KR101641013B1 - C-축 강도가 높은 광폭 전기 전도체 - Google Patents

C-축 강도가 높은 광폭 전기 전도체 Download PDF

Info

Publication number
KR101641013B1
KR101641013B1 KR1020147030402A KR20147030402A KR101641013B1 KR 101641013 B1 KR101641013 B1 KR 101641013B1 KR 1020147030402 A KR1020147030402 A KR 1020147030402A KR 20147030402 A KR20147030402 A KR 20147030402A KR 101641013 B1 KR101641013 B1 KR 101641013B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
thin layer
layer portion
conductor
width
axis
Prior art date
Application number
KR1020147030402A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20150003227A (ko
Inventor
미셸 에이. 테너
그레고리 엘. 스니츨러
윌리암. 엘. 카터
에릭 알. 포드버그
Original Assignee
아메리칸 수퍼컨덕터 코포레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 아메리칸 수퍼컨덕터 코포레이션 filed Critical 아메리칸 수퍼컨덕터 코포레이션
Publication of KR20150003227A publication Critical patent/KR20150003227A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101641013B1 publication Critical patent/KR101641013B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/0408—Passive magnetic bearings
    • F16C32/0436—Passive magnetic bearings with a conductor on one part movable with respect to a magnetic field, e.g. a body of copper on one part and a permanent magnet on the other part
    • F16C32/0438—Passive magnetic bearings with a conductor on one part movable with respect to a magnetic field, e.g. a body of copper on one part and a permanent magnet on the other part with a superconducting body, e.g. a body made of high temperature superconducting material such as YBaCuO
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/24—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors with channels or ducts for cooling medium between the conductors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K55/00—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures
    • H02K55/02—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type
    • H02K55/04—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type with rotating field windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1892—Generators with parts oscillating or vibrating about an axis
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices
    • H10N60/20—Permanent superconducting devices
    • H10N60/202—Permanent superconducting devices comprising metal borides, e.g. MgB2
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices
    • H10N60/20—Permanent superconducting devices
    • H10N60/203—Permanent superconducting devices comprising high-Tc ceramic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1807—Rotary generators
    • H02K7/1823—Rotary generators structurally associated with turbines or similar engines
    • H02K7/183—Rotary generators structurally associated with turbines or similar engines wherein the turbine is a wind turbine
    • H02K7/1838—Generators mounted in a nacelle or similar structure of a horizontal axis wind turbine
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S336/00—Inductor devices
    • Y10S336/01—Superconductive

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Superconductive Dynamoelectric Machines (AREA)
  • Windings For Motors And Generators (AREA)

Abstract

회전 장치는 고정자 및 그 고정자 내에서 회전하도록 구성된 회전자를 포함한다. 회전자 권취부는 상기 회전자 내에서 지지되고, 단일층 새들 코일 구성(saddle coil configuration)의 적층형 전기 전도체로 형성된다. 상기 전도체는 제1 지지 박층부, 제2 지지 박층부, 상기 제1 지지 박층부와 상기 제2 지지 박층부 사이에 위치하는 고온 초전도체를 포함하는 삽입부, 상기 삽입부를 상기 제1 지지 박층부 및 상기 제2 지지 박층부 각각에 결합시키는, 삽입부 주위의 충전재 물질을 포함한다. 상기 삽입부 위치에 상응하는 상기 제1 지지 박층부와 상기 제2 지지 박층부 사이의 위치에서, 상기 삽입부 각각의 측면 상의 충전재 물질의 폭 치수는 상기 전도체 폭의 10 퍼센트 이상이다. 상기 전도체는 턴당 600 암페어 이상을 전송하고 C-축 인장 강도가 21 MPa 이상이 되도록 구성된다.

Description

C-축 강도가 높은 광폭 전기 전도체{WIDE ELECTRICAL CONDUCTOR HAVING HIGH C-AXIS STRENGTH}
관련 출원의 교차 참조
본 출원은 2012년 3월 30일자로 출원된 미국 출원 제13/435,156호의 우선권을 청구한다.
계속적으로 발전은 전기 장치 회전의 중요한 용도가 되어 왔다. 풍력 에너지는 세계적으로 가장 빠르게 성장하는 전기 자원 중 하나이며, 회전 전기 장치를 적용하는 풍력 터빈은 풍력 에너지를 사용가능한 힘으로 전환시키는 데 사용된다. 통상의 일부 풍력 터빈은 유틸리티 전력망(utility power network)에 3∼5 메가와트의 전력을 공급할 수 있는 전기 장치를 구동시키는 출력 샤프트와 터빈 날개(turbine blade)를 갖는 터빈을 포함한다. 그러나, 증가하는 전력 수요는 각각의 풍력 터빈에 대한 전력 요건 증가로 이어지고 있다. 10 메가와트 이상을 공급할 수 있는 전력 터빈을 얻기 위해서 통상의 설계된 동력 전달 장치를 단지 규모 확대한다는 것은 이러한 요건들을 수용할 수 있는 기어박스(gearbox)의 크기, 중량, 비용 및 잠재적 비신뢰성의 적어도 일부로 인해 비현실적이게 된다.
고온 초전도성(HTS: High Temperature Superconducting) 코일 권취가 10 메가와트(MW) 이상 수준의 전력을 생산할 수 있는 풍력 터빈을 위한 초저속 직접 구동 발전기(direct drive generator) 용도로 제안된다. 이러한 비율로 전력 생산을 달성하기 위해서, 상기 코일 권취를 형성하는 데 사용되는 향상된 HTS 전기 전도체가 요구될 수 있다.
전력 전달 케이블 용도로 사용하기 위한 HTS 전기 전도체의 설계 및 제조는 일부 가요성을 갖는 케이블을 제공할 뿐만 아니라 원거리에 걸쳐 낮은 손실로 고전류를 전달하는 케이블을 제공하는 것을 목표로 하여 왔다. HTS 전기 전도체를 형성하기 위한 설계 및 제조 기술은 전력 생산 용도로 사용되는 발전기의 코일 권취용 전기 전도체를 형성하는 데 또한 적용된다. 그러나, 전력 전달 케이블 내 용도의 전기 전도체의 배치 및 장착 조건이 발전기 코일 권취 내의 전도체의 배치 및 장착 조건과 매우 다르기 때문에, 코일 권취에 사용하기 위해 변경된 HTS 전기 전도체가 요구된다.
일부 양태에서, 제1 지지 박층부(lamina); 제2 지지 박층부; 상기 제1 지지 박층부와 제2 지지 박층부 사이에 위치하는 고온 초전도체를 포함하는 삽입부; 및 상기 삽입부를 상기 제1 지지 박층부 및 제2 지지 박층부 각각에 결합시키는, 삽입부 주위의 충전재 물질을 포함하는 적층형 전기 전도체가 제공된다. 상기 삽입부 위치에 상응하는 상기 제1 지지 박층부 및 제2 지지 박층부 사이의 위치에서, 상기 삽입부의 각 측면 상의 충전재 물질의 폭 치수는 상기 적층형 전기 전도체 폭의 10 퍼센트 이상이다.
일부 양태에서, 적층형 전기 전도체는 전도체 길이에 상응하는 방향으로 연장하는 A-축 및 상기 A-축에 횡단하는 B축을 가진다. 상기 B-축은 전도체 폭에 상응하는 방향으로 연장한다. 상기 전도체는 A축 및 B축 둘 모두에 횡단하는 C-축을 가지며, 상기 C-축은 전도체 두께에 상응하는 방향으로 연장한다. 상기 적층형 전기 전도체는 상기 적층형 전기 전도체 폭에 상응하는 폭을 갖는 제1 지지 박층부; 상기 제1 지지 박층부에 대해 C-축에 따라 층상 구조로 배열된 제2 지지 박층부; 상기 제1 지지 박층부와 상기 제2 지지 박층부 사이에 위치하는 고온 초전도체를 포함하는 삽입부; 및 상기 삽입부를 상기 제1 지지 박층부 및 상기 제2 지지 박층부 각각에 결합시키는, 삽입부 주위의 충전재 물질을 포함한다. 상기 삽입부 위치에 상응하는 상기 제1 지지 박층부와 상기 제2 지지 박층부 사이의 위치에서, 상기 삽입부 각 측면 상의 충전재 물질의 폭 치수는 상기 적층형 전기 전도체 폭의 10 퍼센트 이상이다.
상기 적층형 전기 전도체는 하기 특성 중 1 이상을 포함할 수 있다: 상기 충전재 물질은 솔더(solder)이다. 상기 제1 지지 박층부 및 상기 제2 지지 박층부 중 1 이상은 전기 전도성 물질로 형성된다. 상기 제1 지지 박층부는 상기 제2 지지 박층부와 다른 물질로 형성된다. 상기 적층형 전기 전도체는 상기 제1 지지 박층부와 상기 제2 지지 박층부 사이에 위치하는 고온 초전도체를 포함하는 제2 삽입부를 더 포함한다. 상기 제1 지지 박층부와 상기 제2 지지 박층부 중 1 이상은 폭이 12 mm 이상이고, 상기 삽입부는 폭이 9 mm 이상이다. 상기 제1 지지 박층부 및 상기 제2 지지 박층부 중 1 이상은 폭이 16 mm 이상이고, 상기 삽입부는 폭이 11.8 mm 이상이다. 상기 제1 지지 박층부에 수직인 축에 따른 적층형 전기 전도체의 인장 강도는 신뢰성 있게(reliably) 21 MPa 이상이며, 여기서 용어 '신뢰성 있게 21 MPa 이상'은, 상기 제1 지지 박층부에 수직인 축 상의 인장 시험 데이터를 갖는 전도체로서, 그 인장 시험 데이터의 99.7 퍼센트가 인장 시험 데이터 평균의 3 표준편차(three standard deviations) 내에 있고 상기 인장 시험 데이터의 평균과 상기 인장 시험 데이터 평균의 3 표준편차 간의 차이가 21 MPa 이상인 것인 전도체를 의미한다. 상기 적층형 전기 전도체의 C-축 인장 강도는 신뢰성 있게 21 MPa 이상이며, 여기서 용어 '신뢰성 있게 21 MPa 이상'은, C-축 인장 시험 데이터를 갖는 전도체로서, 상기 C-축 인장 시험 데이터의 99.7 퍼센트가 C-축 인장 시험 데이터 평균의 3 표준편차 내에 있고 상기 C-축 인장 시험 데이터의 평균과 상기 C-축 인장 시험 데이터 평균의 3 표준편차 간의 차이가 21 MPa 이상인 것인 전도체를 의미한다.
일부 양태에서, 1 이상의 고정자 권취부(stator winding)를 포함하는 고정자 어셈블리(stator assembly), 및 회전 장치 장축 주위의 상기 고정자 어셈블리 내에서 회전하도록 구성된 회전자 어셈블리(rotor assembly)를 포함하는 회전 장치가 제공된다. 상기 회전자 어셈블리는 1 이상의 회전자 권취부를 포함하고, 각각의 회전자 권취부는 단일 적층형 전기 전도체를 포함한다. 상기 적층형 전기 전도체는 전도체 폭에 상응하는 방향으로 연장하는 B-축 및 상기 B-축에 수직이고 전도체 두께에 상응하는 방향으로 연장하는 C-축, 제1 지지 박층부, 제2 지지 박층부, 상기 제1 지지 박층부와 상기 제2 지지 박층부 사이에 위치하는 고온 초전도체를 포함하는 삽입부, 및 상기 삽입부를 상기 제1 지지 박층부 및 상기 제2 지지 박층부 각각에 결합시키는, 상기 삽입부 주위의 충전재 물질에 의해 정의되는 단면을 포함한다. 상기 삽입부 위치에 상응하는 상기 제1 지지 박층부 및 제2 지지 박층부 사이의 위치에서, 상기 삽입부 각 측면 상의 충전재 물질의 폭 치수는 상기 적층형 전기 전도체의 10 퍼센트 이상이다.
상기 회전자 전기 장치는 하기 특징 중 1 이상을 포함할 수 있다: 상기 1 이상의 회전자 권취부는, 상기 전도체 B-축이 상기 회전자 어셈블리 반경과 평행하도록 상기 회전자 어셈블리 내에 지지된다. 횡단축에 따른 회전자 권취부 각각의 치수는 상기 적층형 전기 전도체의 B-축 치수와 실질적으로 동일하다. 상기 적층형 전기 전도체는 턴(turn)당 600 암페어 이상을 전송하는 것으로 구성된다. 상기 적층형 전기 전도체의 C-축 인장 강도는 신뢰성 있게 21 MPa 이상이며, 여기서 용어 '신뢰성 있게 21 MPa 이상'은, C-축 인장 시험 데이터를 갖는 전도체로서, 상기 C-축 인장 시험 데이터의 99.7 퍼센트가 C-축 인장 시험 데이터 평균의 3 표준편차 내에 있고 상기 C-축 인장 시험 데이터의 평균과 상기 C-축 인장 시험 데이터 평균의 3 표준편차 간의 차이가 21 MPa 이상인 것인 전도체를 의미한다.
일부 양태에서, 단일 적층형 전기 전도체를 포함하는 코일 권취부가 제공된다. 상기 적층형 전기 전도체는 전도체 폭에 상응하는 방향으로 연장하는 B-축, 상기 B-축에 수직이고 전도체 두께에 상응하는 방향으로 연장하는 C-축에 의해 정의되는 단면을 가진다. 상기 적층형 전기 전도체는 제1 지지 박층부, 제2 지지 박층부, 상기 제1 지지 박층부와 상기 제2 지지 박층부 사이에 위치하는 고온 초전도체를 포함하는 삽입부, 및 상기 삽입부를 상기 제1 지지 박층부 및 상기 제2 지지 박층부 각각에 결합시키는, 삽입부 주위의 충전재 물질을 포함한다. 상기 삽입부 위치에 상응하는 상기 제1 지지 박층부와 상기 제2 지지 박층부 사이의 위치에서, 상기 삽입부의 각각의 측면 상의 충전재 물질의 폭 수치는 상기 적층형 전기 전도체의 폭의 10 퍼센트 이상이다.
상기 코일 권취부는 하기 특징 중 1 이상을 포함할 수 있다: 상기 적층형 전기 전도체는 상기 B-축과 실질적으로 평행한 권취축(winding axis) 주위에 권취된다. 상기 권취축에 따른 각각의 회전자 권취부의 치수는 상기 적층형 전기 전도체의 B-축 치수와 실질적으로 동일하다. 상기 적층형 전기 전도체는 턴당 600 암페어 이상을 전송하는 것으로 구성된다. 상기 적층형 전기 전도체의 C-축 인장 강도는 신뢰성 있게 21 MPa 이상이며, 여기서 용어 '신뢰성 있게 21 MPa 이상'은, C-축 인장 시험 데이터를 갖는 전도체로서, 상기 C-축 인장 시험 데이터의 99.7 퍼센트가 C-축 인장 시험 데이터 평균의 3 표준편차 내에 있고 상기 C-축 인장 시험 데이터의 평균과 상기 C-축 인장 시험 데이터 평균의 3 표준편차 간의 차이가 21 MPa 이상인 것인 전도체를 의미한다. 상기 코일 권취부는 상기 적층형 전기 전도체의 복수의 턴을 포함하고, 상기 적층형 전기 전도체의 각각의 턴은 남은 턴에(relative to) 에폭시를 이용하여 고정한다. 상기 적층형 전기 전도체의 C-축 인장 강도는 상기 에폭시의 인장 강도보다 신뢰성 있게 크며, 여기서 용어 '상기 에폭시의 인장 강도보다 신뢰성 있게 크다'는, C-축 인장 시험 데이터를 갖는 전도체로서, 상기 C-축 인장 시험 데이터의 99.7 퍼센트가 C-축 인장 시험 데이터 평균의 3 표준편차 내에 있고 상기 C-축 인장 시험 데이터의 평균과 상기 C-축 인장 시험 데이터 평균의 3 표준편차 간의 차이가 상기 에폭시의 인장 강도보다 큰 것인 전도체를 의미한다. 상기 코일 권취부는 새들 코일 권취부(saddle coil winding)의 형태로 형성된다. 상기 권취부는 C-축 방향으로 적층되고 B-축 방향으로 단일 두께를 갖도록 축 주위에 권취되는 단일 전도체로 형성된다.
발전기 코일 권취 용도에서, C-축 강도는 중요한 설계 고려 사항이다. 이는 발전기 코일 권취 용도에서 확인되는 하중 조건 때문이다. 더욱 구체적으로, 이러한 용도에서, 상기 적층 전도체는 다중-턴(multi-turn) 발전기 코일 권취부를 형성하도록 굴대(mandrel) 주위에 권취된다. 상기 권취부에서, 개개의 전도체는 각각의 턴 사이의 에폭시 층과 함께 C-축에 따라 적층된다. 사용 시, 상기 발전기 코일 권취부는 초전도성이 허용되도록 극저온으로 냉각된다. 그러나, 에폭시 층이 적층을 구성하는 금속보다 더 수축하는 경향이 있기 때문에, 전도체를 층분리시키려는 경향이 있는 적층부에 높은 C-축 응력이 적용된다. 특히, 높은 C-축 응력은 HTS 삽입부 내에 빈번히 층분리를 유발시켜 상기 HTS 층이 금속 기재 층을 박리시킨다. 넓은 필렛(fillet) 구조를 갖는 적층형 전기 전도체를 제공함으로써, 상기 전도체의 C-축 강도는 에폭시의 강도보다 크며, 냉각으로 인한 전도체 층분리는 회피된다. 특히, HTS 삽입부의 측면 각각의 필렛 폭 치수가 상기 적층형 전기 전도체 폭의 10 퍼센트 이상인 것이 전도체 냉각으로 인한 층분리를 회피하기 위해 요구된다. 이는 전력 전달 케이블 용도와는 대조되는 것이며, 여기서 전력 전달 케이블 내의 전도체 장입 조건은 매우 다르고, 따라서 C-축 강도는 중요한 설계 고려사항이 아니다.
C-축 강도가 신뢰성 있게 21 MPa보다 큰 적층형 HTS 전기 전도체가 제공된다. 이는 전도체 측면 각각 상의 필렛 폭이 상기 전도체 폭의 10 퍼센트 이상인 적층부를 제공함으로써 달성된다. 이롭게도, 상기 적층부 구조는, 권취부로 형성되고 초전도성이 허용되도록 충분히 냉각될 때 전도체의 층분리를 방지한다.
통상의 적층형 고온 초전도 전기 전도체에 비해 높은 송전 용량을 갖는 적층형 HTS 전기 전도체가 제공된다. 이는 전체 전도체 폭이 12 mm보다 큰 적층부를 제공하여 달성한다. 일부 경우에, 넓은 적층형 전도체는, 통상의 적층형 전도체가 턴당 200 암페어인 것에 비해 턴당 600 암페어 이상을 제공하도록 구성된다. 상대적으로 높은 송전 용량은 보다 적은 턴으로 형성되는 권취부를 허용하고, 제조 중의 노동 및 비용을 절감시키기 때문에 이롭다. 또한, 초전도 코일 권취를 넓은 전도체에 적용하여 효율적인 턴 패킹 및 보다 적은 절연체 적용이 가능하고, 따라서 전류 밀도(암페어-턴)가 통상적으로 형성된 권취부보다 높다.
도 1은 풍력 터빈의 투시도이다.
도 2는 도 1의 풍력 터빈의 측면 단면도이다.
도 3은 발전기 고정자 어셈블리의 투시도이다.
도 4는 발전기 회전자 어셈블리의 측면 단면도이다.
도 5는 발전기 회전자 어셈블리의 투시도이다.
도 6은 3층(three-ply) HTS 전기 전도체의 투시 단면도이다.
도 7은 HTS 삽입부의 단면도이다.
도 8은 회전자 권취부 일부의 투시 단면도이다.
도 9는 4층 HTS 전기 전도체의 투시 단면도이다.
도 10은 3개의 상이한 전도체 구성의 5개 샘플에 대해 측정된 C-축 파괴 응력(MPa)을 나타내는 그래프이다.
도 11은 전체 전도체 폭의 퍼센트로 나타낸 필렛 폭에 대해 측정된 C-축 최종 인장 응력(MPa)을 나타내는 그래프이다.
도 12는 2개의 11.8 mm 폭의 삽입부를 포함하는 16 mm 폭의 전도체의 위치(미터)에 대한 임계 전류(암페어)의 그래프이다.
도 1을 참조하면, 풍력 터빈(10)은 허브(hub)(24)에 날개(22)가 연결된 터빈 회전자(20)를 포함한다. 상기 풍력 터빈(10)은 또한 발전기(30)와 허브(24) 사이에서 연장하는 구동 샤프트(90)에 의해 구동되는 전기 발전기(30)를 포함한다. 상기 발전기(30)는 기관실(nacelle)(26) 말단 개구부를 통해 도출된 터빈 회전자(20)와 함께 따로 부분적으로 도시되어 있는 기관실(26)에 하우징되어 있다. 아래에 보다 자세하게 기술되게 되는 바와 같이, 발전기(30)은 저주파 용도로 사용되도록 구성되며, 터빈 회전자(20)와 동일한 주파수로 회전한다. 예를 들어, 예시되는 실시양태에서, 발전기(30)는 약 11 rpm으로 작동하고 10 메가와트 이상의 전력을 생산하도록 구성된다.
도 2를 참조하면, 발전기(30)은 HTS 영역 권취부를 함유하는 회전자 어셈블리(60) 및 비초전도성 고정자 권취부, 예를 들어 구리 고정자 권취부를 함유하는 고정자 어셈블리(40)를 포함하는 직접 구동의 동시 회전식 초전도성 장치이다. 아래에 더욱 자세하게 설명되게 되는 바와 같이, 회전자 어셈블리(60)는 고정자 어셈블리(40) 내에 지지되어 상기 고정자 및 회전자 어셈블리가 구동 샤프트(90)와 발전기(30)의 장축(15) 주위에서 동축을 가진다.
도 3을 참조하면, 고정자 어셈블리(40)는 고정자 코어(42) 및 그 고정자 코어(42) 내에 지지된 고정자 권취부(46)를 포함한다. 상기 고정자 코어(42)는 환상의 강자성 플레이트(44)를 형성하는 적층 아치형 부분의 어셈블리로서 형성된 중공 원동형 바디이다. 고정자 권취부(46)는 트랜스포징된 와이어 케이블(transposed wire cable)(도시되지 않음)로 형성되며, 여기서 상기 개개의 구리 와이어 전도체(도시되지 않음)는 꼬아지고/지거나 직조되어 전도 손실을 감소시키는 패턴을 형성한다. 상기 트랜스포징된 케이블은 리츠 와이어(Litz wire), 러더포드 와이어(Rutherford wire), 로벨 와이어(Robel wire), 또는 임의의 다른 적합한 트랜스포징 또는 직렬 권취 와이어를 포함할 수 있다. 상기 트랜스포징된 케이블은 발전기(30)의 장축(15)에 횡단하는 축 주위로 권취되어, 다이아몬드와 같은 통상의 형태를 가지거나 크랭킹된(cranked) 인장형 다중 턴 고정자 권취부(46)를 형성하고, 상기 고정자 권취부(46)는 통상의 수단으로 냉각된다.
도 4 및 5를 참조하면, 회전자 어셈블리(60)는 전자기 차폐부(50)로 둘러싸여 있는 토크 전달 어셈블리(80) 및 회전자 권취부 어셈블리(62)를 포함한다. 상기 전자기 차폐부(50)는 고정자 전류에 의해 생성된 비동기 필드를 약하게 하여 회전자 권취 어셈블리(62) 내의 회전자 권취부(64)를 차폐하는 전도성의 비자성 물질을 포함한다. 또한, 전자기 차폐부(50)는 상기 회전자 권취부 어셈블리(62)를 상기 고정자 어셈블리(40) 내에서 발생되는 열로부터 차페시킨다.
회전자 권취 어셈블리(62)는 다중 회전자 권취부(64)를 포함하며, 이의 각각은 굴대(66) 주위에 권취되는 고온 초전도체(HTS) 전도체(102)로 형성된다. 다른 구성이 가능하지만, 이러한 실시양태의 회전자 권취부(64)는 아래 추가로 논의되는 바와 같이 새들 코일의 형태로 존재한다. 회전자 권취부(64) 및 굴대(66)는 원통형 회전자 권취 지지 튜브(68) 상에 위치되고, 회전자 권취부(64), 굴대(66) 및 회전자 권취 지지 튜브(68)는 모두 저온유지장치(cryostat) 내에 포함되어 있다.
회전자 권취부(64)는 회전자 지지 튜브(68)를 통해 냉각되는 전도체이다. 예시되는 실시양태에서, 본 출원에서 그 내용이 참조 인용되고 동시 계류중인 US 출원 12/045,973호에서 기술되는 극저온 냉각 시스템은 회전자 지지 튜브(68)를 냉각시키는 데 사용된다. 극저온 냉각 시스템에서, 냉동기는 지지 튜브(68)의 원주 주위에 분포된다. 각각의 냉동기는 회전자 지지 튜브(68)에 연결된 저온 헤드, 및 그 냉동기에 연결된 열부하에 또는 이로부터 냉각제를 순환시키는 순환기(도시되지 않음)를 포함하고, 이로써 상기 냉동기 및 순환기는 회전자 지지 튜브(68)와 함께 회전하도록 구성된다.
토크 전달 어셈블리(80)는 회전자 권취 어셈블리(62)에 대해서 내측 방사상으로 위치하고, 고정자 어셈블리(40) 내에서 회전자 어셈블리(60)를 회전하며 동축으로 지지한다. 또한, 토크 전달 어셈블리(80)는 회전자 권취 어셈블리(62)를 지지하고, 구동 샤프트(90)에 회전자 권취 어셈블리(62)에 의해 생성된 회전력을 전달한다.
토크 전달 어셈블리(80)는 고정자 어셈블리(40), 구동 샤프트(90) 및 그 구동 샤프트(90)에 회전자 바디(82)를 연결시키는 토크 제한 커플링(100)과 관련하여 지지 튜브(68)를 지지하고 위치시키는 회전자 바디(82)를 포함한다. 구동 샤프트(90)의 한 말단(94)은 토크 제한 커플링(100)을 통해 회전자 바디(82)에 연결된다. 구동 샤프트(90)의 반대 말단(92)은 지지 베어링(28)(도 2에 가장 잘 도시됨)을 통해 기관실(26)에 의해 지지된다. 회전자 바디(82), 토크 제한 커플링(100) 및 구동 샤프트(90)는 저온유지장치(70)에 의해 한정되는 저온 공간의 외부에 존재하고, 따라서 상온에서 작동한다.
도 6을 참조하면, 새들형 회전자 권취부(64)는 단일 전기 전도체(102)로 형성된다. 전기 전도체(102)는 일반적으로 단면적 형태가 장방형이고 길이가 이의 폭 또는 두께보다 더욱 큰 고온 초전도성(HTS) 테입이다. 이러한 서술을 위해, 전도체(102)는 전류 전송 방향의 전도체 길이에 상응하는 방향으로 연장하는 A-축을 포함한다. 전도체(102)는 A-축에 횡단하고 전도체 폭 wc에 상응하는 방향으로 연장하는 B-축, 및 상기 A-축과 B-축 둘 모두에 횡단하고 전도체 두께 tc에 상응하는 방향으로 연장하는 C-축을 또한 포함한다. 이러한 참조 형식은 전체적으로 전도체(102)의 기하 구조를 참조하여 설정되며, 그 전도체(102) 내에 제공되는 초전도성 물질의 결정학적 좌표와는 개별적이다.
전도체(102)는 아래에 더 논의되는 바와 같이, 제1 지지 박층부(108), 제2 지지 박층부(110), 상기 제1 및 제2 지지 박층부(108, 110) 사이에 층상 배열로 위치하는 1 이상의 HTS 삽입부(112), 및 상기 HTS 삽입부(112)를 동봉하고 그 HTS 삽입부(112)를 상기 제1 및 제2 지지 박층부(108, 110)에 연결시키며 필렛(126)을 형성하는 솔더 충전재 물질(124)을 포함하는 적층형 어셈블리이다. 또한, 전도체(102)는 절연성 에폭시 코팅(도시되지 않음) 내에 넣어진다. 단일 HTS 삽입부(112)를 포함하는 도 6에 도시되는 적층형 전도체 어셈블리는 '3층' 전도체로 언급된다.
제1 및 제2 지지 박층부(108, 110)는 전기 전도성 물질, 예컨대 금속으로 형성되고, 전도체(102)를 강화시키는 데 사용된다. 예를 들어, 제1 및 제2 지지 박층부(108, 110)는 구리, 구리 합금, 스테인리스 강, 황동 및 이들의 복합체로 형성될 수 있다. 예시되는 실시양태에서, 제1 지지 박층부(108)는 제2 지지 박층부(110)와 동일한 물질로 형성된다.
전도체(102) 내에, 충전재 물질(124)은 삽입부(112)를 완전히 둘러싼다. 충전재 물질(124)은 일반적으로 제1 지지 박층부(108)와 제2 지지 박층부(110) 사이의 가능한 공간을 충전하지만, 필렛(126)이 상기 충전재 물질(124)의 측면 모서리를 따라 형성되고, 여기서 제조 중 표면 장력으로 인해 얇은 초승달 형상(meniscus)이 형성된다. 상기 충전재 물질(124)은 기계적으로 모든 부품을 함께 결합시킨다. 다른 많은 솔더가 충전재 물질(124)로서 사용될 수 있고, 사용되는 특정 솔더는 특정 용도의 요건(열적, 전기적, 기계적 요건)을 기준으로 선택된다. 예를 들어, 상기 충전재 물질(124)은 Pb-Sn 솔더, Sn 솔더 또는 기타 솔더로부터 선택될 수 있다.
도 7을 참조하면, HTS 삽입부(112)는 또한 적층 구조이며, 금속 기재(120)를 포함한다. 일부 실시양태에서, 상기 금속 기재(120)는 강자성 물질로 형성된다. 예를 들어, 금속 기재(120)는 NiW로 형성될 수 있다. 적어도 금속 기재(120)의 표면은 2축 직조되어 1 이상의 완충층(118) 및 HTS 층(116)에 대한 결정 형판을 제공한다. 상기 완충층(118)은 금속 기재(120)와 중첩된다. 일부 실시양태에서, 완충층(118)은 전기적으로 전도성인 물질이 사용될 수 있지만, 전기적으로 절연성인 물질로 형성된다. 완충층(118)은, 예를 들어 불활성 금속, 금속 또는 희금속 원소(예를 들어, Al2O3, CeO2, Y2O3, MgO, Gd2O3, 티탄산스트론튬, 지르콘산가돌리늄, 이트리아 안정화 지르코니아, AlN, Si3N4, LaMnO4, La2Zr2O7 또는 La2-xCexZr2O7)의 산화물, 지르콘산염, 티탄산염, 니오브산염, 질화물, 탄탈산염, 알루미늄산염, 큐프레이트(cuprate), 망간산염 또는 루테늄산염으로 구성된다. HTS 결정이 성장하는 적합한 직물을 제공하는 임의의 물질 또는 이의 조합이 사용될 수 있다. HTS 층(116)은 완충층(118)과 중첩하며, 임의의 HTS 물질일 수 있다. 일부 실시양태에서, HTS 층은 희토류-알카리 토류-산화구리, 예컨대 YBCO를 포함한다. 캡층(cap layer)(114)은 HTS 층(116)과 중첩하고, 화학적 및 기계적 저하로부터 HTS 층을 보호한다. 캡층(114)은 스퍼터링된(sputtered) Ag 또는 기타 불활성 금속일 수 있다. HTS 삽입부(112)는 4∼10 cm 폭의 단일 웹으로부터 소정의 폭으로 제조되는 다중 와이어를 허용하는 와이드-스트립(wide-strip) 제조 공정을 이용하여 제조한다. 따라서, 상대적으로 넓은 전도체를 형성하여 단일 와이어에서 보다 높은 전류를 허용할 수 있다.
도 8을 참조하면, 새들형 회전자 권취부(64)에서 전도체(102)는 발전기(30)의 장축(15)에 횡단하는 T-축 주위의 굴대(66) 주위에서 권취된다. 굴대(66)는 일반적으로 연장된 타원 형태이기 때문에, 회전자 권취부(64)는 굴대(66)의 긴 측면을 따른 직선부(64a), 및 굴대(66)의 상대적으로 짧은 둥근 말단을 따라 곡선부(64b)를 포함한다. 더욱 구체적으로, 새들형 회전자 권취부(64)에서, 전도체(102)는 굴대(66) 주위에 권취되어 직선부(64a) 내에서 전도체 B-축은 회전자 어셈블리(60)의 반경 R에 평행하고 지지 튜브(68)의 외부 표면에 수직이다. 반경 R 및 T-축은 굴대(66) 중심에서 동축이고, 반경 R은 굴대(66)의 주변에 인접한 위치에서의 T-축과 비교하여 약간의 편의각을 가진다는 것이 이해된다.
일부 실시양태에서, 전도체(102)는 T-축 주위에서 300∼400 턴 이상으로 권취된다. 결과적으로, 상기 코일 권취부(64)가 도 6에서와 같이 단면으로 도시될 때, 전도체(102)의 다중층은 전도체의 C-축에 따라 배열된다. 전도체(102)의 단면은 회전자 권취부(64) 내의 전도체층 방향의 시각화를 위해 도 8에서 비례하여 도시되지 않았음을 주지해야 한다. 또한, 전도체(102)는 단일층으로 배열되어 반경(R)에 따른 회전자 권취부(64)의 치수는 전도체(102)의 B-축 치수(예를 들어, 전도체 폭 wc)와 동일하다. 코일 권취부(64)의 상대적으로 큰 폭(wc)으로 인해 단일층으로 이를 형성하는 것이 가능하다. 단일층 새들 권취부 구성은 원호부를 형성하는 다중 팬케이크형 적층과 같은 다른 구성과 비교하여 상대적으로 단순하고 기계적으로 더욱 튼튼하며, 이용가능한 공간에 전도체를 매우 효율적으로 패킹할 수 있기 때문에 이롭다. 당업자는 큰 직경 상의 새들 권취부는 팬케이크형 권취부와 매우 가깝게 동일하다는 것을 이해하게 된다. 그러나, 새들 권취부의 한 장점은 그 새들 권취부가 튜브 표면에 일치한다는 점이다.
전도체(102)가 코일 권취부 용도로 사용되는 경우, 코일 권취부의 턴을 형성하기 위한 C-축 방향에 따른 전도체(102)의 층상 배열 및 전도체(102)을 둘러싸는 에폭시와 전도체(102)를 형성하는 금속의 불균일한 열수축 특성으로 인한 전도체 층분리를 방지하기 위해 21 MPa보다 큰 C-축 강도가 중요하다는 것이 확인되었다. 전도체(102)에서, 요구되는 C-축 강도는 삽입부(112)의 위치에 상응하는 제1 지지 박층부(108) 및 제2 지지 박층부(110) 사이의 위치에서 폭 방향으로(예를 들어, B-축에 따라) 측정하여 삽입부(112)의 각 측면 상의 충전재 물질(124)의 폭 치수가 전도체(102) 폭의 10 퍼센트 이상이 되도록 전도체(102)를 형성함으로써 달성된다. 3층 전도체(102)에서, 이러한 위치는 일반적으로 전도체(102)의 중간 두께(예를 들어, C-축 방향의 중간점)에 상응한다.
요구되는 필렛 두께를 얻기 위해서, 삽입부 폭 wi가 전도체 폭 wc보다 작고 HTS 층(116)을 포함하는 삽입부(112)가 형성된다. 특히, 전형적으로 초전도성 물질로 충전되는 전도체(102) 내 공간은 충전재 물질로 충전되고, 이로써 전류는 회전자 권취부(64)에서 요구되는 C-축 강도 특성을 달성하기 위해서 타협된다.
예시되는 실시양태에서, 지지 박층부(108, 110) 폭 12.0 mm 및 두께 0.050 mm에 상응하여 전도체 폭 wc를 갖는 전도체(102)가 형성된다. 또한, 삽입부(112)가 9.0 mm의 폭 wi으로 제공된다. 특히, 삽입부 폭 wi는 삽입부(112)의 각 측면 상의 최소 필렛 폭이 전도체 폭 wc의 10 퍼센트보다 크도록 선정된다. 삽입부(112)의 위치에 상응하는 제1 지지 박층부 및 제2 지지 박층부 사이의 높이 위치에서 측정한 바에 따르면, 전체 필렛의 전도체 폭 중 퍼센트(예를 들어, 삽입부(112)의 측면 둘 모두로부터)는 ((wc - wi) / wc)*100에 해당한다. 삽입부(112)의 각 측면 상의 필렛 폭 중 전도체 폭의 퍼센트는 ((wc - wi) / 2wc)*100에 상응하고, 적어도 10 퍼센트 이상일 것이 요구된다. 이러한 퍼센트는 필렛(126)의 오목부를 무시하지만, 이는 전도체(102)의 전체 두께가 작고, 따라서 오목부는 매우 경미하기 때문에 허용된다. 따라서, 전도체 폭 wc이 12.0 mm이고 삽입부 폭 wi이 9.0인 전도체에서, 삽입부(112) 각 측면 상의 필렛 물질(124)의 폭 치수는 12.5 퍼센트이다.
전도체 치수는 전술한 12-9 구성으로 한정되지 않는다. 보다 높은 전류를 요구하는 용도에서, 삽입부 폭이 증가된 전도체(102)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 전도체 폭 wc이 16.0 mm인 전도체(102)가 형성될 수 있다. 폭 wi이 11.8 mm인 상응하는 삽입부(112)가 제공된다. 이러한 예에서, 삽입부(112)의 각 측면 상의 필렛 물질(124)의 폭 치수는 13 퍼센트이다.
도 9를 참조하면, 대안적인 실시양태 전도체(202)는 2개의 HTS 삽입부(112, 112')를 포함하는 것을 제외하고 3층 전도체(102)와 동일하며, 이는 '4층' 전도체로 일컬어진다. 2개의 삽입부(112, 112')를 갖는 전도체(202)를 제공함으로써, 단일 삽입부(112)를 갖는 전도체(102)에 비해 높은 송전 용량이 수득된다.
HTS 삽입부(112, 112')는 구조적으로 동일하고, 전도체의 중간 두께를 통하는 축을 가로지르고 B-축과 평행하도록 도시되는 바와 같이 제1 HTS 삽입부(112) 층의 순서가 제2 HTS 삽입부(112') 층의 순서를 미러링(mirror)하도록 박층부 사이에 배열된다. 특히, HTS 삽입부(112, 112')는 층의 순서가 일반적으로 캡층(114)/HTS 층(116)/완충층(들)(118)/금속 기재(120)/금속 기재(120')/완충층(들)(118')/HTS 층(116')/캡(114')이 되도록 배열된다. 달리 언급하면, HTS 삽입부(112, 112')는 HTS 층(116, 116')이 각각의 금속 기재(120, 120')에 비해 외측으로 위치하도록 배열된다. 이러한 배열에 의해, 각각의 HTS 층(116, 116')은 금속 기재층(120, 120')을 전기적으로 차폐시키고, 이러한 구성은 삽입부(112)의 순서가 축에 걸쳐 미러링되기보다는 반복되는 HTS 테입 구성에 비해 AC 손실이 저감된다.
상기 논의되는 바와 같이, 넓은 필렛 폭을 포함하는 전도체 구성은 그 전도체를 층분리시키는 경향이 있는 높은 C-축 응력이 에폭시 냉각으로 인해 적층체에 인가되는 코일 권취 실패 방식을 해소한다. 특히, 층분리는 전도체의 C-축 인장 강도가 에폭시의 장력 완화점(strain relief point)보다 높은 전도체를 형성함으로써 회피할 수 있다. 예시되는 실시양태에서, 장력 완화점이 14 MPa이고 안전율(safety factor)이 1.5인 에폭시에 대해서 최소 전도체 C-축 강도는 21 MPa이다.
전도체(202)에서, 요구되는 C-축 강도는 HTS 삽입부(112, 112')의 위치에 상응하는 제1 지지 박층부(108)와 제2 지지 박층부(110) 사이의 위치에서의 폭 방향(예를 들어, B-축에 따름)으로 측정하여 HTS 삽입부(112, 112')의 각 측면 상의 충전재 물질(124)의 폭 치수가 전도체(202) 폭의 10 퍼센트 이상이 되도록 전도체(202)를 형성함으로써 달성된다. 4층 전도체(102)에서, 이러한 위치는 일반적으로 전도체(202)의 중간 두께(예를 들어, C-축 방향의 중간점)에 상응한다.
도 10 및 11과 관련하여 하기 논의되는 바와 같이, 삽입부의 각 측면 중 하나 또는 둘 모두 상의 필렛 폭이 10 퍼센트보다 작으면 요구되는 C-축 강도(예를 들어, 21 MPa보다 큼)를 신뢰성 있게 제공하지 않고 회전자 권취부(64)에 사용하기 적합하지 않게 되는 전도체(102, 202)를 유발시키는 것으로 실험적으로 측정되었다.
도 10은 하기 3개의 다른 구성의 4층 전도체 샘플에 대해 측정된 C-축 파괴 응력 그래프이다: 전도체 폭 wc이 16.0 mm이고 삽입부 폭 wi이 11.8 mm인 제1 실시예 전도체; 전도체 폭 wc이 12.0 mm이고 삽입부 폭 wi이 9.0 mm인 제2 실시예 전도체; 및 전도체 폭 wc이 12 mm이고 삽입부 폭 wi이 10 mm인 제3 실시예 전도체. 제1 및 제2 실시예 전도체는 삽입부의 각 측면 상의 필렛 폭이 각각 전도체 폭의 13.1 퍼센트 및 12.5 퍼센트이다. 제3 실시예 전도체는 삽입부의 각 측면 상의 필렛 폭이 전도체 폭의 단지 8.3 퍼센트인 것을 유도한다. 이러한 그래프는 필렛 폭 증가가 일반적으로 C-축 인장 파괴 강도 증가를 유도한다는 것을 예시한다.
삽입부(112)가 필렛 영역(126)의 먼 측면(외향 표면)으로부터 너무 멀기 때문에 필렛 폭이 증가하면 강도는 증가하지 않게 된다는 것이 통상적인 지혜이다. 더욱이, 다른 것들 중에, 특히 권취 용도로 사용되는 전기 전도체를 위한 전기 전도체 기술은 송전 용량을 증가시키기 위한 요구로 발전된다. 따라서, 필렛 폭의 증가는 삽입부 폭 감소를 유도하기 때문에, 당업자는 삽입부 크기를 감소시키기보다는 삽입부 크기를 증가시키는 해결책을 모색하며, 필렛 폭 증가를 고려하지 않는다. 예상치 않게, 필렛 폭의 증가와 함께 C-축 인장 강도의 점진적인 향상이 있다. 이는 전도체 모서리가 전도체(102, 202) 제조 중 발생하는 갈라짐 과정(slitting process)에 의해 발생하는 균열 핵형성 부위라는 사실에 기인한다. 보다 넓은 필렛(126)은 잠재 균열 핵형성 부위에서 바로 더욱 많은 인장 강도를 제공한다.
도 10에 도시된 각각의 실시예는 21 MPa 초과의 C-축 인장 강도를 증명한다. 그러나, 하기 논의되는 바와 같이, 제3 실시예 전도체는 21 MPa 이상의 C-축 인장 강도를 신뢰성 있게 증명하지 않는다. 따라서, 필렛 폭이 10 퍼센트보다 작은 도 10의 제3 실시예 전도체는 회전자 권취부(64)에 사용하는 데 적합하지 않게 된다.
필렛 폭(전도체 폭의 퍼센트로 표시) 및 C-축 방향으로 측정된 최종 인장 응력과의 관계를 예시하는 도 11을 참조하면, 보다 높은 최종 인장 응력은 전체 전도체 폭에 대한 퍼센트 필렛 폭이 보다 큰 전도체에 대해서 수득된다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 이러한 도면은, 삽입부(112)의 각 측면 상의 필렛 폭이 전도체 폭의 10 퍼센트보다 큰 상기 전도체(102, 202)가 신뢰성 있게 21 MPa보다 큰 기계적 강도를 갖는다는 것을 예시한다. 본 원에서 적용되는 바와 같이, 전도체(120, 202)는 C-축 인장 시험 데이터의 99.7 퍼센트가 상기 시험 데이터 평균의 3 표준편차 안에 있는 경우에 신뢰성 있는 것으로 고려된다. 이러한 경우에, 평균 전도체 C-축 인장 강도와 그 평균 전도체 C-축 인장 강도의 3 표준편차 간의 차이는 최소한 전도체(102, 202)에 대해서 21 MPa이어야 한다. 이러한 표준을 만족하는 전도체는 신뢰성 있을 수 있는 매우 높은 가능성을 가지며, 발전기(30) 내에 한번 조립되면 결함있는 코일 권취부(64)를 교체하는 것은 매우 어렵고 값비싸기 때문에 신뢰성은 코일 권취부의 중요 특성이다. 도 11에서, 삽입부의 각 측면 상의 필렛 폭이 전도체 폭의 10 퍼센트보다 작은, 예를 들어 4 퍼센트 및 8.3 퍼센트인 전도체는 상기 신뢰성 표준을 만족하지 않았으며, 따라서 회전자 권취부(64)에 사용하는 데 적합하지 않다.
도 12는 박층부 폭이 16 mm이고 삽입부 폭이 11.8인 4층 전도체(202) 240 미터를 따라 간격을 두고 측정된 임계 전류 Ic의 그래프이다. 이롭게는, 전도체(202)는 높은 송전 용량(예를 들어, 약 600 암페어의 임계 전류 Ic)을 증명하며, 이로써 전도체(202)로 형성된 단일 전도체 권취부(64)가 또한 유사하게 높은 송전 용량을 제공한다. 이와 같이, 평행하게 다중 코일을 갖는 발전기 권취부가 회피될 수 있다. 또한, 임계 전류 Ic는 전도체 길이에 따라 편차가 거의 없다.
상기 기술된 바와 같이 코일 권취 특성의 조합에 의해 코일 권취부(64)로부터 요구되는 성능(예를 들어, 턴당 600 암페어 이상을 송전하는 능력)을 달성할 수 있다. 특히, 상기 코일 권취부는 4층 HTS 전도체(202)로 형성되고, 하기에 더 논의되는 바와 같이 큰 폭 wc, 예를 들어 12 mm, 16 mm 이상을 갖는 전도체(202)가 형성된다. 폴(pole) 쌍의 수로 나눠진 θ = 180 도의 원호부를 차지하게 되도록 각각의 폴셋(poleset)은 권취된다. 큰 전도체 폭 wc으로 상기 원호부 내에 사용되는 전도체(202)의 단일층 배열(도 8 참조)이 가능하며, 이로써 상기 아크(예를 들어, 이용가능한 공간) 내에 전도체(202)를 매우 효율적이고 높은 밀도로 패킹할 수 있다. 향상된 패킹은 보다 적은 절연을 요구하기 때문에 보다 높은 전류 밀도, 즉, 보다 좋은 암페어-턴을 유도한다. 또한, 각각의 권취부(64)에 대해서 하나만의 전도체층이 권취되기 때문에, 다중층이 사용되는 구성에서보다 제조 중 보다 적은 노력이 필요하다. 또한, 높은 전도체 패킹 밀도는 전류 자가 재분배(current self-redistribution)를 촉진시키는 구성이며, 이는 송전 용량과 관련하여 30 퍼센트만큼 많은 이점을 유도한다. 이는, 폴셋의 외향 및 내향 반경 모서리 상의 전도체(202)의 C-축에 평행하고 상기 원호 중간점 근처 전도체(202)의 B-축에 평행한 흐름 밀도(flux density) 구배에 매우 넓은 단일층 권취부가 일반적으로 노출되기 때문에 발생한다. 직조된 YBCO 및 BSCCO 전도체는 적용된 흐름 밀도가 상기 전도체의 C-축에 평행한 경우에 더욱더 많은 전류를 전송한다. 이와 같이, 본 원에서 개시된 넓은 전도체(202)는 상기 원호 모서리로부터 상기 원호 중간점으로 전류를 재분배한다.
4층 전도체(202)를 포함하는 단일층 권취부(64)를 적용하는 HTS 장치는 일부 통상의 장치에 비해 보다 작은 크기 및 중량을 갖게 되며, 여전히 600 암페어의 작동 전류를 제공한다. 이는, 예를 들어 에어갭(air gap) 흐름 밀도가 1.5 T보다 큰 경우, 회전자 아이언(rotor iron)과 고정자 백 아이언(back iron) 사이의 효과적인 에어갭은 대략적으로 200 mm이고, 이의 원호부는 절연된 턴 두께 400 마이크론에 대한 400 턴보다 큰 단일층 권취 턴을 가진다.
발전기(30)에 사용하기 위한 토크 제한 커플링(100)의 선택된 예시적 실시양태가 어느 정도 자세히 상기 기술된다. 본 발명의 이러한 작업 실시예가 상기 기술되었지만, 본 발명은 상기 기술된 작업 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 설계 대체가 특허청구범위에서 언급되는 바와 같이 본 발명으로부터 이탈함 없이 실시될 수 있다.
전도체(102, 202)가 본 원에서 2개의 지지 박층부(108, 110)을 포함하는 것으로 기술되었지만, 상기 전도체는 2개 이상의 박층부를 갖는 것으로 형성될 수 있다. 또한, 제1 지지 박층부(108)는 제2 지지 박층부(110)와 동일한 물질로 필수적으로 형성되지 않는다. 대신 전도체(102, 202)는 상이한 물질로 형성된 박층부를 포함할 수 있다. 박층부(108, 110)는 두께가 0.050 mm인 것으로 기술되었지만, 지지 박층부는 0.050 mm 이외의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
전도체(102, 202)가 1 또는 2 개의 삽입부를 갖는 것으로 본 원에서 기술되지만, 상기 전도체는 이러한 삽입부 개수에 한정되지 않는다. 일부 실시양태에서, 상기 전도체는 2 이상의 삽입부를 갖도록 형성될 수 있다. 더욱이, 통상의 금속이 각각의 삽입부 사이에 위치할 수 있다.
예시되는 실시양태에서, 회전자 권취부(64)는 극저온 냉각 시스템을 이용하는 회전자 지지 튜브(68)를 통해 냉각되는 전도체이나, 상기 회전자 권취부의 전도체 냉각은 다른 기술을 이용하여 달성할 수 있다. 예를 들어, 다른 실시양태에서, 냉각 튜브는 회전자 권취부(64) 중간의 회전자 지지 튜브(68)의 외표면에 용접된다. 다른 실시양태에서, 상기 냉각 튜브는 굴대(66) 및/또는 권취부(64) 이들 자체 상에 위치할 수 있다. 대안적으로, 회전자 권취부(64)를 냉각시키는 다른 방법이 상기 냉각 튜브 배열을 대체할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시양태에서, 기상 헬륨이 저온유지장치(70) 내부에서 순환하여 회전자 권취부(64)를 냉각시킨다. 회전자 권취 어셈블리(62)로 기상 헬륨이 외향 또는 내향으로 흐르는 것을 허용하는 냉각제 공급 라인(도시되지 않음)이 동축 헬륨 이송 커플링(도시되지 않음)을 통과하며, 이는 고정식-회전식 유니온(stationary-to-rotating union)이다.
또한, 본 발명을 명확히 하는 데 필요한 것으로 고려되는 구조만이 본 원에서 기술되었음이 이해되어야 한다. 다른 통상의 구조, 및 시스템의 보조 및 부가 부분의 구조가 당업자에게 공지 및 이해되는 것으로 사료된다.

Claims (30)

  1. 적층형 전기 전도체로서,
    제1 지지 박층부(lamina);
    제2 지지 박층부;
    상기 제1 지지 박층부와 상기 제2 지지 박층부 사이에 위치하는 고온 초전도체를 포함하는 삽입부; 및
    상기 삽입부를 상기 제1 지지 박층부 및 상기 제2 지지 박층부 각각에 결합시키는, 상기 삽입부 주위의 충전재 물질
    을 포함하고,
    상기 삽입부 위치에 상응하는 상기 제1 지지 박층부 및 상기 제2 지지 박층부 사이의 위치에서, 상기 삽입부의 각 측면 상의 충전재 물질의 폭 치수는 상기 적층형 전기 전도체 폭의 10 퍼센트 이상이고,
    상기 제1 지지 박층부에 수직인 축에 따른 적층형 전기 전도체의 인장 강도는 신뢰성 있게(reliably) 21 MPa 이상이며, 여기서 용어 '신뢰성 있게 21 MPa 이상'은, 상기 제1 지지 박층부에 수직인 축에 따른 인장 시험 데이터를 갖는 전도체로서, 상기 인장 시험 데이터의 99.7 퍼센트가 상기 인장 시험 데이터 평균의 3 표준편차(three standard deviations) 내에 있고 상기 인장 시험 데이터의 평균과 상기 인장 시험 데이터 평균의 3 표준편차 간의 차이가 21 MPa 이상인 것인 전도체를 의미하는 것인 적층형 전기 전도체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 충전재 물질은 솔더(solder)인 것인 적층형 전기 전도체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 지지 박층부 및 상기 제2 지지 박층부 중 1 이상은 전기 전도성 물질로 형성되는 것인 적층형 전기 전도체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 지지 박층부는 상기 제2 지지 박층부와 다른 물질로 형성되는 것인 적층형 전기 전도체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 지지 박층부와 상기 제2 지지 박층부 사이에 위치하는 고온 초전도체를 포함하는 제2 삽입부를 추가로 포함하는 적층형 전기 전도체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 지지 박층부 및 상기 제2 지지 박층부 중 1 이상은 폭이 12 mm 이상이고, 상기 삽입부는 폭이 9 mm 이상인 것인 적층형 전기 전도체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 지지 박층부 및 상기 제2 지지 박층부 중 1 이상은 폭이 16 mm 이상이고, 상기 삽입부는 폭이 11.8 mm 이상인 것인 적층형 전기 전도체.
  8. 전도체 길이에 상응하는 방향으로 연장하는 A-축, 상기 A-축에 횡단하고 전도체 폭에 상응하는 방향으로 연장하는 B-축, 및 상기 A-축 및 상기 B-축 둘 모두에 횡단하고 전도체 두께에 상응하는 방향으로 연장하는 C-축을 갖는 적층형 전기 전도체로서,
    상기 적층형 전기 전도체 폭에 상응하는 폭을 갖는 제1 지지 박층부;
    상기 제1 지지 박층부에 대해서 C-축에 따라 층상 구성으로 배열된 제2 지지 박층부;
    상기 제1 지지 박층부와 상기 제2 지지 박층부 사이에 위치하는 고온 초전도체를 포함하는 삽입부; 및
    상기 삽입부를 상기 제1 지지 박층부 및 상기 제2 지지 박층부 각각에 결합시키는, 상기 삽입부 주위의 충전재 물질
    을 포함하고,
    상기 삽입부 위치에 상응하는 상기 제1 지지 박층부 및 상기 제2 지지 박층부 사이의 위치에서, 상기 삽입부의 각 측면 상의 충전재 물질의 폭 치수는 상기 적층형 전기 전도체 폭의 10 퍼센트 이상이고,
    상기 적층형 전기 전도체의 C-축 인장 강도는 신뢰성 있게 21 MPa 이상이며, 여기서 용어 '신뢰성 있게 21 MPa 이상'은, C-축 인장 시험 데이터를 갖는 전도체로서, 상기 C-축 인장 시험 데이터의 99.7 퍼센트가 상기 C-축 인장 시험 데이터 평균의 3 표준편차 내에 있고 상기 C-축 인장 시험 데이터의 평균과 상기 C-축 인장 시험 데이터 평균의 3 표준편차 간의 차이가 21 MPa 이상인 것인 전도체를 의미하는 것인 적층형 전기 전도체.
  9. 제8항에 있어서, 상기 충전재 물질은 솔더인 것인 적층형 전기 전도체.
  10. 제8항에 있어서, 상기 제1 지지 박층부 및 상기 제2 지지 박층부 중 1 이상은 전기 전도성 물질로 형성되는 것인 적층형 전기 전도체.
  11. 제8항에 있어서, 상기 제1 지지 박층부는 상기 제2 지지 박층부와 다른 물질로 형성되는 것인 적층형 전기 전도체.
  12. 제8항에 있어서, 상기 제1 지지 박층부와 상기 제2 지지 박층부 사이에 위치하는 고온 초전도체를 포함하는 제2 삽입부를 추가로 포함하는 적층형 전기 전도체.
  13. 제8항에 있어서, 상기 제1 지지 박층부 및 상기 제2 지지 박층부 중 1 이상은 폭이 12 mm 이상이고, 상기 삽입부는 폭이 9 mm 이상인 것인 적층형 전기 전도체.
  14. 제8항에 있어서, 상기 제1 지지 박층부 및 상기 제2 지지 박층부 중 1 이상은 폭이 16 mm 이상이고, 상기 삽입부는 폭이 11.8 mm 이상인 것인 적층형 전기 전도체.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 삭제
  28. 삭제
  29. 삭제
  30. 삭제
KR1020147030402A 2012-03-30 2013-03-27 C-축 강도가 높은 광폭 전기 전도체 KR101641013B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/435,156 2012-03-30
US13/435,156 US8791052B2 (en) 2012-03-30 2012-03-30 Wide electrical conductor having high C-axis strength
PCT/US2013/034059 WO2013148811A2 (en) 2012-03-30 2013-03-27 Wide electrical conductor having high c-axis strength

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150003227A KR20150003227A (ko) 2015-01-08
KR101641013B1 true KR101641013B1 (ko) 2016-07-19

Family

ID=48050338

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020147030402A KR101641013B1 (ko) 2012-03-30 2013-03-27 C-축 강도가 높은 광폭 전기 전도체

Country Status (6)

Country Link
US (1) US8791052B2 (ko)
EP (1) EP2831987B1 (ko)
JP (1) JP6197026B2 (ko)
KR (1) KR101641013B1 (ko)
ES (1) ES2661036T3 (ko)
WO (1) WO2013148811A2 (ko)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DK178999B1 (en) * 2015-12-03 2017-07-31 Envision Energy Denmark Aps Synchronous superconductive rotary machine having a consecutive pole arrangement
US10804010B2 (en) 2017-05-12 2020-10-13 American Superconductor Corporation High temperature superconducting wires having increased engineering current densities
US10601299B2 (en) * 2017-09-07 2020-03-24 American Superconductor Corporation High temperature superconductor generator with increased rotational inertia
US10669001B2 (en) 2017-12-11 2020-06-02 American Superconductor Corporation Hybrid electrical and mechanical propulsion and energy system for a ship
GB201814357D0 (en) * 2018-09-04 2018-10-17 Tokamak Energy Ltd Alignment of HTS tapes
WO2020242445A1 (en) * 2019-05-24 2020-12-03 General Electric Company Field coil support structure and modular field coil design in a superconducting machine

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001056128A2 (en) 2000-01-20 2001-08-02 American Superconductor Corporation Pre-treatments for the encapsulation of superconducting composites
JP2008243588A (ja) 2007-03-27 2008-10-09 Toshiba Corp 高温超電導線材、高温超電導コイルおよびその製造方法
WO2012039444A1 (ja) * 2010-09-24 2012-03-29 株式会社フジクラ 酸化物超電導線材およびその製造方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3375381D1 (en) 1982-04-19 1988-02-25 Nissan Motor Method and apparatus for controlling reduction ratio of continuously variable transmission
US5777420A (en) 1996-07-16 1998-07-07 American Superconductor Corporation Superconducting synchronous motor construction
US6444917B1 (en) * 1999-07-23 2002-09-03 American Superconductor Corporation Encapsulated ceramic superconductors
DE10303307B4 (de) * 2003-01-28 2010-12-30 Siemens Ag Maschine mit einem Rotor und einer supraleltenden Rotorwicklung
US6759781B1 (en) 2003-02-14 2004-07-06 American Superconductor Corporation Rotor assembly
US7816303B2 (en) * 2004-10-01 2010-10-19 American Superconductor Corporation Architecture for high temperature superconductor wire
US8044752B2 (en) * 2006-07-21 2011-10-25 American Superconductor Corporation High-current, compact flexible conductors containing high temperature superconducting tapes
CN101548345A (zh) * 2007-08-14 2009-09-30 住友电气工业株式会社 超导带及其制造方法
JP5525876B2 (ja) * 2010-03-17 2014-06-18 株式会社東芝 絶縁被覆酸化物超電導線材および樹脂含浸超電導コイル
CN102948054B (zh) * 2010-06-21 2015-06-17 住友电气工业株式会社 超导线圈、旋转装置以及超导线圈制造方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001056128A2 (en) 2000-01-20 2001-08-02 American Superconductor Corporation Pre-treatments for the encapsulation of superconducting composites
JP2008243588A (ja) 2007-03-27 2008-10-09 Toshiba Corp 高温超電導線材、高温超電導コイルおよびその製造方法
WO2012039444A1 (ja) * 2010-09-24 2012-03-29 株式会社フジクラ 酸化物超電導線材およびその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
US8791052B2 (en) 2014-07-29
JP6197026B2 (ja) 2017-09-13
WO2013148811A3 (en) 2014-10-16
EP2831987A2 (en) 2015-02-04
JP2015515847A (ja) 2015-05-28
KR20150003227A (ko) 2015-01-08
ES2661036T3 (es) 2018-03-27
EP2831987B1 (en) 2018-01-31
WO2013148811A2 (en) 2013-10-03
US20130261000A1 (en) 2013-10-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101641013B1 (ko) C-축 강도가 높은 광폭 전기 전도체
JP3953813B2 (ja) 超伝導磁気コイルを備えるロータアセンブリ
Abrahamsen et al. Large superconducting wind turbine generators
US8436499B2 (en) Electrical machine with superconducting armature coils and other components
WO2006016134A1 (en) Superconducting electrical machines
EP3411884B1 (en) Second generation superconducting filaments and cable
WO2005055275A2 (en) Novel superconducting articles, and methods for forming and using same
US11783968B2 (en) Cabling method of superconducting flat wires
US7417192B2 (en) Superconductor components
WO2019004847A1 (en) ENERGY STORAGE SYSTEM WITH INERTIAL WHEEL
US6794970B2 (en) Low alternating current (AC) loss superconducting coils
Oberly et al. The importance of interfilamentary barrier resistance in YBCO coated conductor to minimize ac losses
Iwakuma et al. Development of a 7.5 kW YBCO superconducting synchronous motor
Rodenbush et al. Performance of high temperature superconducting coils for implementation into megawatt class generators
US20210375541A1 (en) Electrical machine and method for fabrication of a coil of an electrical machine
Yamada et al. Nb 3 Sn/NbTi superconducting windings for 30 MVA synchronous rotary condenser
Miki et al. Applied HTS Bulks and Wires to Rotating Machines for Marine Propulsion
JP5771509B2 (ja) 超電導ケーブル
NZ745190B2 (en) Second generation superconducting filaments and cable
Gieras et al. Superconducting electric machines
Levin et al. The Integration of YBCO Coated Conductors into Magnets and Rotating Machinery
WO2023107086A2 (en) Permanent magnets using high temperature superconductor tapes and methods of charging same

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant