KR101062519B1 - 스플라인 구조를 구비한 초전도 로터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전도 모듈의 전자기력에 의해 발생되는 회전력을 축으로 전달할 때 극저온 상태의 초전도 모듈의 열 수축에 따른 변형과 응력에 대해 축 방향의 유동이 가능한 스플라인 구조를 갖는 초전도 로터에 관한 것이다.

보다 구체적으로는 본 발명은 초전도코일 모듈과, 상기 초전도코일 모듈의 회전력을 회전축으로 전달하는 토크튜브와, 하우징을 포함하는 초전도 로터에 있어서, 상기 초전도코일 모듈의 양측 단부 중 적어도 하나의 부위에 구비되는 상기 토크튜브는 상기 회전축이 관통되도록 형성되는 플레이트가 복수개로 적층되는 토크 전달부를 구비하고, 상기 토크 전달부에는 상기 회전축에 의해 관통된 위치에 상기 회전축의 회전 방향을 따라 스플라인 외부축이 구비되며, 관통된 상기 회전축의 외주면에는 상기 회전축의 회전 방향을 따라 스플라인 내부축이 구비되어 상기 스플라인 외부축 및 상기 스플라인 내부축이 상기 회전축의 축 방향으로 유동하며 상기 초전도코일 모듈의 회전력을 상기 회전축으로 전달하는 스플라인 축을 형성하는 것을 특징으로 하는 스플라인 구조를 구비한 초전도 로터에 관한 것이다.

초전도, 로터, 회전자, 초전도 모터, 열 변형, 스플라인 구조

Description

스플라인 구조를 구비한 초전도 로터{Superconducting Rotor having Spline structure}

본 발명은 초전도 모듈의 전자기력에 의해 발생되는 회전력을 축으로 전달할 때 극저온 상태의 초전도 모듈의 열 수축에 따른 변형과 응력에 대해 축 방향의 유동이 가능한 스플라인 구조를 갖는 초전도 로터에 관한 것이다.

도 1 은 종래의 로터의 구조를 개략적으로 나타낸 결합단면도를 나타낸다.

도 1 을 참조하면 초전도선으로 권선된 초전도계자코일부(10)와, 상기 초전도계자코일부(10)를 지지하기 위한 계자코일지지부(20)와, 상기 계자코일지지부(20)의 양측 단부에 위치하면서 초전도계자코일부(10)에서 외부로 회전력을 전달하는 토크튜브(60, 80)와, 상기 초전도계자코일부(10) 및 계자코일지지부(20)를 포함하도록 구비되는 이너케이싱(40)과, 이러한 이너케이싱(40) 및 토크튜브(60, 80)를 포함하도록 구비되는 아웃터케이싱(50)으로 이루어진 초전도 로터에 있어서, 상기 계자코일지지부(20)의 양측 단부에 위치하는 토크튜브(60, 80)는 각각 다른 구조를 가지는 것으로서, 상기 토크튜브(60, 80)중 이너케이싱(40)의 한쪽 단부에 구비되는 제 1 토크튜브(60)는 통형을 이루면서 둘레면을 따라 복수의 체결공이 형성되어 체결부재(70)를 통해 체결되고, 상기 이너케이싱(40)의 다른 쪽 단부에 구비되는 제 2 토크튜브(80)는 판형구조체(81)를 이루는 플레이트와 링형부재를 복수로 적층시킨 다음, 체결부재(90, 91)에 의해 체결되어 있다.

이러한 종래의 초전도 로터는 극저온 상태의 초전도 코일이 길이 방향으로 열수축되는 변형과 이에 따른 응력에 대해, 상기 판형구조체(81)를 이루는 상기 제 2 토크튜브(80)에서 얇고 유연한 구조의 플레이트 판을 여러 장 적층하여 어느 정도 해소할 수 있다.

그러나, 초전도 코일의 변형과 응력 발생에 대한 대응에 한계가 있었으며, 특히 회전축의 전달력이 커지고 초전도 코일조립체의 중량이 증가함에 따라 더욱 문제점이 부각되고 있는 실정이다.

따라서, 극저온 상태의 초전도코일 조립체의 열수축에 따른 변형과 응력 발생을 고려하여 안정적으로 회전축으로 회전력을 전달할 수 있는 초전도 로터의 개발이 요구되어 왔다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 극저온 상태의 초전도 모듈이 열수축에 의해 변형되고 응력이 발생될 때 축 방향으로의 유동이 가능하도록 스플라인 구조를 갖는 토크튜브를 포함한 초전도 로터를 제공하고자 개발되었다.

본 발명은 초전도선으로 권선된 초전도 코일(110)과 코일 지지부(120)를 포함하는 초전도코일 모듈(100)과, 상기 초전도코일 모듈(100)의 회전력을 회전축(300)으로 전달하는 토크튜브(200)와, 상기 초전도코일 모듈(100) 및 상기 토크튜브(200)를 감싸도록 형성되는 하우징(400)을 포함하는 초전도 로터에 있어서, 상기 초전도코일 모듈(100)의 양측 단부 중 적어도 하나의 부위에 구비되는 상기 토크튜브(200)는 상기 회전축(300)이 관통되도록 형성되는 플레이트(251)가 복수개로 적층되는 토크 전달부(250)를 구비하고, 상기 토크 전달부(250)에는 상기 회전축(300)에 의해 관통된 위치에 상기 회전축(300)의 회전 방향을 따라 스플라인 외부축(261)이 구비되며, 관통된 상기 회전축(300)의 외주면에는 상기 회전축(300)의 회전 방향을 따라 스플라인 내부축(262)이 구비되어 상기 스플라인 외부축(261) 및 상기 스플라인 내부축(262)이 상기 회전축(300)의 축 방향으로 유동하며 상기 초전도코일 모듈(100)의 회전력을 상기 회전축(300)으로 전달하는 스플라인 축(260)을 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 원기둥 형상의 상기 회전축(300)의 외주면에 형성되는 상기 스플라인 내부축(262)에는 원주 방향으로 요부(凹部)와 철부(凸部)가 교번하여 형성되고, 상기 회전축(300)에 의해 관통된 위치에 형성되는 상기 스플라인 외부축(261)에는 내주면을 따라 원주 방향으로 요부(凹部)와 철부(凸部)가 교번하여 형성되어, 상기 스플라인 내부축(262) 및 상기 스플라인 외부축(261)의 요부(凹部)와 철부(凸部)가 상호 맞물리도록 회전하면서 상기 스플라인 축(260)을 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 토크튜브(200)의 축 방향 유동을 제한하기 위해 내부에 탄성체를 구비하며, 일단이 상기 토크 전달부(250)에 결합되고 타단이 상기 하우징(400)에 결합되는 완충기(240)가 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 스플라인 구조를 구비한 초전도 로터는,

첫째, 디스크형 토크튜브에 대해 스플라인 구조를 적용하여 회전축의 축 방향으로는 자유롭게 유동이 가능하면서, 초전도코일 모듈로부터 발생하는 회전력을 회전축으로 전달할 수 있다. 따라서, 초전도코일 모듈의 온도 변화에 따른 축 방향의 길이 변화에 대응하여 안정적으로 회전력의 전달이 가능한 장점이 있다.

둘째, 토크 전달부와 하우징의 사이에 완충기를 구비할 수 있어, 초전도코일 모듈의 축 방향으로의 진동 발생에 따른 스플라인 축의 극심한 유동 변화를 적절히 제어할 수 있는 장점이 있다.

일반적으로 초전도 로터는 구리선 대신에 초전도선을 사용하여 코일을 구성한 로터를 말한다. 초전도 현상은 어떤 물질의 온도가 매우 낮을 때(예를 들면 -200˚C 이하) 일어나는 현상으로, 전기 저항이 0 이 되고 내부 자기장을 외부로 방출하는 특성이 있다. 이러한 초전도 현상이 나타나는 물체를 초전도체라 하며, 이 현상이 나타나기 시작하는 온도를 임계 온도라고 한다. 일반적인 금속 도체의 비저항은 온도가 내려감에 따라 점점 감소하는데 비해, 구리나 은과 같은 도체의 경우 불순물이나 다른 결함으로 인해 저항이 어느 값 이상으로 감소하지 않는 한계가 있다. 절대온도 0(K)도 근처에서도 실제 구리 시료의 저항은 0 이 아닌 값을 가지게 된다. 반면 초전도체의 저항은 온도가 임계 온도보다 하강하면 갑자기 저항치가 0 으로 떨어진다. 따라서 초전도 전선으로 된 고리를 흐르는 전류는 전원 공급 없이도 계속 흐를 수 있다. 초전도 로터는 이러한 초전도 현상의 특성을 이용하여 설계된 회전자를 말한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대하여 상세히 설명한다.

도 2 는 본 발명에 의한 로터 구조의 일실시예를 나타낸 결합단면도를, 도 3 은 도 2 에 도시한 B 부위인 디스크형 토크튜브의 구조를 나타낸 단면도를, 도 4 는 본 발명에 의한 로터의 구조에 완충기가 포함되는 실시예를 나타내는 결합단면 도를 나타낸다.

도 2 를 참조하면 본 발명에 의한 스플라인 구조를 구비한 초전도 로터는 초전도코일 모듈(100), 토크튜브(200), 회전축(300), 하우징(400)을 구비한다. 상기 토크튜브(200)는 원통형 토크튜브인 경우와 디스크형 토크튜브인 경우가 있으며, 전자인 원통형 토크튜브의 경우 도 1 에서 도시한 종래의 실시예와 동일하므로 디스크형 토크튜브의 경우만 실시예를 설명하기로 한다.

도 2 를 참조하면 도면에 도시된 바와 같이 본 발명은 종래의 로터와 마찬가지로 초전도선으로 권선된 초전도 코일(110)과 코일 지지부(120)를 포함하는 초전도코일 모듈(100)을 구비한다. 상기 초전도코일 모듈(100)은 상기 초전도 코일(110)과 상기 초전도 코일(110)을 지지하는 상기 코일 지지부(120)를 포함한 조립체이며 종래의 경우와 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다. 상기 토크튜브(200)는 상기 초전도코일 모듈(100)에서 전자기력에 의해 발생되는 회전력을 상기 회전축(300)으로 전달하는 역할을 한다. 상기 토크튜브(200)는 원통형 토크튜브와 디스크형 토크튜브가 있을 수 있으며 디스크형 토크튜브에 대해서는 실시예를 후술하기로 한다. 상기 하우징(400)은 상기 초전도코일 모듈(100) 및 상기 토크튜브(200)를 감싸도록 형성된다. 상기 하우징(400)은 상기 초전도코일 모듈(100)과 상기 토크튜브(200)의 케이스 역할을 하며 종래의 경우와 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

실시예

도 2 및 도 3 을 참조하면 상기 토크튜브(200)가 디스크형 토크튜브인 경우, 상기 토크튜브(200)는 상기 회전축(300)이 관통되도록 형성되는 플레이트(251)가 복수개로 적층되어 구비된다. 상기 토크튜브(200)는 상기 초전도코일 모듈(100)의 양측 단부 중 적어도 하나의 부위에 구비될 수 있다. 따라서, 상기 토크튜브(200)는 상기 초전도코일 모듈(100)의 좌측 또는 우측 중 어느 한 쪽에만 구비되는 실시예와 양측 모두에 상기 토크튜브(200)가 구비되는 실시예를 모두 고려할 수 있다. 또한, 상기 초전도코일 모듈(100)의 용량에 따라 필요한 경우 상기 초전도코일 모듈(100)의 중앙부에도 상기 토크튜브(200)가 구비되는 실시예도 고려해 볼 수 있다. 도 2 내지 도 4 에서는 상기 초전도코일 모듈(100)의 우측, 즉 'B'에 해당하는 위치에 상기 토크튜브(200)가 형성되는 실시예만을 도시하였으나, 설계에 따라 다른 위치에 상기 토크튜브(200)가 구비될 수 있음은 물론이다.

도 2 및 도 3 을 참조하면 상기 플레이트(251)가 복수개로 적층되어 형성되는 상기 토크 전달부(250)에는 상기 회전축(300)에 의해 관통된 위치에 상기 회전축(300)의 회전 방향을 따라 스플라인 외부축(261)이 구비된다. 또한 관통된 상기 회전축(300)의 외주면에는 상기 회전축(300)의 회전 방향을 따라 스플라인 내부축(262)이 구비된다. 회전력의 전달 경로는 상기 초전도코일 모듈(100)로부터 발생한 회전력이 상기 플레이트가 복수개로 적층되어 형성되는 상기 토크 전달부(250)로 전달된다. 상기 토크 전달부(250)는 상기 회전축(300)에 의해 관통된 위치가 천공된 디스크가 다수개로 적층된 형태로, 각각의 상기 플레이트(251)의 내측 천공된 위치 원주면을 따라 스플라인 외부축(261)이 형성되어 있으므로, 상기 토크 전달 부(250)로 전달된 회전력은 상기 스플라인 외부축(261)을 거쳐 상기 회전축(300)의 외주면에 형성된 상기 스플라인 내부축(262)으로 전달된다. 상기 스플라인 외부축(261) 및 상기 스플라인 내부축(262)으로 이루어지는 상기 스플라인 축(260)은 상기 하우징(400)과 상기 회전축(300)으로 회전력을 다시 전달하게 된다. 스플라인 축의 요철의 맞물림이 여유가 없이 반영구적으로 결합된 것을 세레이션축(serrated shaft)이라고 하며, 보다 큰 토크의 전달에 사용된다.

도 2 및 도 3 을 참조하면 상기 토크 전달부(250)를 구성하는 복수개의 상기 플레이트(251)는 상기 회전축(300)의 축 방향을 따라 유동할 수 있다. 이에 따라 상기 초전도코일 모듈(100)의 온도 변화에 따른 길이 변화를 반영하여, 상기 회전축(300)의 축 방향을 따라 상기 플레이트(251)가 좌우 유동함에 의해 상기 초전도 코일 모듈(100)의 변형과 응력 발생에 대한 대응이 될 수 있다. 즉, 복수개의 상기 플레이트(251)가 상기 초전도코일 모듈(100)의 온도 변화에 따른 신축에 의해 상기 회전축(300)의 축방향을 따라 유동하게 된다. 이에 따라, 상기 초전도코일 모듈(100)의 회전력을 상기 회전축(300)으로 전달할 때, 온도 변화에 따른 상기 초전도코일 모듈(100)의 길이 변화에 관계없이 안정적으로 회전력을 전달할 수 있는 장점이 있다.

도 2 및 도 3 을 참조하면 상기 스플라인 내부축(262)은 원기둥 형상의 상기 회전축(300)의 외주면에 형성되되, 상기 회전축(300)상에서 원주 방향으로 요부(凹部)와 철부(凸部)가 교번하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 스플라인 외부축(261)은 상기 회전축(300)에 의해 관통된 위치에 형성되되, 관통된 위치의 내주면을 따라 원주 방향으로 요부(凹部)와 철부(凸部)가 교번하여 형성될 수 있다. 따라서, 상기 스플라인 내부축(262)의 요부(凹部)에 상기 스플라인 외부축(261)의 철부(凸部)가 맞물리고, 상기 스플라인 외부축(261)의 요부(凹部)에 상기 스플라인 내부축(262)의 철부(凸部)가 맞물려 회전하며 상기 스플라인 축(260)을 형성하므로, 회전력을 정확하게 전달할 수 있는 장점이 있다.

도 4 를 참조하면 본 발명의 초전도 로터는 상기 토크튜브(200)의 축 방향 유동을 제한하기 위해 내부에 탄성체를 구비하며, 일단이 상기 토크 전달부(250)에 결합되고 타단이 상기 하우징(400)에 결합되는 완충기(240)가 선택적으로 구비될 수 있다. 상기 초전도코일 모듈(100)로부터 상기 회전축(300)의 축 방향으로의 진동 등이 발생하는 경우 회전력의 전달이 불안정해질 수 있다. 따라서, 상기 초전도코일 모듈(100)로부터 회전력을 전달받은 상기 토크튜브(200)의 축 방향으로의 유동을 제한하기 위해 상기 완충기(240)가 구비될 수 있다. 상기 완충기(240)는 일반적으로 기계 장치에 활용되는 유압 댐퍼 또는 스프링과 같은 탄성체를 구비한 댐퍼일 수 있으며, 상기 토크튜브(200)의 축 방향으로의 유동을 제한할 수 있는 범위에서 다양한 구조로 구비될 수 있다.

본 발명의 상기한 실시예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

도 1 은 종래의 로터의 구조를 개략적으로 나타낸 결합단면도.

도 2 는 본 발명에 의한 로터 구조의 일실시예를 나타낸 결합단면도.

도 3 은 도 2 에 도시한 B 부위인 디스크형 토크튜브의 구조를 나타낸 단면도.

도 4 는 본 발명에 의한 로터의 구조에 완충기가 포함되는 실시예를 나타내는 결합단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 초전도 계자코일부 20 : 계자코일 지지부

40 : 이너케이싱 50 : 아웃터케이싱

60 : 제 1 토크튜브 61 : 체결공

80 : 제 2 토크튜브 81 : 판형구조체

70, 90, 91 : 체결부재

100 : 초전도 코일 모듈 110 : 초전도 코일

120 : 코일 지지부 200 : 토크 튜브

250 : 토크 전달부 251 : 플레이트

260 : 스플라인 축 261 : 스플라인 외부축

262 : 스플라인 내부축 300 : 회전축

400 : 하우징

Claims (3)

1. 초전도선으로 권선된 초전도 코일(110)과 코일 지지부(120)를 포함하는 초전도코일 모듈(100)과, 상기 초전도코일 모듈(100)의 회전력을 회전축(300)으로 전달하는 토크튜브(200)와, 상기 초전도코일 모듈(100) 및 상기 토크튜브(200)를 감싸도록 형성되는 하우징(400)을 포함하는 초전도 로터에 있어서,

   상기 초전도코일 모듈(100)의 양측 단부 중 적어도 하나의 부위에 구비되는 상기 토크튜브(200)는 상기 회전축(300)이 관통되도록 형성되는 플레이트(251)가 복수개로 적층되는 토크 전달부(250)를 구비하고,

   상기 토크 전달부(250)에는 상기 회전축(300)에 의해 관통된 위치에 상기 회전축(300)의 회전 방향을 따라 스플라인 외부축(261)이 구비되며, 관통된 상기 회전축(300)의 외주면에는 상기 회전축(300)의 회전 방향을 따라 스플라인 내부축(262)이 구비되어 상기 스플라인 외부축(261) 및 상기 스플라인 내부축(262)이 상기 회전축(300)의 축 방향으로 유동하며 상기 초전도코일 모듈(100)의 회전력을 상기 회전축(300)으로 전달하는 스플라인 축(260)을 형성하고,

   원기둥 형상의 상기 회전축(300)의 외주면에 형성되는 상기 스플라인 내부축(262)에는 원주 방향으로 요부(凹部)와 철부(凸部)가 교번하여 형성되고, 상기 회전축(300)에 의해 관통된 위치에 형성되는 상기 스플라인 외부축(261)에는 내주면을 따라 원주 방향으로 요부(凹部)와 철부(凸部)가 교번하여 형성되어,

   상기 스플라인 내부축(262) 및 상기 스플라인 외부축(261)의 요부(凹部)와 철부(凸部)가 상호 맞물리도록 회전하면서 상기 스플라인 축(260)을 형성하는 것을 특징으로 하는 스플라인 구조를 구비한 초전도 로터.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 토크튜브(200)의 축 방향 유동을 제한하기 위해 내부에 탄성체를 구비하며, 일단이 상기 토크 전달부(250)에 결합되고 타단이 상기 하우징(400)에 결합되는 완충기(240)가 구비되는 것을 특징으로 하는 스플라인 구조를 구비한 초전도 로터.

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