KR100764867B1 - 모듈형 초전도 계자코일 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동기 및 발전기용 초전도 계자코일에 관한 것으로서, 초전도 모터에 사용되는 회전자 내부의 계자코일에 있어서, 중심에 보빈의 형태에 대응되게 코일지지대결합공이 형성된 중앙지지판과; 상기 중앙지지판 상부에 형성되며, 초전도 선재가 일정 권선수로 코일보빈을 중심으로 감겨져 있는 1차초전도코일과; 상기 중앙지지판 하부에 형성되며, 초전도 선재가 일정 권선수로 코일보빈을 중심으로 감겨져 있는 2차초전도코일과; 상기 1차초전도코일 상부에 형성되며, 중심에 코일지지대결합공이 형성된 상부지지판과; 상기 2차초전도코일 하부에 형성되며, 중심에 코일지지대결합공이 형성된 하부지지판;으로 구성된 서브코일이 코일지지대에 적층결합되는 것을 특징으로 하는 모듈형 초전도 계자코일을 기술적 요지로 한다. 이에 따라 계자코일을 구성하는 각 서브코일을 규격화하여, 초전도 운전시 발생할 수 있는 초전도 선재의 손상에 의한 계자코일의 고장시 분해조립이 가능하게 하여 초전도 특성의 유지의 용이성을 향상시키면서, 고가의 초전도 선재를 낭비하지 않으면서 손상된 부분만의 교체가 가능하여 비용 또한 대폭 줄일 있는 이점이 있으며, 또한 모듈화된 초전도 계자코일은, 각 서브코일을 이루는 초전도코일의 기계적 강도가 우수함과 동시에 초전도코일의 특성을 좌우하는 냉각성능을 향상시켜, 초전도 모터 및 발전기의 회전자 계자코일의 초전도 특성이 우수한 이점이 있다.

초전도코일 선재 계자코일 서브코일 더블팬케이크 분리 교체 모듈

Description

모듈형 초전도 계자코일{module type superconductor field coil}

도 1 - 본 발명에 따른 모듈형 초전도 계자코일의 서브코일에 대한 분해사시도.

도 2 - 본 발명에 따른 모듈형 초전도 계자코일의 서브코일에 대한 결합사시도.

도 3 - 본 발명에 따른 모듈형 초전도 계자코일이 코일지지대에 결합된 형태를 나타낸 모식도.

<도면에 사용된 주요부호에 대한 설명>

10 : 서브코일 20 : 코일지지대

30 : 코일보빈 100 : 중앙지지판

110 : 코일지지대결합공 200 : 1차초전도코일

300 : 2차초전도코일 400 : 상부지지판

500 : 하부지지판 600 : 절삭부

700 : 나사공

본 발명은 전동기 및 발전기용 초전도 계자코일에 관한 것으로서, 초전도 계자코일을 이루는 각 서브코일이 모듈화된 상태에서 보빈에 적층결합되어 서브코일 및 초전도코일의 교체 및 분리작업이 용이한 모듈형 초전도 계자코일에 관한 것이다.

초전도 현상을 발견한 이후로 초전도 기술을 전력분야에 응용하고자 하는 노력들이 선진국을 비롯한 세계 곳곳에서 오늘날까지 계속되고 있으며, 고온초전도(HTS)의 발견은 액체헬륨을 이용하는 기존의 극저온 냉각방식에서 액체질소나 냉동기를 사용한 냉각방식을 채택하게 함으로써, 냉동기 부분의 부피와 유지비용 등을 대폭적으로 절감하는 것을 가능하게 하였다.

따라서 냉각비용이 저렴하게 되어 고효율의 초전도 모터 및 발전기의 개발이 가능하게 되었으며, 초전도 모터에 사용되는 초전도 선재는 회전자 내의 계자코일에 사용되는 것이 일반적이다. 현재까지 개발된 고온초전도 모터에 사용된 초전도 계자코일의 대부분은 초전도 선재의 특성으로 인해 레이스트랙형 더블팬케이크 코일로 권선되고 있다. 그리고, 이러한 더블팬케이크 코일은 하나의 서브코일(sub coil)을 이루며, 각 서버코일 여러개가 적층되어 한극의 계자코일을 이루고 2극, 4극 혹은 그 이상으로 결선되어 회전자의 계자코일이 되게 된다.

이러한 서버코일은 애초에 초전도 권선장치에 의하여 더블팬케이크 보빈에 직접 권선되거나, 소정의 권선틀에 권선한 후에 더블팬케이크 코일만을 분리하여서 보빈에 적층하는 방법이 있으며, 본 발명과 관련하여서는 일반적으로 초전도 선재의 손상을 최소화하고 보빈에 권선이 용이한 방법인, 소정의 권선틀을 이용하여 권 선한 후에 코일지지대에 적층하여 튼튼하게 고정하는 방법을 사용하고자 한다.

일반적으로 더블팬케이크 코일은 초전도 선재로 이루어진 1, 2차 초전도코일이 2층구조를 이루면서 상호 반대방향으로 권선되어 있으며, 각 1, 2차 초전도코일은 전기적으로 접합되거나 연결되어 있다. 이러한 더블팬케이크 코일은 초전도 계자코일에서 상기 1, 2차 초전도 코일로 이루어진 서브코일을 이루며, 대용량의 출력을 위해서 각 서브코일들은 적층되어 한극의 계자코일을 이루고 2극, 4극 혹은 그 이상으로 결선되어 회전자의 계자코일이 된다.

이러한 회전자를 이루는 계자코일의 각 서브코일들은 각각에 에폭시가 발라져 에폭시의 경화에 의해 고정되고, 인접된 서브코일들의 초전도 선재는 납땜에 의해 상호 전기적으로 접합된 상태에서 초전도 운전이 되게 된다. 특히 초전도 모터 및 발전기는 외부의 부하에 강한 토크를 전달하거나 반대로 외부의 구동원으로 부터 전기자출력으로 전력을 발생시키므로 초전도 계자코일과 전기자 코일간에는 매우 큰 힘이 작용하게 될 뿐만 아니라 고속으로 회전하고 있어 원심력과 진동에 의한 하중도 동시에 받게 된다. 따라서, 초전도 계자코일은 매우 큰 힘을 받고 있고, 열적 변형력도 크게 작용함으로 초전도 특성의 깨짐(quench) 현상이 발생하는 사고의 위험이 있고 이로 인해 초전도 코일이 손상을 입을 수 있다.

또한, 초전도 운전 도중, 납땜된 부분 등과 같이 물리적 결합력이 취약하여 임계온도 이하로 냉각되게 되면, 열수축에 의해 접촉계면에 균열이 발생할 수 있고, 초전도 선재가 파단되거나 접촉저항이 증가하여, 저항열에 의한 온도 상승으로 냉각시스템의 냉각 부하가 증가됨은 물론, 고온 초전도 선재의 성능 저하를 초래할 수 있는 등의 여러 가지 문제점이 상시 발생할 수 있으며, 이러한 경우에 서브코일 전체 또는 보빈 전체를 수리하거나 교체하여야 하는 번거러움과 교체과정에서 고가의 초전도 선재가 손상되어 경제적으로 낭비를 초래하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 초전도 계자코일을 이루는 각 서브코일이 모듈화된 상태에서 코일지지대에 적층결합되어 서브코일 및 초전도코일의 교체 및 분리작업이 용이한 초전도 계자코일의 제공을 그 목적으로 한다.

상술한 바와 같은 목적 달성을 위해 본 발명은, 초전도 모터에 사용되는 회전자 내부의 계자코일에 있어서, 중심에 보빈의 형태에 대응되게 코일지지대결합공이 형성된 중앙지지판과; 상기 중앙지지판 상부에 형성되며, 초전도 선재가 일정 권선수로 코일보빈을 중심으로 감겨져 있는 1차초전도코일과; 상기 중앙지지판 하부에 형성되며, 초전도 선재가 일정 권선수로 코일보빈을 중심으로 감겨져 있는 2차초전도코일과; 상기 1차초전도코일 상부에 형성되며, 중심에 코일지지대결합공이 형성된 상부지지판과; 상기 2차초전도코일 하부에 형성되며, 중심에 코일지지대결합공이 형성된 하부지지판;으로 구성된 서브코일이 코일지지대에 적층결합되는 것을 특징으로 하는 모듈형 초전도 계자코일을 기술적 요지로 한다.

또한, 상기 서브코일은 레이스트랙형으로 형성되는 것이 바람직하고, 상기 1차초전도코일에 비해서 상대적으로 2차초전도코일의 권선수가 더 많거나 동일한 것 이 바람직하며, 또한, 상기 2차초전도코일의 크기에 대응하여 중앙지지판 및 하부지지판이 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 인접하는 서브코일 간의 상부지지판과 하부지지판에는 인접하는 서브코일의 1차초전도코일 및 2차초전도코일 간의 전기적 접속을 위해 절삭부가 더 형성되는 것이 바람직하다.

여기에서, 상기 중앙지지판, 상부지지판 및 하부지지판에는 상하로 관통되는 나사공이 더 형성되어 코일지지대에 나사결합되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 서브코일의 크기는 코일지지대의 중심으로 갈수록 크게 형성되는 것이 바람직하다.

이에 따라 계자코일을 구성하는 각 서브코일을 규격화하여, 초전도 운전시 발생할 수 있는 초전도 선재의 손상에 의한 계자코일의 고장시 분해조립이 가능하게 하여 초전도 특성의 유지의 용이성을 향상시키면서, 고가의 초전도 선재를 낭비하지 않으면서 손상된 부분만의 교체가 가능하여 비용 또한 대폭 줄일 있는 이점이 있다.

또한 모듈화된 초전도 계자코일은, 각 서브코일을 이루는 초전도코일의 기계적 강도가 우수함과 동시에 초전도코일의 특성을 좌우하는 냉각성능을 향상시켜, 초전도 모터 및 발전기의 회전자 계자코일의 초전도 특성이 우수한 이점이 있다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하고자 한다.

본 발명은 초전도 모터 또는 발전기에 사용되는 회전자 내부의 계자코일에 관한 것으로서, 대용량을 위해 다수개의 서브코일(sub coil)(10)이 소정 형태의 코일지지대(20)에 적층결합되어 하나의 극을 이루며, 필요에 따라 다극의 쌍으로 이루어지도록 형성된 것이다.

상기 계자코일은 전기저항이 영(zero)인 초전도 선재를 사용하여 코일지지대(20)에 결합될 수 있도록 코일보빈(30)에 소정 권선수로 권선하여 요구되는 자장을 발생시켜, 전기자 코일에 강한 자장을 쇠교시켜 회전력을 발생시키는 역할을 하는 것으로서, 초전도 선재를 사용함으로서, 기존의 구리선에 비하여 동일 면적에서 많은 전류를 손실없이 흘릴 수 있어 기존 모터 등의 계자코일보다 고성능 및 고효율화가 가능한 것이다.

본 발명에 따른 초전도 계자코일은 각 서브코일(10)이 모듈화되어 서브코일(10) 및 초전도코일의 교체, 분리를 위한 것으로, 서브코일(10)은 중앙지지판(100), 1차초전도코일(200), 2차초전도코일(300), 상부지지판(400), 하부지지판(500)으로 크게 구성되며, 전체적인 코일의 형상은 레이스트랙형 더블팬케이크 형상이다.

먼저, 상기 중앙지지판(100)은 열전도도가 우수한 금속재로써, 알루미늄 합금, 구리 등이 사용되며, 중심에는 결합되는 코일지지대(20)의 형태에 대응되게 코일지지대결합공(110)이 형성되어 있다. 상기 중앙지지판(100)은 후술할 2차초전도코일(300)에 대응되거나 이보다 크기가 크게 형성되며, 상면에는 초전도코일과의 절연을 위한 절연지가 접착되어 있다.

상기 중앙지지판(100)은 상하부에 형성되는 후술할 1차초전도코일(200) 및 2차초전도코일(300)의 형태를 지지해주며, 냉매로부터 열전달이 안정적으로 이루어져 초전도코일의 냉각특성을 향상시키고, 1차초전도코일(200)과 2차초전도코일(300)이 서로 직접적으로 접착되는 것을 방지하여, 어느 하나의 초전도코일이 손상된 경우에 한 쪽만을 상기 중앙지지판(100)으로부터 분리하여 교체하면 되므로, 고가의 초전도코일의 낭비를 줄일 수 있는 것이다.

그리고, 상기 1차초전도코일(200)은 상기 중앙지지판(100) 상부에 형성되며, 초전도 선재가 일정 권선수로 코일지지대결합공(110)을 중심으로 감겨져 있다. 상기 초전도 선재는 이미 절연테이프와 함께 권선되어 절연이 되어 있는 상태이며, 출력시키고자 하는 자장의 세기에 따라 적절한 권선수로 감겨 있게 된다. 이때 초전도 선재의 권선시 위치를 잡아주고 초전도 선재가 이탈되지 않도록 에폭시를 주사하거나 함침하여 함께 권선시키게 된다.

그리고, 상기 2차초전도코일(300)은 상기 중앙지지판(100) 하부에 형성되며, 상기 1차초전도코일(200)과 동일한 형상 및 원리로 형성된다. 다만, 초전도 모터 등의 회전자의 형상과 출력시키고자 하는 자장의 세기에 따라 적절한 권선수로 감기게 되므로, 상기 1차초전도코일(200)의 권선수와 동일하지 않아도 무방하다. 바람직하게는 초전도 모터 등의 회전자의 형상이 원통형상으로 될 것을 고려하여 상기 중앙지지판(100) 상부에 형성되는 상기 1차초전도코일(200)의 크기가 더 작게 형성되도록 한다. 즉, 1차초전도코일(200)의 권선수보다 2차초전도코일(300)의 권선수가 더 많게 형성시킨다.

여기에서 상기 1차초전도코일(200) 및 2차초전도코일(300)은 중앙지지판(100)의 상하부에 형성시, 상호 전기적으로 연결되도록 코일지지대결합공(110)의 최내측에 위치하는 1차초전도코일(200)의 선단과 2차초전도코일(300)의 선단이 구리 등의 금속으로 납땜 연결되도록 하거나 각 선단들이 연속적으로 이어지도록 코일지지대결합공(110)의 최내측에서 1차초전도코일(200) 및 2차초전도코일(300)의 권선대를 가로지른 상태에서 권선시킨다.

그리고, 상기 상부지지판(400)은 상기 1차초전도코일(200) 상부에 형성되며, 중심에는 코일지지대결합공(110)이 형성되어 있으며, 상기 하부지지판(500)은 상기 2차초전도코일(300) 하부에 형성되며, 중심에는 코일지지대결합공(110)이 형성되어 있다. 상기 상부지지판(400) 및 하부지지판(500)은 상기 중앙지지판(100)과 동일한 재질로 형성되며, 상면에는 각각 초전도코일과의 절연을 위해 절연지가 접착되어 있다.

상기 상부지지판(400) 및 하부지지판(500)은 그 하부 및 상부에 형성된 초전도코일의 형태를 유지하고 지지해주는 역할을 하며, 냉매로부터 열전달이 안정적으로 이루어져 초전도코일의 냉각특성을 향상시키고, 또한 인접하는 서브코일(10)의 2차초전도코일(300) 및 1차초전도코일(200) 간에 직접적인 접착이 이루어지지 않도록 하여 고장난 서브코일(10)만을 분리하여 교체가 용이하도록 한 것이다.

여기에서 서브코일(10)의 코일지지대(20)에의 결합은 인접하는 서브코일(20)의 상부지지판(400)과 하부지지판(500)을 에폭시로 접착시키는 방법이 있으나, 이 경우에는 에폭시가 경화된 후에는 서브코일을 코일지지대(20) 및 중앙지지판(100), 상,하부지지판(400),(500)을 서브코일(10)로부터 분리가 불가능하게 된다. 따라서 코일의 상,하부지지판(400),(500)과 코일보빈(30)에 있는 나사공(700)을 통하여 코일지지대(20)에 나사를 체결하여 결합시키는 방법이 더욱 바람직하며, 각 서브코일(10)들을 코일지지대(20)에 튼튼하게 고정하여 토크, 원심력 등을 견딜 수 있고, 각 모듈화된 서브코일의 교체 및 분리가 가능하게 되는 것이다.

그리고, 상기 2차초전도코일(300)의 권선수가 더 많게 즉, 2차초전도코일(300)의 크기가 더 큰 경우에는 상기 2차초전도코일(300) 상하부에 형성된 중앙지지판(100) 및 하부지지판(500)은 이와 동일하거나 더 큰 크기로 형성되도록 하여 안정적으로 초전도코일의 형태를 유지하고 지지해주도록 하였다.

상기와 같이 구성된 중앙지지판(100), 그 상하부에 형성된 1차초전도코일(200) 및 2차초전도코일(300), 그 상부 및 하부에 형성된 상부지지판(400) 및 하부지지판(500)에 의해 초전도 계자코일을 이루는 서브코일(10)이 완성되게 된다.

상기 서브코일(10)은 초전도 모터의 용량을 고려하여 적절한 권선수로 권선되어 있으며, 회전자의 크기 및 형태에 대응하여 각 서브코일(10)의 크기가 결정되게 된다. 일반적으로 회전자는 원통형상으로 형성되어 있으므로 코일지지대(20)의 중심쪽으로 갈수록 서브코일(10)의 크기가 크게 형성되며(권선수가 더 많게) 외측으로 갈수록 서브코일(10)의 크기가 더 작게 형성되도록 하며, 이에 대응하여 코일지지대(20)의 형태도 결정되게 된다.

각각 소정 용량을 출력하도록 적절한 권선수로 권선되고, 그 형태가 결정된 서브코일(10)은 계단형태로 형성된 보빈(20)에 적층결합되며, 적층시 인접하는 서 브코일(10)의 1차초전도코일(200) 및 2차초전도코일(300)의 전기적 접합을 위해 인접하는 1차초전도코일(200) 상부에 형성된 상부지지판(400) 및 2차초전도코일(300) 하부에 형성된 하부지지판(500)에는 1차초전도코일(200) 및 2차초전도코일(300)의 말단을 상호 전기적으로 접합시키기 위한 절삭부(600)를 더 형성시키는 것이 바람직하다. 상기 절삭부(600)로 인접하는 서브코일(10)의 1차초전도코일(200) 및 2차초전도코일(300)의 말단에 구리 등의 전기전도도가 우수한 금속을 납땜하여 결합시키므로써 인접하는 서브코일(10)은 상호 전기적으로 접합되게 된다.

이상과 같이 각 서브코일(10)은 전기적으로 접속되고, 각 서브코일(10)을 이루는 1차초전도코일(200) 및 2차초전도코일(300)은 상호 전기적으로 접속된 상태에서 코일지지대(20)에 적층 결합이 완료되면, 계자코일이 회전원심력에 의해 무단이탈되는 것에 대비하여 알루미늄 코일지지대(20)와 같은 합금재질로 형성된 커버를 덮게 된다.

만약, 초전도 운전시 초전도 계자코일에 열변형으로 균열이 발생하거나, 토크, 원심력 등의 기계적인 응력으로 인해 초전도 선재가 파단되는 경우 등이 발생하게 되면, 손상된 부분이 포함된 서브코일(10)만을 분리하여 교체가 가능하게 되며, 이에 의해 고가의 초전도 선재를 낭비하지 않게 되는 것이다.

상기 구성에 의한 본 발명은, 계자코일을 구성하는 각 서브코일을 규격화하여, 초전도 운전시 발생할 수 있는 초전도 선재의 손상에 의한 계자코일의 고장시 분해조립이 가능하게 하여 초전도 특성의 유지의 용이성을 향상시키면서, 고가의 초전도 선재를 낭비하지 않으면서 손상된 부분만의 교체가 가능하여 비용 또한 대폭 줄일 있는 효과가 있다.

또한 모듈화된 초전도 계자코일은, 각 서브코일을 이루는 초전도코일의 기계적 강도가 우수함과 동시에 초전도코일의 특성을 좌우하는 냉각성능을 향상시켜, 초전도 모터 및 발전기의 회전자 계자코일의 초전도 특성이 우수한 효과가 있다.

Claims (8)

1. 초전도 모터에 사용되는 회전자 내부의 계자코일에 있어서,

   중심에 보빈의 형태에 대응되게 코일지지대결합공이 형성된 중앙지지판과;

   상기 중앙지지판 상부에 형성되며, 초전도 선재가 일정 권선수로 코일보빈을 중심으로 감겨져 있는 1차초전도코일과;

   상기 중앙지지판 하부에 형성되며, 초전도 선재가 일정 권선수로 코일보빈을 중심으로 감겨져 있는 2차초전도코일과;

   상기 1차초전도코일 상부에 형성되며, 중심에 코일지지대결합공이 형성된 상부지지판과;

   상기 2차초전도코일 하부에 형성되며, 중심에 코일지지대결합공이 형성된 하부지지판;으로 구성된 서브코일이 코일지지대에 적층결합되는 것을 특징으로 하는 모듈형 초전도 계자코일.
2. 제 1항에 있어서, 상기 서브코일은 레이스트랙형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 모듈형 초전도 계자코일.
3. 제 2항에 있어서, 상기 1차초전도코일에 비해서 상대적으로 2차초전도코일의 권선수가 더 많은 것을 특징으로 하는 모듈형 초전도 계자코일.
4. 제 3항에 있어서, 상기 2차초전도코일의 크기에 대응하여 중앙지지판 및 하부지지판이 형성되는 것을 특징으로 하는 모듈형 초전도 계자코일.
5. 제 2항에 있어서, 1차초전도코일 및 2차초전도코일의 권선수가 서로 동일한 것을 특징으로 하는 모듈형 초전도 계자코일.
6. 제 1항에 있어서, 인접하는 서브코일 간의 상부지지판과 하부지지판에는 인접하는 서브코일의 1차초전도코일 및 2차초전도코일 간의 전기적 접속을 위해 절삭부가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 모듈형 초전도 계자코일.
7. 제 1항 내지 제 6항의 어느 한 항에 있어서, 상기 중앙지지판, 상부지지판 및 하부지지판에는 상하로 관통되는 나사공이 더 형성되어 코일지지대에 나사결합되는 것을 특징으로 하는 모듈형 초전도 계자코일.
8. 제 7항에 있어서, 상기 서브코일의 크기는 코일지지대의 중심으로 갈수록 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 모듈형 초전도 계자코일.

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