KR101413941B1 - 초전도 회전전기 및 초전도 회전전기용 고정자 - Google Patents

초전도 회전전기 및 초전도 회전전기용 고정자 Download PDF

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Abstract

초전도 계자 권선을 가지는 회전자와 상기 회전자의 주위에 배치된 고정자를 구비한 초전도 회전전기이다. 이 회전전기에 있어서, 고정자는 회전자의 회전축 주변 방향으로 소정의 간격을 두고 배치된 복수의 티스로서 인접하는 티스의 사이에 슬롯을 형성하고, 띠 형상 전선을 감아 구성된 복수의 권선으로서 상기 띠 형상 전선은 직사각형 단면의 도체 소선을 서로 절연하여 병렬로 배치하여 구성되고, 상기 권선은 상기 띠 형상 전선을 감아 적층함으로써 상기 도체 소선이 격자상으로 배치된 단면을 가지는 제1 및 제2권선 부분을 가지는 것을 구비하고 있다. 여기서, 회전자의 중심축과 직교하는 단면 상에서, 제1권선 부분에 있어서의 도체 소선의 배치와 제2권선 부분에 있어서의 도체 소선의 배치는 동일하다. 또한 제1권선 부분이 하나의 슬롯의 지름 방향 외측 영역에 배치되고, 제2권선 부분이 다른 슬롯의 지름 부분 내측 영역에 배치되어 있다.

Description

초전도 회전전기 및 초전도 회전전기용 고정자{SUPERCONDUCTING ROTATING ELECTRICAL MACHINE, AND STATOR USED FOR SUPERCONDUCTING ROTATING ELECTRICAL MACHINE}

본 발명은 초전도 회전전기 및 이 회전전기와 함께 사용되는 고정자(stator)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 회전전기의 전력 변환효율을 향상시킬 수 있는 고정자에 관한 것이다.

종래, 유도 전동기 및 영구자석 동기 전동기 등, 발전기로 사용되는 여러 가지 회전전기가 제안되어 있다. 이러한 회전전기의 대부분은 권선과 철심(core)을 구비하고 있어, 권선에 전류가 흐르면 자속이 철심 내에 수속(收束)되어, 자장 강도 및 결과적으로 발생하는 회전력을 높이도록 하고 있다.

그 때문에, 철심은 철 등의 강자성 재료로 형성되어 있고, 권선을 수용하기 위한 슬롯 또는 홈을 구비하고 있다. 철심은 전기(電機) 절연 재료로 피복된 복수의 박판을 적층해서 만들어진다. 이 판은 권선이나 영구자석에 의해 형성되는 자속의 변화에 의해 발생하는 와전류를 억제하기 위해서, 자기 이력(magnetic hysteresis)이 작고, 또한 포화 자화(磁化)가 높은 전자 강판 등의 합금강으로 형성된다.

회전 전동기는 우수한 전력 변환효율을 가지는 것이 바람직하다. 이 요구에 부응하기 위해서는, 동손(copper loss)과 와전류 손실을 최소한으로 해야 한다. 특히, 동손은 전기자 권선이나 고정자 권선의 도체를 흐르는 전류에 의해 발생하는 전기 저항 가열을 야기한다. 특히, 소형이나 중형의 무브러시(brushless) 회전전기나 영구자석 동기 발전기 등의 회전전기에 있어서, 동손은 총손실의 대부분을 차지한다.

한편, 와전류 손실은 자속의 주변에 발생하는 와전류에 의해 발생하는 전기 저항 발열을 야기하고, 회전전기의 구동 주파수의 2제곱에 비례한다. 따라서, 회전 주파수를 높이기 위해서 구동 주파수를 높이면, 권선에 발생하는 와전류가 현저하게 증대한다.

따라서, 동손을 감소하기 위해서는, 전기자와 고정자의 권선에 있어서의 전기저항을 감소하는 것이 중요하다. 이에 따라, JP 2000-217282 A에는 권선이 수용되는 슬롯 또는 홈의 단면적에 대한 권선의 총단면적의 비율을 높여, 고정자에 발생하는 동손을 감소하는 것이 개시되어 있다.

종래, 권선에 있어서의 와전류 손실을 감소하기 위해서, 예를 들면 원형 또는 직사각형 단면을 가지는 복수의 소선(素線)을 묶어 권선 다발을 형성하는 것이 알려져 있다. 이 권선 다발을 사용함으로써, 굵은 권선을 사용하는 것보다 와전류 손실을 더욱 감소할 수 있다. 또한, 이 권선 다발은 평행하게 배치된 복수의 와이어를 간단히 묶은 것일 뿐이다. 이에 반해, JP 2006-325338 A에는 복수의 가는 소선을 꼬아 얻어진 연선(twisted wire)이 개시되어 있다.

최근, 회전전기의 일례인 초전도 회전전기에 있어서, JP 2005-176578 A에는 초전도 회전전기의 전력 변환효율 향상 및 소형화를 도모하기 위해서, 고정자에 설치된 전기자 권선을 초전도 선재로 구성함으로써, 회전자 및 고정자를 초전도화한 초전도 회전전기가 제안되어 있다. 또한, JP 2005-176578 A에서는 초전도의 회전자와 고정자를 조립한 초전도 회전전기가 개시되어 있는데, 거기에는 높은 전력 변환효율을 가진 소형의 회전전기를 얻기 위해서, 초전도 재료로 권선을 제조함으로써 초전도성이 유도되고 있다.

고정자 또는 회전자가 철 등의 강자성 재료로 형성된 상전도(normal-conduction) 회전전기의 크기는 실질적으로 포화 자장 강도, 소망 출력을 얻기 위해서 필요한 강자성 재료의 단면적 및 코일의 권수(捲數)에 의해 결정된다. 또한, 상술한 바와 같이, 자성강 등의 철손(iron loss)이 적은 재료로 형성되고 절연 재료가 피복된 얇은 판을 적층함으로써, 회전전기의 와전류 손실이 억제되고 있다.

상전도 회전전기에서는 슬롯의 총단면적에 대한 권선의 단면적의 비율이 약 30∼40%이지만, 그 비율은 대전류가 권선에 인가(印加)되었을 경우, 고정자에 있어서의 동손에 의한 온도상승을 효과적으로 억제하기 위해서는 충분하지 않다.

또한, 권선 작업을 용이하게 하기 위해서 원형 또는 직사각형 단면의 도선(導線)을 묶은 권선 다발이 사용되고 있는데, 와전류 손실에 영향을 끼치는 권선의 수는 약 20∼30으로 제한된다.

한편, 초전도 회전전기에 있어서, 일반적인 초전도 회전전기에 이용되고 있는, 예를 들면, 비스무트계 등의 초전도 선재를 고정자의 전기자 권선에 적용하면, 통전 중의 교류 손실 등에 의한 발열로 온도가 상승하고, 임계 전류값이 저하하는 등, 초전도 특성상의 장애가 일어나기 쉬어진다. 그 때문에, 고정자를 초전도화하는 것은 기술적으로 용이하지 않다. 게다가, 고정자를 초전도화하는 것은 초전도 회전전기 전체의 비용 상승을 초래한다. 또한, 상술한 초전도 회전전기의 고정자 권선을 종래의 초전도 회전전기에 사용해 온 비스무트계 초전도 재료로 형성했을 경우, 교류 손실에 의해 권선의 온도가 상승하고, 그에 따라, 권선의 초전도성에 영향을 주는 임계 전류를 저하시키게 된다. 결국 기술적으로 고정자에 초전도성을 유도하는 것은 곤란할지도 모른다. 또한, 고정자에 초전도성을 유도하는 것은 초전도 회전전기의 제조 비용의 상승을 초래한다.

반대로, 회전자측을 초전도화하고, 고정자측을 상전도화한 형태의 통상의 초전도 회전전기로 했을 경우, 계자(界磁) 자계를 높게 할 수 있으므로 초전도 회전전기 전체의 제조 비용을 저감할 수 있다. 그러나 초전도체인 회전자측에서 동손이 저감되기 때문에 고효율화할 수 있는 한편, 고정자측이 상전도이기 때문에 통전 중에 동손, 철손 및 와전류 손실이 발생한다. 또한, 전기자로부터 발생하는 높은 계자 자장에 의해 용이하게 철심의 자장이 포화되어, 교번 자장을 부여할 수 없게 된다. 이 때문에, 초전도화에 의해 회전자측에서 얻어진 고효율이 고정자측에서 발생하는 손실에 의해 상쇄되어, 결과적으로 초전도 회전전기의 더욱 높은 고효율화를 달성할 수 없다는 문제가 있었다. 이에 반해, 초전도 회전자와 상전도 고정자를 조합함으로써, 자장 강도가 향상되고, 그에 따라 제조 비용의 대폭적인 상승을 피할 수 있다. 또한, 회전전기의 전력 변환효율도 향상한다. 그러나 트레이드오프(trade-off)로서 고정자의 상전도성에 의해 동손, 철손, 및/또는 와전류 손실을 발생한다. 또한, 철심의 자계가 전기자의 자장의 영향을 받아서 단시간에 포화되어, 교번 자계가 약해진다. 따라서, 결과적으로 초전도화된 회전자에 의해 얻어지는 고효율성이 고정자에 있어서의 손실에 의해 상쇄된다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 그 목적은 회전자를 초전도화하고 고정자를 상전도화한 초전도 회전전기에 있어서, 전력 변환효율을 향상시키는 것에 있다.

본 발명의 하나의 형태는 초전도 계자 권선을 가지는 회전자와 상기 회전자의 주위에 배치된 고정자를 구비한 초전도 회전전기에 이용되는 고정자로서,

상기 회전자의 회전축 주변 방향으로 소정의 간격을 두고 배치된 복수의 티스(teeth)로서 인접하는 티스의 사이에 슬롯을 형성하는 복수의 티스와,

띠 형상 전선을 감아 구성된 복수의 권선으로서, 상기 띠 형상 전선은 직사각형 단면의 도체 소선을 서로 절연해서 병렬로 배치하여 구성되어 있고, 상기 권선은 상기 띠 형상 전선을 감아 적층함으로써 상기 도체 소선이 격자형으로 배치된 단면을 가지는 제1 및 제2권선 부분을 가지는 복수의 권선을 구비하고 있고,

상기 회전자의 중심축과 직교하는 단면 상에서, 상기 제1권선 부분에 있어서의 상기 도체 소선의 배치와 상기 제2권선 부분에 있어서의 상기 도체 소선의 배치는 동일하며,

상기 제1권선 부분이 하나의 슬롯의 지름 방향 외측 영역에 배치되고, 제2권선 부분이 다른 슬롯의 지름 방향 내측 영역에 배치되어 있다.

본 발명의 다른 형태에서는,

초전도 계자 권선을 가지는 회전자와 상기 회전자의 주위에 배치된 고정자를 구비한 초전도 회전전기에 이용되는 고정자로서,

상기 회전자의 회전축 주변 방향으로 소정의 간격을 두고 배치된 복수의 티스로서 인접하는 티스의 사이에 슬롯을 형성하는 복수의 티스와,

띠 형상 전선을 감아 구성된 복수의 권선으로서, 상기 띠 형상 전선은 도체 소선을 서로 절연해서 병렬로 배치하여 구성되어 있고, 상기 권선은 상기 띠 형상 전선을 상기 권선의 대향 부분에서 비틀어 뒤집어 상기 띠 형상 전선의 표리를 반전시키면서 감아 적층함으로써 상기 도체 소선이 격자형으로 배치된 단면을 가지는 제1 및 제2권선 부분을 가지는 복수의 권선을 구비하고 있고,

상기 회전자의 중심축과 직교하는 단면 상에서, 상기 제1권선 부분에 있어서의 상기 도체 소선의 배치와 상기 제2권선 부분에 있어서의 상기 도체 소선의 배치는 동일하며,

상기 제1권선 부분이 하나의 슬롯의 지름 방향 외측 영역에 배치되고, 제2권선 부분이 다른 슬롯의 지름 방향 내측 영역에 배치되어 있고,

상기 권선을 구성하는 하나의 띠 형상 전선과, 상기 권선에 인접해서 배치된 다른 권선의 띠 형상 전선은 상기 하나의 띠 형상 전선의, 상기 제2권선 부분에 있어서 상기 회전자의 회전 방향에 관해서 상류측으로부터 하류측에 순서대로 배치된 복수의 도체 소선의 각각이 상기 다른 띠 형상 전선의 상기 제1권선 부분에 있어서 상기 회전자의 회전 방향에 관해서 하류측으로부터 상류측에 순서대로 배치된 복수의 도체 소선의 각각과 접속되어 있다.

본 발명의 다른 형태에서는 상기 중심축에 직교하는 단면 상에서, 상기 고정자의 단면적에 대한 상기 소선의 단면적의 비율이 55% 이상이다.

보다 구체적으로는,
제1측면에 따른 본원 발명은,
초전도 계자 권선을 가지는 회전자와 상기 회전자의 주위에 배치된 고정자를 구비한 초전도 회전전기에 이용되는 고정자로서,
상기 고정자는,
상기 회전자의 회전축 주변 방향으로 소정의 간격을 두고 배치된 복수의 티스로서 인접하는 티스의 사이에 슬롯을 형성하는 복수의 티스와,
띠 형상 전선을 감아 구성된 복수의 권선이며, 상기 띠 형상 전선은 직사각형 단면의 도체 소선을 서로 절연해서 병렬로 배치하여 구성되고, 상기 권선은 상기 띠 형상 전선을 감아 적층함으로써 상기 도체 소선이 격자형으로 배치된 단면을 가지는 제1 및 제2권선 부분을 가지는 복수의 권선을 구비하고,
상기 회전자의 중심축과 직교하는 단면 상에서, 상기 제1권선 부분에 있어서의 상기 도체 소선의 배치와 상기 제2권선 부분에 있어서의 상기 도체 소선의 배치는 동일하고,
상기 제1권선 부분이 하나의 슬롯의 지름 방향 외측 영역에 배치되고, 제2권선 부분이 다른 슬롯의 지름 방향 내측 영역에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 회전전기의 고정자이다.
또한, 제2측면에 따른 본원 발명은,
초전도 계자 권선을 가지는 회전자와 상기 회전자의 주위에 배치된 고정자를 구비한 초전도 회전전기에 이용되는 고정자로서,
상기 고정자는,
상기 회전자의 회전축 주변 방향으로 소정의 간격을 두고 배치된 복수의 티스로서 인접하는 티스의 사이에 슬롯을 형성하는 복수의 티스와,
띠 형상 전선을 감아 구성된 복수의 권선이며, 상기 띠 형상 전선은 도체 소선을 서로 절연해서 병렬로 배치하여 구성되고, 상기 권선은 상기 띠 형상 전선을 상기 권선의 대향 부분에서 비틀어 뒤집어 상기 띠 형상 전선의 표리를 반전시키면서 감아 적층함으로써 직사각형의 상기 도체 소선이 격자형으로 배치된 단면을 가지는 제1 및 제2권선 부분을 가지는 복수의 권선을 구비하고,
상기 회전자의 중심축과 직교하는 단면 상에서, 상기 제1권선 부분에 있어서의 상기 도체 소선의 배치와 상기 제2권선 부분에 있어서의 상기 도체 소선의 배치는 동일하고,
상기 제1권선 부분이 하나의 슬롯의 지름 방향 외측 영역에 배치되고, 제2권선 부분이 다른 슬롯의 지름 방향 내측 영역에 배치되고,
상기 권선 중 하나와 이 하나의 권선에 인접한 다른 권선은, 상기 회전자의 회전 방향에 관해서 상류측으로부터 하류측에 순서대로 배치된 상기 하나의 권선의 복수의 도체 소선의 각각이, 상기 회전 방향에 관해서 하류측으로부터 상류측에 순서대로 배치된 상기 다른 권선의 복수의 도체 소선의 각각과 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 고정자이다.
또한, 제3측면에 따른 본원 발명은,
제2측면에 있어서,
상기 고정자는 상기 회전자의 극의 수에 대응하는 복수의 권선군을 구비하고,
각 권선군이 짝수의 권선에 의해 구성되어 있을 경우,
하나의 권선군과 이것에 대응하는 다른 권선군은,
상기 하나의 권선군에 있어서 상기 슬롯의 외측 영역으로부터 인출된 제1의 띠 형상 전선의 단부와 상기 다른 권선군에 있어서 상기 슬롯의 내측 영역으로부터 인출된 제2의 띠 형상 전선의 단부를 접속할 때,
상기 제1의 띠 형상 전선의 단부에 있어서 상기 회전자의 회전 방향에 관해서 상류측으로부터 하류측에 순서대로 배치된 복수의 도체 소선의 각각이, 상기 제2의 띠 형상 전선의 단부에 있어서 상기 회전자의 회전 방향에 관해서 상류측으로부터 하류측에 순서대로 배치된 복수의 도체 소선에 각각 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 고정자이다.
또한, 제4측면에 따른 본원 발명은,
제2측면에 있어서,
상기 고정자는 상기 회전자의 극의 수에 대응하는 복수의 권선군을 구비하고,
각 권선군이 홀수의 권선에 의해 구성되어 있을 경우,
하나의 권선군과 이것에 대응하는 다른 권선군은,
상기 하나의 권선군에 있어서 상기 슬롯의 외측 영역으로부터 인출된 제1의 띠 형상 전선의 단부와 상기 다른 권선군에 있어서 상기 슬롯의 내측 영역으로부터 인출된 제2의 띠 형상 전선의 단부를 접속할 때,
상기 제1의 띠 형상 전선의 단부에 있어서 상기 회전자의 회전 방향에 관해서 상류측으로부터 하류측에 순서대로 배치된 복수의 도체 소선의 각각이 상기 제2의 띠 형상 전선의 단부에 있어서 상기 회전자의 회전 방향에 관해서 하류측으로부터 상류측에 순서대로 배치된 복수의 도체 소선에 각각 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 고정자이다.
또한, 제5측면에 따른 본원 발명은,
제2축면에 있어서,
상기 고정자는 상기 회전자의 극의 수에 대응하는 복수의 권선군을 구비하고,
각 권선군이 짝수의 권선에 의해 구성되어 있을 경우,
하나의 권선군과 이것에 대응하는 다른 권선군은,
상기 하나의 권선군에 있어서 상기 슬롯의 외측 영역으로부터 인출된 제1의 띠 형상 전선의 단부와 상기 다른 권선군에 있어서 상기 슬롯의 내측 영역으로부터 인출된 제2의 띠 형상 전선의 단부를 접속할 때,
상기 제1의 띠 형상 전선의 단부에 있어서 상기 회전자의 회전 방향에 관해서 상류측으로부터 하류측에 순서대로 배치된 복수의 도체 소선의 각각이 상기 제2의 띠 형상 전선의 단부에 있어서 상기 회전자의 회전 방향에 관해서 하류측으로부터 상류측에 순서대로 배치된 복수의 도체 소선에 각각 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 고정자이다.
또한, 제6측면에 따른 본원 발명은,
제2측면에 있어서,
상기 고정자는 상기 회전자의 극의 수에 대응하는 복수의 권선군을 구비하고,
각 권선군이 홀수의 권선에 의해 구성되어 있을 경우,
하나의 권선군과 이것에 대응하는 다른 권선군은,
상기 하나의 권선군에 있어서 상기 슬롯의 외측 영역으로부터 인출된 제1의 띠 형상 전선의 단부와 상기 다른 권선군에 있어서 상기 슬롯의 내측 영역으로부터 인출된 제2의 띠 형상 전선의 단부를 접속할 때,
상기 제1의 띠 형상 전선의 단부에 있어서 상기 회전자의 회전 방향에 관해서 상류측으로부터 하류측에 순서대로 배치된 복수의 도체 소선의 각각이, 상기 제2의 띠 형상 전선의 단부에 있어서 상기 회전자의 회전 방향에 관해서 상류측으로부터 하류측에 순서대로 배치된 복수의 도체 소선에 각각 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 고정자이다.
또한, 제7측면에 따른 본원 발명은,
제2측면에 있어서,
상기 도체 소선은 긴 변과 짧은 변을 가지는 직사각형의 단면을 가지고, 상기 긴 변을 고정자 지름 방향으로 배치하고, 상기 짧은 변을 고정자 주변 방향으로 배치하는 것을 특징으로 하는 고정자이다.
또한, 제8측면에 따른 본원 발명은,
제1측면에 있어서,
상기 슬롯은 지름 방향으로 연장되는 한 쌍의 제1변과 상기 주변 방향으로 연장되는 한 쌍의 제2변에 의해 둘러싸인 직사각형의 단면을 가지고,
상기 도체 소선은 직사각형 단면을 가지고, 한쪽의 변을 상기 슬롯의 제1변을 향해, 다른 쪽의 변을 상기 슬롯의 제2변을 향해서 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 고정자이다.
또한, 제9측면에 따른 본원 발명은,
제1측면에 있어서,
상기 제1 및 제2권선 부분의 단면에는 50개 이상의 소선의 단면이 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 고정자이다.
또한, 제10측면에 따른 본원 발명은,
제1측면에 있어서,
상기 티스(teeth)가 비자성 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고정자이다.
또한, 제11측면에 따른 본원 발명은,
제1측면에 있어서,
상기 중심축에 직교하는 단면 상에서, 상기 고정자의 단면적에 대한 상기 소선의 단면적의 비율이 55% 이상인 것을 특징으로 하는 고정자이다.
또한, 제12측면에 따른 본원 발명은,
제1측면에 기재된 고정자를 구비한 초전도 회전전기이다.

본 발명에 의하면, 회전자를 초전도화하고 고정자를 상전도화한 초전도 회전전기에 있어서, 더욱 높은 전력 변환효율의 향상을 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 초전도 회전전기의 일부를 제거한 사시도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 초전도 회전전기의 횡단면도이다.
도 3은 권선의 사시도(도 3(a)), 권선의 단면도(도 3(b), (c)), 권선의 단면도(도 3(d))이다.
도 4는 권선의 사시도이다.
도 5는 권선의 배치를 나타내는 도면(도 5(a), (b))이며, 도면 중의 부호 1∼48은 슬롯 번호이다.
도 6은 초전도 회전전기의 부분 단면도(도 6(a))와, 티스와 권선의 단면도(도 6(b))이다.
도 7은 도 1에 나타내는 초전도 회전전기의 고정자의 종단면도이다.
도 8은 권선의 접속을 나타내는 도면(도 8(a))과 초전도 회전전기의 Y결선을 나타내는 도면(도 8(b))이며, 도면 중의 부호 1∼48은 슬롯 번호이다.
도 9는 도체에 와전류가 발생하는 상황을 설명하는 도면(도 9(a)), 자장의 이동과 함께 도체를 자장이 가로지르는 상태를 나타내는 도면(도 9(b)), 권선 단면에 발생하는 와전류를 나타내는 도면(도 9(c))이다.
도 10은 코일간 접속의 설명도이다(도 10(a) (b) (c)).
도 11은 본 발명의 코일간 접속에 의해 와전류가 상쇄되는 상황을 설명하는 도면이다.
도 12는 권선간에 생기는 위상의 변위를 설명하는 도면이다.
도 13은 4극 48슬롯의 회전전기에 있어서의 극간 접속을 설명하는 도면이다(도 13(a) (b) (c)).
도 14는 4극 36슬롯의 회전전기에 있어서의 극간 접속을 설명하는 도면이다(도 14(a) (b) (c)).
도 15는 6극 54슬롯의 회전전기에 있어서의 극간 접속을 설명하는 도면이다(도 15(a) (b) (c)).
도 16은 6극 72슬롯의 회전전기에 있어서의 극간 접속을 설명하는 도면이다(도 16(a) (b) (c)).

이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 의한 초전도 회전전기 및 이 회전전기에 조립된 고정자에 대해서 설명한다.

도 1은 레이디얼 갭(radial gap)형의 초전도 회전전기의 외관과 그 내부구조를 나타내고, 도 2는 도 1에 나타내는 회전전기의 단면을 나타낸다. 도시한 바와 같이, 부호 10으로 나타내는 회전전기는 개략 하우징(12)과, 하우징(12)에 의해 정의된 중심축(14)을 중심으로 회전이 자유롭게 지지된 회전자(16)와, 회전자(16)의 주위를 둘러싸도록 하우징(12)의 내벽에 고정된 고정자(18)를 가진다.

회전자(16)는 중심축(14)을 따라 연장되고, 하우징(12)에 의해 회전이 자유롭게 지지된 회전 샤프트(20)를 가진다. 샤프트(20)는 중심축(14)을 중심으로 하는 내측원통체로 이루어지는 코어(core)(22)와 외측 원통체로 이루어지는 케이싱(24)을 지지하고 있고, 코어(22)와 케이싱(24)의 사이에 통 형상의 진공 단열공간(26)이 형성되어 있다. 코어(22)의 외주부에는 주변 방향으로 등간격으로 복수 쌍의 무철심형 초전도 권선 또는 코일(28)이 설치되어 있고, 이러한 초전도 코일(28)이 도시하지 않은 전원 회로에 접속되어 있다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 실시 형태에서는 4개의 초전도 코일(28)이 주변 방향으로 등간격으로 배치되어 있고, 이러한 초전도 코일(28)에 전류를 인가함으로써, 지름 방향 외측을 향해서 4개의 극이 N극과 S극을 번갈아 배치한 상태로 형성되도록 하고 있다. 또한, 코어(22)에는 중심축(14)과 평행하게 연장되는 복수의 냉매 유로(30)가 형성되어 있고, 거기에 도시하지 않은 냉매 공급원으로부터 공급되는 헬륨 가스 등의 냉매가 공급되도록 되어 있다. 이러한 코어(22)는 비자성 재료로 저온특성이 우수한 재료, 예를 들면, SUS316으로 이루어지는 중공 원통형 단조 재료를 절삭 가공해서 형성하는 것이 바람직하다. 케이싱(24)은 또한 저온에 대한 단열성이 우수한 하나 또는 복수의 단열재층을 구비하고 있는 것이 바람직하다.

고정자(18)는 하우징(12)의 내주면에 고정된 통 형상의 백 요크(32)를 가진다. 백 요크(32)는 중심축(14)과 직교하는 방향으로 연장되는 복수의 전자 강판(예를 들면, 규소강판)을 적층해서 형성하는 것이 바람직하다. 백 요크(32)는 또한 내주면에 중심축(14)을 중심으로 하는 주변 방향으로 일정한 간격을 두고 배치된 다수의 티스(34)를 지지하고 있다. 각 티스(34)는 백 요크(32)로부터 지름 방향 내측을 향해서 연장됨과 더불어 중심축(14)과 평행한 방향으로 연장되고, 주변 방향으로 인접하는 티스(34)의 사이에 중심축(14)과 평행한 방향으로 연장되는 대략 직사각형 단면의 홈 또는 슬롯(36)을 형성하고 있으며, 이 슬롯(36)에 후술하는 권선(40)(도 3 참조)의 일부가 수용되어 있다. 실시 형태에서는, 회전전기(10)는 48개의 티스(34)와 슬롯(36)을 가진다. 또한, 각 슬롯(36)은 지름 방향으로 한 쌍의 긴 변을 가지고, 주변 방향으로 한 쌍의 짧은 변을 가지는 직사각형 단면의 영역을 가진다.

티스(34)는 비자성 재료로 형성되어 있다. 실시 형태에서는, 티스(34)는 섬유강화 플라스틱(FRP) 등의 높은 기계적 강도를 가지는 강성 수지재료로 형성되어 있다. 티스(34)는 비자성 금속, 예를 들면 스테인리스로 형성해도 좋다. 재료에 관계없이 티스(34)는 중심축(14)과 평행한 방향으로 다수의 박판을 적층해서 형성해도 좋다. 이렇게 티스(34)를 비자성 재료로 형성함으로써, 회전자(16)의 회전에 따른 자계의 이동에 의해 티스(34)의 내부에 와전류를 발생하지 않는다. 그 때문에, 티스(34)의 냉각 기구가 불필요하다. 또한, 티스(34)의 지름 방향 내측 단부(회전자(16)에 대향하는 단부)에 자속이 집중되지도 않는다.

도 3을 참조하면, 권선(40)은 전선(42)을 감아 구성되어 있다. 전선(42)은 스트립(strip)(띠 형상)의 형태를 하고 있고, 병렬 배치된 복수의 소선(44)을 구비하고 있다. 각 소선(44)은 절연재에 의해 다른 소선(44)으로부터 전기적으로 절연되어 있다. 실시 형태에서는, 소선(44)은 전선(42)의 두께 방향으로 향해진 긴 변과 권선(40)의 폭 방향으로 향해진 짧은 변으로 형성되는 직사각형의 단면을 하고 있으며, 예를 들면 긴 변 6mm×짧은 변 2.83mm의 입수 가능한 전형적인 구리제 각봉재(角棒材)가 이용된다.

실시 형태에서는, 전선(42)은 일렬로 배치된 12개의 소선(44(a)∼44(l))을 구비하고 있고, 5겹으로 감아 중첩해서 하나의 권선(40)이 구성되어 있다. 실시 형태에서는, 전선(42)은 귀갑(龜甲) 형상으로 감겨 있고, 권선의 대향하는 부분인 비틀기부(46, 48)에서 180° 비틀어 뒤집어 표리 반전되면서 감겨 적층되어 있다. 따라서, 비틀기부(46, 48)의 양측에 위치하는 직선 부분(50, 52)의 단면 상에서, 소선(44)은 5행 12열의 소선 격자를 형성하고, 각 단계(행)의 소선(44(a)∼44(l))이 도면의 왼쪽에서 오른쪽을 향해서 동일한 순서로 배치된다. 이하, 소선(44)의 시단(54)측에 위치하는 직선 부분을 「시단측 직선 부분」(50)이라고 하고, 소선(44)의 종단(56)측에 위치하는 직선 부분을 「종단측 직선 부분」(52)이라고 한다.

이와 같이 구성된 권선(40(1)…40(48))은 슬롯의 수(실시 형태에서는 48개)만큼 준비된다. 각 권선(40)은 주변 방향으로 12개의 슬롯을 가지고, 예를 들면, 시단측 직선 부분(50)을 하나의 슬롯(36(i))의 지름 방향 내측 영역(60)에, 종단측 직선 부분(52)을 다른 슬롯(36(i+12))의 지름 방향 외측 영역(62)에 위치시켜, 고정자(18)에 장착된다(도 4 참조). 예를 들면, 도 5에 나타낸 바와 같이(도면 중에서, 부호 1∼48은 슬롯의 번호를 나타냄.), 권선(40(1)…40(48))은 각각 시단측 직선 부분(50)이 슬롯(36(1)…36(48))의 지름 방향 내측 영역(60), 종단측 직선 부분(52)이 슬롯(36(13)…36(12))의 지름 방향 외측 영역(62)에 배치된다. 이에 따라, 각 슬롯(36)의 내측(특히, 직사각형 단면의 영역(60)(도 6 참조))에는 10행 12열의 소선 격자가 형성된다. 또한, 권선(40)의 비틀기부(46, 48), 시단(54), 종단(56)은 슬롯(36)의 단부로부터 인출되어, 하나의 권선의 시단(54)과 다른 권선의 종단(56)이 후에 설명하는 바와 같이 결선된다(도 7 참조).

이와 같이 배치된 권선(40)은 공지의 수법으로 결선된다. 실시 형태의 회전전기는 4극 6코일 48슬롯의 3상(phase) 회전전기이다. 그 때문에, 권선(40(1)∼40(48))은 코일수에 대응하여, 연속하는 4개의 권선으로 이루어지는 12개의 권선군으로 나누어져 있다.

구체적으로 설명하면, 도 8에 나타낸 바와 같이, 권선(40(1))의 시단이 단자(U1)에 접속되고, 권선(40(1))의 종단과 권선(40(2))의 시단, 권선(40(2))의 종단과 권선(40(3))의 시단, 권선(40(3))의 종단과 권선(40(4))의 시단이 접속되며, 권선(40(4))의 종단이 권선(40(25))의 시단에 접속된다. 또한, 권선(40(25))의 종단과 권선(40(26))의 시단, 권선(40(26))의 종단과 권선(40(27))의 시단, 권선(40(27))의 종단과 권선(40(28))의 시단이 접속되며, 권선(40(29))의 종단이 단자(X1)에 접속된다.

또한, 권선(40(5))의 종단과 권선(40(6))의 시단, 권선(40(6))의 종단과 권선(40(7))의 시단, 권선(40(7))의 종단과 권선(40(8))의 시단이 접속되며, 권선(40(8))의 종단이 단자(W2)에 접속된다. 또한, 권선(40(29))의 시단이 단자(Z2)에 접속되고, 권선(40(29))의 종단과 권선(40(30))의 시단, 권선(40(30))의 종단과 권선(40(31))의 시단, 권선(40(31))의 종단과 권선(40(32))의 시단이 접속되며, 권선(40(32))의 종단이 권선(40(5))의 시단에 접속된다.

또한, 권선(40(9))의 시단이 단자(V1)에 접속되고, 권선(40(9))의 종단과 권선(40(10))의 시단, 권선(40(10))의 종단과 권선(40(11))의 시단, 권선(40(11))의 종단과 권선(40(12))의 시단이 접속되며, 권선(40(12))의 종단이 권선(40(33))의 시단에 접속된다. 또한, 권선(40(33))의 종단과 권선(40(34))의 시단, 권선(40(34))의 종단과 권선(40(35))의 시단, 권선(40(35))의 종단과 권선(40(36))의 시단이 접속되며, 권선(40(36))의 종단이 단자(Y1)에 접속된다.

마찬가지로, 권선(40(13))의 시단이 단자(X2)에 접속되고, 권선(40(13))의 종단과 권선(40(14))의 시단, 권선(40(14))의 종단과 권선(40(15))의 시단, 권선(40(15))의 종단과 권선(40(16))의 시단이 접속되며, 권선(40(16))의 종단이 권선(40(37))의 시단에 접속된다. 또한, 권선(40(37))의 종단과 권선(40(38))의 시단, 권선(40(38))의 종단과 권선(40(39))의 시단, 권선(40(39))의 종단과 권선(40(40))의 시단이 접속되며, 권선(40(40))의 시단이 단자(U2)에 접속된다.

또한, 권선(40(17))의 시단이 단자(W1)에 접속되고, 권선(40(17))의 종단과 권선(40(18))의 시단, 권선(40(18))의 종단과 권선(40(19))의 시단, 권선(40(19))의 종단과 권선(40(20))의 시단, 권선(40(20))의 종단이 권선(40(41))의 시단에 접속된다. 또한, 권선(40(41))의 종단과 권선(40(42))의 시단, 권선(40(42))의 종단과 권선(40(43))의 시단, 권선(40(43))의 종단과 권선(40(44))의 시단이 접속되며, 권선(40(44))의 종단이 단자(Z1)에 접속된다.

또한, 권선(21)의 시단이 단자(Y2)에 접속되고, 권선(40(21))의 종단과 권선(40(22))의 시단, 권선(40(22))의 종단과 권선(40(23))의 시단, 권선(40(23))의 종단과 권선(40(24))의 시단이 접속되며, 권선(40(24))의 종단이 권선(40(45))의 시단에 접속된다. 또한, 권선(40(45))의 종단과 권선(40(46))의 시단, 권선(40(46))의 종단과 권선(40(47))의 시단, 권선(40(47))의 종단과 권선(40(48))의 시단이 접속되며, 권선(40(48))의 종단이 단자(V2)에 접속된다.

이와 같이 구성된 회전전기(10)에 의하면, 도시하지 않은 전원회로로부터 초전도 코일(28)에 전류가 인가되어, 회전자(16)의 외주에 N극과 S극이 90°의 간격을 두고 번갈아 형성된다. 또한, 도시하지 않은 전원회로로부터 권선(40)에 소정의 타이밍으로 전류가 인가된다. 이에 따라, 권선에 의해 형성되는 자계의 변화에 따라서 회전자가 도 2의 반시계 방향으로 회전한다.

회전자(16)의 회전 시, 초전도 코일(28)에 의해 형성되는 자장이 회전 방향(도 2에 있어서 반시계 방향)으로 이동한다. 그러나, 도 9(a)에 나타낸 바와 같이, 자장(68)이 도체(소선, 소선 다발)(66)를 지나가면, 도체(66) 내에 와전류(70)가 발생한다. 이때, 티스가 자성재료로 형성되어 있으면, 초전도 코일의 자장은 티스에 집중된다. 그러나 상술한 회전전기(10)에서는 티스(34)가 비자성 재료로 형성되어 있기 때문에, 도 9(b), (c)에 나타낸 바와 같이, 회전자(16)의 회전에 따라, 초전도 코일(28)에 의해 형성되는 자장(68)이 슬롯 내의 소선(44) 다발을 가로질러서 각 소선(44)에 와전류를 유발한다. 그리고 소선(44)에 발생하는 와전류의 크기는 자계의 이동과 함께 시간적으로 변화되고, 회전자 회전 방향 상류측의 소선과 하류측 소선의 사이에 전위차를 발생한다.

와전류가 흐르는 방향은 소선(44) 다발이 대향하고 있는 자장의 극성에 의존한다. 실시 형태의 4극 6코일 48슬롯의 회전전기의 경우, 예를 들면 권선(40(1)∼40(4))의 시단측 직선 부분(50)이 초전도 코일(28)의 N극에 대향하고 있을 때, 그 종단측 직선 부분(52)은 초전도 코일(28)의 S극에 대향하고 있다. 그 때문에, 도 9(c)에 나타낸 바와 같이, N극에 대향하고 있는 시단측 직선 부분(50)의 권선 단면에서는, 회전자 회전 방향의 상류측에 있는 소선에는 전기(電機)의 종축 방향에 대하여 큰 전위차 H(+)가 발생하고, 하류측에 있는 소선에는 전기의 종축 방향에 대하여 작은 전위차 L(+)이 발생한다. 그 결과, 그들 사이의 전위차(상류측의 양전압이 하류측의 양전압보다 크다.)에 의해서, 그 소선들을 결합했을 경우, 상류측 소선 및 하류측 소선을 순환하는 와전류가 발생한다. 한편, S극에 대향하고 있는 종단측 직선 부분(52)에서는, 회전자 회전 방향의 상류측에 있는 소선에는 전기의 종축 방향의 역방향에 대하여 작은 전위차 L(-)이 발생하고, 하류측에 있는 소선에는 전기의 종축 방향의 역방향에 대하여 큰 전위차 H(-)가 발생한다. 그 결과 그 소선들을 결합했을 경우, 상류측 소선 및 하류측 소선을 순환하는 와전류가 발생한다(단, 전위에 대해서는, 상류측의 음전압이 하류측의 음전압보다 크다).

그러므로, 실시 형태에서는 제1방법으로서, 인접하는 권선끼리의 접속, 예를 들면 도 10에 나타낸 바와 같이, 권선(40(1))과 권선(40(2)), 권선(40(2))과 권선(40(3)), 권선(40(3))과 권선(40(4))의 접속(이하, 접속을 「코일간 접속」이라고 한다.)에서는, 한쪽의 권선 단(종단)(54)의 소선(44(a)…(l))을 인접하는 다른 쪽의 권선 단(시단)(56)의 소선(44(l)…(a))에 접속하고 있다(즉, 44(a)와 44(l), 44(b)와 44(k), … 44(k)와 44(b), 44(l)과 44(a)를 접속하고 있다). 그 결과, 도 11에 나타낸 바와 같이, 동일 권선의 시단측 직선 부분(50)에 발생하는 와전류와 종단측 직선 부분(52)에 발생하는 역방향의 와전류의 대부분이 상쇄되어, 권선에 발생하는 와전류가 최소화된다.

단, 권선은 주변 방향으로 일정한 간격을 두고 배치되어 있기 때문에, 도 12에 나타낸 바와 같이, 하나의 권선에 발생하는 와전류와 인접하는 권선에 발생하는 와전류의 사이에는 위상차가 존재하므로, 와전류는 전부 상쇄되지 않고 잔차(殘差)가 발생한다. 그래서, 실시 형태에 의한 4극 6코일 48슬롯의 회전전기에서는 제2방법으로서, 도 13에 나타낸 바와 같이, 연속하는 복수의 슬롯에 배치되어 있는 복수의 권선군(72(1))(예를 들면, 권선(40(1)∼40(4))과 주변 방향으로 180도 떨어져 다른 쪽 극에 대향하는 대응의 복수의 권선군(72(2))(예를 들면, 권선(40(25))∼40(28))의 접속(이하, 접속을 「극간 접속」이라고 한다.)에서는, 한쪽의 권선군(72(1))에 있어서의 권선(40(4))의 소선(44(a)…(l))을 대응하는 다른 쪽의 권선군(72(2))에 있어서의 권선(40(25))의 소선(44(a)…(l))에 각각 접속하고 있다. 이에 따라, 도 12에 나타낸 바와 같이, 한쪽의 권선군의 전위와 이것에 접속되는 다른 쪽의 권선군의 전위가 실질적으로 같아져서, 결과적으로 상쇄 후의 와전류의 잔차가 거의 제로가 된다.

극간 접속은 접속 상태와 슬롯 수에 의존한다. 예를 들면, 도 13에 나타낸 바와 같이, 4극 48슬롯(3상 전기를 상정하여 1상 1극당 슬롯 수가 4)의 회전전기의 경우, 예를 들면, 하나의 권선군에 포함되는 4개의 권선(40(1)∼40(4))과 다른 권선군에 포함되는 4개의 권선(40(25))∼40(28))을 슬롯(36(16))의 외측 영역으로부터 인출된 권선(40(4))의 단부와 슬롯(36(25))의 내측 영역으로부터 인출된 권선(40(25))의 단부의 사이에서 접속할 경우, 이 2개의 권선군을 지름 방향 외측으로부터 내측 또는 내측으로부터 외측으로 보았을 때, 양 권선군은 동일 방향으로 감겨 있는 것처럼 보인다. 또한, 하나의 권선군이 4개의 권선에 의해 구성되어 있다. 그 때문에, 도시하는 극간 접속에서는, 권선(40(4))의 소선(44(a)…(l))은 대응하는 권선(40(25))의 소선(44(a)…(l))에 각각 접속한다. 그 결과, 한쪽의 권선군의 전위와 이것에 접속되는 다른 쪽의 권선군의 전위가 실질적으로 같아져서, 결과적으로 상쇄 후의 와전류의 잔차가 거의 제로가 된다.

도 14에 나타낸 바와 같이, 4극 36슬롯(3상 전기를 상정하여 1상 1극당 슬롯 수가 3)의 회전전기의 경우, 예를 들면, 하나의 권선군에 포함되는 3개의 권선(40(1)∼40(3))과 다른 권선군에 포함되는 3개의 권선(40(19)∼40(21))을 슬롯(36(12))의 외측 영역으로부터 인출된 권선(40(3))의 단부와 슬롯(36(19))의 내측 영역으로부터 인출된 권선(40(19))의 단부의 사이에서 접속할 경우, 이 2개의 권선군을 지름 방향 외측으로부터 내측 또는 내측으로부터 외측으로 보았을 때, 양 권선군은 동일 방향으로 감겨 있는 것처럼 보인다. 또한, 하나의 권선군이 3개의 권선에 의해 구성되어 있다. 그 때문에, 도시하는 극간 접속에서는, 권선(40(3))의 소선(44(a)…(l))은 대응하는 권선(40(19))의 소선(44(l)…(a))에 각각 접속한다. 그 결과, 한쪽의 권선군의 전위와 이것에 접속되는 다른 쪽의 권선군의 전위가 실질적으로 같아져서, 결과적으로 상쇄 후의 와전류의 잔차가 거의 제로가 된다.

도 15에 나타낸 바와 같이, 6극 54슬롯(3상 전기를 상정하여 1상 1극당 슬롯 수가 3)의 회전전기의 경우, 예를 들면, 하나의 권선군에 포함되는 3개의 권선(40(1)∼40(3))과 다른 권선군에 포함되는 3개의 권선(40(28)∼40(30))을 슬롯(36(12))의 외측 영역으로부터 인출된 권선(40(3))의 단부와 슬롯(36(39))의 외측 영역으로부터 인출된 권선(40(30))의 단부의 사이에서 접속할 경우, 이 2개의 권선군을 지름 방향 외측으로부터 내측 또는 내측으로부터 외측으로 보았을 때, 양 권선군은 역방향으로 감겨 있는 것처럼 보인다. 또한, 하나의 권선군이 3개의 권선에 의해 구성되어 있다. 그 때문에, 도시하는 극간 접속에서는, 권선(40(3))의 소선(44(a)…(l))은 대응하는 권선(40(30))의 소선(44(a)…(l))에 각각 접속한다. 그 결과, 한쪽의 권선군의 전위는 이것에 접속되는 다른 쪽의 권선군의 전위에 의해 상쇄되어, 결과적으로 상쇄 후의 와전류의 잔차가 거의 제로가 된다.

도 16에 나타낸 바와 같이, 6극 72슬롯(3상 전기를 상정하여 1상 1극당 슬롯 수가 4)의 회전전기의 경우, 예를 들면, 하나의 권선군에 포함되는 4개의 권선(40(1)∼40(4))과 다른 권선군에 포함되는 4개의 권선(40(37)∼40(40))을 슬롯(36(16))의 외측 영역으로부터 인출된 권선(40(4))의 단부와 슬롯(36(52))의 외측 영역으로부터 인출된 권선(40(40))의 단부의 사이에서 접속할 경우, 이 2개의 권선군을 지름 방향 외측으로부터 내측 또는 내측으로부터 외측으로 보았을 때, 양 권선군은 역방향으로 감겨 있는 것처럼 보인다. 또한, 하나의 권선군이 4개의 권선에 의해 구성되어 있다. 그 때문에, 도시하는 극간 접속에서는, 권선(40(4))의 소선(44(a)…(l))은 대응하는 권선(40(40))의 소선(44(l)…(a))에 각각 접속한다. 그 결과, 한쪽의 권선군의 전위는 이것에 접속되는 다른 쪽의 권선군의 전위에 의해 상쇄되어, 결과적으로 상쇄 후의 와전류의 잔차가 거의 제로가 된다.

실시 형태의 회전전기에 의하면 그 밖에 여러 가지 이점을 얻을 수 있다. 구체적으로 설명하면, 각 슬롯에는 직사각형 단면의 소선(44)을 고밀도로 격자 배치했으므로, 소선(44)의 집합체에 흐르는 와전류를 세분화하여, 권선(40)에 발생하는 와전류 손실을 최소화할 수 있다. 또한 본 발명자들이 실행한 실험에 의하면, 적어도 50개 이상의 소선(44)을 슬롯(36)에 수용하는 것이 권선(40)에 발생하는 와전류 손실을 최소화하는 데 바람직하다는 것을 알았다.

또한, 상기의 권선(40)은 간단히 평각형이나 원형의 세선(細線)을 평행하게 배치한 권선이나, 연선 다발을 이용한 권선보다 권선 처리를 간단히 할 수 있다. 그 결과, 고정자(18)를 더 염가로 제조할 수 있다.

또한, 상기의 실시 형태에서는 소선으로 구리선을 이용했지만, 양호한 도전성과 권선 시에 손으로 구부릴 수 있을 정도의 유연성을 가지는 재료이면, 은, 금 또는 황동 등의 다른 재료도 사용할 수 있다.

그리고 하나의 실시 형태에서는, 고정자(18)의 전체 횡단면적(티스와 슬롯의 합계 단면적)은 142870㎟, 소선(소선의 피복을 포함한다.)의 전체 단면적은 97920㎟(48개×60mm×34mm)이어서, 초전도 회전전기의 소선 점유 면적률은 68.54%이다. 따라서, 이 구성의 초전도 회전전기에서는, 대전류를 흐르게 해도, 고정자(18)에서 발생하는 동손에 기인하는 온도 상승을 억제할 수 있다. 또한 본 발명자들이 실행한 실험에 의하면, 고정자(18)에 있어서의 소선 점유 면적률을 55% 이상으로 하는 것이 동손을 최소화하는 데 바람직하다는 것을 알았다.

발명자들은 상술한 바와 같이 회전자(16)를 초전도화하고, 고정자(18)를 상전도화한 1MW급의 초전도 회전전기의 전력 변환효율이 어느 정도 향상됐는지를 검증했다. 그 결과, 회전자(16)에서의 손실이 0.5%, 고정자(18)에서의 손실이 1.5%(이 중 동손이 0.75%, 와전류 손실이 0.75%), 합계 2%의 매우 낮은 손실로 억제하는(98%의 매우 높은 전력 변환효율 98%가 얻어진다) 것을 확인했다. 이 검증으로부터 명확한 바와 같이, 실시 형태의 고정자(18)를 구비한 초전도 회전전기는 고정자가 상전도이어도 더욱 높은 전력 변환효율의 향상을 도모할 수 있음과 더불어, 고정자도 초전도화할 필요가 없으므로 비용 상승을 초래하지 않는다.

이상, 본 발명의 각 형태에 의하면, 고정자의 권선에 있어서의 동손 및 와전류 손실 및 그것들에 기인하는 발열을 최소한으로 억제할 수 있다. 그 결과, 회전전기에 조립되는 냉각 장치를 소형화할 수 있다. 또한, 그에 따라 회전전기 전체의 비용을 저감할 수 있다.

이상에서 설명한 실시 형태는 단순한 예시이며, 본 발명의 범위는 이것에 의해 제한되는 것이 아니다. 또한, 본 발명은 특허청구의 범위에 의해 결정되고, 특허청구의 범위와 균등한 의미 및 범위에서의 모든 변경, 수정이 포함되는 것을 의도하는 것이다.

Claims (12)

  1. 초전도 계자 권선을 가지는 회전자와 상기 회전자의 주위에 배치된 고정자를 구비한 초전도 회전전기에 이용되는 고정자로서,
    상기 고정자는,
    상기 회전자의 회전축 주변 방향으로 소정의 간격을 두고 배치된 복수의 티스로서 인접하는 티스의 사이에 슬롯을 형성하는 복수의 티스와,
    띠 형상 전선을 감아 구성된 복수의 권선이며, 상기 띠 형상 전선은 직사각형 단면의 도체 소선을 서로 절연해서 병렬로 배치하여 구성되고, 상기 권선은 상기 띠 형상 전선을 감아 적층함으로써 상기 도체 소선이 격자형으로 배치된 단면을 가지는 제1 및 제2권선 부분을 가지는 복수의 권선을 구비하고,
    상기 회전자의 중심축과 직교하는 단면 상에서, 상기 제1권선 부분에 있어서의 상기 도체 소선의 배치와 상기 제2권선 부분에 있어서의 상기 도체 소선의 배치는 동일하고,
    상기 제1권선 부분이 하나의 슬롯의 지름 방향 외측 영역에 배치되고, 제2권선 부분이 다른 슬롯의 지름 방향 내측 영역에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 고정자.
  2. 초전도 계자 권선을 가지는 회전자와 상기 회전자의 주위에 배치된 고정자를 구비한 초전도 회전전기에 이용되는 고정자로서,
    상기 고정자는,
    상기 회전자의 회전축 주변 방향으로 소정의 간격을 두고 배치된 복수의 티스로서 인접하는 티스의 사이에 슬롯을 형성하는 복수의 티스와,
    띠 형상 전선을 감아 구성된 복수의 권선이며, 상기 띠 형상 전선은 도체 소선을 서로 절연해서 병렬로 배치하여 구성되고, 상기 권선은 상기 띠 형상 전선을 상기 권선의 대향 부분에서 비틀어 뒤집어 상기 띠 형상 전선의 표리를 반전시키면서 감아 적층함으로써 직사각형의 상기 도체 소선이 격자형으로 배치된 단면을 가지는 제1 및 제2권선 부분을 가지는 복수의 권선을 구비하고,
    상기 회전자의 중심축과 직교하는 단면 상에서, 상기 제1권선 부분에 있어서의 상기 도체 소선의 배치와 상기 제2권선 부분에 있어서의 상기 도체 소선의 배치는 동일하고,
    상기 제1권선 부분이 하나의 슬롯의 지름 방향 외측 영역에 배치되고, 제2권선 부분이 다른 슬롯의 지름 방향 내측 영역에 배치되고,
    상기 권선 중 하나와 이 하나의 권선에 인접한 다른 권선은, 상기 회전자의 회전 방향에 관해서 상류측으로부터 하류측에 순서대로 배치된 상기 하나의 권선의 복수의 도체 소선의 각각이, 상기 회전 방향에 관해서 하류측으로부터 상류측에 순서대로 배치된 상기 다른 권선의 복수의 도체 소선의 각각과 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 고정자.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 고정자는 상기 회전자의 극의 수에 대응하는 복수의 권선군을 구비하고,
    각 권선군이 짝수의 권선에 의해 구성되어 있을 경우,
    하나의 권선군과 이것에 대응하는 다른 권선군은,
    상기 하나의 권선군에 있어서 상기 슬롯의 외측 영역으로부터 인출된 제1의 띠 형상 전선의 단부와 상기 다른 권선군에 있어서 상기 슬롯의 내측 영역으로부터 인출된 제2의 띠 형상 전선의 단부를 접속할 때,
    상기 제1의 띠 형상 전선의 단부에 있어서 상기 회전자의 회전 방향에 관해서 상류측으로부터 하류측에 순서대로 배치된 복수의 도체 소선의 각각이, 상기 제2의 띠 형상 전선의 단부에 있어서 상기 회전자의 회전 방향에 관해서 상류측으로부터 하류측에 순서대로 배치된 복수의 도체 소선에 각각 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 고정자.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 고정자는 상기 회전자의 극의 수에 대응하는 복수의 권선군을 구비하고,
    각 권선군이 홀수의 권선에 의해 구성되어 있을 경우,
    하나의 권선군과 이것에 대응하는 다른 권선군은,
    상기 하나의 권선군에 있어서 상기 슬롯의 외측 영역으로부터 인출된 제1의 띠 형상 전선의 단부와 상기 다른 권선군에 있어서 상기 슬롯의 내측 영역으로부터 인출된 제2의 띠 형상 전선의 단부를 접속할 때,
    상기 제1의 띠 형상 전선의 단부에 있어서 상기 회전자의 회전 방향에 관해서 상류측으로부터 하류측에 순서대로 배치된 복수의 도체 소선의 각각이 상기 제2의 띠 형상 전선의 단부에 있어서 상기 회전자의 회전 방향에 관해서 하류측으로부터 상류측에 순서대로 배치된 복수의 도체 소선에 각각 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 고정자.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 고정자는 상기 회전자의 극의 수에 대응하는 복수의 권선군을 구비하고,
    각 권선군이 짝수의 권선에 의해 구성되어 있을 경우,
    하나의 권선군과 이것에 대응하는 다른 권선군은,
    상기 하나의 권선군에 있어서 상기 슬롯의 외측 영역으로부터 인출된 제1의 띠 형상 전선의 단부와 상기 다른 권선군에 있어서 상기 슬롯의 내측 영역으로부터 인출된 제2의 띠 형상 전선의 단부를 접속할 때,
    상기 제1의 띠 형상 전선의 단부에 있어서 상기 회전자의 회전 방향에 관해서 상류측으로부터 하류측에 순서대로 배치된 복수의 도체 소선의 각각이 상기 제2의 띠 형상 전선의 단부에 있어서 상기 회전자의 회전 방향에 관해서 하류측으로부터 상류측에 순서대로 배치된 복수의 도체 소선에 각각 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 고정자.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 고정자는 상기 회전자의 극의 수에 대응하는 복수의 권선군을 구비하고,
    각 권선군이 홀수의 권선에 의해 구성되어 있을 경우,
    하나의 권선군과 이것에 대응하는 다른 권선군은,
    상기 하나의 권선군에 있어서 상기 슬롯의 외측 영역으로부터 인출된 제1의 띠 형상 전선의 단부와 상기 다른 권선군에 있어서 상기 슬롯의 내측 영역으로부터 인출된 제2의 띠 형상 전선의 단부를 접속할 때,
    상기 제1의 띠 형상 전선의 단부에 있어서 상기 회전자의 회전 방향에 관해서 상류측으로부터 하류측에 순서대로 배치된 복수의 도체 소선의 각각이, 상기 제2의 띠 형상 전선의 단부에 있어서 상기 회전자의 회전 방향에 관해서 상류측으로부터 하류측에 순서대로 배치된 복수의 도체 소선에 각각 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 고정자.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 도체 소선은 긴 변과 짧은 변을 가지는 직사각형의 단면을 가지고, 상기 긴 변을 고정자 지름 방향으로 배치하고, 상기 짧은 변을 고정자 주변 방향으로 배치하는 것을 특징으로 하는 고정자.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 슬롯은 지름 방향으로 연장되는 한 쌍의 제1변과 상기 주변 방향으로 연장되는 한 쌍의 제2변에 의해 둘러싸인 직사각형의 단면을 가지고,
    상기 도체 소선은 직사각형 단면을 가지고, 한쪽의 변을 상기 슬롯의 제1변을 향해, 다른 쪽의 변을 상기 슬롯의 제2변을 향해서 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 고정자.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 및 제2권선 부분의 단면에는 50개 이상의 소선의 단면이 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 고정자.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 티스(teeth)가 비자성 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고정자.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 중심축에 직교하는 단면 상에서, 상기 고정자의 단면적에 대한 상기 소선의 단면적의 비율이 55% 이상인 것을 특징으로 하는 고정자.
  12. 청구항 1에 기재된 고정자를 구비한 초전도 회전전기.
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