KR100926853B1

KR100926853B1 - 초전도 전자기 기계와 그 냉각 방법, 및 로터와 스테이터 사이의 환형 공극 형성 방법

Info

Publication number: KR100926853B1
Application number: KR1020020066781A
Authority: KR
Inventors: 보드맨윌리엄헌터; 칠라로날드제임스
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2001-11-01
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2009-11-13
Also published as: EP1309074B1; KR20030038395A; JP4212336B2; US6680549B2; CZ20023593A3; JP2003204643A; RU2298276C2; US20030080636A1; EP1309074A2; CZ301811B6; EP1309074A3; DE60235683D1

Abstract

로터 냉각 시스템에 커플링된 로터와; 로터 둘레에 있고, 로터와 스테이터의 내부 표면 사이의 환형 공극만큼 로터로부터 이격되어 있는 스테이터로서, 환형 공극은 공극의 길이를 따라 가변적인 두께를 갖는, 상기 스테이터와; 로터 냉각 시스템과 독립적이고, 냉각 가스를 환형 공극을 통하여 강제하는, 스테이터 통기 시스템을 포함하는 동기식 기계를 개시하고 있다.

Description

초전도 전자기 기계와 그 냉각 방법, 및 로터와 스테이터 사이의 환형 공극 형성 방법{TAPERED ROTOR-STATOR AIR GAP FOR SUPERCONDUCTING SYNCHRONOUS MACHINE}

도 1은 종래의 순방향-유동(forward-flow) 냉각 시스템을 도시하는 발전기의 1/4 섹션의 개략적인 단면도,

도 2는 초전도 로터를 구비하는 동기식 전자기 기계의 개략도,

도 3은 테이퍼형 외부 표면을 갖는 중실형 로터와, 스테이터 밀폐 통기 시스템을 구비하는 초전도 발전기의 1/4 섹션의 개략도,

도 4는 세그먼트형 스테이터와, 테이퍼형 표면을 갖는 로터의 1/2 섹션의 측면도,

도 5는 스테이터 통기 유동에 대한 다양한 냉각 구조를 위한 스테이터 덕트 위치를 비교하는 그래프.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

50 : 동기식 발전기 기계 52 : 스테이터

54 : 초전도 로터 56 : 로터 캐비티

57 : 공극 60 : 스테이터 코일

64 : 로터 코어 66 : 초전도 코일 권선

82 : 스테이터용 통기 시스템 84 : 냉각 가스 팬

88 : 가스 통로 92 : 열교환기

94 : 스테이터 챔버 100 : 스테이터 덕트

105 : 테이퍼부 106 : 차폐체

본 발명은 전기 기계의 스테이터를 냉각하기 위해 유체 유동 통기 시스템을 갖는 초전도 동기식 전기 기계(superconducting synchronous electrical machine)에 관한 것이다.

전기를 생산하는 과정에 있어서, 전력 발전기는 발전기로부터 소산되어야 하는 열을 발생시킨다. 주로 풍손(風損; windage) 및 마찰, 전류 흐름, 및 자기 구조체에 있어서의 시간에 따라 변하는 자계 때문에, 열이 발전기에서 발생한다. 마찰열은 로터가 발전기 내에서 고속으로 회전할 때 발생한다. 유사하게, 전류가 로터 및 스테이터 코일을 통과하여 흐를 때와, 이들 코일이 발전기의 자계 내에서 서로에 대하여 회전할 때, 또한 열이 발생한다. 자기 회로의 손실은, 예를 들어 동기식 발전기의 스테이터 코어 및 로터 자극 내에서와 같이 투자성 재료(permeable material) 내에서 자계가 시간에 따라 변할 때 발생한다.

전통적으로, 발전기는 스테이터 및 로터로부터의 열을 발전기로부터 멀리 전 달하기 위해 냉각 시스템을 구비한다. 초전도 재료를 이용하지 않는 발전기 및 모터 등의 종래의 동기식 기계에서는 가스 통기 냉각 시스템이 사용되어 왔다. 이들 가스 통기 시스템은 스테이터 및 로터의 냉각을 밀착 결합시킨다. 통기 시스템은 냉각 가스가 로터 및 스테이터의 가스 통로를 통과하도록 강제함으로써 로터 및 스테이터 모두를 냉각시킨다. 종래의 통기 시스템은 로터 및 스테이터를 통한 냉각 가스의 순방향 유동 및 역방향 유동을 이용하여 왔다.

순방향 유동 통기 구조(도 1)에 있어서, 냉각 가스는 로터 및 스테이터의 섹션을 연속적으로 통과하는데, 이것은 로터 및 스테이터 냉각 시스템 사이의 밀착 커플링을 형성한다. 역방향 유동 통기 구조에 있어서, 냉각 가스는 스테이터 및 로터를 병렬로 통과한 후에, 기계 공극(air gap)에서 혼합되며, 이것은 또한 스테이터 및 로터 냉각의 커플링에 이르게 한다.

로터 및 스테이터의 커플링 때문에, 종래의 통기 시스템은 스테이터 및 로터 모두에 대한 적절한 냉각을 제공하도록 구성되어 있다. 로터에 대한 냉각을 제공하기 위해, 스테이터를 냉각하는 것에 대하여 일부 절충이 종래의 통기 시스템에서 이루어져야 하며, 반대의 경우도 마찬가지이다. 로터 및 스테이터 모두에 대한 냉각을 제공하는 통기 시스템에 의해 스테이터 또는 로터의 냉각을 최적화하는 것이 어려울 수 있다. 그럼에도 불구하고, 통기 시스템은 통상적으로 대형 산업용 및 다용도용 전력 발전기에 있어서 스테이터 및 로터 모두에 대한 냉각을 제공하여 왔다.

초전도 동기식 기계에 있어서, 로터 계자 권선(rotor field winding)은 자체-수납식 자체 냉각 회로를 갖는 저온 냉동 시스템을 통해 저온(cryogenic) 온도에서 작동된다. 차가운, 저온 냉각제가 이송 커플링을 통해 로터로 공급된다. 저온 냉각제는 로터 상의 냉각 회로를 통해 순환되며, 이곳에서 저온 냉각제는 초전도 권선으로부터의 열을 제거하며, 가열된 냉각제로서 로터 및 이송 커플링을 통해 정지 냉각 시스템으로 복귀한다. 저온 냉각 시스템은 초전도 기계 내의 로터의 효과적인 냉각을 제공한다.

스테이터 및 로터 냉각 시스템이 단일 통기 시스템에 커플링되는 종래의 기계에 비하여, 저온 로터 및 가스 냉각식 스테이터의 냉각 시스템은 완전히 독립적일 수 있다. 초전도 로터용 저온 냉각 시스템은 스테이터를 냉각하지 않는다. 그러한 초전도 동기식 기계의 스테이터는 별도의 스테이터 냉각 시스템을 구비한다.

스테이터 통기 시스템은 초전도 동기식 기계용으로 개발되어 왔다. 초전도 동기식 기계의 스테이터는 역방향 통기 시스템에 의해 냉각된다. 공기 또는 수소 등의 냉각 가스는 공극으로부터 흡입되어 디퓨저(diffuser), 열교환기를 통해 그리고 스테이터 코어를 통해 공극으로 다시 펌핑된다. 공극은 스테이터로의 통기 유동을 최적화하기 위해 축방향 길이를 따라 테이퍼 형성된다. 공극의 테이퍼 가공은 원통형 로터의 외부 표면을 형성함으로써 달성될 수 있다.

또한, 종래의 동기식 기계는 초전도 로터로 새로이 개량될 수 있다. 유사하게, 종래의 스테이터 및 로터 통기 시스템은 본 명세서에 개시된 바와 같이 스테이터만의 통기 시스템으로 기능하도록 변형될 수 있다. 로터는 저온 냉각제 시스템에 의해 커플링된다. 스테이터 통기는 순방향 또는 역방향 냉각제 가스 유동을 가질 수 있다. 제안된 스테이터 냉각 시스템은 초전도 로터 구성의 타입과 독립적이며, 철심(iron-core) 및 공기-코어(air-core) 초전도 로터에 동일하게 적용될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 본 발명은, 로터 냉각 시스템에 커플링된 로터와; 로터 둘레에 있고, 로터와 스테이터의 내부 표면 사이의 환형 공극만큼 로터로부터 이격되어 있는 스테이터로서, 환형 공극은 공극의 길이를 따라 가변적인 두께를 갖는, 상기 스테이터와; 로터 냉각 시스템과 독립적이고, 냉각 가스를 환형 공극을 통하여 강제하는, 스테이터 통기 시스템을 포함하는 동기식 기계이다.

다른 실시예에 있어서, 본 발명은, 로터 냉각 시스템에 커플링된 로터와; 로터 둘레에 있고, 로터와 스테이터의 내부 표면 사이의 환형 공극만큼 로터로부터 이격되어 있는 스테이터로서, 환형 공극은 공극의 길이를 따라 가변적인 두께를 갖는, 상기 스테이터와; 로터 냉각 시스템과 독립적이고, 냉각 가스를 환형 공극을 통하여 강제하는, 스테이터 통기 시스템을 포함하는 초전도 전자기 기계이다.

또다른 실시예에 있어서, 본 발명은, 저온으로 냉각된 초전도 로터 코일 권선을 갖는 중실형 코어 로터와; 상기 로터와 동축이며, 상기 초전도 로터 코일 권선과 자기적으로 커플링된 스테이터 코일을 갖는 스테이터를 포함하며, 스테이터 코일은 로터 둘레에 배치되며, 스테이터는 스테이터의 내주부로부터 외측으로 연장하는 냉각 통로를 가지며, 내주부는 환형 로터 공극만큼 로터로부터 이격되며, 로터 공극은 공극의 길이를 따라 테이퍼형 두께를 가지며; 로터가 저온 냉각 유체에 의해 냉각되며; 냉각 가스를 환형 로터 공극 및 스테이터의 통로에 제공하는 스테이터 통기 시스템을 더 포함하는, 초전도 전자기 기계이다.

또다른 실시예에 있어서, 본 발명은, 동기식 전자기 기계에 있어서의 로터와 스테이터 사이의 공극을 형성하는 방법이며, 상기 방법은, 로터를 수용하기 위해 원통형 캐비티를 구비하고, 캐비티로 개방된 냉각 덕트를 포함하는 스테이터를 형성하는 단계와; 공극의 내부 원통형 표면을 형성하는 원통형 로터 표면을 로터 상에 형성하는 단계와; 공극의 길이를 따라 공극의 두께를 테이퍼 형성하도록 로터 표면을 형성하는 단계를 포함한다.

도 1은 종래의 순방향 유동 통기 시스템(10)을 갖는 종래의 발전기(8)를 도시하며, 여기서 냉각 가스[화살표(12)]는 로터(14) 및/또는 로터 공극(16)을 통과한 후 스테이터(18)를 통과한다. 냉각 가스는 공기, 수소 또는 다른 냉각 가스일 수 있다. 냉각 가스는 로터 내의 반경방향 가스 통로(20) 및 유사하게 스테이터 내의 반경방향 가스 덕트(21)를 통해 직렬로 흐르며, 이것은 로터 및 스테이터 냉각 가스 유동 사이의 밀착 커플링을 형성한다.

종래의 통기 시스템(10)에 있어서, 냉각 가스가 로터를 통과할 때 로터의 열이 가스로 전달된다. 냉각 가스의 온도는 로터 코일의 온도 정도로 상승한다. 가열된 가스는 공극(16) 내로 로터를 빠져나오며, 공극(16)에 직접 유입된 냉각 가스와 혼합된다. 이러한 공극으로부터의 냉각 가스의 혼합물은 스테이터 덕트(21)로 유입된다. 냉각 가스가 스테이터를 통과할 때, 고온 스테이터 코일로부터의 열이 냉각 가스로 전달되어 가열된 가스가 스테이터를 빠져나갈 때 스테이터로부터 제거된다.

스테이터의 외주부로부터, 종래의 통기 시스템에 있어서 가열된 냉각 가스는 스테이터를 둘러싸고 고온 가스를 열교환기(24)로 지향시키는 환형 덕트(22)를 통과한다. 고온 가스는 열교환기(24)에서 냉각되어 재순환 덕트(26)를 통해 흐르며, 팬(28)에 의해 로터 및 공극 내로 다시 펌핑된다. 또한, 냉각 가스는 로터의 원심력에 의해 로터를 통해 공극(16) 내로 구동된다. 또한, 팬(28)을 빠져나가는 냉각 가스의 일부는 스테이터 코일 권선의 단부 터언(end turn)(30)을 냉각하도록 지향된다.

종래의 냉각 시스템에 있어서, 팬에 의해 펌핑된 냉각 가스[화살표(12)]의 유동의 일부는 로터 통로(20)를 통과하는 가스상에 작용하는 원심력에 의해 로터 내로 흡입된다. 가열된 로터 가스는 로터의 표면에 있는 덕트를 빠져나가 로터와 스테이터 사이의 공극(16) 내로 유입된다. 또한, 미국 특허 제 5,633,543 호에 도시된 바와 같이 역방향 유동 통기 시스템은 스테이터 및 로터용의 냉각 가스를 제공한다.

도 2는 스테이터(52) 및 초전도 로터(54)를 구비하는 예시적인 동기식 발전기 기계(50)를 도시한다. 상기 기계(50)가 발전기로서 도시되었지만, 또한 전기 모터로서 구성될 수도 있다. 발전기에 있어서, 로터는 스테이터의 원통형 로터 캐비티(56) 내측에 끼워맞춰지는 계자 권선 코일(66)을 포함한다. 로터의 외주부와, 로터 코어(64)를 수용하는 원통형 캐비티(56)를 규정하는 스테이터의 원통형 표면 사이에 환형 공극(57)이 형성된다. 로터가 스테이터 내에서 회전할 때, 로터 및 로터 코일에 의해 발생된 자계는 스테이터를 통해 회전하여, 스테이터 코일(60)의 권선에 전류를 생성한다. 이러한 전류는 발전기에 의해 전력으로서 출력된다.

로터(54)는 대체로 종방향으로 연장하는 축(62) 및 대체로 중실형인 로터 코어(64)를 구비한다. 중실형 로터 코어(64)는 높은 자기 투자율을 가지며, 보통 철 등의 강자성 재료로 제조된다. 저전력 밀도 초전도 기계에 있어서, 기자력(magnetomotive force; MMF)을 감소시켜 코일 권선에 요구되는 초전도(superconducting; SC) 코일 와이어의 양을 최소화하는데 로터의 철심이 사용된다.

로터(54)는 적어도 하나의 종방향으로 연장하는 레이스트랙형(racetrack-shaped)의 고온 초전도(high-temperature superconducting; HTS) 코일 권선(66)을 지지한다. 대안적으로, HTS 코일 권선은 안장 형상을 가지거나, 특별한 HTS 로터 설계에 적합한 몇몇 다른 형상을 가질 수도 있다. HTS 코일 권선은 냉각 유체의 외부 공급원(75)에 의해 로터에 공급되는 저온 유체에 의해 냉각된다. 로터(54) 및 그것의 HTS 코일(66)용 냉각 시스템(75)은 스테이터(52)용 통기 시스템(82)(도 3)과 같이 발전기(50)의 다른 구성요소용 냉각 시스템과 독립적이며, 그러한 시스템으로부터 격리되어 있다.

로터는, 로터 코어(64)를 떠받치고 베어링(72)에 의해 지지되는 집전기(collector) 단부 샤프트(68) 및 구동 단부 샤프트(70)를 포함한다. 이들 단부 샤프트는 외부 장치에 커플링될 수 있다. 예를 들면, 집전기 단부 샤프트(68)는 로터 내의 SC 코일 권선을 냉각하는데 사용되는 저온 냉각 유체의 공급원(75)에 대한 저온 냉각제 이송 커플링(74)을 구비한다. 저온 냉각 유체의 예시적인 공급원은 "고온 초전도 계자 권선을 갖는 로터용 저온 냉각 냉동 시스템 및 방법(Cryogenic Cooling Refrigeration System For Rotor Having A High Temperature Super-Conducting Field Winding And Method)"이라는 명칭의 계류중인 미국 특허 제 6,553,773 호(2001년 5월 15일자로 출원된 미국 특허 출원 제 09/854,943 호)에 개시되어 있다.

저온 냉각제 이송 커플링(74)은 저온 냉각제 냉각 유체의 공급원에 커플링된 정지 세그먼트와, 냉각 유체를 HTS 코일에 제공하는 회전 세그먼트를 포함한다. 또한, 집전기 단부 샤프트(68)는 회전하는 SC 코일 권선에 전기적으로 접속하기 위한 집전기(76)를 포함한다. 로터의 구동 단부 샤프트(70)는 전력 터빈 커플링(78)에 의해 구동될 수 있다.

도 3은 순방향-유동 통기 스테이터 냉각 시스템(82)을 구비하는 발전기(50)[로터의 축방향 중심선(62) 참조]의 1/4의 단면도를 도시한다. 냉각 시스템은 냉각 가스(예를 들면, 주위 공기 또는 수소)를 스테이터에 제공한다. 스테이터 냉각 시스템은 냉각 유체를 로터에 제공하는 저온 냉각 시스템과 독립적이며, 그 시스템으로부터 격리되어 있다.

스테이터 통기 시스템(82)은 로터의 대향 단부 샤프트(68 및 70)에 부착된 냉각 가스 팬(84)을 포함한다. 팬(84)은 로터와 함께 회전하여 로터 코어(64)와 스테이터(52)의 캐비티(56) 사이의 환형 공극(57) 내로 냉각 가스[화살표(86)]를 유입한다. 냉각 가스는 팬(82)에 의해 공극(57) 내로 펌핑된다. 팬은 냉각 가스를 가스 통로(88)로부터 흡입하며, 이 가스 통로(88)는 발전기의 스테이터 둘레를 연장하는 가스 덕트 플리넘 챔버/디퓨저(90)로부터 가스를 수용할 수 있다. 대안적으로(또는 부가하여), 팬은 발전기 외측으로부터 새로운 공기를 흡입한다.

플리넘 챔버 덕트(90)는 냉각된 가스를 하나 또는 그 이상의 열교환기(92)로부터 수용한다. 열교환기는 스테이터 덕트(100) 및 스테이터 챔버(94)를 빠져나가는 가스로부터 열을 추출한다. 열교환기는 가스를 냉각시켜, 그 가스가 스테이터를 냉각하도록 재순환될 수 있다. 스테이터 덕트(100)로부터의 고온 가스는 스테이터의 외주부를 둘러싸는 스테이터 챔버(94)로 유입된다. 상기 챔버는, 스테이터를 원주방향으로 둘러싸고 열교환기용 개구를 갖는 원통형 외벽(95)을 구비한다. 또한, 챔버는 스테이터로부터 반경방향 외측으로 연장하는 환형 배플(baffle)(96)을 포함한다. 이들 배플은 가열된 공기를 스테이터 덕트(100)로부터 열교환기(92)까지 분배한다.

냉각 가스가 스테이터 냉각 덕트(100)를 통과할 때 스테이터 코일(60)로부터 열을 추출한다. 스테이터 덕트는 스테이터 코일의 냉각을 최적화하기 위해 스테이터 내에 배열될 수 있다. 예를 들면, 스테이터 축을 따른 냉각 덕트의 빈도 및/또는 덕트의 단면적은 스테이터 내에 냉각을 균일하게 분배시키거나 달리 스테이터 냉각을 최적화하도록 선택될 수 있다.

통기 시스템(82)은 닫힌 가스 시스템일 수 있으며, 여기서 냉각 가스(예를 들면, 수소 또는 공기)는 스테이터, 열교환기 및 플리넘을 통해 순환되어 스테이터를 냉각시킨다. 또한, 냉각 시스템은 개방 시스템일 수 있으며, 여기서 신선한 냉각 공기가 팬(84)에 의해 로터 공극 및 스테이터 내로 연속적으로 흡입된다.

초전도 로터를 갖는 기계용 폐 루프 통기 시스템(82)에 있어서, 공기 또는 수소 등의 냉각 가스는 열교환기(92)로부터 팬(84) 및 공극(57)을 통해 스테이터 냉각 덕트 통로(100) 내로 순환되어 스테이터 코일로부터 열을 추출하고, 열교환기로 다시 복귀된다. 스테이터 및 로터를 통한 2개의 유동 경로를 갖는 종래의 통기 시스템과 비교하여, 스테이터에만 작용하는 냉각 시스템은 통기 시스템의 복잡성을 단순화한다.

또한, 스테이터 냉각 시스템(82)은 종래의 로터가 초전도 로터로 교체된 동기식 기계(예를 들면, 발전기 및 모터)용으로 적용할 수 있다. 그러한 경우에 있어서, 원래 기계에 결합된 로터 및 스테이터 유동 통기 시스템은 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같은 테이퍼형 공극을 갖는 스테이터만의 순방향 유동 시스템으로, 또는 테이퍼형 로터 공극을 또한 포함하는 스테이터만의 역방향 유동 냉각 시스템으로 전환될 수 있다.

초전도 로터와 스테이터 코어 사이의 공극(57)은 스테이터 덕트(100)에 들어가기 전에 냉각 가스가 유동하는 원통형 영역이다. 냉각 가스는 스테이터 코어 및 로터 코어의 단부에서 공극의 대향 단부(102)로부터 공극으로 들어간다. 가스는 팬(84)에 의해 공극 내로 펌핑된다.

공극(57)을 통한 [그리고 그에 따라 스테이터(100) 내로의] 냉각 가스의 유동은 공극의 형상에 의해 영향을 받는다. 예를 들면, 좁은 공극은 공극을 통한 유동을 감소시키며, 공극에 대한 공극 입구(102)에서의 가스 배압(back pressure)을 증가시킬 수 있다. 또한, 좁은 공극은 동압(dynamic pressure)을 감소시켜, 공극의 좁은 섹션에 인접한 스테이터 덕트에 들어가는 유동량을 감소시킬 수 있다. 반대로, 넓은 공극은 유동을 증가시켜, 공극 입구(102)에서의 배압을 감소시킬 수 있다. 넓은 공극은 동압을 증가시켜, 넓은 공극 섹션에 인접한 스테이터 덕트에 들어가는 유동량을 증가시킬 수 있다. 입구(102)와 중앙부(104) 사이의 공극의 폭을 변화시킴으로써, 각 스테이터 덕트(100)로의 개구에서의 냉각 가스의 체적 및 동압의 제어의 일부 척도를 제공한다.

(예를 들어) 로터의 중앙부(104)를 향한 공극의 비교적 두꺼운 부분 및 로터 코어의 외측 말단부(102)에서의 공극의 비교적 얇은 부분이 있거나, 또는 그 반대의 경우가 되도록 공극(57)을 테이퍼[경사부(105) 참조] 형성함으로써, 공극을 통한 냉각 가스의 압력 및 유동이 제어될 수 있다. 예를 들면, 공극(57)을 통한 기류는 냉각 가스가 로터 코어의 단부(102)(또는 양 단부)로부터 코어 중앙부(104)를 향해 공극을 통과할 때 발생하는 유동 마찰 손실을 보상하도록 제어될 수 있다. 공극의 적절한 테이퍼부(105)에 의해, 스테이터의 길이를 따라 배치된 각각의 스테이터 덕트(100) 내로의 냉각 가스의 유동이 각 스테이터 덕트를 통해 비교적 균일하게 될 수 있다(또는, 스테이터 덕트로의 입구에서 다른 바람직한 가스 유동 특성을 가짐).

공극(57)의 길이를 따르는 테이퍼부(105)는 공극의 외주부를 형성하는 스테이터 코어의 원통형 내주부에서 테이퍼 가공함으로써 달성될 수 있다. 대안적으 로, 공극은 초전도 로터 코어상의 원통형 전자기(electrical magnetic; EM) 차폐체(106)의 외부 표면을 형성함으로써 테이퍼 형성될 수 있다. EM 차폐체는 로터 코어의 외주부에 있다. 더욱이, 공극은 스테이터 코어의 내주부 및 로터 코어의 외주부를 형성하는 조합에 의해 테이퍼 형성될 수 있다.

스테이터 코어의 내주부(56)를 테이퍼 형성하는 것은 각 스테이터 코어 세그먼트가 그 내주부에서 기계가공되거나 펀칭되어 바람직한 테이퍼 형상을 형성하여야 하기 때문에 비교적 복잡할 수 있다. 스테이터 코어 세그먼트를 스테이터 코어 내로 조립하는 복잡성을 증가시키는 것 이외에, 특유한 공극 표면을 갖는 각 스테이터 코어 세그먼트는 결함이 있는 스테이터 코어를 현장에서 수리하기 위해 대체 스테이터 코어 세그먼트 부품을 유지보수하는데 난점을 갖고 있다. 스테이터 코어의 내주부를 테이퍼 형성하는 것이 테이퍼형 공극을 형성하는 이용 가능한 접근법이지만, 로터 코어상의 EM 차폐체를 테이퍼 형성하는 것이 많은 응용에서 바람직할 수 있다.

도 4는 테이퍼형 외부 표면을 구비하는 EM 차폐체(106)의 단면도를 도시한다. 테이퍼는 스테이터 덕트를 통한 균일한 냉각 유동을 달성하도록 분할된다. 세그먼트형 테이퍼 설계는 EM 차폐체 표면을 따라 테이퍼형 경사부를 형성한다. 테이퍼의 경사부는 로터 코어의 대향 단부(102)로부터 코어의 중앙부(104)를 향해 연장한다.

SC 로터 코어(64)상의 EM 차폐체(106)는 로터의 외부 표면 둘레를 감싸는 원통부로 형성된 금속 시트이다. 종래에 있어서 EM 차폐체가 매끄러운 외부 표면을 갖는 균일한 두께의 원통부이지만, 본 실시예에 있어서 EM 차폐체의 외부 표면(108)은 테이퍼형 공극 표면을 형성하도록 성형된다. 차폐체는 로터의 길이를 따라 적절한 위치에서 EM 차폐체를 두껍게 하거나 얇게 함으로써 형상지어 질 수 있다. 대안적으로, EM 차폐체는 로터 코어의 길이를 따라 적절한 위치에서 차폐체 아래 또는 위에 끼워맞추는 로터 코어 둘레에 링을 추가함으로써 형성될 수 있다.

EM 차폐체의 테이퍼(및 그에 따른 공극의 테이퍼)의 기울기는 선형[도 3의 참조부호(105) 참조]일 수 있거나, 또는 공극의 길이를 따라 변할 수 있다(도 4 참조). 도 4에 도시된 바와 같이, EM 차폐체 표면의 기울기는 로터 코어의 중앙부(104) 근처에서 증가하여 공극의 길이의 중앙부에서 비교적 두꺼운 공극(108)을 형성한다. 로터 코어의 중앙부에서 두꺼운 공극은 공극으로의 입구에서 냉각 가스 배압을 감소시키고, 공극의 길이의 중앙부로 개방되는 스테이터 덕트로 보다 많은 냉각 가스가 흐르게 한다.

도 5는 다양한 공극 테이퍼 형상에 대한 스테이터 덕트(128)를 통한 냉각 유동(126)의 그래프(120)이다. 몇개의 테이퍼형 공극 설계가 2차원 컴퓨터 유체 역학(computational fluid dynamics; CFD) 분석을 사용하여 평가되었다. 설계 연구에는, 기류가 팬에 의해 공극 내로 도입되어, 공극으로부터 스테이터 코어 내로 흐르는 1회 통과, 순방향-유동 스테이터 통기 구조가 사용되었다. 스테이터 코어 반경방향 덕트(100)는 로터 코어의 축을 따라 균일하게 이격된 것[덕트 번호(128) 참조]으로 가정하였다. 이들 파라미터는 CFD 분석용으로 설정되었지만, 실제 적용에 있어서 스테이터 반경방향 덕트(100)는 로터 코어의 축을 따라 불균일하게 이격될 수 있고, 스테이터를 통한 균일한 냉각 유동 또는 스테이터를 통한 다른 바람직한 유동 특성을 증진하기 위해 불균일한 단면적을 가질 수도 있다. 또한, 통기 구조에는 냉각 가스가 통기 시스템을 통해 순환되는 테이퍼형 공극이 사용될 수 있다.

도 5의 그래프(120)에 나타낸 바와 같이, 세그먼트형 테이퍼 공극(122)(공극의 중앙부가 로터 코어의 단부 근처에서의 공극부보다 두꺼움)은 모든 스테이터 덕트를 통해 비교적 균일한 기류를 제공하였다. 베이스라인 공극 프로파일(124)은 공극(57)의 길이를 따라 균일한 두께를 갖는다.

스테이터 덕트 냉각 유동 그래프(120)에 도시된 바와 같이, 기류(126)는 스테이터 코어의 길이에 따른 스테이터 덕트(128)의 위치를 따라 실질적으로 변한다. 로터 코어의 단부에서의 덕트(100)(덕트 번호 1 내지 10 및 41 내지 49) 및 중앙부에서의 덕트(덕트 번호 24 내지 26)는 베이스라인 공극(124)용의 비교적 적은 냉각 유동을 갖는다. 대조적으로, 중간 스테이터 덕트(덕트 번호 10 내지 20 및 30 내지 35)는 베이스라인 공극에 의해 비교적 많은 냉각 가스 유동을 갖는다. 덕트에서의 불균일한 냉각 가스 유동 때문에, 베이스라인 공극을 갖는 스테이터는 균일한 스테이터 냉각을 이룰 수 없다.

공극의 다른 테이퍼형 형상이 스테이터 덕트를 통한 바람직한 냉각 가스 유동을 달성하도록 설계될 수도 있다. 선형으로 테이퍼 형성된 공극에 의한 냉각 유동은 30% 감소(130) 및 60% 공극 감소(132)로 나타낸다. 이들 선형으로 테이퍼 형성된 공극은 로터 코어의 단부에서 두껍고 로터 코어의 중앙부에서 가장 얇다. 선형으로 테이퍼 형성된 공극(108)은 도 3에 개략적으로 도시되어 있다. 백분율 감 소(30% 및 60%)는 공극의 단부(102)와 비교하여 로터 코어의 중앙부(104)에서 공극의 상대적 두께를 나타낸다.

그래프(120)에 나타낸 바와 같이, 30% 및 60%의 선형으로 테이퍼 형성된 공극은 공극의 중앙부의 두께 감소로 인해 공극 입구에서의 냉각 가스 배압을 상승시켰다. 그러나, 0%로부터 30% 내지 60%로 공극의 선형 기울기를 증가시킴으로써, 스테이터 덕트 사이의 냉각 유동 변동을 점진적으로 감소시켰다.

본 발명이 현재 가장 실제적이고 바람직한 실시예로 고려되는 것과 관련하여 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에만 제한되지 않으며, 오히려 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범위 내에 포함되는 다양한 변형 및 균등한 구성을 커버하도록 의도됨을 이해할 것이다.

본 발명에 따르면, 초전도 동기식 기계의 스테이터는 별도의 스테이터 냉각 시스템을 구비함으로써, 저온 로터 및 가스 냉각식 스테이터의 냉각 시스템은 완전히 독립적일 수 있으며, 종래의 스테이터 및 로터 통기 시스템은 스테이터만의 통기 시스템으로 기능하도록 변형될 수 있으며, 이에 따라 저온 냉각 시스템은 초전도 기계 내의 로터의 효과적인 냉각을 제공할 수 있다.

Claims

초전도 전자기 기계에 있어서,

저온으로 냉각된 초전도 로터 코일 권선을 갖는 중실형 코어 로터로서, 저온 냉각 유체에 의해 냉각되는, 상기 중실형 코어 로터와,

상기 로터와 동축이며, 상기 초전도 로터 코일 권선과 자기적으로 커플링된 스테이터 코일을 갖는 스테이터로서, 상기 스테이터 코일은 상기 로터 둘레에 배치되며, 상기 스테이터는 상기 스테이터의 내주부로부터 외측으로 연장하는 냉각 통로를 가지며, 상기 내주부는 환형 공극만큼 상기 로터로부터 이격되며, 상기 환형 공극은 상기 환형 공극의 길이를 따라 테이퍼형 두께를 갖는, 상기 스테이터와,

상기 환형 공극과 상기 스테이터의 냉각 통로에 냉각 가스를 공급하는 스테이터 통기 시스템을 포함하는

초전도 전자기 기계.
제 1 항에 있어서,

상기 환형 공극은 상기 환형 공극의 길이의 중앙부에서 가장 두꺼운

초전도 전자기 기계.
제 1 항에 있어서,

상기 환형 공극은 상기 환형 공극의 단부에서보다 상기 환형 공극의 길이의 중앙부에서 더 두꺼운

초전도 전자기 기계.
제 1 항에 있어서,

상기 환형 공극의 두께는 상기 환형 공극의 단부로부터 상기 환형 공극의 중앙부를 향해 점진적으로 증가하는

초전도 전자기 기계.
제 1 항에 있어서,

상기 환형 공극은 상기 로터의 로터 코어 섹션 상의 차폐체(shield)에 의해 규정된 경사진 내부 원통형 표면을 구비하는

초전도 전자기 기계.
제 5 항에 있어서,

상기 차폐체는 상기 환형 공극의 내부 원통형 표면을 형성하는 테이퍼형 표면을 구비하는

초전도 전자기 기계.
제 1 항에 있어서,

상기 환형 공극은 상기 스테이터에 의해 규정된 경사진 외부 원통형 표면을 구비하는

초전도 전자기 기계.
초전도 로터 코일 권선을 포함하는 로터 코어, 스테이터 코어 및 스테이터 통기 시스템을 구비하는 초전도 전자기 기계를 냉각하기 위한 방법에 있어서,

ⓐ 상기 로터 코일 권선을 저온으로 냉각하는 단계와,

ⓑ 상기 로터와 스테이터 사이의 환형 공극 내로 냉각 가스를 이동시키는 단계로서, 상기 환형 공극은 상기 환형 공극의 길이를 따라 테이퍼 형성되는, 상기 냉각 가스 이동 단계와,

ⓒ 상기 냉각 가스가 상기 환형 공극으로부터 상기 스테이터의 덕트 내로 유동하는 단계를 포함하는

초전도 전자기 기계의 냉각 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 환형 공극은 상기 환형 공극의 길이를 따라 중앙부에서 가장 두꺼운

초전도 전자기 기계의 냉각 방법.
동기식 전자기 기계에 있어서의 로터와 스테이터 사이의 환형 공극을 형성하는 방법에 있어서,

ⓐ 상기 로터를 수용하기 위해 원통형 캐비티를 구비하고, 상기 캐비티로 개방된 냉각 덕트를 포함하는 상기 스테이터를 형성하는 단계와,

ⓑ 상기 환형 공극의 내부 원통형 표면을 형성하는 원통형 로터 표면을 상기 로터 상에 형성하는 단계와,

ⓒ 상기 환형 공극의 길이를 따라 상기 환형 공극의 두께를 테이퍼 형성하도록, 상기 로터 표면을 성형하는 단계를 포함하는

로터와 스테이터 사이의 환형 공극 형성 방법.