KR101545156B1 - 자체 냉각 구조를 갖는 초전도 회전 기기 - Google Patents

Abstract

자체 냉각 기능을 갖는 초전도 회전 기기가 개시된다. 본 발명의 초전도 회전기기는 회전축 방향으로 연장되는 계자 코어, 상기 계자 코어 외곽의 초전도 계자 코일, 및 상기 초전도 계자 코일을 둘러싸는 외통을 포함하는 회전자와 상기 회전자를 둘러싸는 고정자를 구비하며, 상기 외통의 표면에 실질적으로 상기 회전축방향으로 연장되는 복수의 그루브가 형성된 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면 시변 자계의 영향을 최소화함으로써 간단한 구조로 초전도 회전 기기의 고정자를 냉각할 수 있게 된다.

Description

자체 냉각 구조를 갖는 초전도 회전 기기{Superconducting Rotary Machine with Self-cooling mechanism}

본 발명은 초전도 회전 기기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉각 기능을 갖는 초전도 회전 기기에 관한 것이다.

초전도 회전기는 초전도 계자코일에서 강한 자장을 발생시킬 수 있으므로 기존 기기에 비하여 크기와 무게를 대폭 줄이면서 효율을 향상시킬 수 있다는 장점을 갖는다.

초전도 회전기는 강자장을 발생시키는 초전도 계자 권선(Superconducting Field Winding)을 이용하여 기기 내부에 철심을 사용하지 않고도 기존 상전도 전동기의 1/2 ~ 1/3 크기에서 동일한 출력을 발생시킬 수 있다.

일반적으로, 초전도 계자코일은 직류자장을 발생하도록 되어 있으므로 대부분 동기기나 직류기의 계자코일에 사용이 되며, 교류자장이 발생되는 전기자 권선(Armature Winding)에는 기존의 전동기에서와 같이 구리 코일이 사용된다. 또한, 자장 차폐 실드로 회전기의 최외층에 원통형의 강자성체를 적층하여 사용하고 상기 실드 안쪽에는 3상의 상전도 코일이 배치되게 된다.

이렇게 배치된 전기자 권선과 초전도 계자코일 사이에는 전기전도가 좋은 알루미늄 구리 등으로 제작되는 댐퍼(Warm Damper)가 설치되며, 전기자권선에서 발생하는 교류자장이 직류자장을 발생시키는 초전도 계자코일에 영향을 미치는 것을 막아주는 역할을 하며, 경우에 따라서는 회전자 외통으로부터 유입되는 복사열을 차폐시켜주는 역할도 동시에 수행하게 된다.

그러나, 기존의 초전도 회전기는 고정자 코일에 FRP와 같은 비자성체를 사용하여 자기적 포화를 피하고 있으나 고정자 발열에 대하여는 매우 취약하다. 따라서, 고정자 코일의 냉각을 위해서 쿨링팬을 설치하는 등의 부가적인 설비가 필요하여 냉각을 위한 구조가 복잡하고 비용과 공간 효율성 측면에서 불리하다는 문제점을 갖는다.

등록특허 10-888030

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 고정자를 효과적으로 냉각시킬 수 있는 회전자 및 고정자 구조를 구비한 초전도 회전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 회전축 방향으로 연장되는 계자 코어, 상기 계자 코어 외곽의 초전도 계자 코일, 및 상기 초전도 계자 코일을 둘러싸는 외통을 포함하는 회전자와 상기 회전자를 둘러싸는 고정자를 구비하는 초전도 회전기에 있어서, 상기 외통은 표면에는 실질적으로 상기 회전축방향으로 연장되는 복수의 그루브가 형성된 것을 특징으로 하는 초전도 회전기를 제공한다.

본 발명에서 상기 복수의 그루브는 주기적으로 배치되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 복수의 그루브의 연장 방향은 상기 회전축방향에 대해 기울어진 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 그루브는 상기 고정자의 상간격에 기초하여 배치되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 그루브의 기울어짐 각도는 상기 그루브의 연장 종단이 상기 고정자의 상간격 내에 배치되도록 설정되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 외통은 댐퍼일 수 있다.

또한 본 발명은 회전축 방향으로 연장되는 계자 코어, 상기 계자 코어 외곽의 초전도 계자 코일, 및 상기 초전도 계자 코일을 둘러싸는 외통을 포함하는 회전자와 상기 회전자를 둘러싸는 고정자를 구비하는 초전도 회전기에 있어서, 상기 회전자의 외통은 외측 표면에 실질적으로 상기 회전축방향으로 연장되는 복수의 그루브를 포함하고, 상기 고정자는 내측에 회전축방향으로 연장되어 돌출되는 복수의 치를 구비하는 고정자 코어를 구비하며, 상기 고정자 코어의 치는 연장 방향으로 톱니 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기를 제공한다.

본 발명에서 상기 고정자 코어는 비자성체로 구성되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 고정자 코어는 FRP로 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 별도의 냉각 수단을 구비하지 않고서도 회전자 본연의 운동에 기초하여 자연적으로 고정자를 냉각하는 초전도 회전기기를 제공할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따르면 회전자의 운동에 따른 기류로 고정자를 효율적으로 냉각할 수 있는 고정자 코어 구조를 갖는 초전도 회전기기를 제공할 수 있게 된다.

본 발명은 회전자 외통 구조의 최소한의 변경으로 시변 자계 특성에 미치는 영향을 최소화하고 요구되는 냉각 성능을 나타내는 초전도 회전 기기를 제공할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 회전자의 일례를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초전도 회전자의 일례를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초전도 회전자의 외통 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 초전도 회전기기의 고정자 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 본 발명의 다른 실시에에 따른 고정자 구조에 채용 가능한 치형을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초전도 회전 기기를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 회전자 외통 구조의 그루브 배치를 설명하기 위한 도면이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초전도 회전기의 회전자의 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 회전자(100)는 계자 코어(120), 초전도 계자 코일(130) 및 회전자 외통(150)을 포함하여 이루어지는 축방향(A-A')을 중심으로 회전하는 공심형 구조를 갖는다.

또한 상기 회전자(100)의 계자 코어(120)의 내부에는 회전축이 삽입될 회전축 삽입공(110)을 구비한다. 물론, 상기 회전축 삽입공(110)은 상기 계자 코어(120) 및 계자 코일(130)의 냉각을 위한 냉각액의 유동 경로를 제공할 수 있다. 상기 계자 코어(120) 및 계자 코일(130)을 위한 냉각 구조는 본 발명의 주된 관점이 아니므로, 여기서는 설명을 생략한다.

상기 초전도 계자코일(130)은 테이프 형상의 초전도 선재를 싱글 팬 케이크코일 또는 더블 팬 케이크코일의 형태로 권선하여 형성될 수 있으며, 요구되는 자장을 얻기 위해 싱글 팬케이크코일 또는 더블 팬케이크 코일은 단일개 또는 다수개로 적층하여 형성될 수 있다. 상기 초전도 계자코일(130)은 계자 코어(120)와 동축결합된다.

상기 초전도 계자 코일(130) 외주면과 회전자 외통(150)의 내주면 사이에는 진공층(140)이 형성된다. 상기 진공층(140)은 상기 초전도 계자 코일(130)으로의 열침입을 차단한다. 상기 초전도 계자 코일(130)과 회전자 외통(150)은 별도의 연결 수단(도시하지 않음)에 의해 결합되어 일체로 회전할 수 있다.

한편, 모터가 정상 상태로 운전할 때에는 전기자 및 계자 권선에 의해 자계가 일정각을 유지하며 회전하게 되는데, 만약 부하 변동이 발생하면 전기자와 계자 권선의 자계 간에 각이 변하게 되고 이 때 회전기 내부에 시변 자계가 발생하게 되며, 시변 자계는 계자 권선의 안정성에 영향을 미치게 된다. 본 발명에서 상기 외통(150)은 이와 같은 시변 자계의 변화를 차폐하는 댐퍼로서 기능한다. 본 발명에서 상기 외통(150)은 전기전도가 좋은 알루미늄, 구리 합금 또는 스테인레스 재질이 사용될 수 있다.

본 발명에서 상기 외통(150)의 외주면에는 복수의 그루브(152)가 형성된다. 도시된 바와 같이, 상기 그루브(152)는 상기 회전축 방향(A-A') 즉 외통(150)의 길이 방향과 실질적으로 평행하게 연장되도록 형성되어 있다.

본 발명에서 상기 그루브(152)의 형성에 의해 상기 외통(150)의 외주면에는 상기 그루브(152) 및 돌출부(154)가 교번하여 출현하게 되고, 상기 외통(150)은 상기 외통(150)과 결합되는 고정자(도 4의 200)와의 사이에서 프로펠러처럼 냉각팬의 역할을 수행할 수 있게 된다. 따라서, 본 발명의 외통 구조는 고정자에서 발생하는 발열을 효과적으로 냉각하는 데 유용하다.

본 발명에서 상기 복수의 그루브(152)는 소정 간격으로 배치되며, 바람직하게는 주기적으로 배치된다.

또한 본 발명에서 상기 복수의 그루브(152)는 사각형, 삼각형 또는 반원형의 다양한 단면 형상으로 구현될 수 있다. 또한, 본 발명에서 상기 복수의 그루브(152)의 깊이가 냉각 성능을 고려하여 적절히 설계될 수 있음은 당업자라면 누구나 알 수 있을 것이다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전자를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 상기 외통(150)의 외주면에는 그루브(152')가 형성되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 개별 그루브(152')는 회전축을 포함하는 평면으로 투영된 연장 방향이 회전축(A-A') 방향에 대해 소정 각도(θ)만큼 기울어져 있는 것을 특징으로 한다.

도시된 상기 틸팅된 개별 그루브(152')는 회전축 평면에 투영한 영상이 직선을 이루도록 형성될 수 있다. 물론, 상기 투영 영상은 완만한 곡선을 형성할 수도 있을 것이다.

본 발명에서 상기 그루브(152')의 틸팅 각도(θ)는 적절히 선택될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 상기 그루브(152')의 틸팅 각도(θ)는 고정자의 상간격에 기초하여 설정될 수 있다.

도 2 및 도 3에서 예시한 틸팅된 그루브(152')는 고정자와의 사이에서 회전할 때, 내부에 형성된 기류를 축방향으로 유도하는 기능을 수행한다. 이에 따라 회전자 외통과 고정자와의 사이의 기류가 회전자의 길이 방향으로 유동하며, 이에 따라 고정자의 냉각이 보다 효과적으로 수행될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 회전축 평면으로 투영된 그루브(152')의 종단은 회전축에 대해 소정 간격(d)를 형성하게 된다. 상기 간격(d)은 기류의 원활한 유동을 보장하기 위하여 적절히 설정될 수 있음을 당업자라면 누구나 알 수 있을 것이며, 나아가 상기 간격(d)는 시변 자계에 미치는 영향을 고려하여 고정자의 상간격 범위 내에 존재하도록 설정될 수 있다. 예컨대, 상기 그루브(152')의 종단이 고정자의 3상 범위 내에 놓여지도록 상기 간격(d)가 설정될 수 있다.

도 4는 본 발명의 초전도 회전기에 사용되는 고정자의 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.

상기 고정자는 내부에 삽입되는 회전자와 대향하는 치(212)를 포함하는 고정자 코어(210)와 상기 고정자 코어를 외부에서 둘러싸는 자기 실드(220)를 포함한다.

도 4를 참조하면, 고정자 코어(210)는 3상으로 여자되는 전기자 권선(도시하지 않음)이 형성된다.

이를 위해 상기 고정자 코어(210)는 내부에 복수의 치(teeth; 212)가 배열된 치형 구조를 갖는다. 상기 복수의 치(212)는 회전축 방향으로 연장된다. 도시하지는 않았지만, 상기 복수의 치(212) 각각은 권선의 와인딩을 위한 슬롯 등의 수단이 연장된 방향으로 구비될 수 있고, 상기 슬롯에는 전기자 권선이 삽입 장착될 수 있다.

본 발명에서 상기 고정자 코어(210)는 FRP와 같은 비자성체 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 종래 고정자 코어(210)는 주로 규소 강판과 같은 재질로 형성된다. 그러나, 규소 강판은 높은 입력 전류로 인해 생성된 자속이 커지게 되면 포화되는데, 이로 인해 회전기 효율에 직접적인 영향을 미친다.

본 발명에서 고정자 코어(210)로 사용되는 FRP는 자성체가 아니기 때문에 포화현상이 발생하지 않는다. 본 발명에서 FRP 소재는 유리 및 카본 섬유에 의해 강화된 섬유 강화 FRP일 수 있다. 섬유 강화 FRP는 경량이며, 내식성 및 성형성이 뛰어나고 열전도도가 낮기 때문에 고정자 턴 폴트(stator turn fault) 등의 고장이 발생하였을 때 발생하는 열이 다른 상으로 전달되어 절연파괴 등의 2차적인 피해를 방지할 수 있다는 장점을 갖는다.

도 5는 도 4에서 하나의 치(212)를 연장 방향으로 절단한 단면을 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이 본 발명에서 상기 치(212)는 연장 방향으로 톱니 형상을 갖도록 설계되어 있다. 이와 같이, 치(212)는 연장 방향으로 최소한 일부 지점에 개방부(214)를 구비함으로써, 회전자의 회전에 따라 형성된 기류의 유동 경로를 제공한다. 이와 같은 유동 경로는 전술한 회전자의 그루브와 연동하여 상기 고정자의 냉각을 원활히 하며, 특히 권선된 전기자 권선이 외부로 개방되게 하여 전기자 권선의 냉각을 보다 원활하게 할 수 있다.

또한, 본 발명의 고정자 코어(210)가 갖는 톱니 구조는 성형성의 측면에서 FRP 재질을 사용하여 구현되는 것이 바람직하다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회전자 및 고정자가 결합된 회전기의 단면을 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 초전도 회전기는 계자 코어(120), 초전도 계자 코일(130), 회전자 외통(150), 고정자 코어(210) 및 자기 실드(220)가 회전축 삽입공(110)을 중심으로 공심형으로 결합된 구조를 갖는다.

상기 회전자 외통(150)의 외주면에는 복수의 그루브가 주기적으로 배열되어 있다. 상기 회전자 외통(150)의 그루브는 고정자 코어(210)에 형성된 복수의 치(212)와 대향한다. 상기 회전자 외통(150)의 회전에 따라 상기 회전자 외통에 형성된 그루브는 냉각팬과 같이 기류를 형성하며, 형성된 기류는 고정자 코어(210)를 냉각한다.

전술한 바와 같이, 본 발명에서 상기 회전자 외통(150)의 그루브는 상기 고정자 코어(210)의 상간격에 기초하여 설계될 수 있다.

도 7은 회전자 외통(150)의 그루브(152)가 고정자 코어의 치형에 따라 설계된 일례를 나타낸다.

세 개의 연속되는 고정자 코어의 치(212)로 구성되는 그룹은 전기자 권선의 3상 배열을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 상기 회전자 외통(150)은 3개의 치(212)를 주기로 하나의 그루브(152)가 대응되도록 형성되어 있다. 이와 같은 그루브 배치는 외통의 그루브의 형성에 의한 시변 자계의 영향을 억제할 수 있다.

도 3과 관련하여 설명한 바와 같이, 본 발명에서 상기 그루브(152)가 축 중심에 대하여 소정의 틸팅 각도(θ)를 갖는 경우, 상기 틸팅 각도(θ)는 상기 그루브의 타단(종단)에서의 간격(d)가 상기 그룹의 피치(P)를 벗어나지 않는 범위에서 설계되는 것이 바람직하다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만 이는 본 발명을 예시하는 것이며 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 본 발명이 속한 기술 분야의 당업자라면, 상술한 본 발명의 기술적 사상을 토대로 본 발명에서 예시하는 실시예를 일부 변형하거나 대체할 수 있으며, 이러한 변형 및 변경이 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한 본 발명의 범위에 속한다는 것을 알 수 있을 것이다.

100 회전자
110 회전축 삽입공
120 계자 코어
130 초전도 계자 코일
140 진공층
150 회전자 외통
152, 152' 그루브
154 돌출부
200 고정자
210 고정자 코어
212 치
220 자기 실드

Claims (9)

1. 회전축 방향으로 연장되는 계자 코어, 상기 계자 코어 외곽의 초전도 계자 코일, 및 상기 초전도 계자 코일을 둘러싸는 외통을 포함하는 회전자와 상기 회전자를 둘러싸는 고정자를 구비하는 초전도 회전기에 있어서,
   상기 회전자의 외통 표면에는 실질적으로 상기 회전축방향으로 연장되는 복수의 그루브가 형성되며,
   상기 고정자는 내측에 회전축방향으로 연장되어 돌출되는 복수의 치를 구비하는 고정자 코어를 구비하고,
   상기 복수의 그루브는 상기 고정자의 3상 간격을 피치로 하여 배치되며,
   상기 고정자 코어의 치는 상기 회전자의 회전에 따라 형성된 기류의 유동 경로를 제공하기 위한 개방부를 구비하여, 연장 방향으로 톱니 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 그루브의 연장 방향은 상기 회전축방향에 대해 기울어진 것을 특징으로 하는 초전도 회전기.
4. 삭제
5. 제3항에 있어서,
   회전축 평면으로 투영된 상기 그루브의 종단과 상기 회전축 사이의 간격이 상기 피치를 벗어나지 않는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기.
6. 제1항에 있어서,
   상기 외통은 댐퍼인 것을 특징으로 하는 초전도 회전기.
7. 회전축 방향으로 연장되는 계자 코어, 상기 계자 코어 외곽의 초전도 계자 코일, 및 상기 초전도 계자 코일을 둘러싸는 외통을 포함하는 회전자와 상기 회전자를 둘러싸는 고정자를 구비하는 초전도 회전기에 있어서,
   상기 회전자의 외통은 외측 표면에 실질적으로 상기 회전축방향으로 연장되는 복수의 그루브를 포함하고,
   상기 고정자는 내측에 회전축방향으로 연장되어 돌출되는 복수의 치를 구비하는 고정자 코어를 구비하며,
   상기 고정자 코어의 치는 상기 회전자의 회전에 따라 형성된 기류의 유동 경로를 제공하기 위한 개방부를 구비하여, 연장 방향으로 톱니 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기.
8. 제7항에 있어서,
   상기 고정자 코어는 비자성체로 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기.
9. 제8항에 있어서,
   상기 고정자 코어는 FRP로 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기.

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