KR101493288B1 - 고정자 및 그것을 포함하는 초전도 회전기기 - Google Patents

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Abstract

고정자 코일의 냉각 효율을 향상시키는 전기 회전기기의 고정자가 개시된다. 전기 회전기기의 고정자는 중심축을 갖는 원통형 백 요크 및 백 요크의 내주에 일정 간격을 두고 배치되어 복수의 슬롯을 형성하는 복수의 티스를 포함하는 고정자 코어, 티스를 중심으로 슬롯에 배치되는 복수의 고정자 코일 및 중심축의 축방향을 따라 고정자 코일 주위에 구성되어 냉각매체가 관류하도록 구성된 냉각 유로를 포함한다.

Description

고정자 및 그것을 포함하는 초전도 회전기기 {STATOR AND SUPERCONDUCTING ROTATING MACHINE HAVING THE SAME}
본 발명은 고정자 코어 및 고정자 코일의 냉각구조가 개선된 고정자 및 그것을 포함하는 초전도 회전기기에 관한 것이다.
대부분의 전기 모터의 고정자는 공기의 자연대류나 강제 대류를 통하여 냉각이 되며 수냉각이나 유냉각을 사용하는 것들도 있다.
공기 냉각의 경우 고정자 코일에 흘릴 수 있는 전류 밀도가 상대적으로 수냉각이나 유냉각 방식보다 낮으나, 자연 대류 공랭식은 별도의 냉각 장치가 필요 없으며, 강제 대류 공랭식은 냉각용 팬만을 설치하면 된다.
수냉식의 경우는 비교적 100 마력 이상의 대용량에서 사용되며 공랭식보다 고정자 코일에 흘릴 수 있는 전류의 밀도가 높으나 냉각을 위한 장치가 복잡해진다.
일반적으로 기존 모터의 수냉 또는 유냉각 방식은 열이 가장 많이 발생하는 고정자 코일을 직접 냉각하는 방식이 아니라 코일을 둘러싼 고정자 철심을 냉각하여 고정자 코일과 열전달을 통하여 발생하는 열을 제거하는 방식이다.
따라서 고정자 냉각을 위한 물이나 기름이 흐르는 통로가 고정자가 요크 철심을 냉각하는 구조로 되어있다.
한편, 초전도 모터와 발전기와 같은 초전도 회전기기는 철심을 사용하지 않고도 강한 자기장을 발생시킬 수 있는 초전도 코일을 사용한다.
종래의 회전기기는 구리로 된 코일을 사용하므로 철심을 사용하지 않으면 원하는 출력을 얻기 힘들며, 고정자 코일과 회전자 코일의 자속 쇄교량을 최대화시키기 위하여 고정자 철심과 회전자 철심 사이의 공극이 매우 작다.
따라서, 고정자 코일이 철심으로 이루어진 슬롯에 삽입되어 회전자와 공극을 최소화하는 구조를 갖는다.
그러나 이러한 철심으로 이루어진 슬롯에 자기장이 집중되어 회전자에 의해 발생하는 자기장이 회전할 때 슬롯에서 교류 손실이 다른 부분보다 크게 발생하고, 슬롯부와 코일부의 투자율이 다르므로 발전 전압 파형의 왜형을 증가하는 요인이 된다.
초전도 회전기기는 기존 기기의 이러한 문제점을 해결하기 위하여 고정자 슬롯이 철심이 아닌 비 자성체로 이루어진다. 그러므로 슬롯에서 손실이 없어지고 발전 전압의 파형이 매우 정현적인 장점이 있다.
그러나, 비자성체의 열전도율이 철심 보다 매우 적기 때문에 고정자 코일에서 발생하는 열이 쉽게 빠져나가지 못하는 단점이 있다.
일본 공개특허공보 특개2011-120402호(2011.06.16) 미국 특허출원공개공보 US2012/0243176호(2012.09.27) 미국 특허공보 US4228375호(1980.10.14) 일본 공개특허공보 특개2013-066338호(2013.04.11)
본 발명의 목적은 고정자 코어 및 고정자 코일에 직접 냉각매체가 접촉하도록 냉각 유로를 개선하여 고정자 코일 냉각 효율을 높이는 고정자 및 그것을 포함하는 초전도 회전기기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고정자 코어 및 고정자 코일을 동시 냉각시키는 구조를 취하면서도 고정자 코어의 강도를 확보할 수 있는 고정자 및 그것을 포함하는 초전도 회전기기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 고정자를 공기에 의함은 물론 냉각수 또는 냉각유가 채용가능토록 구성하여 냉각 방식을 다양하게 할 수 있는 고정자 및 그것을 포함하는 초전도 회전기기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 냉각 유로 및 냉각파이프 등의 내부 구조를 개선하여 냉각효율을 증대시키는 고정자 및 그것을 포함하는 초전도 회전기기를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 관점을 따르면, 중심축을 갖는 원통형 백 요크 및 상기 백 요크의 내주에 일정 간격을 두고 배치되어 복수의 슬롯을 형성하는 복수의 티스를 포함하는 고정자 코어, 상기 티스를 중심으로 상기 슬롯에 배치되는 복수의 고정자 코일 및 상기 중심축과 나란한 방향을 따라 상기 고정자 코일 주위에 구성되어 냉각매체가 관류하도록 구성된 냉각 유로를 포함하는 고정자가 제공된다.
상기 냉각 유로는 상기 티스의 측면에 상기 중심축과 나란한 방향을 따라 형성된 측부 유로를 포함할 수 있다.
상기 티스의 근단부 양측에는 상기 중심축과 나란한 방향을 따라 형성된 바닥 유로를 더 포함할 수 있다.
상기 측부 유로는 상기 회전자의 회전력이 작용하지 않는 티스의 일측에 형성될 수 있으며, 상기 측부 유로는 상기 티스의 일 측면에 상기 고정자 코일 측이 개구된 형태로 형성될 수 있고, 상기 측부 유로는 상기 중심축에 대해 직교하는 지름 방향을 따르는 폭 길이가 백 요크의 주방향을 따르는 깊이보다 길게 형성될 수 있다.
상기 바닥 유로는 상기 티스의 근단부와 이웃하는 슬롯의 바닥부에 형성될 수 있다. 상기 바닥 유로는 백 요크를 관통하되 고정자 코일측이 개구된 형태로 형성될 수 있고, 상기 백 요크의 주방향을 따르는 폭 길이가 상기 중심축과 직교하는 지름 방향을 따르는 깊이보다 길게 형성될 수 있다.
상기 냉각매체는 공기를 포함할 수 있다.
상기 냉각 유로는 복수의 유로홈을 포함할 수 있다.
상기 냉각 유로 내에 배치되어 냉각제를 순환시키는 냉각파이프를 더 포함할 수 있으며, 상기 냉각파이프는 절연성 재료로 구성될 수 있고, 냉각파이프 내에는 파이프 유로홈이 형성될 수 있으며, 상기 파이프 유로홈은 상기 냉각파이프의 길이 방향을 따라 나선형으로 형성될 수 있다.
상기 냉각제는 냉각수, 냉각유, 액체 질소, 액체 헬륨, 헬륨가스 중 적어도 어느 하나를 포함하는 전기 회전기기의 고정자.
상기 티스는 비자성 재료를 포함할 수 있다.
상기 고정자 코일은 띠 형상의 선재를 감아서 구성될 수 있으며, 상기 띠 형상의 선재는 초전도 물질 또는 구리를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점을 따르면, 상술한 바와 같은 구성을 적어도 하나를 갖는 고정자를 포함하는 초전도 회전기기가 제공된다.
본 발명을 따르면, 냉각 유로가 고정자 코어 및 고정자 코일의 사이에 형성되어 고정자 코어 및 고정자 코일을 동시에 냉각시킬 수 있다.
본 발명을 따르면, 냉각 유로가 고정자 코어의 티스 일측면에 형성되되 회전자의 회전력이 작용하지 않는 티스의 일측면에 형성되어 공심의 기계적 강도를 높이면서도 냉각 효율을 높일 수 있다.
본 발명을 따르면, 냉각 유로에 냉각제가 순환하는 별도의 냉각파이프를 채용하여 냉각 유로를 통해 공기가 흐르도록 할 수 있으며, 냉각 파이프를 통해 냉각제가 순환될 수 있어 다양한 냉각 방식이 적용가능하다.
본 발명을 따르면, 냉각 유로의 내부에 유로홈을 포함시켜 전열 면적을 증대시켜 냉각효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명을 따르면, 냉각파이프 내에 파이프 유로홈을 형성하여 냉각제 체류 시간을 증대시켜 냉각효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예를 초전도 회전기기의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 선Ⅱ-Ⅱ을 따라 취해진 단면도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ표시부를 확대한 확대도이다.
도 4는 도 3의 Ⅸ표시부를 확대한 확대도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예를 따른 초전도 회전기기의 고정자 냉각 파이프의 구성을 도시한 일부 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예를 초전도 회전기기의 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 선 Ⅱ-Ⅱ를 따른 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 초전도 회전기기(1)는 외부 하우징(3), 외부 하우징(3)에 설치된 고정자(100) 및 외부 하우징(3)의 내부에 위치하며 고정자 코일(130)로 둘러싸인 회전자(10)를 포함한다.
회전자(10)는 베어링(7)에 의해 중심축(X)을 중심으로 외부 하우징(3)에 회전가능하게 지지되는 진공 하우징(11) 및 회전자 코일(12)을 가지며 진공 하우징(11)의 내부에서 예컨대, 중공의 원통형 토크 전달 지지부재(13)로 지지되는 회전자 코어(15)를 포함한다.
회전자(10)의 일측은 회전축(17)에 의하여 외부 하우징(3)에 지지된다.
고정자(100)는 고정자 코어(110) 및 고정자 코일(130)을 포함한다.
이하의 설명에서 중심축(X)을 따르는 방향을 "축방향", 중심축(X)에 대해 직교하는 방사 방향을 "지름 방향(D)", 중심축(X)을 중심으로 원형을 따르는 방향을 "주방향(C)"이라 칭한다.
고정자 코어(110)는 외부 하우징(3)의 내주면에 고정된 원통 형상의 백 요크(111)를 포함한다. 백 요크(111)는 지름방향으로 연장되는 복수의 전자 강판 예컨대 규소 강판 등을 적층해서 형성될 수 있다.
백 요크(111)는 그 내주면에 중심축(X)을 중심으로 하고 주방향(C)을 따라 일정한 간격을 두고 배치된 복수의 티스(113)가 지지된다.
티스(113)는 백 요크(111)로부터 지름 방향(D)을 따라 내측을 향해서 연장됨과 아울러 축방향(X)으로 연장된다. 주방향(C)으로 인접하는 티스(113)의 사이에는 축방향(X)으로 연장되는 대략 직사각형 단면의 홈 또는 슬롯(115)이 형성되고, 이 슬롯(115)에 고정자 코일(130)의 일부가 수용된다.
도 3은 도 2의 Ⅲ표시부의 확대도이다.
도 3을 참조하면, 슬롯(115)은 지름방향(D)을 따라 한 쌍의 긴 변을 가지고, 주방향(C)을 따라 한 쌍의 짧은 변을 가지는 직사각형 단면 영역을 가진다.
티스(113)는 비자성 재료로 형성될 수 있다. 티스(113)는 섬유강화 플라스틱 등의 높은 기계적 강도를 가지며 전기 절연 능력이 우수한 강성 수지 재료로 형성될 수 있다. 티스(113)는 비자성 금속 예를 들면, 스테인레스로 형성될 수 있다.
티스(113)는 축방향(X)을 따라 다수의 박판을 적층해서 형성될 수 있다. 티스(113)는 비자성재료 이외에도 구리와 같은 철심을 이용하여 형성될 수 있다.
티스(113) 사이의 슬롯(115)에는 고정자 코일(130)의 일부가 수용되고, 고정자 코일(130) 주변의 티스(113) 및 백 요크(111)에는 냉각 유로(150)가 형성될 수 있다.
냉각 유로(150)는 티스(113)의 측부에 중심축(X)의 축방향과 나란한 방향을 따라 길게 형성된 측부유로(151)를 포함할 수 있다.
측부 유로(151)는 티스(113)의 측면 상에 형성되되, 고정자 코일(130)을 향하는 측이 개방되도록 형성됨이 바람직하다. 이와 같은 구성을 통해 냉각매체가 측부유로(151)를 통과하면서 고정자 코일(130)과 동시에 접촉할 수 있다.
측부 유로(151)는 회전자(10)의 회전력이 작용하지 않도록 티스(113)의 일측면에 형성된다. 즉, 회전자(10) 회전방향(R)의 반대방향을 향하는 티스(113)의 일측면(113b)에 형성됨이 바람직하다. 그리하여 티스(113)의 지지강도를 확보할 수 있게 된다.
한편, 백 요크(111)의 내주와 결합된 티스(113)의 근단부(113a) 양측, 즉, 슬롯(115)의 바닥부에는 바닥 유로(153)가 축방향(X)과 나란한 방향을 따라 길게 형성될 수 있다.
바닥 유로(153) 또한 고정자 코일(130)측이 개방되도록 형성되어 바닥 유로(153)를 통해 흐르는 냉각 매체가 고정자 코일(130)과 접촉할 수 있다.
측부 유로(151) 및 바닥 유로(153) 통해 흐르는 냉각매체, 예컨대 공기는 고정자 코어(110) 및 고정자 코일(130)을 동시에 냉각시키고 바닥 유로(153)를 통해 흐르는 냉각매체는 고정자 코어(110)를 냉각시켜 고정자 코일(130)을 간접적으로 냉각시키게 된다.
이와 같이 본 발명의 냉각 유로 구조는 열이 가장 많이 발생하는 고정자 코일(130)을 직접 냉각하는 방식과 고정자 코일(130)을 둘러싼 고정자 코어(110)를 냉각하여 고정자 코일(130)과 열전달을 통하여 발생하는 열을 제거하는 간접 냉각 방식이 병행되어 냉각효율이 향상된다.
도 4는 도 3의 Ⅳ표시부의 확대도이다.
도 4를 참조하면, 고정자 코일(130)은 띠 형상의 선재(131)를 감아서 형성될 수 있다. 띠 형상의 선재(131)는 초전도 물질을 포함하거나, 구리를 포함하여 구성될 수 있다.
고정자 코일(130)은 이와 같이 띠 형상의 선재(131)를 감아서 형성되는 것 이외에도 원형의 세선을 평행하게 배치하거나, 연선 다발을 이용하여 구성될 수 있다.
측부 유로(151)는 지름방향(D)을 따르는 한 쌍의 장변과, 주방향(C)을 따르는 한 쌍의 단변을 갖는 직사각형태로 형성될 수 있다.
바닥 유로(153)는 주방향(C)을 따르는 한 쌍의 장변과 지름방향(D)을 따르는 한 쌍의 단변을 포함하는 직사각형 형태로 형성될 수 있다.
이와 같은 구성을 통해 티스(113)의 기계적 강도를 확보하면서 효율적인 냉각유로를 이룰 수 있다.
측부 유로(151) 및 바닥 유로(153)의 내면에는 유로홈(151a, 153a)이 형성될 수 있다. 유로홈(151a,153a)은 측부 유로(151) 및 바닥 유로(153)를 통과하는 냉각매체의 전열면적을 증대시켜 냉각효율을 향상시킨다.
측부 유로(151) 및 바닥 유로(153)의 각각에는 적어도 하나의 냉각 파이프(155)가 구비될 수 있다. 냉각 파이프(155)는 측부 유로(151) 및 바닥 유로(153)를 따라 길게 배치되며 서로 연통되어 순환 회로를 이루도록 구성될 수 있다.
측부 유로(151) 및 바닥 유로(153)에 구비된 냉각 파이프(155)는 측부 유로(151) 및 바닥 유로(153)의 개구측을 통해 고정자 코일(130)과 접촉되도록 설치되어 고정자 코일(130)을 냉각 파이프(155)로부터 직접 전도되는 냉기를 통해 냉각할 수 있다.
냉각파이프(155)는 절연성 재료로 형성됨이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예를 따른 초전도 회전기기의 고정자 냉각 파이프의 구성을 도시한 일부 사시도이다.
도 5를 참조하면, 냉각 파이프(155)의 내면에는 파이프 유로홈(155a)이 형성될 수 있다. 파이프 유로홈(155a)은 냉각파이프(155)의 길이 방향을 따라 나선형으로 형성될 수 있다.
파이프 유로홈(155a)은 냉각 파이프(155)의 내부를 통과하는 냉각제의 체류시간을 지연시킴으로써 냉각효율을 향상시킨다.
냉각제는 냉각수, 냉각유, 액체 질소, 액체 헬륨, 헬륨가스 또는 그들 중 적어도 하나를 포함하는 혼합물을 포함할 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술하는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술하는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
1: 초전도 회전기기 3: 외부하우징
10: 회전자 100: 고정자
110: 고정자 코어 130: 고정자 코일
131: 선재 150: 냉각유로
151: 측부 유로 153: 바닥 유로
51a, 153a: 유로홈
155: 냉각파이프 155a: 파이프 유로홈

Claims (20)

  1. 중심축을 갖는 원통형 백 요크 및 상기 백 요크의 내주에 일정 간격을 두고 배치되어 복수의 슬롯을 형성하는 복수의 티스를 포함하는 고정자 코어;
    상기 티스를 중심으로 상기 슬롯에 배치되는 복수의 고정자 코일;
    상기 중심축과 나란한 방향을 따라 상기 고정자 코일 주위에 배치되며, 냉각매체가 관류하도록 구성되고, 상기 고정자 코일과 마주하는 부분이 개구된 냉각 유로; 및
    상기 냉각 유로내에 배치되어 냉각제를 순환시키고, 상기 냉각 유로의 개구를 통하여 상기 고정자 코일과 직접 접촉하도록 구성된 냉각 파이프를 포함하고,
    상기 냉각 유로는 상기 티스의 측면에 상기 중심축과 나란한 방향을 따라 형성된 측부 유로, 및
    상기 티스의 근단부와 이웃하는 슬롯의 바닥측에 상기 중심축과 나란한 방향을 따라 형성된 바닥 유로를 포함하고,
    상기 냉각 파이프는 상기 측부 유로 및 상기 바닥 유로를 따라 길게 배치된 고정자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 측부 유로는 상기 고정자 코일로 둘러싸인 회전자의 회전력이 작용하지 않는 티스의 일측에 형성된 고정자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 측부 유로는 상기 티스의 일 측면에 상기 고정자 코일 측이 개구된 형태로 형성된 고정자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 바닥 유로는 상기 백 요크를 관통하여 형성되고, 상기 고정자 코일 측이 개구된 고정자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 측부 유로는 상기 중심축에 대해 직교하는 지름 방향을 따르는 폭 길이가 백 요크의 주방향을 따르는 깊이보다 길게 형성된 고정자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 바닥 유로는 상기 백 요크의 주방향을 따르는 폭 길이가 상기 중심축과 직교하는 지름 방향을 따르는 깊이보다 길게 형성된 고정자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 매체는 공기를 포함하는 고정자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 유로는 복수의 유로홈을 포함하는 고정자.
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 냉각파이프는 절연성 재료로 구성된 고정자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 냉각제는 냉각수, 냉각유, 액체 질소, 액체 헬륨, 헬륨 가스 중 적어도 어느 하나를 포함하는 고정자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 파이프 내에는 파이프 유로홈이 형성된 고정자.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 파이프 유로홈은 상기 냉각파이프의 길이 방향을 따라 나선형으로 형성된 고정자.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 티스는 비 자성재료를 포함하는 고정자.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 고정자 코일은 띠 형상의 선재를 감아서 구성된 고정자.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 띠 형상의 선재는 초전도 물질을 포함하는 고정자.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 띠 형상의 선재는 구리를 포함하는 고정자.
  20. 제1항 및 제4항 내지 제10항 및 제12항 내지 제19항 중 어느 한 항의 고정자를 포함하는 초전도 회전기기.
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