는 동기 발전기들이 공개되어 있고, 이 경우 고정자는, 소음 발생을 저지하기 위한 특수한 구성을 갖는다. 예를 들어, 고정자의 권선, 즉 고정자 권선이 수용되는 홈과 톱니를 고정자의 원주 방향으로 균일하게 위치 설정하는 것이 아니라, 불균일하게 위치 설정하는 것이 공개되어 있다.
이로 인해, 원주 방향으로 균일하게 분포된 로터- 또는 러너 극들이 로터의 회전 시, 서로 오프셋 되거나 교차되는 해당 톱니 또는 홈에 각각 정확히 동시에 도달하지 않는 것이 달성된다. 이로 인해 진동이 감소하고, 따라서 이러한 발전기 및 전체 풍력 발전 설비 자체의 소음 발생도 감소한다.
이러한 발전기의 고정자의 권선은 일반적으로, 예를 들어 구리로 제조된 절연식 무한 원형 와이어로 생산된다. 이를 위해, 스트랜드의 와이어는 복수의 와인딩으로 복수의 홈 내로 권취되므로, 와이어의 연속하는 부분으로 스트랜드가 형성된다. 고정자의 이러한 권취는 매우 복잡하며, 특히 - 밴딩 위치에서 - 권취 중에 미리 와이어의 온전성 및 와이어의 절연을 모니터링하기 위해, 수동으로 이루어져야 한다.
본 발명의 과제는 전술한 문제점들 중 적어도 하나를 제거하는 것이다. 특히, 수동으로 고정자를 연속 스트랜드로 권취하는 방법보다 덜 복잡한 해결 방법이 제안되어야 한다. 적어도 기존의 공개된 해결 방법에 대한 대안적인 해결 방법이 제안되어야 한다.
본 출원에 대한 우선권 주장 출원 시 독일 특허청에 의해 하기의 선행 기술들, 즉 WO 2012/097107 A1 및 EP 2 454 802 B1호가 조사되었다.
상기 과제는 청구항 제 1 항에 따른 동기 발전기, 청구항 제 12 항에 따른 방법 및 청구항 제 15 항에 따른 이용에 의해 해결된다.
본 발명에 따라 기어리스 풍력 발전 설비의 동기 발전기가 제안된다. 동기 발전기는 기어리스 풍력 발전 설비의 특히 다극 동기 링 발전기이다. 기어리스 풍력 발전 설비의 이러한 다극 동기 링 발전기는 복수의 고정자 극, 특히 적어도 48개의 고정자 톱니, 일반적으로 심지어 훨씬 더 많은, 예컨대 특히 96개의 고정자 톱니를 포함한다. 발전기의, 예컨대 러너라고도 할 수 있는 로터 및 고정자의 자기 활성 영역은 동기 발전기의 회전축을 중심으로 링형 영역에 배치된다. 따라서 특히 에어갭의 반경의 적어도 0 내지 50%의 범위는 동기 발전기의 전류 또는 전기장을 야기하는 재료들을 포함하지 않는다. 특히 이러한 내부 공간은 완전히 비어 있고, 기본적으로 통행도 가능하다. 특히 이러한 영역은 에어갭 반경의 0 내지 50% 이상, 특히 0 내지 70% 이거나 심지어 에어갭 반경의 0 내지 80%이다. 구성에 따라 지지 구조가 이러한 영역 내에 제공될 수 있지만, 상기 지지 구조는 일부 실시예에서 축방향으로 오프셋되어 형성될 수 있다.
동기 발전기는 따라서 로터와 고정자를 포함하고, 이 경우 고정자는 톱니들 및 그 사이에 배치되며 고정자 권선을 수용하기 위한 홈들을 가진 고정자 링을 포함한다. 고정자 링은 본 발명에 따라 원주 방향으로 고정자 세그먼트로 분할된다. 각각의 고정자 세그먼트는 동일한 개수의 홈을 갖고, 하나의 세그먼트 내에서 상기 홈들은 원주 방향으로 실질적으로 서로 동일한 간격을 갖는다.
특히, 2개의 세그먼트가 원주 방향으로 나란히 배치된, 나란히 놓인 또는 접촉하는 영역에 해당하는 2개의 세그먼트의 연결 영역에서, 상이한 2개의 세그먼트 중, 즉 이러한 연결 영역에 나란히 놓인 세그먼트들 중 각각 하나에 할당된 인접한 2개의 홈의 간격은 하나의 세그먼트 내의 홈들 사이의 간격과 다르다. 인접하게 놓인 상이한 2개의 세그먼트의 2개의 홈은 즉, 하나의 세그먼트 내의 홈들의 간격보다 크거나 작은 간격을 갖는다. 또한, 고정자 권선은 성형권 코일로 형성된다. 성형권 코일은 이 경우 특히, 여러 번의 와인딩으로 미리 결정된 형상이 된 전기 도체로 이루어지고, 상기 전기 도체는 2개의 접속부를 포함하며, 상기 접속부에 의해 성형권 코일은 다른 성형권 코일에 연결될 수 있고, 이로써 발전기의 직렬로 연결된 복수의 코일에 의해 스트랜드가 형성될 수 있다.
이러한 성형권 코일이 고정자 내에서 모두 동일한 형태를 갖는 경우에만, 이러한 성형권 코일은 경제적이기 때문에, 지금까지, 상이하게 이격된 홈들로 인해 성형권 코일은 이러한 고정자를 위해 비경제적이라고 간주되었다. 상이한 홈 간격을 갖는 동기 발전기의 경우 이러한 장점이 처음에는 명백하게 제시되지 않았는데, 그 이유는 상이한 간격으로 이격된 홈들 내에 배치될 수 있도록 하기 위해 그리고 동시에 전력 손실을 고려하기 위해, 다양한 크기의 성형권 코일이 선택되어야 하기 때문이다.
고정자가 각각 동일한 개수의 홈을 갖는 복수의 세그먼트로 분할되는 경우에, 하나의 세그먼트 내에 특정한 개수의 성형권 코일, 특히 단층 성형권 코일이 제공될 수 있고 이로써 상이한 홈 간격에도 불구하고 동일한 형태를 갖는 성형권 코일이 사용될 수 있는 것이 파악되었다. 이 경우 따라서, 세그먼트를 덮는 방식으로도 홈에 삽입되는 성형권 코일을 제공하는 대신, 세그먼트의 성형권 코일들이 서로 연결된다.
이로써 비대칭으로 분포된 홈을 갖는 비교적 저렴한 동기식 발전기가 구현될 수 있고, 이 경우 무한 와이어로 고가의 수동 권취는 이용되지 않는다.
실시예에 따라 성형권 코일은 각각 2개의 레그를 포함하고, 상기 레그들은 권취 헤드라고도 하는 2개의 권선 헤드에 의해 서로 연결되고, 접속부들은 바람직하게 권선 헤드들 중 하나의 영역에 배치된다. 접속부들의 영역을 제외하고 고정자 권선의 모든 성형권 코일의 레그와 권선 헤드들은 동일한 형태를 갖는다. 이로 인해, 생산 시 성형권 코일은 모두 실질적으로 동일한 장치에서 예비 성형될 수 있고, 이로써 대량 생산 개수의 성형권 코일이 생산될 수 있으므로, 제조 비용이 더 감소하는 것이 보장된다.
다른 실시예에 따라 고정자 내의 각각의 성형권 코일의 레그들은 고정자의 동일한 방사방향 영역에 배치된다. 방사방향 영역은 여기에서 고정자 축 둘레를 따라 연장되며 상이한 반경을 갖는 2개의 원 사이의 영역에 해당한다. 따라서 바람직하게 고정자 내의 모든 성형권 코일들의 모든 레그들은 고정자의 중심점에 대해 동일한 간격을 갖는다. 성형권 코일의 이러한 배치는 단층 배치에 해당하고, 이 경우 각각의 홈 내에 하나의 성형권 코일의 단일 레그만이 배치된다. 홈 내에 성형권 코일의 이러한 단층 배치에 의해 또한, 2개의 세그먼트의 연결 영역 내의 동일한 성형권 코일의 레그들은, - 그밖에 주로 사용되는 2층 권선의 경우처럼 - 인접한 세그먼트들의 홈에 삽입되지 않아도 되는 것을 보장한다. 성형권 코일의 2층 배치 시 예를 들어 성형권 코일들도 세그먼트를 덮는 방식으로 배치되어야 했다. 이 경우 또한 상이한 형태를 갖는 성형권 코일, 즉 하나의 세그먼트 내에 놓인 성형권 코일 및 세그먼트를 덮는 홈들을 서로 연결하기 위한 형태를 갖는 성형권 코일이 필요할 것이다.
다른 실시예에 따라 각각의 세그먼트는 각각 6개, 또는 6의 배수 개의 성형 코일을 포함한다. 또한, 이러한 실시예에 따라 하나의 세그먼트의 성형권 코일의 6개의 접속부는 원주 방향으로 그 앞에 위치한 세그먼트의 성형권 코일의 6개의 접속부 및 원주 방향으로 그 뒤에 위치한 세그먼트의 성형권 코일의 6개의 접속부에 연결된다. 이로써 고정자의 6개의 스트랜드가 제공되므로, 발전기는 6상 발전기로서 작동될 수 있다. 이로 인해 또한 진동이 방지되는데, 그 이유는 그 밖에 일반적인 3상 대신 6상으로 인해 토크 리플이 감소하기 때문이다.
다른 실시예에 따라 U-형상을 갖는 연결 부재에 의해 각각 2개의 접속부의 연결부가 형성된다. U-형상의 단부들은 이 경우 각각 상이한 성형권 코일의 접속부에 연결된다. U-형상의 연결 부재들이 특히 바람직한데, 그 이유는 상기 연결 부재들은 원주 방향으로 나란히 서로 180도 회전된 배열로 배치될 수 있고, 이로써 U-형상의 하나 이상의 단부는 다른 연결 부재의 U-형상의 2개의 단부 사이의 중간 공간 내로 결합할 수 있어, 공간을 절약하는 구조가 가능하기 때문이다.
다른 실시예에 따라 고정자를 위해 상이한 재료들을 가진 성형권 코일이 사용된다. 이 경우 제 1 비저항을 갖는 성형권 코일은 적어도, 하나의 세그먼트 내의 홈들의 간격보다 서로 작은 간격을 갖는 홈에 삽입된다. 나머지 복수의 홈에 제 1 저항보다 비교적 높은 비저항을 갖는 성형권 코일이 삽입된다.
작동 시 성형권 코일의 레그에서 열 발생은 성형권 코일이 제조되는 재료의 비저항과 직접적으로 관련된다. 즉, 비저항이 증가할수록 성형권 코일을 통해 전류가 흐를 때 열 발생도 증가한다.
즉, 성형권 코일의 2개의 레그가 매우 촘촘하게 나란히 위치한 홈의 영역에서는 따라서, 고정자 내의 전체 열 발생을 정해진 한계값보다 낮게 유지하기 위해, 나머지 홈들에서보다 비교적 작은 열 발생이 얻어져야 한다. 따라서, 적어도, 서로 작은 간격을 갖는 홈에 서로 더 큰 간격을 갖는 홈에서보다 비교적 작은 비저항을 갖는 성형권 코일을 삽입하는 것이 특히 바람직하다.
다른 바람직한 실시예에 따라 하나의 세그먼트 내의 홈들의 간격보다 작은 간격을 갖는 홈들에 구리를 포함해서 또는 구리로 제조된 성형권 코일의 레그가 삽입되고, 나머지 복수의 홈에 알루미늄을 포함해서 또는 알루미늄으로 제조된 성형권 코일의 각각의 레그가 삽입된다. 알루미늄은 매우 대량으로 저렴하게 공급될 수 있고, 동시에 간단하게 처리될 수 있다. 따라서, 복수의 홈에서 알루미늄으로 이루어진 성형권 코일을 삽입하는 것이 특히 바람직하다. 구리도 충분한 양으로 공급될 수 있다. 구리는 알루미늄보다 높은 공급가를 갖지만, 이 경우 구리는 더 낮은 비저항을 갖고 따라서 적어도 매우 촘촘하게 나란히 놓인 홈에서 구리의 사용이 바람직한데, 그 이유는 고정자의 열 발생 시 온도 거동과 그와 관련된 장점은 비교적 높은 공급가를 보상하기 때문이다.
다른 실시예에 따라 알루미늄을 포함하거나 알루미늄으로 이루어진 성형권 코일의 적어도 하나의 접속부는 구리를 포함하거나 구리로 이루어진 성형권 코일의 적어도 하나의 접속부에 연결된다. 연결부는 최상의 대안예에 따라 구리-알루미늄 합금으로 제조된 연결 부재로 제조된다. 구리와 알루미늄의 이러한 합금은, 상이한 재료들로 이루어진 성형권 코일의 접속부들 사이의 확실한 연결을 형성하는데 이용된다.
다른 대안예에 따라 연결 부재는 2개의 도체 재료로 결합된 연결 부재이다. 따라서 연결 부재는 예를 들어 한편으로는 구리로 이루어지고, 다른 한편으로는 알루미늄으로 이루어지며, 이 경우 2개의 재료는, 예를 들어 냉간 압착 용접, 마찰 교반 용접 또는 압착 납땜 또는 압착 용접에 의해 서로 연결되었다.
다른 실시예에 따라 구리- 및 알루미늄 코일, 즉 상이한 2개의 성형권 코일은 연결 부재에 의해 서로 연결되고, 상기 연결 부재는 알루미늄으로 이루어지고, 구리 코일의 제조 시 고정자의 설치 전에 이미 냉간 압착 용접, 교반 용접, 압착 납땜 또는 압착 용접에 의해 구리 코일에 연결되었다.
다른 실시예에 따라, 2개의 세그먼트의 특히 각각의 연결 영역 내의 적어도 2개의 지점에서, 특히 상이한 2개의 세그먼트 중 각각 하나의 세그먼트에 할당되고 하나의 세그먼트 내의 홈들의 간격보다 큰 간격을 갖는 인접한 2개의 홈 사이에서, 고정자의 고정자 링은 복수의 고정자 링 부분들로 서로 연결된다.
따라서 고정자 링은 복수의 고정자 링 부분들로 형성된다. 상기 고정자 링 부분들은 예를 들어 예비 제조되고, 이 경우 예비 제조 동안 이미 성형권 코일도 고정자 링 부분들의 홈에 삽입될 수 있다. 삽입 위치에서 비로소 개별 고정자 링 부분들은 서로 연결된다. 바람직하게 고정자 링은, 하나의 세그먼트의 나머지 홈들보다 결합된 상태에서 서로 더 큰 간격을 갖는 외부 홈들을 가진 2개의 세그먼트가 접촉하는 곳에서 정확히 분할된다. 고정자 링의 분리를 위한 이러한 위치가 특히 바람직한데, 그 이유는 더 큰 홈 간격으로 인해, 예를 들어 운반 시 손상될 수 있는 고정자의 특히 좁고 긴 톱니가 생기지 않기 때문이다. 즉, 고정자의 견고한 구조가 보장된다. 분할 가능성은 동시에 특히 대형 고정자의 운반을 가능하게 한다.
다른 실시예에 따라 성형권 코일은 각각 그것의 권취 헤드 영역에 다음과 같은 형태들 중 하나를 갖는다. 이 실시예의 성형권 코일의 제 1 형태에 따라 고정자 링 외부에서 레그들은 반대 방향으로 직각으로 밴딩되고, 레그들을 연결하는 180도 밴딩부까지 평행하게 연장된다. 대안으로서 고정자 링의 외부에서 레그들은 상이한 간격으로 동일한 방향으로 밴딩된 후에, 레그들을 연결하는 180도 밴딩부까지 평행하게 연장된다. 이 경우 2개의 레그의 밴딩부는 동일한 방향을 향하고, 각도는 0도 내지 90도이다. 다른 대안 실시예에 따라 밴딩부는 동일한 방향으로 90도의 각도를 갖는다. 이와 같이 형성된 코일은 바람직하게 단층 성형권 코일을 야기하고, 상기 단층 성형권 코일은 즉 고정자의 동일한 방사방향 영역에 배치될 수 있다.
또한, 본 발명은 특히 전술한 실시예들 중 하나에 따른 동기 발전기의 제조를 위한 방법에 관한 것이다. 방법에 따라 각각의 세그먼트에 각각 6개, 또는 6의 배수 개의 성형권 코일이 삽입된다. 또한, 하나의 세그먼트의 성형권 코일의 접속부들 중 6개는 원주 방향으로 그 앞에 위치한 세그먼트의 성형권 코일의 6개의 접속부 및 원주 방향으로 그 뒤에 위치한 세그먼트의 성형권 코일의 6개의 접속부에 연결된다. 이로 인해 바람직하게 동기 발전기의 고정자에 의해 각각 연속하는 전기 라인 또는 스트랜드의 6개의 스트랜드가 형성된다. 이를 위해 수동으로 권취된 동기 발전기에 비해 동기 발전기의 비교적 저렴한 제조를 가능하게 하는 성형권 코일이 사용될 수 있고, 이 경우, 운전 시 발전기의 소음 발생을 줄이기 위해, 동시에 상이한 홈 간격들이 가능하다.
방법의 실시예에 따라, 평행하게 배치된 하나 이상의 와이어, 특히 평판 와이어는 바람직하게 2개의 맨드릴로 형성된 권취 코어 둘레에 권취될 수 있음으로써, 성형권 코일은 홈에 삽입되기 전에 권취된다. 그에 따라 얻어지는 코일은, 하나의 세그먼트 내의 홈들의 간격에 상응하게 2개의 레그의 소정의 간격이 이루어질 때까지 벌어진다. 이어서 권취 헤드는, 코일의 섹션들이 장치에 고정되고 상기 장치들은 이어서, 소성 변형에 의해 성형권 코일의 소정의 형태가 생길 때까지 서로에 대해 이동됨으로써, 밴딩된다. 이로써 동일한 형태를 갖는 대량 생산 개수의 성형권 코일의 간단한 예비 제조가 가능하다.
방법의 다른 실시예에 따라, 직각으로 밴딩된 성형권 코일의 경우에, 레그들이 벌어지기 전에, 권선 헤드의 영역에서 코일들은 먼저 반대 방향으로 직각으로 밴딩된다. 이로 인해 직각으로 밴딩 시 코일의 레그들의 간격이 실수로 변경되지 않는 것이 보장된다.
방법의 다른 실시예에 따라, 상이한 성형권 코일들은 냉간 용접, 압착 납땜 또는 교반 용접에 의해 U-형상의 연결부들에 연결된다. 이로 인해 일반적으로 성형권 코일이 연결되는 콘택 링은 생략될 수 있다. 따라서 고정자의 깊이와 관련해서 공간 절약 구조가 가능하다.
또한, 본 발명은 발전기에서 알루미늄 성형권 코일과 구리 성형권 코일의 이용에 관한 것이다. 따라서 본 발명에 따른 알루미늄 성형권 코일과 구리 성형권 코일은, 고정자 내에 균일한 열 분포를 제공하기 위해, 예를 들어 발전기의 동일한 고정자에서 사용된다. 특히 홈의 비대칭 분포를 갖는 고정자에서 바람직하게 비교적 촘촘하게 나란히 놓인 홈에서 구리 코일이 사용되고, 나머지 홈에서 알루미늄 코일이 사용된다. 따라서 동시에 알루미늄의 사용에 의해 비용 절약이 가능한 한편, 구리 코일은 그렇지 않으면 알루미늄의 높은 비저항에 의해 작동 시 허용되지 않거나 저지되어야 하는 온도에 도달할 수 있는 영역에서만 사용된다.
다른 실시예들은 도면에 상세히 설명된 실시예들을 참고로 제시된다.
도 1은 풍력 발전 설비를 도시한 도면.
도 2는 링 발전기로서 형성된 동기 발전기를 개략적으로 도시한 측면도.
도 3은 본 발명에 따른 동기 발전기의 실시예의 성형권 코일을 도시한 도면.
도 4는 도 3의 코일의 권취 헤드를 확대 도시한 도면.
도 5는 도 3 및 도 4의 실시예와 달리 다른 방식으로 권취된 권취 헤드를 도시한 도면.
도 6은 성형권 코일의 형태의 다른 실시예를 도시한 도면.
도 7은 예시적으로 도시된 고정자 링의 세그먼트를 도시한 측면도.
도 8은 고정자를 외부에서 본 고정자의 3개의 세그먼트를 예시적으로 도시한 도면.
도 1은 본 발명에 따라 풍력 발전 설비의 개략도를 도시한다. 풍력 발전 설비(100)는 타워(102)와 타워(102) 위의 나셀(104)을 포함한다. 나셀(104)에 3개의 로터 블레이드(108)와 스피너(110)를 가진 공기 역학 로터(106)가 제공된다. 공기 역학 로터(106)는 풍력 발전 설비의 운전 시 풍력에 의해 회전 운동하고 이로써 로터 또는 공기 역학 로터(106)에 직접 또는 간접적으로 연결된 발전기의 회전자 또는 러너(runner)를 회전시킨다. 전기 발전기는 나셀(104) 내에 배치되고 전기 에너지를 발생시킨다. 로터 블레이드(108)의 피치각은 각각의 로터 블레이드(108)의 로터 블레이드 루트 상의 피치 모터에 의해 변경될 수 있다.
도 2는 발전기(130)를 개략적으로 측면도에 도시한다. 발전기는 고정자(132) 및 이에 대해 회전 가능하게 지지되는 전기 역학 로터(134)를 포함하고, 고정자(132)에 의해 축 저널(136)을 통해 기계 캐리어(138)에 고정된다. 고정자(132)는 고정자 캐리어(140)와 고정자 적층 코어(142)를 포함하고, 상기 고정자 적층 코어는 발전기(130)의 고정자 극을 형성하고, 고정자 링(30)에 의해 고정자 캐리어(140)에 고정된다.
전기 역학 로터(134)는 로터 자극편(146)을 포함하고, 상기 로터 자극편은 로터 극을 형성하고, 로터 캐리어(148) 및 베어링(150)에 의해 축 저널(136)에 회전축(152)을 중심으로 회전 가능하게 지지된다. 수 밀리미터 두께, 특히 6mm미만의 두께를 갖고, 수 미터의 직경, 특히 4m이상의 직경을 갖는 좁고 긴 에어갭(154)만이 고정자 적층 코어(142)와 로터 자극편(146)을 분리한다.
고정자 적층 코어(142)와 로터 자극편(146)은 각각 링을 형성하고 함께 링형이므로, 발전기(130)는 링 발전기이다. 규정에 따라, 발전기(130)의 전기 역학 로터(134)는 로터 블레이드(158)의 부착부들이 도시된, 공기 역학적 로터의 로터 허브(156)와 함께 회전한다.
도 3은 본 발명에 따른 동기 발전기(130)를 위한 성형권 코일(10)의 제 1 실시예를 도시한다. 성형권 코일(10)은 2개의 레그(12)를 포함한다. 또한 코일(10)은 2개의 권취 헤드(14)를 갖는다. 좌측에 도시된 권취 헤드(14)의 영역(18)에 2개의 접속부(16)가 도시된다. 성형권 코일(10)의 영역(18), 예컨대 상기 영역(18) 내의 2개의 레그(12)는 추후에 동기 발전기(130)의 고정자(132)의 하나의 동일한 세그먼트의 홈(32)에 삽입된다. 상기 세그먼트들은 도 7 및 도 8의 설명과 관련해서 하기에 설명된다. 권취 헤드(14)는, 2개의 레그(12)를 서로 연결하기 위한, 레그(12)의 밴딩부에 해당한다.
도 4는 도 3의 성형권 코일(10)의 권취 헤드들(14) 중 하나의 확대도이다. 이러한 권취 헤드(14)는 도 3에서 우측에 도시된 권취 헤드에 해당하고, 이 경우 여기에는 도 3과 달리 후면도가 도시된다. 권취 헤드(14)는, 레그들(12)이 상이한 간격들로, 한편으로는 간격(20)에 따라 및 다른 한편으로는 간격(22)에 따라 동일한 방향으로 밴딩되는 것을 포함한다. 영역(24)에서 2개의 밴딩된 레그(12)는 또한 평행하게 연장되고, 180도 밴딩부(26)에 의해 서로 연결된다. 동일한 방향으로 레그들(12)의 밴딩은 여기에서 대략 40도이다.
성형권 코일(10)의 대안 실시예는 도 5에 도시되고, 이 실시예에서 권취 헤드(14)는 간격(20, 22)을 따라 90도 밴딩된다. 도시된 이러한 성형권 코일(10)에 의해 이와 같이 성형된 임의의 다수의 이러한 코일(10)은 고정자(132)의 홈(32)에 나란히 삽입되고, 이 경우 개별 와인딩들은 접촉하지 않고 그럼에도 불구하고 레그들(12)은 고정자(132)의 중심에 대해 동일한 방사방향 간격으로 또는 동일한 방사방향 영역에 배치되지 않는다.
도 6은 성형권 코일(10)의 권취 헤드(14)의 다른 실시예를 도시하고, 이 실시예에서 레그들(12)은 반대 방향으로 동일한 간격으로 직각으로 밴딩되고, 즉 먼저 반대 방향으로 90도 밴딩된 후에, 다시 동일한 방향으로 90도 밴딩된다. 또한, 이로 인해, 레그(12)의 직각으로 밴딩된 2개의 영역이 실질적으로 평행하게 연장되는 영역(24)이 생긴다. 또한, 180도 밴딩부(26)가 제공되고, 상기 밴딩부는 2개의 레그(12)를 연결한다.
도 7은 양호한 도시를 위해 만곡되지 않게 도시된, 고정자 링(30)의 부분을 예시적으로 도시한다. 고정자 링(30)은 홈(32)과 톱니(34)를 포함한다. 여기에서 3개의 세그먼트(36)가 도시된다. 세그먼트(36)의 홈(32)에 성형권 코일(10)이 삽입된다. 각각의 세그먼트(36)는 6개의 성형권 코일(10)을 포함한다. 성형권 코일(10)의 레그들(12)과 세그먼트(36) 내의 홈(32)은 각각 서로 동일한 간격(33)을 갖는다. 연결 영역(38)과 연결 영역(40)에서 홈들(32)은 간격(42)을 갖고, 상기 간격은 세그먼트(36) 내의 홈들(32)의 간격(33)과 상이하다. 연결 영역(38)에서 예를 들어 2개의 홈(32)의 간격은 0이고, 따라서 세그먼트(36) 내의 홈들(32)의 간격(33)보다 작다. 그와 달리 연결 영역(40)에서 홈들(32)의 간격(42)은 하나의 세그먼트 내의 홈들(32)의 간격(33)의 대략 두 배이다. 고정자 링(30)의 상부면(45)은 도면에서 고정자(132)의 방사방향 내측면에 해당한다.
도 8은 고정자(132)를 방사방향 외측에서 본 도면을 도시한다. 이 경우에도 예시적으로 3개의 세그먼트(36)를 포함하는 영역만이 도시된다. 도 8에 도시된 실시예에 따라 2개의 성형권 코일(44)은 구리로 제조된다. 나머지 성형권 코일(10)은 알루미늄으로 제조된다. 2개의 세그먼트(36)의 연결 영역(38, 40) 내의 레그들(12)이 매우 가깝게 나란히 놓인 구리 성형권 코일(44)에 의해, 구리가 알루미늄보다 작은 비저항을 갖기 때문에 2개의 코일이 알루미늄으로 제조될 경우보다 작동 시 비교적 작은 열 발생이 나타난다. 알루미늄 성형권 코일 및 구리 성형권 코일의 사용으로 인해 열 분포와 관련해서 바람직한 특성을 갖는 비교적 저렴한 고정자(132) 또는 동기 발전기(130)가 제조될 수 있다.

Claims (16)

  1. 기어리스 풍력 발전 설비(100)의 동기 발전기(130)로서,
    로터(106)와 고정자(132)
    를 포함하고, 상기 고정자(132)는 톱니들(34) 및 톱니들 사이에 배치되며 고정자 권선을 수용하기 위한 홈들(32)을 가진 고정자 링(30)을 포함하고, 상기 고정자 링(30)은 원주 방향으로 각각 동일한 개수의 홈(32)을 가진 고정자 세그먼트(36)로 분할되고, 하나의 세그먼트(36) 내에서 상기 홈들(32)은 원주 방향으로 실질적으로 서로 동일한 간격(33)을 갖고, 2개의 세그먼트(36)의 적어도 하나의 연결 영역(38, 40)에서 상이한 2개의 세그먼트 중 각각 하나의 세그먼트에 할당된 적어도 인접한 2개의 홈(32)의 간격(42)은 하나의 세그먼트(36) 내의 홈들(32)의 간격(33)과 다르고, 고정자 권선은 성형권 코일(10)로 형성되는 것인 동기 발전기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 성형권 코일(10)은 각각 2개의 레그(12)를 포함하고, 상기 레그들(12)은 2개의 권선 헤드(14)에 의해 서로 연결되고, 상기 성형권 코일(10)은 상기 권선 헤드들(14) 중 하나의 영역(18)에 각각 2개의 접속부(16)를 갖고, 상기 접속부들(16)을 제외하고는 고정자 권선의 모든 성형권 코일(10)의 상기 레그(12)와 상기 권선 헤드(14)는 실질적으로 동일한 형태를 갖는 것인 동기 발전기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 고정자(132) 내의 각각의 성형권 코일(10)의 상기 레그들(12)은 상기 고정자(132)의 동일한 방사방향 영역(24)에 배치되는 것인 동기 발전기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 세그먼트(36)는 각각 6개 또는 6의 배수 개의 성형권 코일(10)을 포함하고, 상기 성형권 코일은 제 1 접속부(16)와 제 2 접속부(16)를 갖고, 하나의 세그먼트(36)의 성형권 코일(10)의 6개의 접속부(16)는, 원주 방향으로 그 앞에 위치한 세그먼트(36)의 성형권 코일(10)의 6개의 접속부(16) 및 원주 방향으로 그 뒤에 위치한 세그먼트(36)의 성형권 코일(10)의 6개의 접속부(16)에 연결되는 것인 동기 발전기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상이한 성형권 코일들(10)의 2개의 접속부(16)의 연결부는 U-형상의 연결 부재에 의해 형성되고, U-형상의 단부들은 각각 접속부(16)에 연결되는 것인 동기 발전기.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 성형권 코일(10)은 상이한 재료들로 제조되고, 하나의 세그먼트(36) 내의 홈들(32)의 간격(33)보다 서로 작은 간격(42)을 갖는 인접한 홈(32)에 제 1 비저항을 갖는 성형권 코일(10)의 레그(12)가 삽입되고, 나머지 복수의 홈(32)에 비교적 더 높은 비저항을 갖는 성형권 코일(10)의 각각의 레그(12)가 삽입되는 것인 동기 발전기.
  7. 제 6 항에 있어서, 하나의 세그먼트(36) 내의 홈들(32)의 간격(33)보다 작은 간격(42)을 갖는 인접한 홈들(32)에 구리를 포함하여 또는 구리로 제조된 성형권 코일(44)의 레그(12)가 삽입되고, 나머지 복수의 홈들(32)에 알루미늄을 포함하여 또는 알루미늄으로 제조된 성형권 코일(10)의 각각의 레그(12)가 삽입되는 것인 동기 발전기.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상이한 성형권 코일들(10)의 적어도 2개의 접속부(16)의 연결부는 각각의 연결 부재에 의해 형성되고, 상기 연결 부재는 알루미늄으로 이루어지고, 구리 코일의 제조 시 고정자의 설치 전에 냉간 압착 용접, 교반 용접, 압착 납땜 또는 압착 용접에 의해 구리 성형권 코일의 접속부에 연결되어 있고, 상기 접속부는 고정자의 설치 후에 알루미늄 성형권 코일의 접속부에 연결되는 것인 동기 발전기.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 알루미늄을 포함하거나 알루미늄으로 이루어진 성형권 코일(10)의 적어도 하나의 접속부(16)는, 구리를 포함하거나 구리로 이루어진 성형권 코일(44)의 적어도 하나의 접속부(16)에 연결되고, 연결부는 바람직하게, 구리-알루미늄 합금으로 제조되거나 접속부들의 연결 전에 서로 결합되어 하나의 부분을 형성하는 2개의 도체 재료로 이루어진 연결 부재에 의해 형성되는 것인 동기 발전기.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 세그먼트(36)의 특히 각각의 연결 영역(40) 내의 적어도 2개의 지점에서, 특히 상이한 2개의 세그먼트(36) 중 각각 하나에 할당되고 하나의 세그먼트(36) 내의 홈들(32)의 간격(33)보다 큰 간격(42)을 갖는 인접한 2개의 홈(32) 사이에서, 상기 고정자(132)의 상기 고정자 링(30)은 복수의 고정자 링 부분들로 서로 연결되는 것인 동기 발전기.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 성형권 코일(10)은 각각 권선 헤드(14)의 영역에서 아래의 형태들, 즉
    - 상기 고정자 링(30)의 외부에서 레그들(12)이 반대 방향으로 직각으로 밴딩되고, 레그들(12)을 연결하는 180도 밴딩부(26)까지 평행하게 연장되는 형태,
    - 상기 고정자 링(30)의 외부에서 레그들(12)이 상이한 간격(20, 22)으로 동일한 방향으로 밴딩된 후에, 상기 레그들(12)을 연결하는 180도 밴딩부(26)까지 평행하게 연장되며, 상기 밴딩부(26)는 동일한 방향으로 0도 내지 90도의 각도를 갖는 형태,
    - 상기 고정자 링(30)의 외부에서 레그들(12)은 상이한 간격(20, 22)으로 동일한 방향으로 밴딩된 후에, 상기 레그들(12)을 연결하는 180도 밴딩부(26)까지 평행하게 연장되며, 상기 밴딩부(26)는 동일한 방향으로 90도의 각도를 갖는 형태
    중 하나를 포함하는 것인 동기 발전기.
  12. 특히 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 동기 발전기(130)의 제조를 위한 방법으로서, 상기 동기 발전기(130)는 고정자 링(30)을 포함하고, 상기 고정자 링은 다수의 세그먼트(36)로 세분되고, 각각의 세그먼트(36)에 각각 6개의 또는 6의 배수 개의 성형권 코일(10)이 삽입되고, 각각의 성형권 코일(10)은 2개의 접속부(16)를 포함하고, 하나의 세그먼트(36)의 상기 성형권 코일(10)의 접속부들(16) 중 6개의 접속부는 원주 방향으로 그 앞에 위치한 세그먼트(36)의 성형권 코일(10)의 6개의 접속부(16) 및 원주 방향으로 그 뒤에 위치한 세그먼트(36)의 성형권 코일(10)의 6개의 접속부(16)에 연결되는 것인 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 성형권 코일(10)은, 평행하게 배치된 하나 이상의 와이어, 특히 평판 와이어가 바람직하게 2개의 맨드릴로 형성된 권취 코어 둘레에 권취됨으로써, 상기 홈(32)에 삽입 전에 각각 권취되고, 그에 따라 얻어지는 코일은, 하나의 세그먼트(36) 내의 홈들(32)의 간격(33)에 상응하게 2개의 레그(12)의 원하는 간격(20, 33)이 이루어질 때까지 벌어지고, 코일(10)의 섹션들이 장치에 고정되고 이어서 이 장치들이, 소성 변형에 의해 상기 성형권 코일(10)의 원하는 형태가 획득될 때까지, 서로에 대해 이동됨으로써, 권선 헤드(14)가 밴딩되는 것인 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 직각으로 밴딩된 성형 코일(10)의 경우에, 상기 레그(12)가 벌어지기 전에, 권선 헤드(14)의 영역에서 코일은 먼저 반대 방향으로 직각으로 밴딩되는 것인 방법.
  15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상이한 성형권 코일(10)의 상기 접속부들(16)은 냉간 용접, 압착 납땜 또는 교반 용접에 의해 U-형상의 연결부들에 연결되는 것인 방법.
  16. 이러한 발전기(130)에서 알루미늄 성형권 코일(10) 및 구리 성형권 코일(44)의 이용.
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