KR101206394B1 - 초전도 플럭스 펌프와 일체화된 초전도 발전기의 회전자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온 초전도 발전기의 회전자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초전도 발전기 내의 초전도 회전자에 전류를 공급하기 위해, 기존의 방법인 외부 전류 공급원이 아닌 회전자와 일체를 이루는 초전도 플럭스 펌프(Flux Pump)를 통해 전류를 자체 공급받는 초전도 발전기의 회전자에 관한 것이다.
초전도 플럭스 펌프는 초전도체에 지속적인 자장의 변화를 주어서 전류를 유도하는 방식으로 그 구조가 간단하기 때문에 초전도 발전 시스템에 유용하게 활용될 수 있다. 특히 초전도 회전자에 전류를 공급하기 위해 외부 전류 공급원이 필요하지 않아 동적 연결 장치로부터의 마찰 손실과 소비되는 에너지가 줄어들어 전체 시스템의 효율이 증가하며, 상온에서부터 극저온 영역으로 연결되는 전류 도입선 역시 필요하지 않으므로, 열손실을 줄일 수 있다는 큰 장점이 있다.
이의 활용을 위하여 본 발명은 초전도 발전기의 초전도 회전자와 초전도 플럭스 펌프를 일체시켜 함께 냉각 및 회전을 하게 하여 효율적인 작동이 가능하게 하였고 외부에 고정되어 있는 자석과 회전하는 브러쉬형 초전도 플럭스 시트를 통해 발생된 전류를 바로 초전도 회전자에 공급할 수 있게 하는 것을 특징으로 한다.

Description

초전도 플럭스 펌프와 일체화된 초전도 발전기의 회전자{Rotating superconductiong flux pump for HTS generator}

본 발명은 초전도 발전기의 초전도 회전자와 초전도 플럭스 펌프를 일체시켜 함께 냉각 및 회전을 하게 하여 효율적인 작동이 가능하게 하였고 외부에 고정되어 있는 자석과 회전하는 브러쉬형 초전도 플럭스 시트를 통해 발생된 전류를 바로 초전도 회전자에 공급할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 초전도 플럭스 펌프와 일체화된 초전도 발전기의 회전자에 관한 것이다.

초전도 발전기 또는 전동기는 기존의 구리 선재 대신 전기 저항이 0(zero)인 초전도 선재를 채용한다. 따라서 전기 저항 손실이 적고 효율이 높은 특징이 있다. 또한 작은 저항 손실로 인하여 줄어든 발열은 제품의 크기 감소에도 큰 기여를 하는데, 이는 자원적으로 제품 생산에 소비되는 재료의 양을 감소시키는 효과가 있다.

다만, 초전도 선재의 초전도성을 유지하기 위해서는 극저온 냉각이 필요하여, 초전도 발전기 또는 전동기에는 높은 수준의 단열 및 냉각 기술이 적용된다.

초전도 발전기 또는 전동기의 높은 에너지 효율과 자원 이용률은 고효율 친환경을 지향하는 현재 추세와 잘 부합하고 있어, 향후 초전도기술이 적용된 발전기 또는 전동기가 시장을 주도하게 될 것이다.

한편, 초전도 플럭스 펌프는 도 1에 도시한 바와 같이 마그네트(200)를 회전시켜 초전도 시트(301)에 규칙적으로 지속적인 자장의 변화를 주어서 초전도 시트(301)가 이루고 있는 계에 전류를 생성하는 장치이다.

도 2는 종래에 사용되고 있는 초전도 발전기 시스템을 개략적으로 표현한 것으로, 상온에 존재하는 전류공급 장치(110)를 통하여 극저온의 초전도 회전자(100)의 초전도 코일(140)에 전류를 공급하는 방식으로 상온과 극저온 환경이 전류 도입선(111)을 통하여 연결되어 있어 추가적인 열유입이 존재하고 회전 부위와 정적 부위의 연결을 위한 동적 연결 장치(120)가 필요함에 따라 추가적인 마찰손실과 열유입을 발생시킨다. 이는 초전도 발전기 시스템의 효율 및 안정성에 문제를 야기할 수 있다는 큰 단점이 있다.

도 1 및 도 2의 미설명 부호 302는 초전도 자석, 130은 고정자, 150은 코일 커버.

[종래 문헌1] Sasha Ischmael, Carl Goodzeit, Philippe Masson, Rainer Meinke, Robert Sullivan, "Flux Pump Excited Double-Helix Rotor for Use in Synchronous Machines", IEEE Trans Appl Supercond 2008;18(2):693-696.

[종래 문헌2] Zhiming Bai, Guo Yan, Chunli Wu, Shufang Ding, Chuan Chan, "A Novel High Temperature Superconducting Magnetic Flux Pump for MRI Magnets", Cryogenics 2010;50(10):688-692.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 플럭스 펌프를 이용하여 기존의 전류 공급 장치를 대체함으로써 초전도 발전기 시스템의 효율 및 안정성을 높이는데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 초전도 발전기의 회전자에 있어서, 코일 커버와; 상기 코일 커버의 내측에 구비되는 초전도 코일과; 상기 코일 커버의 내측에 구비되어 코일 커버의 회전과 연동되는 초전도 시트와; 상기 코일 커버의 외측에 구비되어 상기 초전도 시트에 자기장을 인가하는 영구 자석; 및 상기 초전도 코일과 초전도 시트를 연결하는 초전도 전류 도입선;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도 플럭스 펌프와 일체화된 초전도 발전기의 회전자에 의해 달성된다.

현재 해외의 초전도 발전기에 대한 연구는 차세대 기술의 하나로서 미래 산업의 주도권과 직접적으로 연결됨으로 많은 나라에서 집중적으로 노력을 기울이고 있는 상황이다. 이 기술의 실현 가능성 및 정착성을 높이기 위해서는 그 효율 및 안정성을 증가시키는 것인데, 본 발명은 기존의 초전도 발전 시스템의 전류 공급 장치를 대체할 수 있어 그 효과를 더욱 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 초전도 발전기 시스템과 관련된 분야의 기술을 독자적으로 확보하여 미래 산업의 주도권을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.

도 1은 일반전인 초전도 플럭스 펌프의 형상을 나타낸 도면,
도 2는 종래의 초전도 발전기의 회전자에 전류 인가방법을 개략적으로 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 초전도 플럭스 펌프와 일체화된 초전도 발전기의 회전자를 나타낸 도면.

초전도 발전기의 작동 원리는 종래의 구리 선재를 사용하는 발전기와 동일하다. 즉, 외부의 기계적인 힘에 의한 회전력에 의하여 전력을 발생시키는데 다만, 초전도 발전기는 구리 선재 대신 초전도 선재가 사용되는 것이 차이점이다.

상기와 같이 발전기에 구리 선재 대신 초전도 선재를 채용함으로써 초전도 발전기를 이룰 수 있는데 이는 구리 선재에 비해 초전도 선재가 전기 저항 손실이 적고 효율이 높은 특징이 있기 때문이다.

그러나, 초전도 선재의 초전도성을 유지하기 위해서는 극저온 냉각이 필요하여, 초전도 발전기에는 높은 수준의 단열 및 냉각 기술이 요구되는데, 이에 대한 일환으로 본 발명은 플럭스 펌프와 회전자를 일체로 구성하였다.

구체적으로, 본 발명은 초전도 발전기의 회전자(10)에 있어서, 도 3에 도시한 바와 같이 코일 커버(12)와, 상기 코일 커버(12)의 내측에 구비되는 초전도 코일(11)과, 상기 코일 커버(12)의 내측에 구비되어 코일 커버(12)의 회전과 연동되는 초전도 시트(14)와, 상기 코일 커버(12)의 외측에 구비되어 상기 초전도 시트(14)에 자기장을 인가하는 영구 자석(16) 및 상기 초전도 코일(11)과 초전도 시트(14)를 연결하는 초전도 전류 도입선(17)을 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 코일 커버(12)는 내부에 코일 커버(12)의 회전과 연동되는 회전부재(13)를 더 구비할 수 있고, 상기 초전도 시트(14)는 영구 자석(16)으로부터 규칙적인 자기장의 변화를 얻어 전류를 생산하도록 도 3의 A에 도시한 바와 같이 상기 회전부재(13)의 표면에 회전부재(13)의 외경을 기준으로 설정된 θ 만큼 형성시켜 부착해야 한다. 이러한 형태는 초전도 시트(14)에 규칙적으로 자기장의 변화를 줄 수 있어 지속적인 자기장의 변화로 유도된 전류를 초전도 코일(11)에 인가할 수 있다.

즉, 본 발명은 초전도 발전기의 회전자(10)와 일체된 플럭스 펌프를 이용함으로써 기존의 상온에 존재하는 전류 공급 장치 없이도 회전자(10) 내부의 극저온 환경의 초전도 코일(11)에 자체적으로 전류를 공급할 수 있고, 이를 통해 초전도 발전기 시스템의 효율성 및 안전성이 향상된다.

이하에서는 본 발명에 따른 초전도 플럭스 펌프와 일체화된 초전도 발전기의 회전자의 동작관계를 설명한다.

본 발명의 회전자(10)에서 플럭스 펌프는 회전부재(13)와 초전도 시트(14)와 영구자석(16)으로 구성된다.

회전자(10)는 외부의 기계적인 힘(풍력, 수력, 화력 등)에 의해 회전된다. 즉, 회전자(10)의 구성인 코일 커버(12)가 회전되면 초전도 코일(11)과 회전부재(13)가 연동되고, 초전도 시트(14) 또한 회전부재(13)와 연동된다.

이때 영구자석(16)은 코일 커버(12)의 외측에 고정된 형태이므로 회전되는 초전도 시트(14)는 영구자석(16) 및 회전에 의해 규칙적인 자기장의 변화가 일어난다. 이에 따라 전류가 유도되어 생성되면 이 전류는 초전도 전류 도입선(17)을 통해 초전도 코일(11)에 인가되고, 초전도 코일(11)은 전자석이 되며, 이에 따라 고정자(20)에 기전력이 유도되어 전류를 생산한다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 그러나 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 회전자 11: 초전도 코일
12: 코일 커버 13: 회전부재
14: 초전도 시트 16: 영구자석
17: 초전도 전류 도입선
20: 고정자

Claims (2)

1. 초전도 발전기의 회전자(10)에 있어서,
   코일 커버(12);
   상기 코일 커버(12)의 내측에 구비되는 초전도 코일(11);
   상기 코일 커버(12)의 내측에 구비되어 코일 커버(12)의 회전과 연동되는 초전도 시트(14);
   상기 코일 커버(12)의 외측에 구비되어 상기 초전도 시트(14)에 자기장을 인가하는 영구 자석(16); 및
   상기 초전도 코일(11)과 초전도 시트(14)를 연결하는 초전도 전류 도입선(17); 을 포함하고,
   상기 코일 커버(12)는 내부에 코일 커버(12)의 회전과 연동되는 회전부재(13)를 더 구비하고,
   상기 초전도 시트(14)는 영구 자석(16)으로부터 규칙적인 자기장의 변화를 얻어 전류를 생산하도록 상기 회전부재(13)의 표면에 회전부재(13)의 외경을 기준으로 설정된 θ 만큼 형성되어 부착된 것을 특징으로 하는 초전도 플럭스 펌프와 일체화된 초전도 발전기의 회전자.
   
   
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