KR101181932B1 - 와이어 단열을 이용한 초전도 베어링 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 와이어 단열을 이용한 초전도 베어링(1)은 외주면을 보강하기 위한 영구자석 보강링(220)을 구비하고, 영구자석 사이에 강자성링(240)을 구비한 다수의 영구자석(230);과 영구자석 고정링(250)에 고정되는 다수의 영구자석(230)을 외주연을 따라 장착하고, 회전자축(210)을 중심으로 회전하는 초전도 베어링 회전자(200);와 영구자석 보강링(220)과 구리판(110) 사이에 설치된 초전도체(160);와 초전도체(160)를 둘러싸는 구리판(110);과 구리판(110)의 외측에 연결되어 내부 공동을 형성하는 스틸 저온조(120);와 일단이 스틸 저온조(120)의 외주연에 체결되고, 타단이 고정자 지지대의 내주연에 체결되는 다수의 와이어(170); 및 와이어(170)를 고정하고 초전도 베어링을 지지하는 고정자 지지대(180);로 이루어진다.

Description

와이어 단열을 이용한 초전도 베어링{Wire insulated superconductor bearing}
본 발명은 회전체의 운동을 유지함에 있어 기계적 마찰저항을 제거하기 위한 와이어 단열을 이용한 초전도 베어링에 관한 것이다.
고온초전도 플라이휠 에너지 저장기술은 고온초전도체의 독특한 현상인 자기 공중부양 및 자기고정을 이용한 베어링을 사용하여 회전판을 공중에 안정적으로 부양시킨 다음 모터를 이용하여 전기에너지를 회전판, 즉 플라이휠의 회전 운동에너지로 저장하고, 이 에너지를 마찰에 의한 손실이 없도록 유지했다가 발전하여 사용하는 기술을 말한다. 고온초전도 플라이휠 에너지 저장장치의 핵심기술은 무거운 회전판을 안정적으로 부양시키는 초전도베어링 기술이다.
베어링은 현재 사용되고 있는 모든 회전장치에서 빼놓을 수 없는 부품이다. 통상적으로 회전체의 마찰에 의해 손실되는 에너지를 줄이기 위하여 볼베어링이나 유체를 이용한 저어널 베어링을 사용하나, 이들은 근본적으로 접촉에 의해 고정력을 제공하므로 마찰에 의한 손실을 줄이는 데는 한계가 있다. 따라서, 영구자석과 전자석을 이용한 무접촉 베어링이 개발되었다. 이러한 베어링에서는 영구자석 또는 전자석의 인력과 척력을 사용하여 회전체를 부상시켜 마찰 없는 회전을 실현하나, 그 축을 잡아주기 위하여 능동제어(active control)를 해야만 한다. 이와 같은 방법에는 그 제어를 위한 회로 및 제어장치 제작에 많은 비용이 들고, 베어링 작동 시에 계속적으로 에너지가 소모되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 최근 고온초전도체가 자속을 통과시키지 않는 반자성과, 일단 침입한 자속은 자속고정점에 의하여 빠져나가지 않도록 고정되는 성질을 이용하여 능동제어가 필요없는 무접촉 베어링이 개발되었다. 그러나, 이러한 초전도 베어링 고정자의 고정에 사용되는 방법은 단열재를 사용하는 비교적 단순한 방법이라서, 단열재의 두께를 늘리거나 접촉면적을 줄이면 단열은 좋아지지만 고유진동수가 낮아져 속도를 높이기 곤란해지고, 반대로 단열재의 두께를 얇게 하거나 접촉면적을 늘리면 고유진동수는 증가하지만 단열효과가 감소하여 냉각부하가 급격히 증가하는 문제점이 있다. 따라서, 단열재를 사용하는 초전도 베어링은 시스템 운전 속도에 따라 냉각부하를 높게 설계되는 것을 피할 수 없는 문제점을 내포하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 열 침입에 의한 냉각 손실을 줄임과 동시에 고유진동수를 대폭 향상시킬 수 있도록 와이어 단열을 이용한 초전도 베어링을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 와이어 단열을 이용한 초전도 베어링은 외주면을 보강하기 위한 영구자석 보강링을 구비하고, 영구자석 사이에 강자성링을 구비한 다수의 영구자석;과 영구자석 고정링에 고정되는 다수의 영구자석을 외주연을 따라 장착하고, 회전자축을 중심으로 회전하는 초전도 베어링 회전자;와 영구자석 보강링과 구리판 사이에 설치된 초전도체;와 초전도체를 둘러싸는 구리판;과 구리판의 외측에 연결되어 내부 공동을 형성하는 스틸 저온조;와 일단이 스틸 저온조의 외주연에 체결되고, 타단이 고정자 지지대의 내주연에 체결되는 다수의 와이어; 및 와이어를 고정하고 초전도 베어링을 지지하는 고정자 지지대로 이루어진다.
또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 와이어 단열을 이용한 초전도 베어링의 바람직한 다른 실시예에서, 와이어가 초전도 베어링 회전자의 축에 대해 축방향으로 기울어져 있을 수 있다.
또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 와이어 단열을 이용한 초전도 베어링의 바람직한 다른 실시예에서, 와이어가 초전도 베어링 회전자의 축의 회전방향으로 기울어져 있을 수 있다.
또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 와이어 단열을 이용한 초전도 베어링의 바람직한 다른 실시예에서, 고정자 지지대의 내주연에 체결되는 와이어의 단부가 나선을 구비하고, 이러한 와이어가 고정자 지지대에 볼트결합될 수 있다.
본 발명은 초전도 베어링에 있어서, 와이어 단열을 이용함으로써 고유진동수를 높여 더 고속에서 사용할 수 있고, 같은 속도라면 냉각재인 액체질소의 손실을 획기적으로 감소시켜 베어링 효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 플라이휠 에너지 저장장치 등의 전체적인 효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 와이어 단열을 이용한 초전도 베어링의 사시도를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 초전도 베어링의 실시예에서 와이어의 직경이 2㎜인 경우의 고유진동수 해석 변위 결과를 나타낸다.
도 3a는 본 발명에 따른 초전도 베어링의 바람직한 다른 실시예에서 와이어가 축방향으로 기울어져 있는 형태의 사시도를 나타낸다.
도 3b는 도 3a에 나타난 초전도 베어링의 단면도를 나타낸다.
도 4a는 본 발명에 따른 초전도 베어링의 바람직한 다른 실시예에서 와이어가 회전방향으로 기울어져 있는 형태의 사시도를 나타낸다.
도 4b는 도 4a에 나타난 초전도 베어링의 단면도를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 초전도 베어링의 바람직한 다른 실시예에서 고정지지대와 볼트결합되는 상태를 나타낸다.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 부호를 가지도록 하였다.
도 1은 본 발명에 따른 와이어 단열을 이용한 초전도 베어링(1)의 사시도를 나타낸다. 본 발명에 의한 와이어 단열을 이용한 초전도 베어링(1)은 영구자석 보강링(220)과 강자성링(240)을 구비한 다수의 영구자석(230), 초전도 베어링 회전자(200), 초전도체(160), 구리판(110), 스틸 저온조(120), 와이어(170) 및 고정자 지지대(180)로 이루어진다. 영구자석(230)은 영구자석의 외주면을 보호하기 위해 영구자석 보강링(220)을 구비한다. 또한, 영구자석(230)의 사이에 강자성링(240)이 설치된다. 본 발명에 따른 바람직한 실시예에서 영구자석(230)은 다수의 영구자석이 적층된 형태로 이루어지고, 각각의 영구자석(230)의 층(layer) 사이에 강성자링(240)이 설치된다. 다수의 영구자석(230)이 영구자석 고정링(250)에 의해 초전도 베어링 회전자(200)의 외주연을 따라 회전자에 장착되고, 이러한 초전도 베어링 회전자(200)는 회전자축(210)을 중심으로 회전한다. 초전도체(160)가 영구자석 보강링(220)과 구리판(110) 사이에 설치된다. 구리판(110)은 초전도체를 둘러싸고, 바람직하게는 구리판(110)과 스틸 저온조(120)는 용접 혹은 브레이징 등에 의해 틈이 없도록 견고하게 결합 된다. 스틸 저온조(120)는 바람직하게는 ㄷ자 형태로 이루어지고, 액체질소 등이 흘러들어가거나 흘러나오는 내부공동을 형성하며, 액체질소 등을 흘릴 수 있도록 액체질소 관이 연결되어 있다. 와이어(170)는 일단이 스틸 저온조(120)의 외주연에 체결되고, 타단이 고정자 지지대(180)의 내주연에 체결되며, 초전도 베어링이 사용되는 장치에 따라 설치되는 와이어의 직경과 길이 및 개수를 조절할 수 있다. 와이어(170)는 볼트결합이나 용접 등과 같은 다양한 체결수단에 의해 체결될 수 있다. 고정자 지지대(180)는 와이어(170)를 고정시키고, 초전도 베어링(1)을 지탱하는 역할을 한다.
도 1에 도시된 초전자 베어링은 고정자의 내경이 90㎜이고, 고온초전도체(160)가 38×30×15㎣의 크기로 36개가 사용되며, 회전자(200)는 외경 88.80㎜, 두께 13㎜인 링 형의 영구자석(230)을 반발하도록 적층하여 구성된다. 고정자의 스틸 저온조(120)는 스테인레스 스틸 304 재질로 외경 190㎜, 높이 136㎜, 두께 5㎜로 형성되고, 고정자 지지대(180)는 동일한 스테인레스 스틸 304 재질을 사용하여 외경 290㎜, 내경 250㎜, 높이 180㎜로 형성된다. 스틸 저온조(120)와 고정자 지지대(180)를 연결하는 와이어(170)의 최소 길이는 30㎜로 형성되어 있다. 또한, 모든 와이어(170)는 동일한 수준의 인장력을 가하여 고정자 지지대(180)에 고정되어 냉각된다.
도 2는 본 발명에 따른 초전도 베어링(1)의 실시예에서 와이어(170)의 직경이 2㎜인 경우의 고유진동수 해석 변위 결과를 나타낸다. 표 1은 본 발명에 따른 바람직한 초전도 베어링에서 와이어의 직경을 변화시키며 냉각부하 및 고유진동수를 계산한 결과를 나타낸다. 종래 초전도 저어널 베어링의 회전자는 링형 영구자석과 이를 고정하는 축으로 구성되며, 고정자는 초전도체를 움직이지 않도록 고정하면서도 냉각상태가 유지되도록 단열판에 의해 냉각한다. 종래 초전도 저어널 베어링은 단열판으로 열전도성이 낮은 G-10과 같은 복합재를 사용하였으나, 이는 단열판의 탄성계수가 낮아서 진동에 취약하게 된다. 즉, 기존의 단열판을 사용한 초전도 저어널 베어링의 실시예에서 일반적으로 냉각부하량은 16.4W으로 냉각계수가 높고, 고유진동수는 312Hz으로 고유진동수는 매우 낮다. 도 2 및 표 1에 나타난 바와 같이, 초전도 베어링(1)에 와이어 단열을 사용할 경우 냉각부하는 8W로 기존 초전도 저어널 베어링에 비해 1/2이 되고, 고유진동수는 770Hz로 2배 이상 증가하게 된다.
표 1은 와이어의 직경을 변하시키며 냉각부하 및 고유진동수를 계산한 결과를 나타낸다. 와이어를 사용한 초전도 베어링 단열이 종래 단열판을 사용한 단열에 비해 평균 2배 이상의 냉각부하가 작아지고 2배 이상의 고유진동수가 증가하는 것을 알 수 있다.
<표 1>
Figure 112010064275223-pat00001

도 3a는 본 발명에 따른 초전도 베어링(1)의 바람직한 다른 실시예에서 와이어가 축방향으로 기울어져 있는 형태의 사시도를 나타내고, 도 3b는 도 3a에 나타난 초전도 베어링의 단면도를 나타낸다. 본 발명의 바람직한 다른 실시예에서, 와이어(170)가 초전도 베어링 회전자(200)의 축에 대해 축방향으로 기울어져 있다. 즉 바꿔말하면, 초전도 베어링(1)의 상하방향으로 와이어(170)가 기울어져 있다. 이에 따라, 와이어(170)의 상하방향의 강성을 증가시킬 수 있다.
도 4a는 본 발명에 따른 초전도 베어링(1)의 바람직한 다른 실시예에서 와이어가 회전방향으로 기울어져 있는 형태의 사시도를 나타내고, 도 4b는 도 4a에 나타난 초전도 베어링의 단면도를 나타낸다. 본 발명의 바람직한 다른 실시예에서, 와이어가(170) 초전도 베어링 회전자(200)의 축의 회전방향으로 기울어져 있다. 즉 바꿔말하면, 초전도 베어링(1)의 회전방향으로 와이어(170)가 기울어져 있다. 이에 따라, 와이어(170)의 회전방향으로의 강성을 증가시킬 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 초전도 베어링(1)의 바람직한 다른 실시예에서 고정지지대와 볼트결합되는 상태를 나타낸다. 초전도 베어링(1)이 사용되는 장치에 따라 설치되는 와이어(170)에 별도의 장력을 인가하기 위하여 고정자 지지대(180)의 내주연에 체결되는 와이어(170)의 단부는 나선을 구비한다. 나선을 구비한 와이어(170)는 나선에 상응하는 너트에 의해 고정자 지지대(180)에 볼트결합된다.
본 발명은 도면에 도시된 변형예에 국한되지 않으며, 첨부된 청구항의 범주내에 속하는 다른 실시예로 확장될 수 있다.
1 ----- 초전도 베어링, 100 ----- 초전도 베어링 고정자,
110 ----- 구리판, 120 ----- 스틸 저온조,
160 ----- 초전도체, 170 ----- 와이어,
180 ----- 고정자 지지대, 200 ----- 초전도 베어링 회전자,
210 ----- 회전자축, 220 ----- 영구자석 보강링,
230 ----- 영구자석, 240 ----- 강자성 링,
250 ----- 영구자석 고정링.

Claims (4)

  1. 외주면을 보강하기 위한 영구자석 보강링(220)을 구비하고, 영구자석 사이에 강자성링(240)을 구비한 다수의 영구자석(230);과
    영구자석 고정링(250)에 고정되는 다수의 상기 영구자석(230)을 외주연을 따라 장착하고, 회전자축(210)을 중심으로 회전하는 초전도 베어링 회전자(200);와
    상기 영구자석 보강링(220)과 구리판(110) 사이에 설치된 초전도체(160);와
    상기 초전도체(160)를 둘러싸는 구리판(110);과
    상기 구리판(110)의 외측에 연결되어 내부 공동을 형성하는 스틸 저온조(120);와
    일단이 상기 스틸 저온조(120)의 외주연에 체결되고, 타단이 고정자 지지대의 내주연에 체결되는 다수의 와이어(170); 및
    상기 와이어(170)를 고정하고 초전도 베어링을 지지하는 고정자 지지대(180);로 이루어지는 것을 특징으로 하는 와이어 단열을 이용한 초전도 베어링.
  2. 제1항에 있어서, 상기 와이어(170)는 상기 초전도 베어링 회전자(200)의 축에 대해 축방향으로 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 와이어 단열을 이용한 초전도 베어링.
  3. 제1항에 있어서, 상기 와이어(170)는 상기 초전도 베어링 회전자(200)의 축의 회전방향으로 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 와이어 단열을 이용한 초전도 베어링.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정자 지지대(180)의 내주연에 체결되는 상기 와이어(170)의 단부가 나선을 구비하고, 상기 와이어(170)가 상기 고정자 지지대(180)에 볼트결합되는 것을 특징으로 하는 와이어 단열을 이용한 초전도 베어링.
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