KR101722057B1 - 자장 발생 장치 및 이를 구비한 초전도 회전기 - Google Patents

자장 발생 장치 및 이를 구비한 초전도 회전기 Download PDF

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Abstract

초전도 선재를 감은 초전도 코일(31)과, 도체로 이루어지며, 초전도 코일과 절연되고, 초전도 코일의 권축 방향에 있어서 초전도 코일과 인접하도록 또한 하나의 주면(主面)이 상기 초전도 코일을 향하도록 배치된 분할되어 있지 않는 도체판(32)과, 초전도 코일과 병렬로 연결되어 초전도 코일에 흐르는 전류를 감쇠시키는 보호 회로(4)를 구비하는 자장 발생 장치(1).

Description

자장 발생 장치 및 이를 구비한 초전도 회전기{MAGNETIC FIELD GENERATOR AND SUPERCONDUCTING ROTATING MACHINE PROVIDED WITH SAME}
본 발명은 자장 발생 장치 및 이를 구비한 초전도 회전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초전도 코일을 이용한 자장 발생 장치 및 이를 구비한 초전도 회전기에 관한 것이다.
특허문헌 1은 초전도 회로 보호 장치 및 초전도 자석 장치를 개시한다. 이 장치는 소규모의 강제 ??치(quench) 히터와, ??치시에 자기 유도에 의해 자기 에너지를 회수하는 유도 코일과, 정전 검출기를 구비하며, 정전 검출기가 정전을 검출하면, 온도 상승에 따른 저항 증가로 인해 유도 코일이 에너지 회수 효과를 잃어버리기 이전에 소규모의 강제 ??치 히터에 의해 초전도 코일을 강제로 ??치시켜 유도 코일에 자석 에너지를 회수한다. 이로써 정전 시의 ??치로부터 초전도 회로를 보호한다(특허문헌 1의 요약서).
특허문헌 2에서는 고온 초전도 마그넷을 개시한다. 이 마그넷은 고온 초전도 재료를 이용한 도체를 감아서 구성되는 복수의 코일 유닛을 적층한 고온 초전도 코일을 구비하는 것에 있어서, 상기 코일 유닛 사이에 히터를 설치한 열전도 부재를 삽입한 것을 특징으로 한다(특허문헌 2의 청구항 5).
일본공개특허공보 2010-272616호 일본공개특허공보 평07-142245호
본 발명은 자장 발생 장치 및 이를 구비한 초전도 회전기에 있어서, ??치 발생시에 초전도 코일이 유지하는 에너지를 더욱 신속하게 초전도 코일의 외부로 빼내는 것을 과제로 한다.
본 발명의 자장 발생 장치의 일 양태는 초전도 선재를 감은 초전도 코일과, 도체로 이루어지며, 상기 초전도 코일과 절연되고, 상기 초전도 코일의 권축 방향에 있어서 상기 초전도 코일과 인접하도록, 또한, 하나의 주면(主面)이 상기 초전도 코일을 향하도록 배치된 분할되어 있지 않는 도체판과, 상기 초전도 코일과 병렬로 연결되어 상기 초전도 코일에 흐르는 전류를 감쇠시키는 보호 회로를 구비한다.
본 발명의 초전도 회전기의 일 양태는 상기 자장 발생 장치를 구비한 초전도 회전기이며, 회전축과, 상기 회전축에 고정되어 상기 초전도 코일과 상기 분할되어 있지 않는 도체판을 구비한 초전도 코일 - 도체판 복합체를 구비하며, 상기 초전도 코일은 상기 초전도 회전기의 계자 권선을 이루고, 상기 초전도 코일에 전류를 공급하는 전원을 구비하는 초전도 회전기를 제공할 수 있다.
본 발명의 자장 발생 장치 및 이를 구비한 초전도 회전기에 따르면, ??치 발생시에, 초전도 코일이 유지하는 에너지를 더욱 신속하게 초전도 코일의 외부로 빼낼 수 있다는 효과를 나타낸다.
도 1은 제1 실시 형태의 제1 실시예에 따른 자장 발생 장치의 개략 구성의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 2a는 제1 실시 형태의 제1 실시예에 따른 자장 발생 장치의 초전도 코일의 개략 구성의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 2b는 제1 실시 형태의 제1 실시예에 따른 자장 발생 장치의 도체판의 개략 구성의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 3은 도 1의 자장 발생 장치의 등가회로도의 일례이다.
도 4는 제1 실시 형태의 시뮬레이션 예에 따른 자장 발생 장치의 초전도 코일 - 도체판 복합체의 개략 구성을 나타내는 단면 모식도이다.
도 5는 제1 실시 형태의 시뮬레이션 예에 따른 자장 발생 장치의 등가회로도이다.
도 6은 제1 실시 형태의 시뮬레이션 예에 따른 자장 발생 장치에 있어서, 도체판을 구비한 경우와 도체판을 구비하지 않는 경우에, ??치 시에 있어서의 초전도 코일을 흐르는 전류의 시간 변화를 비교한 그래프이다.
도 7은 제2 실시 형태의 제1 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자의 개략 구성을 나타내는 단면도이다.
도 8은 제2 실시 형태의 제1 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자의 등가회로도의 일례이다.
도 9는 제2 실시 형태의 제2 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자의 개략 구성을 나타내는 사시도이다.
도 10은 제2 실시 형태의 제2 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자의 개략 구성을 나타내는 분해도이다.
도 11은 제2 실시 형태의 제2 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자의 개략 구성을 나타내는 단면 사시도이다.
도 12는 제2 실시 형태의 제2 실시예에 따른 초전도 회전기의 등가 회로도의 일례이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 첨부 도면을 참조하면서 설명한다.
(제1 실시 형태)
제1 실시 형태의 제1 양태의 자장 발생 장치는 초전도 선재를 감은 초전도 코일과, 도체로 이루어지며, 초전도 코일과 절연되어 초전도 코일의 권축 방향에 있어서 초전도 코일에 인접하도록, 또한 하나의 주면(主面)이 초전도 코일을 향하도록 배치된 분할되어 있지 않는 도체판과, 초전도 코일과 병렬로 연결되어 초전도 코일에 흐르는 전류를 감쇠시키는 보호 회로를 구비한다.
이러한 구성에서는 ??치 발생시에, 초전도 코일이 유지하는 에너지를 더욱 신속하게 초전도 코일의 외부로 빼낼 수 있다.
도체판이란 전기저항률이 낮은 전기전도체로 이루어지는 판을 말한다.
제1 실시 형태의 제2 양태의 자장 발생 장치는 제1 실시 형태의 제1 양태의 자장 발생 장치이며, 분할되어 있지 않는 도체판은 초전도 코일의 권축 방향에서 볼 때 초전도 코일의 전면(全面)을 덮는다.
이러한 구성에서는 초전도 코일과 도체판의 상호 자기 연성(mutal induction)이 충분히 커져서 한 쪽의 전류가 변화하면 다른 쪽에 기전력이 생기기 쉬워지기 때문에, ??치 발생시에, 초전도 코일이 유지하는 에너지를 더욱 효과적으로 초전도 코일의 외부로 빼낼 수 있다.
제1 실시 형태의 제3 양태의 자장 발생 장치는 제1 실시 형태의 제1 양태 또는 제2 양태의 자장 발생 장치이며, 초전도 코일의 권축 방향을 상하 방향으로 할 때, 분할되어 있지 않는 도체판이, 초전도 코일의 상하에 한 장씩 배치되어 있다.
이러한 구성에서는 초전도 코일의 양측에 도체판이 배치되어 있기 때문에, ??치 발생시에, 초전도 코일을 유지하는 에너지를 더욱 효과적으로 초전도 코일의 외부로 빼낼 수 있다.
제1 실시 형태의 제4 양태의 자장 발생 장치는 제1 실시 형태의 제1 양태 내지 제3 양태 중 하나의 자장 발생 장치이며, 복수의 초전도 코일을 구비하고, 복수의 초전도 코일은 권축 방향이 일치하도록 적층되고, 분할되어 있지 않는 도체판이, 적층된 복수의 초전도 코일에 있어서, 각각의 인접한 초전도 코일 사이에 한 장씩 배치되어 있다.
이러한 구성에서는 적층된 초전도 코일 사이에 도체판이 배치되어 있기 때문에, ??치 발생시에, 초전도 코일이 유지하는 에너지를 더욱 효과적으로 초전도 코일의 외부로 빼낼 수 있다.
제1 실시 형태의 제5 양태의 자장 발생 장치는 제1 실시 형태의 제1 양태 내지 제4 양태 중 하나의 자장 발생 장치이며, 초전도 코일은 레이스 트랙 형상을 갖고 있다.
이러한 구성에서는 자장 발생 장치를, 가늘고 긴 형상을 갖는 선박용 초전도 모터 등에 적합하게 적용할 수 있다.
제1 실시 형태의 제 6 양태의 자장 발생 장치는 제1 실시 형태의 제1 양태 내지 제5 양태 중 하나의 자장 발생 장치이며, 분할되어 있지 않는 도체판은 초전도 코일의 권축 방향에서 볼 때 초전도 코일의 외측 윤곽과 동일한 형상을 갖는다.
이러한 구성에서는 적층된 도체판과 초전도 코일을, 코일 케이스 등의 구조체에 쉽게 격납할 수 있다.
제1 실시 형태의 제7 양태의 자장 발생 장치는 제1 실시 형태의 제1 양태 내지 제6 양태 중 하나의 자장 발생 장치이며, 분할되어 있지 않는 도체판은 전면(全面)에 걸쳐 홈 없는 평판 모양의 형상을 갖는다.
이러한 구성에서는 도체판에 와전류가 발생하기 쉬워져 ??치 발생시에, 초전도 코일이 유지하는 에너지를 더욱 효과적으로 초전도 코일의 외부로 빼낼 수가 있다.
제1 실시 형태의 제8 양태의 자장 발생 장치는 제1 실시 형태의 제1 양태 내지 제7 양태 중 하나의 자장 발생 장치이며, 분할되어 있지 않는 도체판의 두께가, 초전도 코일의 권축 방향 두께의 0.3배 이상이다.
이러한 구성에서는 도체판에 와전류가 발생하기 쉬워져 ??치 발생시에, 초전도 코일이 유지하는 에너지를 더욱 효과적으로 초전도 코일의 외부로 빼낼 수가 있다.
제1 실시 형태의 제9 양태의 자장 발생 장치는 제1 실시 형태의 제1 양태 내지 제8 양태 중 하나의 자장 발생 장치이며, 분할되어 있지 않는 도체판의 두께가, 3mm 이상이다.
이러한 구성에서는 도체판에 와전류가 발생하기 쉬워져 ??치 발생시에, 초전도 코일이 유지하는 에너지를 더욱 효과적으로 초전도 코일의 외부로 빼낼 수가 있다.
제1 실시 형태의 제10 양태의 자장 발생 장치는 제1 실시 형태의 제1 양태 내지 제9 양태 중 하나의 자장 발생 장치이며, 분할되어 있지 않는 도체판은 초전도 코일의 동작 온도에서의 저항률이 1.0×10-9Ωm 이하인 재료로 이루어진다.
초전도 코일의 동작 온도란, 초전도 코일에 정격 전류를 흘려 소정의 자장을 발생시키는 경우의 초전도 코일 온도이며, 초전도 코일이 초전동 상태를 유지 가능한 온도이다.
이러한 구성에서는 도체판에 와전류가 발생하기 쉬워져 ??치 발생시에, 초전도 코일이 유지하는 에너지를 더욱 효과적으로 초전도 코일의 외부로 빼낼 수가 있다.
제1 실시 형태의 제11 양태의 자장 발생 장치는 제1 실시 형태의 제1 양태 내지 제10 양태 중 하나의 자장 발생 장치이며, 분할되어 있지 않는 도체판은 잔류저항비가 100 이상인 무산소동, 순알루미늄, 순금, 및 순은으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1개 이상의 재료로 구성된다.
이러한 구성에서는 도체판에 와전류가 발생하기 쉬워져 ??치 발생시에, 초전도 코일이 유지하는 에너지를 더욱 효과적으로 초전도 코일의 외부로 빼낼 수가 있다.
제1 실시 형태의 제12 양태의 자장 발생 장치는 제1 실시 형태의 제1 양태 내지 제11 양태 중 하나의 자장 발생 장치로, 분할되어 있지 않는 도체판은 99.95% 이상의 순도를 가진 무산소동 및 99.95% 이상의 순도를 가진 순알루미늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1개 이상의 재료로 구성된다.
이러한 구성에서는 도체판에 와전류가 발생하기 쉬워져 ??치 발생시에, 초전도 코일이 유지하는 에너지를 더욱 효과적으로 초전도 코일의 외부로 빼낼 수가 있다.
이하의 실시예에서는 자장 발생 장치에, 자장 발생 장치의 외부로부터 전압과 전류가 계속 공급되는 것으로 설명하지만, 자장 발생 장치의 외부로부터 전압과 전류가 계속 공급되고 않고 계자 권선이 이른바 영구 전류 모드로 사용되는 구성을 채용하여도 좋다.
[제1 실시예]
도 1은 제1 실시 형태의 제1 실시예에 따른 자장 발생 장치의 개략 구성의 일례를 나타내는 모식도이다.
제1 실시예의 자장 발생 장치(1)는 초전도 코일(31)과, 분할되어 있지 않는 도체판(32)과, 보호 회로(4)를 구비한다.
초전도 코일(31)은 초전도 선재를 감은 코일이다. 초전도 선재는 예를 들면, 비스무스계 초전도 선재나 이트륨계 초전도 선재로 구성된다. 초전도 코일(31)은 도시되지 않은 냉각 기구에 의해 냉각된다. 냉각용 냉매로는 액체 질소, 액체 헬륨, 저온 헬륨 가스 등을 사용할 수 있다. 초전도 코일(31)은 예를 들면, 냉매 유로를 흐르는 냉매에 의해 30K 정도까지 냉각됨으로써 초전도 상태가 된다.
분할되어 있지 않는 도체판(32)은 도체로 구성되며, 초전도 코일(31)과 절연되고, 초전도 코일(31)의 권축 방향에 있어서 초전도 코일(31)과 인접하도록, 또한 하나의 주면(主面)이 초전도 코일(31)을 향하도록 배치되어 있다. 도 1에 나타낸 예에 있어서, 분할되어 있지 않는 도체판(32)은 초전도 코일(31)의 권축 방향을 상하 방향으로 할 때, 초전도 코일(31)의 상하에 한 장씩 배치되어 있다.
도 1에 나타낸 예에 있어서, 초전도 코일(31)의 권축 방향을 상하 방향으로 할 때, 도체판(32)은 초전도 코일(31)의 상하 중 적어도 하나의 측에 대해 한 장씩만 배치되어 있다. 도 1에 나타낸 예에 있어서, 초전도 코일(31)의 상측에 한 장만 배치되고 또한 초전도 코일(31)의 하측에 한 장만 배치되어 있다. 또한, 도체판(32)은 초전도 코일(31)의 상측에 한 장만 배치되고 초전도 코일(31)의 하측에는 배치되지 않아도 좋다. 도체판(32)은 초전도 코일(32)의 하측에 한 장만 배치되고, 초전도 코일(32)의 상측에는 배치되지 않아도 좋다.
??치 발생시에, 초전도 코일이 유지하는 에너지를 더욱 신속하게 초전도 코일의 외부로 빼낼 수 있다는 효과를 얻을 수 있는 한, 도체판(32)은 초전도 코일(31)의 상하 중 한 측에 대해 복수 배치되어 있어도 좋다. 예를 들어, 복수 장의 도체판(32)이, 초전도 코일(31)의 권축 방향에 있어서, 서로 접하도록 적층되어 있어도 좋다. 혹은 도체판(32)이, 전도 코일(31)의 권축 방향에서 볼 때 분할되어 있어도 좋다.
도 2a는 제1 실시 형태의 제1 실시예에 따른 자장 발생 장치의 초전도 코일의 개략 구성의 일례를 나타내는 평면도이다. 도 2b는 제1 실시 형태의 제1 실시예에 따른 자장 발생 장치의 도체판의 개략 구성의 일례를 나타내는 평면도이다.
도 2에 있어서, 분할되어 있지 않는 도체판(32)은 초전도 코일(31)의 권축 방향에서 볼 때 초전도 코일(31)의 전면(全面)을 덮는다. 도 2에 있어서, 분할되어 있지 않는 도체판(32)은 초전도 코일(31)의 권축 방향에서 볼 때, 초전도 코일(31)의 외측 윤곽과 동일한 형상을 갖고 있다. 요컨대, 도 2에 있어서, 초전도 코일(31)의 폭(W1)과 도체판(32)의 폭(W2)은 같고(W1＝W2), 초전도 코일(31)의 안 길이(D1)와 도체판(32)의 안 길이(D2)는 같다(D1＝D2).
도체판(32)의 형상은 특별히 한정되지 아니한다. 예를 들면, 원반 형상이어도 좋고, 중공의 도넛 형상이어도 좋고, 판 모양의 형상이어도 좋고, 코일이어도 좋다. ??치 시에, 초전도 코일(31)이 발생하는 자장의 변화가 생겼을 경우에, 유도기전력에 의해 전류가 발생하는 형상이면, 어떤 형상이어도 좋다. 도 2에 나타낸 예에서는 초전도 코일(31)은 레이스 트랙 형상을 가지고 있다.
본 실시예에 있어서, 분할되어 있지 않는 도체판(32)은 전면(全面)에 걸쳐 홈이 없는 평판 모양의 형상을 가지고 있다. 본 실시예와 같이, 분할되어 있지 않는 도체판(32)이 레이스 트랙 형상인 경우에는 짧은 길이 방향과 교차하는 방향으로 홈이 지나가지 않는 구성으로 하여도 좋다. 이러한 구성에서는 도체판(32)에서 발생하는 와전류가 흐르는 경로의 폭이 좁아지지 않기 때문에, 효과적으로 와전류를 발생시킬 수 있다.
본 실시예에 있어서, 도체판(32)을 구성하는 재료는 예를 들면, 초전도 코일의 동작 온도에서 저항률이 1.0×10-9Ωm 이하인 재료이어도 좋다. 도체판(32)을 구성하는 재료는 예를 들어, 동, 알루미늄, 금, 및 은으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1개 이상의 재료이며 잔류저항비가 100 이상인 것이라도 좋다. 도체판(32)을 구성하는 재료는 예를 들어, 99.95% 이상의 순도를 가진 동 및 99.95% 이상의 순도를 가진 알루미늄으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1개 이상의 재료라도 좋다. 전기 저항이 낮은 재료를 이용하여 도체판(32)을 구성함으로써 효과적으로 와전류를 발생시킬 수 있다.
본 실시예에 있어서, 분할되어 있지 않는 도체판(32)의 두께는 초전도 코일(31)의 권축 방향 두께의 0.3배 이상이다. 본 실시예에 있어서, 분할되어 있지 않는 도체판(32)의 두께는 3mm 이상이다. 구체적으로는 초전도 코일(31)의 두께를 10mm로 하고, 도체판(32)의 두께를 3mm로 할 수 있다. 도체판(32)에 충분한 두께를 갖게 함으로써 효과적으로 와전류를 발생시킬 수 있다.
보호 회로(4)는 초전도 코일(31)과 병렬로 연결되어 초전도 코일(31)에 흐르는 전류를 감소시킨다. 보호 회로(4)는 저항을 구비하여도 좋다. 보호 회로(4)는 직렬로 연결된 1개 이상의 다이오드를 초전도 코일의 전류가 환류하는 방향으로 통전하는 극성으로 배치하는 다이오드 회로를 구비하여도 좋다. 보호 회로(4)는 직렬로 연결된 1개 이상의 다이오드 2그룹을 극성이 반대 방향이 되도록 서로 병렬로 연결한 다이오드 회로를 구비하여도 좋다. 보호 회로(4)는 직렬로 연결된 다이오드와 저항을 구비하고 있어도 좋다. 보호 회로(4)는 직렬로 연결된 1개 이상의 다이오드 2그룹을 극성이 반대 방향이 되도록 서로 병렬로 연결한 다이오드 회로와, 그 다이오드 회로와 직렬로 연결된 저항을 구비하고 있어도 좋다.
도 3은 도 1의 자장 발생 장치의 등가 회로도의 일례이다. 이하, 도 3을 참조하면서 본 실시예의 자장 발생 장치의 동작을 설명한다. 자장 발생 장치(1)는 정전류 전원(2)에 연결되어 동작한다. 또한, 도 3에 있어서는 도 1에 있어서 2장 배치되어 있는 도체판(32)을, 일체의 것으로 간략화하여 도시하고 있다.
자장 발생 장치가 동작을 시작하면, 냉각 기구(미도시)에 의해 초전도 코일(31)이 냉각된다. 초전도 코일(31)이 초전도 상태가 되면, 정전류 전원(2)과 자장 발생 장치(1)의 연결 스위치(도시 안 됨)가 온(ON)이 되고 전류가 초전도 코일(31)로 공급되어 자장이 발생하게 된다. 전류의 크기는 예를 들면, 200A 정도로 할 수 있다.
상기와 같이 초전도 상태가 실현되어 자장이 발생되고 있는 상태에 있어서, 초전도 코일(31)의 일부에 ??치(상전도 전이)가 발생하는 경우가 있다. ??치 발생시에는 ??치 검출기(미도시)에 의해 ??치가 검출되어 정전류 전원(2)이 자장 발생 장치(1)에서 분리된다. 초전도 코일(31)이 영구 전류 모드로 사용되는 경우에는 전류가 보호 회로(4)를 흐르도록 스위치(미도시)가 절환된다.
정전류 전원(2)의 분리나 스위치의 절환 등에 의해 자장 발생 장치(1)의 내부 전류는 초전도 코일(31)과, 보호 회로(4)로 형성되는 회로를 흐르게 된다. 보호 회로(4)는 도 3에 나타낸 예에서는 1개의 다이오드(5)와 1개의 저항(6)을 구비하고 있다. 자장 발생 장치(1)의 내부 전류는 주로 저항(6)에서 소비되어 급속히 감소한다. 이러한 전류의 급속한 감소에 따라 초전도 코일(31)이 발생시키는 자장의 크기도 급속히 변화한다.
이러한 자장의 급속한 변화를 받고, 도체판(32)에는 와전류가 발생한다. 요컨대, 도체판(32)은 초전도 코일(31)이 발생시키는 자장의 변화를 받고 유도전류를 발생시키는 유도 코일(7)로서 기능을 한다. 그리고 와전류, 즉 유도전류는 도체판(32)의 내부에 있어서, 도체판(32) 자체의 전기 저항에 의해 줄열을 발생시키면서 소비된다. 요컨대, 도체판(32)은 유도전류를 소비하는 저항(8)으로서 기능을 한다.
이상과 같은 과정에 따라, 자장 발생 장치(1)의 내부에 축적된 에너지는 초전도 코일(31)과 보호 회로(4)를 포함한 회로에서 도체판(32)으로 순간적으로 이동한다. 따라서 ??치 발생시에, 초전도 코일이 유지하는 에너지를 더욱 신속하게 초전도 코일의 외부로 빼낼 수 있다. 그 결과, 초전도 코일의 파손 등을 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 줄열에 의한 도체판(32)의 발열에 따라, 도체판(32)이 가열되고, 이로써 초전도 코일(31)이 균일하게 가열되는 것도 생각할 수 있다. 이러한 작용을 얻을 수 있는 경우에는 초전도 코일(31)의 국소적인 ??치로 인한 파손 등을 더 효과적으로 억제할 수 있다. 종래에는 초전도 코일(31)을 가열하기 위해, 전열 히터 등 추가적인 가열 장치를 필요로 하고 있었다(특허문헌1, 특허문헌2 등). 본 실시예의 도체판(32)을 이용하면, 와전류로 인해 생기는 줄열에 의해 도체판(32)이 저절로 발열하기 때문에 이러한 추가적인 가열 장치가 불필요해진다. 요컨대, 도체판(32)은 전열 히터를 구비하지 않아도 좋다.
[시뮬레이션 예］
이하, 도체판에 의한 전류 감소 효과에 대해 시뮬레이션을 이용하여 검토한 결과에 대해 설명한다.
도 4는 제1 실시 형태의 시뮬레이션 예에 따른 자장 발생 장치의 초전도 코일 - 도체판 복합체의 개략 구성을 나타내는 단면 모식도이다. 도 5는 제1 실시 형태의 시뮬레이션 예에 따른 자장 발생 장치의 등가회로도이다. 도 5와 도 3에서 공통되는 요소에 대해서는 동일한 부호 및 명칭을 부여하고 상세한 설명을 생략한다.
본 시뮬레이션에서는 초전도 코일(31)(폭 1800mm, 안 길이 300mm, 두께 10mm)이 총 4장(코일 4개 전체의 인덕턴스 = 14[H]), 권축 방향이 일치하도록 적층되고 직렬로 연결되어 도체판(32)(폭 1800mm, 안 길이 300mm, 두께 4mm, 저항률 = 2.22×10-10Ωm [=30K에 있어서의 무산소동의 저항률)이 총 5장, 적층된 복수의 초전도 코일(31)에 있어서, 각각의 인접한 초전도 코일(31) 사이에 한 장씩 양단의 초전도 코일(31)의 외측에 한 장씩 배치된 구성을 초전도 코일 - 도체판 복합체(30)로 하였다. 보호 회로는 저항(33)이 1.5Ω, 다이오드(34)는 다이오드(정류용 실리콘 다이오드, 순방향 전압 0.7V)를 15개 직렬로 연결하고 그 극성을 도 5에 나타낸 방향으로 통일시킨 회로로 하였다. 초전도 코일-도체판 복합체(30)와 보호 회로를 직렬로 연결하고 "도체판 있음"의 장치 모델로 하였다.
상기 장치 모델에 있어서, 초전도 코일의 위치를 바꾸지 않고 도체판만을 전부 제거한 구성을 " 도체판 없음"의 장치 모델로 하였다.
해석 조건으로는 초전도 상태에 있어서의 전류를 100A, 온도를 30K로 하고 시각 0초에 있어서 전원이 차단되었다고 가정하였다. 시뮬레이션 프로그램으로는 인폴리티카(infolytica)사의 Magnet 64bit version7.1을 사용하였다.
도 6은 제1 실시 형태의 시뮬레이션 예에 따른 자장 발생 장치에 있어서, 도체판을 구비한 경우와 도체판을 구비하지 않은 경우에, ??치시에 있어서, 초전도 코일을 흐르는 전류의 시간 변화를 비교한 그래프이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, "도체판 없음"에서는 시간에 따라 전류가 완만하게 감소하는 반면에, "도체판 있음"에서는 ??치 발생시(시각 = 0초)에 있어서, 전류가 순간적으로 70A 정도로 감소하고, 그 후에 완만하게 감소하는 것을 알 수 있었다. 요컨대, 도체판을 설치함으로써 ??치 발생시에, 최대 전류값을 순간적으로 감소시키는 효과에 의해 ??치부의 발열을 효과적으로 감소시켜 초전도 코일이 유지하는 에너지(전류 에너지)를 더욱 신속하게 초전도 코일의 외부(도체판)로 빼낼 수 있는 것을 알 수 있었다.
(제2 실시 형태)
제2 실시 형태의 제1 양태의 초전도 회전기는 제1 실시 형태의 제1 양태 내지 제12 양태 중 하나에 기재된 자장 발생 장치를 구비한 초전도 회전기로, 회전축과, 회전축에 고정되어 초전도 코일과 분할되어 있지 않는 도체판을 구비한 초전도 코일 - 도체판 복합체를 구비하며, 초전도 코일은 초전도 회전기의 계자 권선을 이루고, 또한 초전도 코일에 전류를 공급하는 전원 공급 장치를 구비한다.
제2 실시 형태의 제2 양태의 초전도 회전기는 제2 실시 형태의 제1 양태의 초전도 회전기이며, 보호 회로는 정지부에 설치되고, 전원에 대해 초전도 코일과 병렬로 연결되어 초전도 코일을 보호한다.
제2 실시 형태의 제3 양태의 초전도 회전기는 제2 실시 형태의 제1 양태의 초전도 회전기이며, 보호 회로는 회전축에 설치되고, 전원에 대해 초전도 코일과 병렬로 연결되어 초전도 코일을 보호한다.
제2 실시 형태의 제4 양태의 초전도 회전기는 제2 실시 형태의 제3 양태의 초전도 회전기이며, 보호 회로는 초전도 회전기의 복수의 계자극 각각에 대해 계자극이 구비한 초전도 코일과 병렬로 연결되어 초전도 코일을 보호하는 복수의 극 보호 회로와, 계자극이 구비한 초전도 코일의 전부가 직렬로 연결된 직렬 경로의 양단에, 직렬 경로와 병렬로 연결되어 상기 초전도 코일을 보호하는 내부 보호 회로를 구비한다.
제2 실시 형태의 제5 양태의 초전도 회전기는 제2 실시 형태의 제1 양태의 초전도 회전기이며, 보호 회로는 회전축에 설치되고, 전원에 대해 초전도 코일과 병렬로 연결되어 초전도 코일을 보호하는 제1 보호 회로와, 정지부에 설치되고, 전원에 대해 초전도 코일과 병렬로 연결되어 초전도 코일을 보호하는 제2 보호 회로를 구비한다.
제2 실시 형태의 제6 양태의 초전도 회전기는 제2 실시 형태의 제5 양태의 초전도 회전기이며, 제1 보호 회로는 초전도 회전기의 복수의 계자극 각각에 대해 계자극이 구비한 초전도 코일과 병렬로 연결되어 초전도 코일을 보호하는 복수의 극 보호 회로와, 계자극이 구비한 초전도 코일의 전부가 직렬로 연결된 직렬 경로의 양단에, 직렬 경로와 병렬로 연결되어 상기 초전도 코일을 보호하는 내부 보호 회로를 구비한다.
제2 실시 형태의 제7 양태의 초전도 회전기는 제1 실시 형태의 제1 양태 내지 제12 양태 중 어느 하나에 기재된 자장 발생 장치를 구비한 초전도 회전기이며, 회전축과, 회전축에 고정되고, 초전도 코일과 분할되어 있지 않는 도체판을 구비한 초전도 코일 - 도체판 복합체를 구비하고, 초전도 코일은 초전도 코일의 계자 권선을 이루고, 또한, 급전 도구와, 정지부에 설치되고 급전 도구를 통해 초전도 코일에 전류를 공급하는 전원을 구비하고, 보호 회로는 회전축에 설치되고 전원에 대해 초전도 코일과 병렬로 연결되어 초전도 코일을 보호하는 제1 보호 회로와, 정지부에 설치되고 전원에 대해 초전도 코일과 병렬로 연결되어 초전도 코일을 보호하는 제2 보호 회로를 구비한다.
이러한 구성에서는 ??치 발생시뿐만 아니라 급전 도구에 문제가 발생했을 때에도 초전도 코일을 보호할 수 있다.
제2 실시 형태의 제8 양태의 초전도 회전기는 제2 실시 형태의 제7 양태의 초전도 회전기이며, 제1 보호 회로는 초전도 회전기의 복수의 계자극 각각에 대해 계자극이 구비한 초전도 코일과 병렬로 연결되어 초전도 코일을 보호하는 복수의 극 보호 회로와, 계자극이 구비한 초전도 코일의 전부가 직렬로 연결된 직렬 경로의 양단에, 직렬 경로와 병렬로 연결되어 상기 초전도 코일을 보호하는 내부 보호 회로를 구비한다.
이러한 구성에서는 초전도 계자극 주변에 단선이 발생했을 때에도 초전도 코일을 보호할 수 있다.
본 실시 형태에 있어서의 초전도 회전기에는 예를 들면, 초전도 모터 및 초전도 발전기가 포함된다.
이하의 각 실시예의 설명에 있어서, "중심축", "원주면", "원주 방향", "반경 방향"은 특별히 설명하지 않는 한, 회전축의 중심축, 원주면, 원주 방향, 반경 방향을, 각각 가리키는 것으로 한다. 또한, 설명의 편의상 중심축 방향을 전후 방향으로 하고, 동력이 입출력되는 측을 전방, 전력이나 냉매가 입출력되는 측을 후방으로 한다.
이하의 각 실시예의 설명에서는 계자 회전자에 대해 기술한다. 계자 회전자는 도시되지 않은 고정자 전기자의 내부에 격납되어 동작한다. 고정자 전기자에 대해서는 잘 알려진 구성을 이용 가능하므로 설명을 생략한다.
이하의 각 실시예의 설명에 있어서, 공통되는 구성을 채용할 수 있는 요소에 대해서는 동일한 부호 및 명칭을 부여하고, 하나의 실시예에 있어서만 상세하게 설명하고 다른 실시예에서는 상세한 설명을 적절히 생략하는 경우가 있다.
[제1 실시예 ］
도 7은 제2 실시 형태의 제1 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자의 개략 구성을 나타내는 단면도이다. 도 8은 제2 실시 형태의 제1 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자의 등가회로도의 일례이다.
전원(3)은 계자극의 초전도 코일(31)에 전력을 공급하는 기능을 가지며, 예를 들면 정지부에 구비한 직류 또는 교류 전원이나, 회전부에 구비한 직류 여자기 또는 브러시리스 여자기 등이어도 좋다.
급전 도구(9)는 전원으로부터의 전력을 계자극의 초전도 코일에 전류로서 공급하는 수단이다. 급전 도구(9)로는 예를 들면 슬립 링 및 비접촉 급전 수단 등을 사용할 수 있다.
상온 댐퍼(14)는 예를 들면, SUS316 스테인리스강과 무산소동의 복합 부재로 구성될 수 있다. 상온 댐퍼(14)는 회전축 강도 부재(16)의 전후 단부(미도시)와 기밀하게 연결되어 있다. 초전도 코일(31)을 냉각하기 위해, 초전도 회전기의 운전 시에 있어서, 상온 댐퍼(14)의 내측은 진공(극저압 상태)로 되어 있다.
진공 단열층(15)은 상온 댐퍼(14)와 회전축 강도 부재(16)의 사이 및 회전축 강도 부재(16)의 내부에 형성되는 진공 영역이다.
회전축 강도 부재(16)는 예를 들면, SUS316 스테인리스강, 또는 니켈기 합금, 또는 섬유 강화 플라스틱으로 구성될 수 있다. 회전축 강도 부재(16)는 그 내부에 4개의 초전도 코일(31)을 지지한다.
전도 냉각 부재(17)는 열전도 냉각에 의해 초전도 코일을 냉각 가능한 부재이다.
냉각 기구(18)는 초전도 코일(31)을 냉각하기 위한 냉매를 흐르게 하기 위한 기구이다.
극 보호 회로(37)는 회전축(10)(계자 회전자(100)의 내부)에 설치되며, 초전도 회전기의 복수의 계자극 각각에 대해 계자극이 구비한 초전도 코일(31)과 병렬로 연결되어 초전도 코일(31)을 보호한다. 극 보호 회로(37)는 저항을 구비하여도 좋다. 극 보호 회로(37)는 1개 이상의 다이오드를 초전도 코일의 전류가 환류하는 방향으로 극성을 같게 하고 직렬로 연결된 다이오드 회로를 구비하여도 좋다. 극 보호 회로(37)는 극성을 같게 하고 직렬로 연결된 1개 이상의 다이오드 회로 2그룹을 극성이 반대 방향이 되도록 서로 병렬로 연결한 다이오드 회로를 구비하여도 좋다. 극 보호 회로(37)는 1개 이상의 다이오드를 초전도 코일의 전류가 환류하는 방향으로 극성을 같게 하고 직렬로 연결한 다이오드 회로와, 그 다이오드 회로와 직렬로 연결된 저항을 구비하고 있어도 좋다. 극 보호 회로(37)는 극성을 같게 하고 직렬로 연결된 1개 이상의 다이오드 회로 2그룹을 극성이 반대 방향이 되도록 서로 병렬로 연결한 다이오드 회로와, 그 다이오드 회로와 직렬로 연결된 저항을 구비하고 있어도 좋다.
내부 보호 회로(38)는 회전축(10)(계자 회전자(100)의 내부)에 설치되고, 계자극이 구비한 초전도 코일(31)의 전부가 직렬로 연결된 직렬 경로의 양단에, 직렬 경로와 병렬로 연결되어 초전도 코일(31)을 보호한다. 직렬 경로는 계자극이 구비한 초전도 코일(31)의 전부가 직렬로 연결되어 있는 경우에 있어서, 초전도 코일(31)의 전부를 직렬로 연결하는 경로이다. 내부 보호 회로(38)는 구체적으로는 예를 들면, 중심축 방향으로 회전축(10)을 관통하는 원통형 공간의 내부에 설치되어도 좋다. 내부 보호 회로(38)는 저항을 구비하여도 좋다. 내부 보호 회로(38)는 1개 이상의 다이오드를 초전도 코일의 전류가 환류하는 방향으로 극성을 같게 하고 직렬로 연결한 다이오드 회로를 구비하여도 좋다. 내부 보호 회로(38)는 1개 이상의 다이오드를 초전도 코일의 전류가 환류하는 방향으로 극성을 같게 하고 직렬로 연결한 다이오드 회로와, 그 다이오드 회로와 직렬로 연결된 저항을 구비하고 있어도 좋다.
외부 보호 회로(39)는 정지부(계자 회전자(100)와 함께는 회전하지 않고 고정된 부분)에 설치되고, 전원(3)에 대해 초전도 코일(31)과 병렬로 연결되어 초전도 코일(31)을 보호한다. 외부 보호 회로(39)는 저항을 구비하여도 좋다. 외부 보호 회로(39)는 1개 이상의 다이오드를 초전도 코일의 전류가 환류하는 방향으로 극성을 같게 하고 직렬로 연결한 다이오드 회로를 구비하여도 좋다. 외부 보호 회로(39)는 1개 이상의 다이오드를 초전도 코일의 전류가 환류하는 방향으로 극성을 같게 하고 직렬로 연결한 다이오드 회로와, 그 다이오드 회로와 직렬로 연결된 저항을 구비하고 있어도 좋다.
본 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자는 극 보호 회로와 내부 보호 회로와 외부 보호 회로를 구비하고 있다. 그 계자 회전자는 극 보호 회로와 내부 보호 회로와 외부 보호 회로 중 어느 하나만 구비하고 있어도 좋다. 그 계자 회전자는 극 보호 회로와 내부 보호 회로와 외부 보호 회로 중 어느 둘만 구비하고 있어도 좋다.
상기 다이오드는 극성의 순방향으로 전압 문턱값을 가지며, 그 문턱값 이하의 전압이 인가되었을 경우에는 통전량이 미소해진다. 이 특성에 따라 각 보호 회로가 그 다이오드 회로의 구성을 취함으로써 계자극의 여자 및 감자를 위해, 0A에서 최대 동작 전류 사이에서 전류를 증감시키는 일반적인 여감자 시에 있어서, 극 보호 회로에 대한 통전 및 통전으로 인한 발열을 감소시키는 것이 가능해진다. 한편, ??치 검출 시 등 긴급 소자(消磁)가 필요한 경우에는 다이오드의 순방향 전압 문턱값보다 충분히 큰 전압이 보호 회로에 인가되기 때문에 초전도 코일로부터 보호 회로에 전류가 흘러 초전도 코일이 유지하는 에너지를 더욱 신속하게 흡수하여 소비할 수가 있다.
내부 보호 회로 또는 외부 보호 회로에 있어서, 1개 이상의 다이오드를 초전도 코일의 전류가 환류하는 방향으로 극성을 같게 하고 직렬로 연결한 다이오드 회로를 구비한 계자 회전자에서는 0A에서 최대 동작 전류까지 전류를 증가시키는 통상 여자 시에 있어서, 내부 보호 회로 또는 외부 보호 회로에 대한 통전을 차단하여 내부 보호 회로 또는 외부 보호 회로에서의 통전과 통전으로 인한 발열을 억제시키는 것이 가능해진다.
극 보호 회로의 그 다이오드 회로에 있어서는 초전도 코일에 통전 방향과 같은 방향의 극성으로 배치되었을 경우에는 초전도 코일의 근처에서 ??치 및 단선 등의 저항값이 증가하는 현상이 발생했을 경우에, 초전도 코일로부터 극 보호 회로에 전류가 이동하는 반전이 발생하여 ??치 부분 및 단선 부분에서 모든 초전도 코일의 에너지가 소비되는 것을 방지하는 것이 가능해진다.
극 보호 회로 및 내부 보호 회로 및 외부 보호 회로 중 적어도 어느 하나를 구비한 그 계자 회전자는 도체판과 극 보호 회로 및 내부 보호 회로 및 외부 보호 회로 중 적어도 어느 하나에 의해 초전도 코일의 에너지를 흡수하여 소비함으로써 초전도 코일을 보호 가능해지며, 도체판에 의해 극 보호 회로 및 내부 보호 회로 및 외부 보호 회로의 부담을 경감함으로써 극 보호 회로 및 내부 보호 회로 및 외부 보호 회로의 소형화 및 저비용화가 가능해진다.
극 보호 회로 및 내부 보호 회로 중 적어도 어느 하나를 구비한 그 계자 회전자에서는 전류 공급 수단에 문제가 발생했을 경우에 있어서도, 도체판과 극 보호 회로 및 내부 보호 회로 중 적어도 어느 하나에 의해 초전도 코일의 에너지를 흡수하여 소비함으로써 초전도 코일을 보호 가능해지며, 도체판에 의해 극 보호 회로 및 내부 보호 회로의 부담을 경감함으로써 극 보호 회로 및 내부 보호 회로의 소형화 및 저비용화가 가능해진다.
극 보호 회로 및 내부 보호 회로 중 적어도 어느 하나와 외부 보호 회로를 구비한 그 계자 자석 회전자는 도체판과 극 보호 회로 및 내부 보호 회로 중 적어도 어느 하나와 외부 보호 회로로 초전도 코일의 에너지를 분산해서 흡수하여 소비하는 것이 가능해지며, 극 보호 회로 및 내부 보호 회로 및 외부 보호 회로의 부담을 경감함으로써 극 보호 회로 및 내부 보호 회로 및 외부 보호 회로의 소형화 및 저비용화가 가능해진다. 극 보호 회로 및 내부 보호 회로 및 외부 보호 회로로 초전도 코일의 에너지를 분산해서 흡수하여 소비하는 것이 가능해지며, 각 회로의 부담을 경감함으로써 각 회로의 소형화가 가능해진다. 또한, 같은 회로의 구성에서는 초전도 코일의 어스 간 내전압 이하에서 전류 감쇠 시간을 최대한 단축하는 보호 회로의 설계가 쉬워진다.
[제2 실시예］
도 9는 제2 실시 형태의 제2 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자의 개략 구성을 나타낸 사시도이다. 도 10은 제2 실시 형태의 제2 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자의 개략 구성을 나타낸 분해도이다. 도 11은 제2 실시 형태의 제2 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자의 개략 구성을 나타낸 단면 사시도이다.
제2 실시예의 초전도 회전기의 계자 회전자(100)는 회전축(10)과, 복수의 코일 케이스(20)와, 복수의 초전도 코일 - 도체판 복합체(30)를 구비하며, 코일 케이스(20)는 회전축(10)의 중심축 방향으로 연장되고, 내부에 공간을 형성하도록 구성된 벽을 구비하고, 회전축(10)의 원주면에 착탈 가능하게 고정되고, 초전도 코일 - 도체판 복합체(30)는 각각의 코일 케이스(20)의 공간에 배치되어 초전도 회전기의 계자 권선을 이룬다.
각각의 코일 케이스(20)는 내부에 초전도 코일 - 도체판 복합체(30)를 냉각하는 냉매를 흘리기 위한 냉매 유로(23)를 구비하고 있다. 냉매 유로(23)는 벽 중 회전축(10)에 대향하는 부위(회전축(10)에 가장 가까운 측에 있어서 중심축 방향 및 원주 방향으로 넓어지는 벽)의 내부에 형성되어 있다.
계자 회전자(100)는 저열수축 부재(35)를 구비하며, 저열수축 부재(35)는 코일 케이스(20)의 내면과 코일 케이스(20)에 수축되는 초전도 코일 - 도체판 복합체(30) 사이에 배치되며, 평균 열선 팽창 계수가, 코일 케이스의 평균 열선팽창 계수보다 작다. 저열수축 부재(35)의 평균 열선팽창 계수는 코일 케이스의 평균 열선팽창 계수 및 초전도 코일의 평균 열선팽창 계수 중 하나보다 작아도 좋다.
회전축(10)의 원주면에 있어서, 코일 케이스(20)의 각각에 대응하도록 복수의 오목부(11)가 형성되며, 오목부(11)는 대응하는 코일 케이스(20)에 대향하도록 형성되고, 회전축(10)의 중심축 방향으로 연장되는 측면(12)을 갖고, 각각의 코일 케이스(20)에 있어서, 볼록부(24)가 형성되며, 볼록부(24)는 중심축 방향으로 연장되고, 회전축(10)을 향해 돌출하고, 오목부(11)의 중심축 방향으로 연장되는 측면(12)에 맞닿으며 끼인다.
복수의 웨지 부재(40)가 설치되고, 회전축을 원주 방향으로 인접한 2개의 코일 케이스(20)를 코일 케이스 페어로 할 때, 웨지 부재(40)는 각각 중심축 방향으로 연장되고, 각각의 코일 케이스 페어에 대해 그 코일 케이스 페어를 이루는 2개의 코일 케이스(20) 사이에 배치되고, 그 2개의 코일 케이스(20)의 각각과 맞닿는다.
각각의 코일 케이스(20)와 원주면 사이에, 중심축 방향 및 회전축의 원주 방향으로 넓어지는 간극(70)이 형성되어 있다.
각각의 간극(70)의 내부에는 극 보호 회로(37)가 배치되어 있다. 또한, 간극(70)에는 극 보호 회로(37)의 전부가 격납되어 있어도 좋고, 극 보호 회로(37)의 일부만, 예를 들면 저항만이 격납되어 있어도 좋다.
본 실시예의 초전도 코일 - 도체판 복합체(30)는 예를 들면, 제1 실시 형태 시뮬레이션에 있어서, 도 4를 참조하면서 설명한 것과 같은 구성으로 할 수 있다. 따라서 상세한 설명을 생략한다. 초전도 코일 - 도체판 복합체(30)에 대해서는 제1 실시 형태에서 설명한 각 변형예를 적용할 수 있다.
이하, 제2 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자(100)에 대해, 더욱 상세하게 설명한다. 본 실시예의 계자 회전자(100)는 6극형이다. 제1 실시 형태의 계자 회전자는 다극형인 것이 바람직하고, 6극형으로 한정되는 것이 아니라 예를 들면 4극형, 8극형 등이어도 좋다.
도 9, 도 10에 나타낸 바와 같이, 회전축(10)은 중심축 방향으로 관통하는 원통형 공간이 형성된 중공의 대략 육각기둥 형상을 가진다. 회전축(10)은 예를 들면, 자성 재료이며 우수한 저온 특성을 갖는 SUS316 스테인리스강으로 형성된다. 회전축(10)의 원주면(측면, 측 원주면)에는 중심축 방향으로 연장되도록 소정의 깊이로 오목부(12)가 형성되어 있다. 오목부(12)에는 코일 케이스(20)를 회전축(10)에 고정하기 위한 나사 구멍이 복수 형성되어 있다.
도 9, 도 10에 나타낸 바와 같이, 코일 케이스(20)는 상자부(21)와 뚜껑부(22)를 구비하고 있다. 상자부(21) 및 뚜껑부(22)에는 초전도 코일 - 도체판 복합체(30)를 격납하기 위한 오목부가 형성되어 있다. 그 오목부에 2개의 저열수축 부재(35) 사이에 놓인 초전도 코일 - 도체판 복합체(30)가 격납된다. 본 실시예에서는 코일 케이스(20)의 수 및 초전도 코일 - 도체판 복합체(30)의 수는 모두 6개이다. 코일 케이스(20)는 예를 들면, SUS316 스테인리스강으로 형성된다. 상자부(21) 및 뚜껑부(22)에는 코일 케이스(20)를 회전축(10)에 고정하기 위한 나사를 관통시키기 위한 구멍이 복수 형성되어 있다. 상자부(21)의 오목부에 초전도 코일 - 도체판 복합체(30)와 저열수축 부재(35)를 재치하고, 뚜껑부(22)로 닫음으로써 코일 케이스(20)의 내부에 초전도 코일 - 도체판 복합체(30)와 저열수축 부재(35)가 격납된다. 그 후, 상자부(21) 및 뚜껑부(22)에 마련된 구멍에 볼트 등이 관통되고, 이 볼트 등이 회전축(10)의 오목부(12)에 마련된 나사 구멍에 나사 결합함으로써 코일 케이스(20)가 회전축(10)에 착탈 가능하게 고정된다.
코일 케이스(20)는 내부에 공간을 형성하도록 구성된 벽을 구비하고 있다. 벽 중 회전축(10)에 대향하는 부위의 내부에는 벽을 중심축 방향으로 직선으로 관통하도록 냉매 유로(23)가 형성되어 있다. 벽의 두께는 예를 들면 15mm 이상 30mm 이하로 할 수 있다.
도 10에 나타낸 바와 같이, 저열수축 부재(35)는 회전축(10)의 반경 방향으로 초전도 코일 - 도체판 복합체(30)와 대향하는 벽, 즉 상하의 벽과 초전도 코일 - 도체판 복합체(30) 사이에 배치되어 있다. 바꿔 말하면, 저열수축 부재(35)는 회전축(10)의 원주면에 평행한 2개의 벽 각각과, 초전도 코일 - 도체판 복합체(30) 사이에 배치되어 있다. 코일의 축 방향(회전축(10)의 반경 방향)으로 초전도 코일 - 도체판 복합체(30)와 대향하는 벽과 초전도 코일 - 도체판 복합체(30) 사이에 저열수축 부재(35)를 배치하여도 좋다. 이러한 구성에서는 초전도 코일 - 도체판 복합체(30)의 온도 분포를 더 균일화시킬 수 있다. 저열수축 부재(35)는 예를 들면, 탄소강, 니켈강 등을 사용하여 구성할 수 있다. 저열수축 부재(35)의 형상 및 재질은 운전 시에 초전도 코일 - 도체판 복합체(30)를 냉각했을 때에, 초전도 코일 - 도체판 복합체(30)가 충분한 접촉 면압을 받고 코일 케이스(20)의 내부에 유지되도록 적절하게 설정될 수 있다.
도 9, 도 10에 나타낸 바와 같이, 냉매 배관(50)은 코일 케이스(20)의 전후 단부에 있어서, 조인트 등에 의해 냉매 유로(23)와 연결되어 있다. 액체 질소, 액체 헬륨, 저온 헬륨 가스 등 냉매는 냉매 배관(50)을 통해 냉매 유로(23)에 공급된다. 냉매 배관(50)은 예를 들면, SUS316 스테인리스강으로 형성된다.
냉매 유로(23)는 예를 들면, 코일 케이스(20)의 길이 방향을 전후 방향으로, 전단 또는 후단 중 어느 하나의 벽에서 드릴 등으로 반대 측의 단부까지 연장되는 직선형 유로를 형성하고, 해당 유로의 단부에 연결되도록 리턴용 유로를 측면에서 드릴 등으로 형성하고, 마지막으로 측면 근처의 여분의 유로를 용접 등으로 밀봉함으로써 형성할 수 있다.
이상과 같은 구성에 따르면, 냉매 배관(50) 및 냉매 유로(23)를 흐르는 냉매에 의해 6개의 코일 케이스(20) 및 그 내부에 격납된 초전도 코일 - 도체판 복합체(30)를 효과적으로 냉각할 수 있다. 또한, 위에서 언급한 냉매 배관(50) 및 냉매 유로(23)의 구체적인 구성은 어디까지나 일례에 불과하며, 냉매의 종류, 회전축(10) 및 코일 케이스(20)의 재료, 크기 등에 따라 적절하게 구성을 변경할 수 있는 것은 말할 것도 없다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 간극(70)은 오목부(11)와 볼록부(24) 사이에 형성된다. 더욱 상세하게는 오목부(11)의 바닥면과, 볼록부(24)의 상면 사이에 형성된다. 간극(70)은 예를 들면, 오목부(11)의 바닥면 및 볼록부(24)의 상면을 평면형으로 구성하고, 오목부(11)의 깊이(측면(12)의 높이)를, 볼록부(24)의 높이(측면(26)의 높이)보다 크게 함으로써 형성될 수 있다. 간극(70)의 높이(두께)는 극 보호 회로(37)를 격납하고 또한 회전축(10)에서 코일 케이스(20)로의 전열(傳熱)을 억제하기에 충분한 크기인 것이 바람직하고, 구체적으로는 예를 들면, 3mm 이상 10mm 이하로 하는 것이 바람직하다. 여기서 말하는 높이(두께)란, 회전축(10)의 반경 방향 높이(두께)를 말한다.
회전축(10)은 외부의 베어링 등에서 열이 전달되기 때문에 냉각되기 어렵다. 간극(70)이 마련됨으로써 상대적으로 고온인 회전축(10)과 상대적으로 저온인 코일 케이스(20)가 단열되어 코일 케이스(20)의 내부에 격납된 초전도 코일 - 도체판 복합체(30)를 보다 효율적으로 냉각할 수 있다.
도 10에 나타낸 바와 같이, 초전도 코일 - 도체판 복합체(30)는 도 2에 예시한 바와 같은 이른바 레이스 트랙(Race Truck)형 초전도 코일을 구비하고 있다. 레이스 트랙형 코일에서는 특히 직선 부분에 있어서, 통전 시에 발생하는 후프력이 커져 코일이 기계적으로 파괴될 위험이 높아진다. 본 실시예에서는 코일 케이스(20)의 벽에 의해 후프력에 대항하는 항력이 초전도 코일 - 도체판 복합체(30) 에 부여되기 때문에, 이러한 파괴의 위험성을 크게 줄일 수 있다. 초전도 코일 - 도체판 복합체(30)는 예를 들면, 비스무스계 초전도 선재나 이트륨계 초전도 선재로 구성된다. 초전도 코일 - 도체판 복합체(30)는 예를 들면, 냉매 유로(23)를 흐르는 냉매에 의해 30K 정도까지 냉각됨으로써 초전도 상태가 된다.
초전도 코일 - 도체판 복합체(30)는 예를 들어, 각각 4개의 초전도 코일을 구비하며, 6개의 계자극을 이루는 6개의 초전도 코일 - 도체판 복합체(30)에 포함된 24개의 초전도 코일이, 코일 케이스(20)의 벽에 마련된 구멍(미도시)을 통과하는 배선에 의해 모두 직렬로 연결된다. 24개의 초전도 코일이 이루는 전류 경로의 양단이 회전축(10)의 내부를 경유하는 배선(미도시) 및 급전 도구(9)(도 12 참조)에 의해 회전기의 외부로 인도되어 전원(3)(도 12 참조)에 연결된다. 배선이 통전 되면, 6개의 초전도 코일 - 도체판 복합체(30)가 원주 방향으로 교대로 N극과 S극에 의해 여자된다.
웨지 부재(40)에는 웨지 부재(40)를 회전축(10)에 고정하기 위한 나사를 관통시키기 위한 구멍이 복수 형성되어 있다. 코일 케이스(20)와 웨지 부재(40)는 각각 볼트 등의 나사를 이용하여 회전축(10)에 고정된다. 이러한 고정이 이루어지면, 코일 케이스(20)의 측면과 웨지 부재(40)의 측면이, 면접촉을 한다. 양 측면은 전부에서 맞닿아도 좋고, 일부에서만 맞닿아도 좋다.
도 12는 제2 실시 형태의 제2 실시예에 따른 초전도 회전기의 등가회로도의 일례이다. 도 12에서는 단순화를 위해, 계자극 각각에 설치된 4개의 초전도 코일을 단일의 초전도 코일(31)로 도시하고 있다. 계자극 각각에 설치된 5개의 도체판을 단일의 도체판(32)으로 도시하고 있다. 도 12와 도 3에서 공통되는 요소에 대해서는 동일한 부호 및 명칭을 부여하고 상세한 설명을 생략한다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 따른 초전도 회전기는 6개의 계자극 각각에 설치된 초전도 코일(31)과, 6개의 극 보호 회로와, 내부 보호 회로(38)와, 외부 보호 회로(39)(제2 보호 회로)를 구비하고 있다.
도 12에 나타낸 예에서는 극 보호 회로(37)와 내부 보호 회로(38)로 제1 보호 회로가 구성되어 있다. 극 보호 회로(37)와 내부 보호 회로(38)는 어느 하나가 생략되어도 좋다. 전원(3)은 정전류 전원이어도 좋다.
극 보호 회로(37)는 회전축(10)(계자 회전자(100)의 내부)에 설치되며, 초전도 회전기의 복수의 계자극 각각에 대해 계자극이 구비한 초전도 코일(31)과 병렬로 연결되어 초전도 코일(31)을 보호한다.
내부 보호 회로(38)는 회전축(10)(계자 회전자(100)의 내부)에 설치되며, 계자극이 구비한 초전도 코일(31) 전체가 직렬로 연결된 직렬 경로의 양단에, 직렬 경로와 병렬로 연결되어 초전도 코일(31)을 보호한다. 내부 보호 회로(38)는 직렬 경로와 급전 도구(9) 사이에 있어서, 직렬 경로와 병렬로 연결되어 있다. 직렬 경로는 계자극이 구비한 초전도 코일(31) 전체가 직렬로 연결되어 있는 경우에 있어서, 초전도 코일(31) 전체를 직렬로 연결하는 경로이다. 내부 보호 회로(38)는 구체적으로는 예를 들면, 중심축 방향으로 회전축(10)을 관통하는 원통형 공간의 내부에 설치되어도 좋다.
외부 보호 회로(39)는 정지부(계자 회전자(100)와 함께 회전하지 않고 고정 된 부분)에 설치되며, 전원(3)에 대해 초전도 코일(31)과 병렬로 연결되어 초전도 코일(31)을 보호한다.
제1 보호 회로는 도 12에 나타낸 예에서는 극 보호 회로(37)와 내부 보호 회로(38)로 구성된다. 제1 보호 회로는 회전축(10)에 설치되며, 전원(3)에 대해 초전도 코일(31)과 병렬로 연결되어 초전도 코일(31)을 보호한다.
이러한 구성에서는 초전도 코일(31)을 보호하는 기구로서, 도체판(32)과, 극 보호 회로(37)와, 내부 보호 회로(38)와, 외부 보호 회로(39)의 4개가 존재한다. 도체판(32)을 코일 보호 기구로서 구비함으로써 극 보호 회로(37)와, 내부 보호 회로(38)와, 외부 보호 회로(39)에 대한 부담이 감소하여 초전도 회전기의 설계가 쉬워진다.
회전부에 설치된 제1 보호 회로와, 정지부에 설치된 제2 보호 회로를 구비함으로써 ??치 발생시뿐만 아니라 급전 도구에 문제가 발생했을 때에도 초전도 코일을 보호할 수 있다.
극 보호 회로(37)를 구비한 구성에서는 또한, 초전도 계자극 주변에 단선이 발생했을 때에도 초전도 코일을 보호할 수 있다.
상기 설명으로부터, 당업자에게는 본 발명의 많은 개량이나 다른 실시 형태가 명백하다. 따라서 상기 설명은 예시로서만 해석되어야 하며, 본 발명을 실행하는 가장 좋은 양태를 당업자에게 교시할 목적으로 제공된 것이다. 본 발명의 정신을 벗어나지 않고 그 구조 및/또는 기능의 상세한 내용을 변경할 수 있다.
본 발명의 자장 발생 장치 및 이를 구비한 초전도 회전기는 ??치 발생시에, 초전도 코일이 유지하는 에너지를 더욱 신속하게 초전도 코일의 외부로 빼낼 수 있는 자장 발생 장치 및 이를 구비한 초전도 회전기로서 유용하다.
1: 자장 발생 장치 2: 정전류 전원
3: 전원 4: 보호 회로
5: 다이오드 6: 저항
7: 유도 코일 8: 저항
9: 급전 도구 10: 회전축
11: 오목부 12: 측면
14: 상온 댐퍼 15: 진공 단열층
16: 회전축 강도 부재 17: 전도 냉각 부재
18: 냉각 기구 20: 코일 케이스
21: 상자부 22: 뚜껑부
23: 냉매 유로 24: 볼록부
26: 측면
30: 초전도 코일 - 도체판 복합체 31: 초전도 코일
32: 도체판 33: 저항
34: 다이오드 35: 저수축 부재
37: 극 보호 회로 38: 내부 보호 회로
39: 외부 보호 회로 40: 웨지 부재
50: 냉매 배관 70: 공극
100: 계자 회전자

Claims (19)

  1. 초전도 선재를 감은 초전도 코일과,
    도체로 이루어지며, 상기 초전도 코일과 절연되고, 상기 초전도 코일의 권축 방향에 있어서 상기 초전도 코일과 인접하도록 또한 하나의 주면(主面)이 상기 초전도 코일을 향하도록 배치된 분할되어 있지 않는 도체판과,
    상기 초전도 코일과 병렬로 연결되어 상기 초전도 코일에 흐르는 전류를 감쇠시키는 보호 회로를 구비하고,
    상기 분할되어 있지 않는 도체판은 상기 초전도 코일의 권축 방향에서 볼 때 상기 초전도 코일의 전면(全面)을 덮는 것을 특징으로 하는 자장 발생 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 초전도 코일의 권축 방향을 상하 방향으로 할 때, 상기 분할되어 있지 않는 도체판이, 상기 초전도 코일의 상하에 한 장씩 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 자장 발생 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    복수의 상기 초전도 코일을 구비하며,
    상기 복수의 초전도 코일은 권축 방향이 일치하도록 적층되고,
    상기 분할되어 있지 않는 도체판이, 상기 적층된 상기 복수의 초전도 코일에 있어서, 각각의 인접한 상기 초전도 코일 사이에 한 장씩 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 자장 발생 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 초전도 코일은 레이스 트랙 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 자장 발생 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 분할되어 있지 않는 도체판은 상기 초전도 코일의 권축 방향에서 볼 때, 상기 초전도 코일의 외측 윤곽과 동일한 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 자장 발생 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 분할되어 있지 않는 도체판은 전면(全面)에 걸쳐 홈이 없는 평판 모양의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 자장 발생 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 분할되어 있지 않는 도체판의 두께가, 상기 초전도 코일의 권축 방향 두께의 0.3배 이상인 것을 특징으로 하는 자장 발생 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 분할되어 있지 않는 도체판의 두께가, 3mm 이상인 것을 특징으로 하는 자장 발생 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 분할되어 있지 않는 도체판은 상기 초전도 코일의 동작 온도에서의 저항률이 1.0×10－ 9Ωm 이하인 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자장 발생 장치.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 분할되어 있지 않는 도체판은 잔류저항비가 100 이상인 99.95% 이상의 순도를 갖는 동, 99.95% 이상의 순도를 갖는 알루미늄, 순금, 및 순은으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1개 이상의 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자장 발생 장치.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 자장 발생 장치를 구비한 초전도 회전기이며,
    회전축과,
    상기 회전축에 고정되어 상기 초전도 코일과 상기 분할되어 있지 않는 도체판을 구비한 초전도 코일 - 도체판 복합체를 구비하고,
    상기 초전도 코일은 상기 초전도 회전기의 계자 권선을 이루고,
    상기 초전도 코일에 전류를 공급하는 전원을 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 보호 회로는 정지부에 설치되며, 상기 전원에 대해 상기 초전도 코일과 병렬로 연결되어 상기 초전도 코일을 보호하는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 보호 회로는 회전축에 설치되며, 상기 전원에 대해 상기 초전도 코일과 병렬로 연결되어 상기 초전도 코일을 보호하는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 보호 회로는
    상기 초전도 회전기의 복수의 계자극 각각에 대해 상기 계자극이 구비한 상기 초전도 코일과 병렬로 연결되어 상기 초전도 코일을 보호하는 복수의 극 보호 회로와,
    상기 계자극이 구비한 상기 초전도 코일의 전체가 직렬로 연결된 직렬 경로의 양단에, 상기 직렬 경로와 병렬로 연결되어 상기 초전도 코일을 보호하는 내부 보호 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기.
  15. 제 11 항에 있어서, 상기 보호 회로는
    상기 회전축에 설치되며, 상기 전원에 대해 상기 초전도 코일과 병렬로 연결되어 상기 초전도 코일을 보호하는 제1 보호 회로와,
    정지부에 설치되며, 상기 전원에 대해 상기 초전도 코일과 병렬로 연결되어 상기 초전도 코일을 보호하는 제2 보호 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 제1 보호 회로는
    상기 초전도 회전기의 복수의 계자극 각각에 대해 상기 계자극이 구비한 상기 초전도 코일과 병렬로 연결되어 상기 초전도 코일을 보호하는 복수의 극 보호 회로와,
    상기 계자극이 구비한 상기 초전도 코일의 전체가 직렬로 연결된 직렬 경로의 양단에, 상기 직렬 경로와 병렬로 연결되어 상기 초전도 코일을 보호하는 내부 보호 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기.
  17. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 자장 발생 장치를 구비한 초전도 회전기이며,
    회전축과,
    상기 회전축에 고정되어 상기 초전도 코일과 상기 분할되어 있지 않는 도체판을 구비한 초전도 코일 - 도체판 복합체를 구비하며,
    상기 초전도 코일은 상기 초전도 회전기의 계자 권선을 이루고,
    급전 도구와,
    정지부에 설치되며, 상기 급전 도구를 통해 상기 초전도 코일에 전류를 공급하는 전원을 구비하고,
    상기 보호 회로는
    상기 회전축에 설치되며, 상기 전원에 대해 상기 초전도 코일과 병렬로 연결되어 상기 초전도 코일을 보호하는 제1 보호 회로와,
    상기 정지부에 설치되며, 상기 전원에 대해 상기 초전도 코일과 병렬로 연결되어 상기 초전도 코일을 보호하는 제2 보호 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 제1 보호 회로는
    상기 초전도 회전기의 복수의 계자극 각각에 대해 상기 계자극이 구비한 상기 초전도 코일과 병렬로 연결되어 상기 초전도 코일을 보호하는 복수의 극 보호 회로와,
    상기 계자극이 구비한 상기 초전도 코일의 전체가 직렬로 연결된 직렬 경로의 양단에, 상기 직렬 경로와 병렬로 연결되어 상기 초전도 코일을 보호하는 내부 보호 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기.
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