KR100902428B1 - 고온 초전도 로터 권선 코일용 전력 도선 및 전기 기계 - Google Patents

Abstract

고온 초전도(high temperature superconducting : HTS) 로터 계자 코일의 저항 전력 도선은 로터축 근처에서 진공하에 위치되며, 도선을 튜브 격벽(18) 및 세라믹 절연체(22)에 접착시킴으로서 리턴 유동 경로(20)로의 열전달에 의해 냉각된다. 도선 길이, 단면 및 전기 저항도는 냉각 가스로의 최소 열전도성 및 옴의 저항 열전달을 위해 최적화된다. 도선의 열팽창 또는 열수축은 도선의 온간 및 냉각 단부에서의 가요성 부분에 의해 수용된다.

Description

고온 초전도 로터 권선 코일용 전력 도선 및 전기 기계{HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTING ROTOR POWER LEADS}

도 1은 고온 초전도 로터 계자 코일을 위한 전력 도선의 조립도,

도 2는 도 1의 전력 도선과 열 격리 지지 튜브를 도시하는 도면,

도 3은 고온 초전도 로터를 구비한 전력 도선을 도시하는 도면,

도 4는 세라믹 진공 제공 트로프에 연결된 편조된 구리와 결합된 열적으로 최적화된 전류 도선을 도시한 도면,

도 5 내지 도 8은 본 발명의 고온 초전도 로터 전력 도선 및 로터를 도시하는 구조도,

도 9는 본 발명의 전력 도선의 확대 조립도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

12 : 구리 도선 14 : 구리 단자

16 : 가열 스테이션 반부 블록 18 : 리턴 유동 튜브 격벽

20 : 리턴 유동 튜브 22 : 세라믹 절연체

24 : 볼트 26 : 열적으로 최적화된 전류 도선

28 : 구리 도선 30 : 유리섬유 튜브

본 발명은 일반적으로 동기식 회전 기계에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 동기식 기계의 로터내의 고온 초전도(high temperature superconducting : HTS) 계자 권선용의 전력 도선에 관한 것이다.

계자 코일 권선을 구비한 동기식 전기 기계는 회전 발전기, 회전 모터 및 선형 모터를 포함하지만 이들로만 제한되지 않는다. 일반적으로, 이들 기계는 전자기적으로 결합된 스테이터 및 로터를 포함한다. 로터는 다중 극 로터 코어와, 로터 코어상에 장착된 코일 권선을 포함할 수 있다. 로터 코어는 철제 코어 로터와 같은 자기적으로 투과성의 고형 재료를 포함할 수 있다.

종래의 구리 권선은 동기식 전기 기계의 로터에 통상 사용된다. 그러나, 구리 권선의 전기 저항은 로터를 실질적으로 가열하고 그리고 기계의 동력 효율을 감소시키기에 충분하다(비록 종래의 수단에 낮음). 최근에, 초전도 코일 권선은 효율적으로 저항이 없으며 매우 유리한 로터 코일 권선인 로터용으로 개발되었다.

전형적인 초전도체 로터 권선은 구조적 지지체를 위한 원통형 쉘 둘레에 조립된 안장형(saddle shaped) 코일로부터 제조된다. 이들 안장형 코일은 냉각제와 직접 접촉되어 냉각되는 복잡한 권선 구조체이다. 또한, 전력 도선은 평행한 유동 회로 경로를 통해 냉각제에 의해 냉각되며, 상기 경로는 높은 원심 가속 계자에서 유속 및 온도 안정성을 제어할 가능성을 제공한다.

본 발명의 예시적인 실시예에 있어서, 전력 도선은 고온 초전도 로터 권선 코일용으로 제공된다. 전력 도선은 리턴 유동 튜브 격벽에 부착가능한 가열 스테이션 블록과, 가열 스테이션 블록과 리턴 유동 튜브 격벽 사이에 고정가능한 세라믹 절연체와, 가열 스테이션 블록과 접속된 열적으로 최적화된 전류 도선을 포함한다. 바람직하게, 가열 스테이션 블록은 리턴 유동 튜브 격벽을 압착하는 크기로 된 2개의 반부 블록을 포함하며, 상기 전력 도선은 2개의 열적으로 최적화된 전류 도선을 포함하며, 각각 하나의 전류 도선은 각 가열 스테이션 반부 블록과 접속된다. 반부 블록은 전기적으로 절연된 볼트로 서로 고정될 수 있다. 세라믹 절연체는 베릴리아 및 사파이어중 하나로 형성될 수 있으며, 그 에지를 제외한 양 측면상에 금속 도금된다. 상기 열적으로 최적화된 전류 도선(26)의 단면, 길이 및 전기 저항은 옴의 저항 가열 및 열전도로 인한 열전달을 최소화하며서, 과도전류에 대한 여유를 갖고 로터 전류를 통과시키도록 구성된다.

본 발명의 다른 예시적인 실시예에 있어서, 고온 초전도 로터 권선 코일용 전력 도선은 전기 기계의 로터와 전기적으로 접속가능한 가열 스테이션 블록을 포함한다. 가열 스테이션 블록은 리턴 유동 튜브로부터 전기적으로 절연되는 동시에 가열 스테이션 블록과 리턴 유동 튜브 사이에서의 열전도성을 위해서 개재된 세라 믹 절연체를 거쳐서 리턴 유동 튜브와 열적으로 접속되어 있다.

본 발명의 또다른 예시적인 실시예에 있어서, 전기 기계는 스테이터와, 로터축을 중심으로 스테이터에 대해서 회전하도록 스테이터와 접속된 로터를 포함한다. 로터는 로터축 근방에 배치된 도선 단자를 포함한다. 리턴 유동 튜브는 열교환 냉각을 위해 냉각제를 통과시키기 위해 제공되며, 고온 초전도 로터 권선 코일은 본 발명의 고온 초전도 전력 도선을 거쳐서 로터 도선 단자와 접속된다. 편조된 구리 등의 도선 부분은 가열 스테이션 블록과 로터 도선 단자 사이에 접속되는 것이 바람직하다.

도면을 참조하면, 고온 초전도 권선 코일을 위한 전력 도선이 도시되어 있다. 바람직하게, 고온 초전도 코일 개시 및 종단 도선(도시하지 않음)은 이들에 낮은 원심 부하가 가해지도록 로터축 근방에 위치된 구리 단자(14)에 납땜된다. 리턴 유동 튜브(20)는 구리 단자(14)에 인접한 고온 초전도 열교환 냉각 튜브로부터 로터 샤프트(도 8에 도시됨)의 단부까지 냉각제를 운반하며, 유체 전달 커플링은 저온 냉각 유체의 외부 공급원으로 냉각제를 전달한다. 짧은 편조된 구리 도선(12)의 부분은 코일 단자(14)를 구리 가열 스테이션 블록(16)에 연결한다. 바람직하게, 가열 스테이션 블록(16)은 리턴 유동 튜브(20)의 격벽(18)을 압착하는 크기로 된 2개의 반부 블록으로 형성된다. 가열 스테이션 반부 블록(16)은 원심 부하를 지지하는 것으로 도 9에 도시된 바와 같이 전기 절연된 볼트(24)와 서로 볼 트 체결된다.

금속 도금 세라믹 절연체(22)는 한쪽 측면이 가열 스테이션 블록(16)에 그리고 다른 측면이 리턴 유동 튜브 격벽(18)에 납땜되어, 전력 도선이 전도 냉각되어 로터 리턴 유동 경로로의 열을 차단하게 된다. 가열 스테이션 블록(16)은 세라믹 절연체(22)에 의해 리턴 유동 튜브(20)로부터 전기 절연되지만, 세라믹 절연체(22)가 극저온에서 높은 열전도율로 설계되기 때문에 낮은 온도차로 효율적으로 열을 차단한다. 전형적으로 세라믹 절연체(22)는 베릴리아(berylia)(산화 베릴륨) 또는 사파이어의 얇은 판으로 제조되며, 상기 얇은 판은 적당한 전기 절연을 고온 초전도 코일에 제공하기 위해서 그 에지를 제외한 양 측면상에 금속 도금된다. 전형적인 절연체 두께는 0.040인치 내지 0.125인치로 다양하다. 보다 두꺼운 절연체는 가열 스테이션의 냉각 성능을 악화시키는 것을 희생하는 대신에 고온 초전도 코일의 전기 절연 또는 전압 차단 성능을 개선한다.

열적으로 최적화된 전류 도선(26)은 한쪽 단부가 가열 스테이션 블록(16)에 그리고 다른 단부가 세라믹 진공 공급 트로프(진공의 단단한 세라믹 절연 구리 단자)에 연결되는 편조된 구리 도선(28)의 부분에 납땜된다. 전류 도선(26)은 가열 스테이션으로 열적 부하를 최저로 하여 최대의 전류를 전달하도록 최적화되어 있다. 열적으로 최적화된 도선(26)의 부분의 단면, 길이 및 전기 저항은 과도 전류를 위한 충분한 여유를 갖고 로터 전류를 전달하며, 옴의 저항 가열 및 열전도의 결과로서의 저온 단부로의 열전달을 최소화하도록 설계된다. 전력 도선의 열적으로 최적화된 부분은 얇은 벽의 열 격리 유리섬유 튜브(30)에 의해 지지되며, 상기 유리섬유 튜브(30)는 한쪽 단부가 로터 보어에 지지되고, 다른쪽 단부에서 가열 스테이션 블록(16) 및 리턴 튜브 격벽(18)을 지지한다.

본 발명의 고온 초전도 로터 전력 도선의 구성에 따르면, 전력 도선의 가열 스테이션 블록은 전기 기계의 로터와 전기적으로 접속가능하며, 리턴 유동 튜브로부터 전기적으로 절연되는 동시에 개재된 세라믹 절연체를 거쳐서 리턴 유동 튜브와 열적으로 접속된다. 가열 스테이션 블록과 리턴 유동 튜브 사이에서의 열전도성을 위해서 세라믹 절연체가 제공된다. 열적으로 최적화된 전류 도선은 열전달을 최소화하면서 과도현상을 수용한다.

본 발명은 가장 실제적이고 바람직한 실시예로 고려되는 것과 관련하여 기술하였지만, 본 발명은 상술한 실시예에 의해 제한되지 않으며, 반대로 첨부된 특허청구범위의 정신 및 영역내에 포함된 다양한 변형예 및 등가 배열을 포함하는 것이다.

본 발명의 고온 초전도 로터 전력 도선에 의하면, 전력 도선의 가열 스테이션 블록은 전기 기계의 로터와 전기적으로 접속가능하며, 리턴 유동 튜브로부터 전기적으로 절연되는 동시에 개재된 세라믹 절연체를 거쳐서 리턴 유동 튜브와 열적으로 접속된다. 가열 스테이션 블록과 리턴 유동 튜브 사이에서의 열전도성을 위해서 세라믹 절연체가 제공되며, 열적으로 최적화된 전류 도선은 열전달을 최소화하면서 과도현상을 수용하는 효과가 있다.

Claims (19)

1. 고온 초전도(high temperature superconducting : HTS) 로터 권선 코일을 위한 전력 도선에 있어서,

   리턴 유동 튜브 격벽(18)에 부착가능한 가열 스테이션 블록(16)과,

   상기 가열 스테이션 블록과 상기 리턴 유동 튜브 격벽 사이에 고정가능한 세라믹 절연체(22)와,

   상기 가열 스테이션 블록과 접속된 열적으로 최적화된 전류 도선(26)을 포함하는

   고온 초전도 로터 권선 코일용 전력 도선.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 가열 스테이션 블록(16)은 리턴 유동 튜브 격벽(18)을 사이에 끼우는 크기로 된 2개의 반부 블록을 포함하며, 상기 전력 도선은 2개의 열적으로 최적화된 전류 도선(26)을 포함하며, 각각 하나의 전류 도선(26)은 각 가열 스테이션 반부 블록과 접속된

   고온 초전도 로터 권선 코일용 전력 도선.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 반부 블록이 전기적으로 절연된 볼트(24)로 서로 고정되는

   고온 초전도 로터 권선 코일용 전력 도선.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 세라믹 절연체(22)는 베릴리아 및 사파이어중 하나로 형성되는

   고온 초전도 로터 권선 코일용 전력 도선.
5. 삭제
6. 삭제
7. 고온 초전도(HTS) 로터 권선 코일을 위한 전력 도선에 있어서,

   상기 전력 도선은 전기 기계의 로터와 전기적으로 접속가능한 가열 스테이션 블록(16)을 포함하며, 상기 가열 스테이션 블록은 리턴 유동 튜브(20)로부터 전기적으로 절연되는 동시에 상기 가열 스테이션 블록과 상기 리턴 유동 튜브 사이에서의 열전도성을 위해서 이들 사이에 개재된 세라믹 절연체(22)를 통해 상기 리턴 유동 튜브와 열적으로 접속되어 있는

   고온 초전도 로터 권선 코일용 전력 도선.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 가열 스테이션 블록(16)과 접속된 열적으로 최적화된 전류 도선(26)을 더 포함하는

   고온 초전도 로터 권선 코일용 전력 도선.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 열적으로 최적화된 전류 도선(26)의 단면, 길이 및 전기 저항은 옴의 저항 가열 및 열전도로 인한 열전달을 최소화하면서, 과도전류에 대한 여유를 갖고 로터 전류를 통과시키도록 구성되는

   고온 초전도 로터 권선 코일용 전력 도선.
10. 삭제
11. 삭제
12. 스테이터와,

    로터축을 중심으로 상기 스테이터에 대해서 회전하도록 상기 스테이터와 접속되며, 상기 로터축 근방에 배치된 도선 단자를 포함하는 로터와,

    열교환 냉각을 위해 냉각제를 수송하는 리턴 유동 튜브와,

    저항 전력 도선을 거쳐서 상기 로터 도선 단자와 접속된 고온 초전도(HTS) 로터 권선 코일을 포함하는 전기 기계에 있어서,

    상기 전력 도선이, 상기 리턴 유동 튜브의 격벽(18)에 부착가능한 가열 스테이션 블록(16)과, 상기 가열 스테이션 블록과 상기 리턴 유동 튜브의 격벽 사이에 고정가능한 세라믹 절연체(22)와, 상기 가열 스테이션 블록과 접속된 열적으로 최적화된 전류 도선(26)을 포함하는

    전기 기계.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 가열 스테이션 블록과 상기 로터 도선 단자 사이에 접속된 도선 섹션(12)을 더 포함하는

    전기 기계.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 도선 섹션(12)이 편조된 구리를 포함하는

    전기 기계.
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