KR101946079B1

KR101946079B1 - 고정자에 대해 회전 가능하고 하나 이상의 초전도 권선을 구비한 회전자를 포함하는 초전도 동기 전동기

Info

Publication number: KR101946079B1
Application number: KR1020137023027A
Authority: KR
Inventors: 미햐엘 프랑크; 하셀트 페터 반
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2011-03-04
Filing date: 2012-02-22
Publication date: 2019-02-08
Also published as: US20130334913A1; WO2012119858A2; EP2668714A2; EP2668714B1; KR20140009331A; CN103404010A; AU2012224826A1; ES2613086T3; DE102011005091A1; CN103404010B; US9467024B2; JP2014511670A; AU2012224826B2; JP5806338B2; WO2012119858A3

Abstract

본 발명은, 냉각 장치(5)를 통해 냉각되는 하나 이상의 초전도 권선을 구비하고 고정자(2)에 비해 회전 가능한 회전자(3)를 포함하는 초전도 동기 전동기(1, 1', 1'', 1''')에 관한 것이며, 회전자(3)의 냉각된 영역들은 회전자(3)와 함께 회전하는 진공 챔버(10)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸이고, 2개 이상의 회전 씰(13a, 13b)에 의해 생성되고 회전자(3)에 상대적으로 고정되어 있으며 진공 챔버(10)를 범위 한정하는 연결 영역(22) 내에 진공 펌프(23)와 진공 챔버(10)를 연결하는 펌프 라인(21)이 제공된다.

Description

고정자에 대해 회전 가능하고 하나 이상의 초전도 권선을 구비한 회전자를 포함하는 초전도 동기 전동기{SUPER CONDUCTING SYNCHRONOUS MACHINE COMPRISING A ROTOR WHICH CAN ROTATE IN RELATION TO A STATOR AND WHICH HAS AT LEAST ONE SUPER CONDUCTING WINDING}

본 발명은, 고정자에 대해 회전 가능한 회전자이며, 냉각 장치를 통해 냉각되는 하나 이상의 초전도 권선을 구비한 상기 회전자를 포함하는 초전도 동기 전동기에 관한 것이며, 회전자의 냉각된 영역들은 회전자와 함께 회전하는 진공 챔버에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸여 있다.

초전도 동기 전동기들, 다시 말하면 하나 이상의 초전도 권선을 포함하는 동기 전동기들은 종래 기술에서 이미 원칙적으로 공지되어 있다. 이 경우, 초전도 권선은 작동 온도를 유지하기 위해 냉각 장치를 통해 냉각되어야 하는 회전자 권선일 수 있다. 예컨대 권선들을 냉각하기 위해, 내부 챔버 내로 유입된 냉각 매체가 열 전도성 권선 지지부에서 증발되는 중공의 내부 챔버를 회전자에 구비하는 점은 공지되어 있다. 다시 말해, 내부 챔버는 증발 챔버로서 기능한다.

회전자의 냉각된 영역들을 절연하기 위해, "저온부(cold part)"는 보통 절연 진공에 의해 둘러싸이며, 이는 회전자의 부분으로서 회전자와 함께 회전하는 진공 챔버가 제공되는 것을 의미한다. 이 경우, 회전자의 조립 시, 정적 진공을 생성하기 위해, 차후의 진공 챔버를 펌핑 배출하여 밀폐하는 점이 제안되었다.

그러나 실제로, 절대 정적 진공을 달성하기가 매우 어렵다. 플랜지 결합부 및 용접 시임의 영역과 부분적으로는 이용되는 컴포넌트들 자체에서의 누출률로 인해, 가스는 동기 전동기의 작동기간 동안 외부 챔버로부터 다소 작은 규모로 진공 챔버 내로 침투할 수 있다는 점을 기초로 해야만 한다.

여기서 종래 기술로 복수의 개선된 접근법이 공지되어 있다. 한편으로, 이른바 극저온 펌프를 이용함으로써 침투 가스를 동결하고 그에 따라 진공을 유지하는 점이 제안되었다. 누출률이 충분히 낮은 경우, 상기 방법은 매우 성공적이고, 오랜 시간에 걸쳐서도 전동기의 작동을 보장한다. 그러나 극저온 펌프가 동기 전동기와 함께 가열되면, 동결된 가스는 다시 증발되고 절연 진공을 파괴한다. 그 다음, 재냉각은 장착된 회전자의 후속 진공을 이용해야만 가능하다. 회전자 저온부의 작동 온도에서 동결될 수 없는 가스, 예컨대 수소, 헬륨 또는 네온의 경우, 또 다른 방법을 취해야 한다. 수소의 경우, 예컨대 흡착 또는 흡수를 통해 또는 화학적으로 가스와 결합하는 이른바 게터 재료(getter material)의 이용이 제안되었다.

또한, 정적 진공의 이용을 배제하고, 회전자에 플랜지 결합된 펌프가 회전자와 함께 회전함으로써 회전하는 진공 챔버에서 지속적으로 펌핑하는 점도 제안되었다. 그러나 특히 회전 속도가 높은 경우, 상기 해결 방법은, 기존의 펌프 구조의 경우 펌프에 작용하는 원심력이 너무 커지기 때문에, 결국 실현될 수 없다.

그러므로 본 발명의 과제는, 회전자의 진공 챔버 내에 존재하는 절연 진공이 신뢰할 수 있을 정도로 유지될 수 있는 방식으로 동기 전동기를 형성하는 것에 있다.

상기 과제의 해결을 위해, 도입부에 언급한 유형의 동기 전동기의 경우, 본 발명에 따라, 2개 이상의 회전 씰에 의해 생성되고 회전자에 상대적으로 고정되어 있으며 진공 챔버를 범위 한정하는 연결 영역 내에, 진공 펌프와 진공 챔버를 연결하는 펌프 라인이 제공된다.

또한, 본 발명에 따라, 진공 챔버의 부분으로서 고정되어 있는 연결 영역을 실현하기 위해, 특히 바람직하게는 자성유체 씰들이 이용되는 회전 씰들을 이용함으로써, 대응하는 위치에 예컨대 고정되어 있는 가스관, 즉 펌프 라인이 연결될 수 있도록 제안된다. 그에 따라, 고정되어 있는 펌프에 대해 고정되어 있는 연결부가 제공되며, 따라서 상기 연결부는 회전자 자체와 함께 회전하지 않아도 된다.

또한, 그러므로 회전하는 진공 챔버는, 외부 챔버와 회전자의 나머지 부분, 특히 회전자 내에 존재하는 냉각 매체 챔버로부터, 예컨대 플랜지 결합부 및 저온 유지 벽부들(cryostat wall)에 의해 분리된다. 그러나 그 밖에 외부 챔버에 대해 회전 씰을 통한 분리가 제공되며, 연결 영역을 둘러싸는 2개의 회전 씰이 이용된다. 이러한 방식으로 진공 챔버는 계속 밀봉되지만, 고정되어 있는 펌프 라인을 통해 회전하는 진공 챔버를 연결하는 점이 가능해진다.

따라서, 지금까지 예컨대 저온 유지 벽부들 및 플랜지 결합부들을 통해 나머지 챔버들로부터 분리된 회전하는 절연 진공의 진공 챔버는, 회전자와 함께 회전하지 않는 고정된 제한부를 포함하고, 이 제한부 내에서 고정된 펌프로 향하는 펌프 라인이 차단될 수 있는 정도로, 토폴러지 방식으로 변형된다. 이러한 방식으로 작동 중에도 펌프를 작동시키고, 그에 따라 진공의 유지를 보장할 수 있다. 이 경우, 진공 펌프가 연속해서 작동되는 것이 제공될 수 있을 뿐 아니라, 그런데도 충분한 기밀도가 제공된다면, 예컨대 제어되는 일시적 작동만을 제공하는 점도 생각해볼 수 있다.

따라서, 목표한 대로 이용되는 회전 씰들의 본 발명에 따르는 이용을 통해, 간단하면서도 언제라도 가능한 진공 챔버의 진공화를 위한 신뢰할 수 있는 컨셉이 처음으로 제공된다.

본 발명의 구체적인 구현예에 따라서, 냉각 장치의 부분으로서 냉각 매체를 위한 고정되어 있는 라인 섹션이 회전자 안쪽으로 삽입되며, 상기 고정되어 있는 라인 섹션은 원통형 외벽부를 포함하는 구조 부재, 특히 냉각관에 의해 둘러싸이며, 축 방향으로 연속되는 회전 씰들은, 고정되어 있는 외벽부의 일부분 및/또는 두 회전 씰을 포함하는 구조 유닛의 고정되어 있는 부분이 진공 챔버의 제한부를 형성하는 방식으로 배치된다. 냉각 장치의 고정되어 있는 부분으로부터 회전자 내로 이용되는 냉각 매체를 공급하는 냉각 장치들은 종래 기술에서 이미 원칙적으로 공지되어 있다. 예컨대 증발 챔버로서 회전자의 내부 챔버를 이용하는 냉각 장치가 제공되는 구현예도 생각해볼 수 있다. 이 경우, 라인 섹션은 예컨대 관으로서 상기 내부 챔버 내로 돌출될 수 있어서, 액상 냉각 매체는 내부 챔버로부터 예컨대 권선 지지부를 통해 형성되는 내부 챔버의 벽부를 통해 점적 배출된다. 한편, 상기 유형 또는 유사한 구현예의 경우, 라인 섹션을 포함하는 고정되어 있는 구조 부재를 회전자 안쪽으로 연결하기 위해, 보통은 원래 회전 조인트/회전 씰을 이용한다. 한편, 본 발명에 따라 상기 제1 구현예에서는, 고정되어 있는 펌프 라인 섹션과 진공 챔버의 연결을 가능하게 하는 추가의 회전 씰을 통해 원래 이미 제공되어 있는 회전 씰을 보충하는 것이 제공될 수 있다. 따라서, 예컨대 회전자 쪽으로 향해 위치하는 회전 씰은 예컨대 냉각 매체 챔버로서 이용되는 회전자의 내부 챔버에 대해 진공 챔버를 밀봉하는 반면에, 그와 동시에 회전자의 중심점으로부터 이격되어 위치하는 회전 씰을 통해 진공 챔버는 외부 챔버에 대해 밀봉되는 점도 생각해 볼 수 있다. 이 경우, 실제로 2가지 가능성을 생각해 볼 수 있다.

한편, 구조 부재, 특히 냉각관의 외벽부는 직접 진공 챔버의 제한부를 형성할 수 있으며, 이 제한부에는 예컨대 개구부로서 또는 연결 소켓의 유형에 따라서 펌프 라인이 연결된다. 따라서, 이 경우, 펌프 라인은 구조 부재를 통해 안내될 수 있다. 예컨대 구조 부재는 외벽부에 인접하는 방식으로 라인 섹션에 할당되는 자체의 진공 영역을 포함할 수 있고, 이 진공 영역을 통해 펌프 라인이 안내될 수 있다.

그런데도 본 발명에 따라 바람직하게는, 펌프 라인이 회전 씰을 통해 안내된다. 따라서, 회전 씰이 서로 대립하여 회전 가능한 2개의 중공 실린더로 구성되고 이들 중공 실린더 사이의 간극이 그에 상응하게, 예컨대 자성유체를 통해 밀봉되어서, 펌프 라인은 예컨대 고정되어 있는 중공 실린더를 통해 안내될 수 있다. 따라서, 이 경우, 회전 씰의 변형만이 요구된다.

특히 목적에 적합하게는, 두 회전 씰들이 단일의 구조 유닛으로서 실현된다. 예컨대 두 회전 씰들의 고정되어 있는 부분을 형성하는 중공 실린더는 서로 이격되어 두 회전 씰들을 형성하는 2개의 추가 중공 실린더에 대향하여 위치할 수 있다. 이 경우, 두 회전 씰들을 당기는 구조 유닛의 부분은 결국 진공 챔버의 제한부를 형성하고, 그에 따라 연결 영역을 형성한다. 이 경우, 특히 바람직하게는, 배출 라인이 구조 유닛을 통해 안내된다. 이는, 이 경우 회전 조인트들/회전 씰들이 공동의 구조 유닛으로 통합된 펌프 라인과 조합됨으로써, 펌프 라인이 예컨대 고정되어 있으면서 두 회전 씰에 중첩되는 중공 실린더를 통해, 그에 따라 부재별로, 다시 말해 일측면의 회전 씰을 통해서도 안내될 수 있음을 의미한다.

본 발명의 대안의 실시예에 따라, 회전 씰들은 회전자의 외벽부에, 진공 챔버를 연결 영역 내로 확대하는 개구부의 일측면에 각각 배치될 수 있다. 상기 유형의 구현예는, 특히 회전자의 상기 외벽부 또는 그 원통형 외벽부가 고정자의 외부에서도 여전히 계속되어, 그 다음 각각 원형으로 개구부의 축방향으로 진공 챔버에 인접하는, 큰 지름을 갖는 회전 씰들이 이용될 때 가능하다. 이 경우, 개구부는 적어도 부분적으로 반경 방향으로 원형으로 형성될 수 있으며, 그런데도 더 바람직하게는, 회전자의 외주면을 따라 분포되는 하나 이상, 특히 복수의 개구부를 제공하는 점도 생각해볼 수 있다. 고정되어 있는 펌프 라인은 회전자의 외주면을 따르는 위치에서만 개입하기 때문에, 실질적으로 전체 외주면을 덮는 개구부들, 또는 원형의 개구부를 통해, 언제라도 진공 펌프를 이용하여 효과적으로 펌핑을 통해 진공을 유지하기 위한 전제 조건이 제공된다.

회전자가 고정자를 냉각하기 위해 제공되는 수소 가스에 의해 둘러싸일 때 본 발명이 특히 바람직하게 이용될 수 있다. 이는 예컨대 대형 발전기의 경우에 해당될 수 있다. 고정자 냉각을 위해 필요한 수소 가스는 회전자의 진공 챔버에 대해 특히 임계적 상황을 일으키는데, 그 이유는 증가된 외부 압력(수 바아)이 제공되고, 수소가 높은 확산성을 띠며, 수소의 비등점이 매우 낮기 때문이다. 상기 대형 발전기의 경우 오랜 작동 시간이 요구되기 때문에, 본 발명에 따르는 구현예는, 침투 수소의 연속적인 펌핑 배출을 통해 진공을 유지하는 특히 바람직하고 목적에 적합한 가능성을 제공한다.

본 발명의 추가 장점들 및 상세 내용들은, 하기에서 설명되는 실시예들로부터, 그리고 도면에 따라 제시된다.
도 1은 제1 실시예의 본 발명에 따른 동기 전동기의 관련 컴포넌트들을 도시한 도면이다.
도 2는 제2 실시예의 본 발명에 따른 동기 전동기의 관련 컴포넌트들을 도시한 도면이다.
도 3은 제3 실시예의 본 발명에 따른 동기 전동기의 관련 컴포넌트들을 도시한 도면이다.
도 4는 제4 실시예의 본 발명에 따른 동기 전동기의 관련 컴포넌트들을 도시한 도면이다.

도 1에는, 본 발명에 따르는 초전도 동기 전동기(1)와 관련된 컴포넌트들 및 영역들이 개략도로 도시되어 있다. 상기 초전도 동기 전동기는 상세하게 도시되어 있지 않은 고정자 권선들을 구비한 고정자(2)에 비해 회전 가능한 회전자(3)를 포함하며, 이 회전자 내에는 여기에 상세하게 도시되어 있지 않은 초전도 권선들이 제공된다. 이 경우, 회전자는 회전축(4)을 중심으로 회전될 수 있다.

그 밖에도, 초전도 권선들을 이들 초전도 권선의 작동 온도로 유지하기 위해, 동기 전동기(1)는 도면 부호 "5"로 개략적으로 도시된 냉각 장치를 포함하며, 이 냉각 장치는 구조 부재(6) 내에 통합되고 회전자(3)에 상대적으로 고정되어 있는 라인 섹션(7)을 통해 액상 냉각 매체를 회전자(3)의 중공 내부 챔버(8) 내로 안내하며, 이 내부 챔버에서는 액상 냉각 매체가 권선들을 냉각시키면서 증발되고 라인 섹션(7)의 다른 영역을 통해 다시 냉각 장치(5)의 응축기로 공급된다. 냉각 매체의 이송을 위해, 예컨대 열 사이펀 효과가 활용되며, 내부 챔버(8)는 증발 챔버로서 기능한다.

라인 섹션의 절연을 위해 구조 부재(6) 내에 절연 진공 영역(9)이 제공되는 것처럼, 회전자(3)의 냉각된 영역들도 진공 챔버(10)에 의해 둘러싸인다. 진공 챔버(10)는 저온 유지 벽부들(11) 및 플랜지 결합부들을 통해 내부 챔버(8) 및 외부 챔버(12)로부터 분리되며, 외부 챔버(12)는 예컨대 고정자(2), 구체적으로 고정자 권선들의 냉각을 위해, 수소 가스로 충전될 수 있다.

한편, 진공 챔버(10)의 연속적인 진공화, 또는 회전자(3)가 장착된 경우에도 대체로 여전히 가능한 진공화를 가능하게 하기 위해, 진공 챔버는 종래 기술에 비해 변경된 토폴러지를 포함한다. 따라서, (빈번히 회전 조인트로도 명명되는) 2개의 회전 씰들(13a, 13b)이 제공되며, 이들 회전 씰은 자성유체 씰들로서 형성된다. 상기 회전 씰들은 서로 대립하여 회전 가능한 2개의 중공 실린더(14a, 14b, 15a, 15b)를 포함하며, 이들 중공 실린더는 여기서 개략적으로만 도시된 자성유체(16)를 통해 상호 간에 밀봉된다. 이 경우, 중공 실린더들(14a, 14b, 15a, 15b)은 회전자(3)와 함께 회전하고, 실링 링(17)을 통해 상기 회전자와 연결된다. 중공 실린더들(15a, 15b)은 실링 링들(18)을 통해 구조 부재(6), 구체적으로는 이 구조 부재의 외벽부(19)와 연결된다.

따라서, 본 실시예에서, 회전 씰(13a)이 진공 챔버(10)에 대해 내부 챔버(8)를 밀봉하는 반면에, 회전 씰(13b)은 외부 챔버(12)에 대해 진공 챔버(10)를 밀봉한다. 그에 따라, 구조 부재(6)의 외벽부(19)의 섹션(20)이 진공 챔버(10)의 제한부를 형성하는 함께 회전하는 것이 아니라 고정되어 있는 배치가 제공된다. 이는 진공 챔버에 구조 부재(6)를 통해 구체적으로는 진공 영역(9)을 통해 안내되는 펌프 라인(21)을 형성된 연결 영역(22) 내에서 연결하는 것을 가능하게 한다. 펌프 라인(21)은, 진공 챔버(10) 내에 충분한 절연 진공을 유지하기 위해, 연속적으로, 또는 일시적으로 제어되는 방식으로 작동될 수 있는 펌프(23)와 진공 챔버(10)를 연결한다. 이 경우, 회전하는 진공 챔버(10)에 대한 복잡한 연결은 요구되지 않으며, 펌프 라인(21) 및 펌프(23)는 고정된다.

한편, 도 2와 도 3에는, 도 1에 비해 변형된 실시예들이 도시되어 있으며, 여기서, 그리고 도 4에 따르는 논의될 제3 실시예와 관련해서도, 단순함을 위해, 동일한 부품들은 동일한 도면 부호들로 표시된다.

도 2에는, 동기 전동기(1')의 변형된 실시예가 도시되어 있으며, 이 실시예의 경우 펌프 라인(21)은 구조 부재(6)를 통해 안내되는 것이 아니라, 그에 상응하게 변형된, 회전 씰(13b)의 고정된 중공 실린더(15b)를 통해 안내된다. 따라서, 이 경우, 중공 실린더(15b)의 변경만이 요구되며, 구조 부재(6)와 특히 외벽부(19)의 벽 섹션(20)은 변경없이 유지된다. 그에 따라 단순화된 구성이 가능해진다.

도 3에는, 본 발명에 따르는 동기 전동기(1'')의 제3 실시예가 도시되어 있으며, 이 실시예에서는 두 회전 씰들(13a, 13b) 및 펌프 라인(21)이 공동의 구조 유닛(24)으로 통합된다. 이 경우, 구조 부재(6)의 외벽부(19)에 고정된 중공 실린더(15)는 결국 두 회전 씰들(13a, 13b)을 위해 관통되고 섹션(25)과 함께 진공 챔버(10)의 제한부를 형성하고, 그에 따라 연결 영역(22)을 형성하며, 섹션(25)은 중공 실린더들(14a 및 14b) 사이에 위치한다. 이처럼, 회전 씰들(13a, 13b) 및 펌프 라인(21)을 포함하는 전체 배치는 단일의 공동 구조 유닛(24)으로서 실현될 수 있다.

도 4에는, 본 발명에 따르는 동기 전동기(1''')의 추가로 변형된 실시예가 도시되어 있다. 여기서 연결 영역(22)은, 종래 기술에 비해 변경되지 않는 보통의 회전 조인트(26)를 통해 안내되는 구조 부재(6), 즉 냉각관에 제공되는 것이 아니라, 회전 씰들(13a, 13b)을 포함하는 배치는 고정자(2)의 영역 외부에서 회전자(3)의 외벽부(27)에 제공되며, 또한 자성유체 씰로서 형성되는 회전 씰들(13a, 13b)은 각각 개구부(28)에 인접하여 외벽부(27)에 배치되며, 그럼으로써 진공 챔버(10)는 고정되어 있는 덮개부(29)의 영역 내에까지 확장된다. 한편, 상기 영역에서, 펌프 라인(21)은 펌프(23)와 연결된다.

따라서 이 경우 두 회전 씰들(13a, 13b)은 공기로 충전되어 있을 수 있는 외부 챔버(12)에 대해 밀봉되지만, 이미 언급한 것처럼, 본 발명에 따르는 동기 전동기들(1, 1', 1'', 1''')은 특히 바람직하게 수소 가스 환경에서 이용될 수 있다.

Claims

냉각 장치(5)를 통해 냉각되는 하나 이상의 초전도 권선을 구비하고 고정자(2)에 대해 회전 가능한 회전자(3)를 포함하는 초전도 동기 전동기(1, 1', 1'', 1''')이며, 회전자(3)의 냉각된 영역들은 회전자(3)와 함께 회전하는 진공 챔버(10)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸여 있는, 초전도 동기 전동기에 있어서,
2개 이상의 회전 씰들(13a, 13b)에 의해 생성되고 회전자(3)에 상대적으로 고정되어 있으며 상기 진공 챔버(10)를 범위 한정하는 연결 영역(22) 내에 진공 펌프(23)와 진공 챔버(10)를 연결하는 펌프 라인(21)이 제공되며,
냉각 장치(5)의 부분으로서, 냉각 매체를 위해 고정되어 있는 라인 섹션(7)이 회전자(3) 안쪽으로 삽입되고, 고정되어 있는 라인 섹션(7)은 원통형 외벽부(19)를 포함하는 구조 부재(6)에 의해 둘러싸이며, 축 방향으로 연속되는 회전 씰들(13a, 13b)은, 고정되어 있는 외벽부(19)의 섹션(20) 또는 두 회전 씰들(13a, 13b) 중 하나를 둘러싸는 구조 유닛(24)의 고정되어 있는 부분(25)이 진공 챔버(10)의 제한부를 형성하는 방식으로 배치되며,
펌프 라인(21)은 하나의 회전 씰(13b)의 고정된 부분 또는 구조 유닛(24)을 통해 안내되는 것을 특징으로 하는, 초전도 동기 전동기.
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제1항에 있어서, 회전 씰들(13a, 13b)은 자성유체 씰인 것을 특징으로 하는, 초전도 동기 전동기.
제1항에 있어서, 회전자(3)는 상기 고정자(2)의 냉각을 위해 제공되는 수소 가스에 의해 둘러싸이는 것을 특징으로 하는, 초전도 동기 전동기.
제1항에 있어서, 회전자(3)의 내부 챔버(8)를 증발 챔버로서 이용하는 냉각 장치(5)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 초전도 동기 전동기.