KR102274331B1 - 하이브리드 자석을 탑재한 능동 전류 제어형 비접촉식 초전도 여자기용 시험장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하이브리드 자석을 탑재한 능동 전류 제어형 비접촉식 초전도 여자기용 시험장치에 관한 것이다.
이에 본 발명의 기술적 요지는 영구자석, DC 전자석, AC 전자석이 혼용된 하이브리드 자석이 모듈 형태로 구비되도록 하되, 상기 하이브리드 자석은 링형 철물 고정자의 원주방향을 따라 다수 세팅되도록 함은 물론 비접촉식 초전도 여자기의 2세대 고온초전도 테이프(또는 2세대 고온초전도 선재)를 갖는 회전자(Rotor) 외측에 대응되도록 형성되어 구동모터의 회전 전후시 선택적인 가동(충방전 등)이 이루어지도록 하는 바, 이는 기동전류 충전제어, 일정 계자전류 제어, 증자 및 감자제어를 위한 계자 전류제어, 속도에 따른 계자전류 및 회전방향 변환 제어 등과 같은 다양한 운전환경에 능동적인 즉각 대응이 가능하도록 형성되어 종전 대비 시변 자기장에 대한 능동 제어성능이 월등하게 향상되는 것을 특징으로 한다.
이에 본 발명의 기술적 요지는 영구자석, DC 전자석, AC 전자석이 혼용된 하이브리드 자석이 모듈 형태로 구비되도록 하되, 상기 하이브리드 자석은 링형 철물 고정자의 원주방향을 따라 다수 세팅되도록 함은 물론 비접촉식 초전도 여자기의 2세대 고온초전도 테이프(또는 2세대 고온초전도 선재)를 갖는 회전자(Rotor) 외측에 대응되도록 형성되어 구동모터의 회전 전후시 선택적인 가동(충방전 등)이 이루어지도록 하는 바, 이는 기동전류 충전제어, 일정 계자전류 제어, 증자 및 감자제어를 위한 계자 전류제어, 속도에 따른 계자전류 및 회전방향 변환 제어 등과 같은 다양한 운전환경에 능동적인 즉각 대응이 가능하도록 형성되어 종전 대비 시변 자기장에 대한 능동 제어성능이 월등하게 향상되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 등록특허 제10-1766684호의 이용발명으로서 영구자석, DC 전자석, AC 전자석이 혼용된 하이브리드 자석이 모듈 형태로 구비되도록 하되, 상기 하이브리드 자석은 링형 철물 고정자의 원주방향을 따라 다수 세팅되도록 함은 물론 비접촉식 초전도 여자기의 2세대 고온초전도 테이프(또는 2세대 고온초전도 선재)를 갖는 회전자(Rotor 로우터) 외측에 대응되도록 배치되어 구동모터의 회전방향 변경 운전 전후시 선택적인 가동(충방전 등)이 이루어지도록 하는 바, 이는 기동전류 충전제어, 일정 계자전류 제어, 증자 및 감자제어를 위한 계자 전류제어, 속도에 따른 계자전류 및 회전방향 변환 제어 등과 같은 다양한 운전환경에 능동적으로 실시간 대응이 가능하도록 형성되어 종전 대비 시변 자기장에 대한 능동 제어성능이 월등하게 향상되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자석을 탑재한 능동 전류 제어형 비접촉식 초전도 여자기용 시험장치에 관한 것이다.
일반적으로 전자석을 회전자 계자로 사용하는 동기회전기는 별도의 여자장치가 구비되어 동기회전기 고정자의 전기자와 동기화 하기 위해 운전 초기에 계자가 전기적으로 여자되어야 한다.
종래의 고온초전도 회전기용 여자 시스템은 기계적인 접촉 방식으로 상온부에 위치한 DC전원, 회전하는 회전자 계자 권선에 전원 공급을 위한 브러쉬와 슬립링 세트 그리고 상온부와 극저온부의 초전도 계자 권선을 연결하는 금속 혹은 초전도 전류 도입선으로 구성된다.
다수의 초전도 계자 권선의 여자를 위해서는 경우에 따라 최소 1개 이상의 DC 전원 설비가 구비되어야 하며, 이는 손실 발생에 따른 전체 시스템 효율이 저감되는 단점을 야기하게 된다.
또한, 기계적인 접촉에 의하여 전력을 이송하는 브러쉬와 슬립링은 기계적인 마찰에 의해 정기적인 유지보수가 필요하고, 기계적인 진동 및 소음을 유발하게 된다.
그리고 심지어 경우에 따라서는 접촉불량에 의한 불꽃현상이 발생되어 전기적인 사고를 야기하게 된다.
따라서, 이러한 문제들을 방지하기 위해서는 주기적인 유지보수가 필요하게 되며 이는 운용 예산이 확보되어야 함은 물론 시스템의 가동률을 저하시켜 전반적인 경제성이 저하되는 문제로 이어지게 된다.
이에, 본원 출원인은 상술한 문제를 개선하고자 등록특허 제10-1766684호(이하 '선행발명'이라 함)를 출원하여 등록받은 바 있다.
이러한 선행발명은 회전형 영구자석 기반의 플럭스 펌프(초전도 전원장치)를 적용한 것으로, 비접촉식 초전도 여자장치를 고온초전도 회전기에 적용하여 종래의 기계적 접촉시 여자 시스템을 원천적으로 제거할 수 있도록 하였다.
그러나, 상기 선행발명은 비접촉식 전류 충전 원리의 핵심이 되는 직류 전압을 발생하기 위해서 고정자부에 위치하는 영구자석을 물리적으로 회전시키거나 회전자부의 임의적인 혹은 불필요한 회전을 통하여 비접촉식 전류 충전의 원천이 되는 발생 자기장이 시변성을 갖도록 해야 하는 단점이 발생된다.
또한, 고정된 자속 크기를 갖는 영구자석을 사용함으로서 비접촉식으로 충전되는 전류량의 변화를 주기 위해서 쇄교하는 자기장의 시변성 즉, 상대 속도차로 대변되는 회전속도와 회전하는 방향을 변화시키는 것이 유일한 방법이나 이 또한 영구자석을 물리적으로 회전시키는 것이 가능한 구조에서만 해당하는 방법으로 적용이 곤란한 문제가 발생되었다.
결국, 선행발명은 계자 전류의 능동적인 제어가 사실상 어려워 일정 계자 자속을 갖는 영구자석 회전기가 적용된 분야로 응용범위가 제한되는 단점을 가지고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 기술적 요지는 능동제어가 가능한 비접촉식 여자기로서, 하이브리드 자석을 갖는 비접촉식 여자기 고정자로 하여금 회전자의 회전없이 초기 충전이 가능하고, 역회전시 전류 방전 보상이 가능하며, 운전환경에 따른 전류 크기 및 충전 속도 제어가 가능한 것을 제공함에 그 목적이 있다.
즉, 본 발명은 하이브리드 자석이 링형 철물 고정자의 원주방향을 따라 다수 세팅되도록 함은 물론 비접촉식 초전도 여자기의 2세대 고온초전도 테이프(또는 2세대 고온초전도 선재)를 갖는 회전자 외측에 대응되도록 구비되어 구동모터의 회전 전후시 선택적인 가동(충방전 등)이 이루어지도록 하는 바, 이는 기동전류 충전제어, 일정 계자전류 제어, 증자 및 감자제어를 위한 계자 전류제어, 속도에 따른 계자전류 및 회전방향 변환 제어 등과 같은 다양한 운전환경에 능동적인 즉각 대응이 가능하도록 형성되어 종전 대비 시변 자기장에 대한 능동 제어성능이 월등하게 향상되는 것을 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 일측에 고온초전도 코일(110: HTS coil) 파트가 구비되고 타측에 2세대 고온초전도 테이프(120: HTS tape) 파트가 구비된 회전자가 구동모터(130)에 의해 축선을 기준으로 회전하도록 하는 비접촉식 여자기 회전자(100)와; 상기 2세대 고온초전도 테이프(120) 파트가 구비된 회전자에 대하여 외측 원주방향을 따라 일정간격 이격된 링형 철물 고정자(210)가 배치되도록 형성되고, 상기 철물 고정자(210)의 내주면에는 다수개의 하이브리드 자석(220)이 일정한 등간격을 두고 장착되도록 하되, 상기 하이브리드 자석(220)은 철물 고정자(210)의 원 중심점을 기준으로 가장 앞쪽에 영구자석(221)이 배치되어 정적 자기장을 발생시키도록 형성되며, 상기 영구자석(221)의 후방에는 절연판(222)을 기준으로 구획된 내측 전자석(223)이 구비되도록 하되, 상기 내측 전자석(223)은 이웃한 내측 전자석들과 서로 결선되도록 형성되며, 상기 내측 전자석(223)의 후방에는 절연판(222)을 기준으로 구획된 외측 전자석(224)이 구비되도록 하되, 상기 외측 전자석(224)은 이웃한 외측 전자석들과 서로 결선되도록 하는 비접촉식 여자기 고정자(200)가; 구성되어 이루어진다.
이에, 상기 내측 전자석(223)은 DC 전자석이고, 상기 외측 전자석(224)은 AC 전자석으로 형성된다.
이에, 상기 내측 전자석(223)은 이웃한 다른 내측 전자석들과 직렬로 연결된 후 DC 전원장치(300)로 하여금 영구자석(221)의 정적 자기장을 보완하도록 기능하고, 상기 외측 전자석(224)은 다른 외측 전자석들 중 선택된 외측 전자석들과 교류 인가 가능하도록 Y결선 형태의 3상 결선 후 인버터(400)를 통해 회전자계를 발생시켜 능동적인 제어가 가능하도록 형성된다.
또한, 상기 비접촉식 여자기 고정자(200)는 내측 전자석(223)들 간의 결선회로와 외측 전자석(224)들 간의 결선회로 상에 인터록 절체 스위치(225)가 구비되도록 형성된다.
이때, 상기 영구자석(221)은 후단부 일측에 베어링 또는 회전체(500)가 구비되도록 하되, 상기 베어링 또는 회전체(500)와 결합된 영구자석은 별도의 서보모터 또는 구동장치에 의해 설정에 따라 자전(회전)시킬 수 있도록 형성된다.
한편, 본 발명의 여자기는 최종적으로 고온초전도 회전기 시스템에 적용되는 것을 목적으로 한다.
이와 같이, 본 발명은 영구자석, DC 전자석, AC 전자석이 혼용된 하이브리드 자석이 모듈 형태로 구비되도록 하되, 상기 하이브리드 자석은 링형 철물 고정자의 원주방향을 따라 다수 세팅되도록 함은 물론 비접촉식 초전도 여자기의 2세대 고온초전도 테이프(또는 2세대 고온초전도 선재)를 갖는 회전자 외측에 대응되도록 형성되어 구동모터의 회전 전후시 선택적인 가동(충방전 등)이 이루어지도록 하는 바, 이는 기동전류 충전제어, 일정 계자전류 제어, 증자 및 감자제어를 위한 계자 전류제어, 속도에 따른 계자전류 및 회전방향 변환 제어 등과 같은 다양한 운전환경에 능동적인 즉각 대응이 가능하도록 형성되어 종전 대비 시변 자기장에 대한 능동 제어성능이 월등하게 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 자석을 탑재한 능동 전류 제어형 비접촉식 초전도 여자기용 시험 장치의 일 예시도,
도 2는 본 발명에 따른 비접촉식 여자기 고정자의 일 예시 평면도,
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 자석의 실제 예시도,
도 4는 본 발명에 따른 실시예로서, 내측 전자석들과 DC 전원장치(파워 서플라이)가 직렬로 연결되고, 외측 전자석들과 인버터가 Y결선의 3상 형태로 결선된 것을 나타낸 예시도,
도 5는 본 발명의 부가 실시예로서, 하이브리드 자석을 탑재한 능동 전류 제어형 비접촉식 초전도 여자기가 고온초전도 회전기 시스템에 적용된 것을 나타낸 예시도,
도 6은 본 발명의 일 실시예로서, 하이브리드 자석을 탑재한 능동 전류 제어형 비접촉식 초전도 여자기에서 교류(AC) 전자석을 이용한 초기 전류 충전 운전상태를 나타낸 예시도,
도 7은 본 발명의 다른 실시예로서, 하이브리드 자석을 탑재한 능동 전류 제어형 비접촉식 초전도 여자기에서 직류(DC) 전자석을 이용한 전류 충전 운전상태를 나타낸 예시도,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예로서, 하이브리드 자석을 탑재한 능동 전류 제어형 비접촉식 초전도 여자기의 정격 전류 충전 운전상태를 나타낸 예시도,
도 9는 본 발명의 추가 실시예로서, 회로상 인터록 절체 스위치가 구비된 것을 나타낸 예시도,
도 10은 본 발명에 따른 영구자석이 베어링 또는 회전체에 의해 회전(자전)할 수 있도록 하는 것을 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 비접촉식 여자기 고정자의 일 예시 평면도,
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 자석의 실제 예시도,
도 4는 본 발명에 따른 실시예로서, 내측 전자석들과 DC 전원장치(파워 서플라이)가 직렬로 연결되고, 외측 전자석들과 인버터가 Y결선의 3상 형태로 결선된 것을 나타낸 예시도,
도 5는 본 발명의 부가 실시예로서, 하이브리드 자석을 탑재한 능동 전류 제어형 비접촉식 초전도 여자기가 고온초전도 회전기 시스템에 적용된 것을 나타낸 예시도,
도 6은 본 발명의 일 실시예로서, 하이브리드 자석을 탑재한 능동 전류 제어형 비접촉식 초전도 여자기에서 교류(AC) 전자석을 이용한 초기 전류 충전 운전상태를 나타낸 예시도,
도 7은 본 발명의 다른 실시예로서, 하이브리드 자석을 탑재한 능동 전류 제어형 비접촉식 초전도 여자기에서 직류(DC) 전자석을 이용한 전류 충전 운전상태를 나타낸 예시도,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예로서, 하이브리드 자석을 탑재한 능동 전류 제어형 비접촉식 초전도 여자기의 정격 전류 충전 운전상태를 나타낸 예시도,
도 9는 본 발명의 추가 실시예로서, 회로상 인터록 절체 스위치가 구비된 것을 나타낸 예시도,
도 10은 본 발명에 따른 영구자석이 베어링 또는 회전체에 의해 회전(자전)할 수 있도록 하는 것을 나타낸 예시도이다.
다음은 첨부된 도면을 참조하며 본 발명을 보다 상세히 설명하겠다.
도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명은 비접촉식 여자기 회전자(100)와 비접촉식 여자기 고정자(200)로 크게 구성된다.
이에, 상기 비접촉식 여자기 회전자(100)는 일측에 고온초전도 코일(110: HTS coil) 파트가 구비되고 타측에 2세대 고온초전도 테이프(120: HTS tape) 파트가 구비된 회전자가 구동모터(130)에 의해 축선을 기준으로 회전하도록 형성된다.
여기서 비접촉식 여자기 회전자의 세부적인 구성과 설명은 본원 출원인이 출원 등록받은 등록특허 제10-1766684호의 기본 원리를 따르는 것으로 정리한다.
즉, 상기 비접촉식 여자기 회전자는 2세대 고온초전도 테이프가 구비된 회전자와 후술되는 비접촉식 여자기 고정자 간 상호 쇄교자속이 폐회로 내 축적(플럭스 펌핑)되면서 시변 자기장에 의해 전류의 충방전이 이루어지도록 형성된다.
이에, 상기 비접촉식 여자기 고정자(200)는 상기 2세대 고온초전도 테이프(120) 파트가 구비된 회전자에 대하여 외측 원주방향을 따라 일정간격 이격된 링형 철물 고정자(210)가 배치되도록 형성된다.
이때, 상기 철물 고정자는 별도의 축샤프트를 통해 지지되는 링 형태의 고정구조물로서 상기 철물 고정자(210)의 내주면에는 다수개의 하이브리드 자석(220)이 일정한 등간격을 두고 장착되도록 형성된다.
이때, 상기 하이브리드 자석(220)은 철물 고정자(210)의 원 중심점을 기준으로 가장 앞쪽에 영구자석(221)이 배치되어 정적 자기장을 발생시키도록 형성된다.
이에, 상기 영구자석(221)의 후방에는 절연판(222)을 기준으로 구획된 내측 전자석(223)이 구비되도록 하되, 상기 내측 전자석(223)은 이웃한 내측 전자석들과 서로 결선되도록 형성된다.
이때, 상기 내측 전자석(223)의 후방에는 절연판(222)을 기준으로 구획된 외측 전자석(224)이 구비되도록 하되, 상기 외측 전자석(224)은 이웃한 외측 전자석들과 서로 결선되도록 형성된다.
이에, 상기 내측 전자석(223)은 DC 전자석이고, 상기 외측 전자석(224)은 AC 전자석으로 형성된다.
이에, 상기 내측 전자석(223)은 이웃한 다른 내측 전자석들과 직렬로 연결된 후 DC 전원장치(300: 파워 서플라이)로 하여금 영구자석(221)의 정적 자기장을 보완하도록 형성되고, 상기 외측 전자석(224)은 다른 외측 전자석들 중 선택된 외측 전자석들과 Y결선 형태의 3상 결선 후 인버터(400)를 통해 회전자계를 발생시켜 능동적인 제어가 가능하도록 형성된다.
또한, 상기 비접촉식 여자기 고정자(200)는 내측 전자석(223)들 간의 결선회로와 외측 전자석(224)들 간의 결선회로 상에 인터록 절체 스위치(225)가 구비되도록 형성된다.
이때, 상기 영구자석(221)은 후단부 일측에 베어링 또는 회전체(500)가 구비되도록 하되, 상기 베어링 또는 회전체(500)와 결합된 영구자석은 별도의 서보모터 또는 구동장치에 의해 설정에 따라 자전(회전)시킬 수 있도록 형성된다.
부연하건데, 본 발명에 따른 하이브리드 자석은 도 2 내지 도 3에서 보는 바와 같이, 교류 전자석(AC 전자석(AC EM)), 직류 전자석(DC 전자석(DC EM)) 그리고 영구자석(영구자석(PM))으로 구성된다.
이러한 하이브리드 자석은 발생되는 자속의 집중을 위한 자로 형성을 목적으로 자성 재질의 자석 지지부가 구비된다.
이때, 철물 고정구에는 3의 배수 형태로 하이브리드 자석이 원주방향을 따라 일정한 간격을 두고 배치된다.
이에, 하이브리드 자석 중 최외각에 위치한 교류 전자석은 Y결선 되어 교류 전원 소스와 연결되어 3상 회전자계(시변 자기장 혹은 AC 자기장)를 발생하도록 형성된다.
이는 주파수 및 인가 전류의 크기를 제어하여 발생 회전자계를 능동적으로 제어할 수 있도록 형성된다.
이때, 교류 전원으로는 주파수 및 전압/전류 제어가 가능한 인버터 혹은 주파수 변환기 등이 사용 될 수도 있게 된다.
그리고, DC 전자석은 직렬로 결선되어 DC 전원과 연결되며 영구자석(영구자석(PM))이 발생하는 정적 자기장 (DC 자기장)이 부족하거나 과할 수 있는 다양한 운전환경에서 자기장의 크기를 보완 및 보조하는 역할을 수행하게 된다.
이때, 영구자석은 하이브리드 자석의 최내각에 배치되어 하이브리드 자석 구성 중에 가장 지배적인 DC자기장을 발생시키도록 형성된다.
이에, 비접촉식 여자 시스템의 회전자부 구성은 고온초전도 선재가 원형 지지부에 권선되어 고정자부가 발생하는 교류 및 직류 자기장과 쇄교하여 직류 전압을 자체적으로 발생하여 이 고온초전도 선재와 직렬 및 병렬 연결된 부하 고온초전도 코일에 전원을 공급하게 된다.
이때 회전자부는 반드시 액체 질소 온도인 77K 혹은 사용된 초전도체 임계 이하의 온도로 냉각되어야 고온초전도 선재가 초전도 상태가 되어 직류 전압을 비접촉식으로 발생하게 된다.
또한, 상기 회전자부는 속도 제어가 가능한 모터와 일축 상으로 연결되며 DC 전자석(DC EM) 및 영구자석(PM)의 작동이 요구되는 운전환경에서 모터의 회전을 통해 DC 전자석(DC EM) 및 영구자석(PM)이 발생하는 DC (정적) 자기장을 상대적인 속도차를 이용하여 AC (시변 혹은 회전) 자기장으로 변환하는 역할을 하게 된다.
상술한 해당기술이 적용되는 발전기 시스템에서는 회전자부를 회전시키는 원동기를 모사할 수 있으며 전동기 시스템에서의 전기자와 계자의 상호 작용에 의한 자체적인 회전을 모사하게 된다.
[실시예 1] 하이브리드 자석을 탑재한 능동 전류 제어형 비접촉식 초전도 여자기의 초기 전류 충전 운전(도 6 참조)
회전자부가 정지한 상태에서 비접촉식으로 회전자의 고온초전도 계자권선이 충전되어야 한다.
이를 위해 하이브리드 자석의 AC 전자석(AC EM)을 초기 전류 충전에 사용하여 고정자 혹은 회전자의 물리적인 회전없이 계자 전류 충전이 가능해진다.
AC 전자석(AC EM)은 3상 교류 전원과 연결되어 입력되는 AC전원에 따라 일정한 방향성을 갖는 시변(혹은 회전) 자기장을 발생시키게 된다.
극저온 온도로 냉각되어 초전도 상태가 된 회전자부의 고온초전도 선재에서 고정자부에서 발생되는 시변 자기장이 일정주기로 쇄교된다.
이는 일종의 DC 정류를 통해 DC 전압으로 변환되며 이를 통하여 직렬 혹은 병렬로 연결된 부하 고온초전도 코일(혹은 초전도 계자 권선)에 비접촉식으로 전류가 충전된다.
AC 전원의 주파수 및 전류/전압을 제어하여 정지상태에서 비접촉식으로 충전되어 포화되는 전류의 최대 크기 및 속도를 제어할 수 있게 된다.
그리고 고온초전도 회전기가 전동기로 운전될 경우 AC 전자석(AC EM)의 용량이 허용된다면 정격 운전이 가능한 계자 전류를 AC 전자석(AC EM) 단독으로 여자가 가능하게 된다.
또한, AC 전자석(AC EM)의 용량이 제한될 경우에도 전동기 고정자에 위치한 전기자가 발생하는 회전자계와 동기화가 가능한 정도의 최소 계자 전류로 여자가 가능해지며 이후 동기화된 후 토크가 발생하여 회전하게 되면 하이브리드 자석의 영구자석(PM)이 발생하는 회전자계와 상대적인 시변성이 발생하여 목표하는 계자 전류를 충전하게 된다.
이때, 계자 전류의 크기와 충전 속도는 상대적인 속도차 즉, 회전기의 회전 속도(주파수)에 영향을 받게 된다.
이에 회전기 정상 운전시에는 계자 전류의 제어가 요구되는 운전 환경에서 AC 전자석(AC EM) 에 인가되는 AC 전원의 주파수의 방향 및 크기 그리고 인가 전류의 크기를 제어하여 계자 전류를 원하는 목표치로 조절하는 제어가 가능하게 된다.
그리고 회전기의 정상 운전시 회전자 회전 속도의 제어가 요구되는 운전 환경에서의 비접촉식 여자기에 의해 충전되는 계자전류는 회전기의 회전속도 제어와는 독립적으로 일정한 값을 유지해야 한다.
즉, AC 전자석(AC EM) 에 인가되는 AC 전원의 주파수의 방향 및 크기 그리고 인가 전류의 크기를 제어하여 회전기의 회전속도 및 방향의 변화에 대응하여 계자 전류를 일정하게 유지 혹은 특정 값으로의 제어가 가능해진다.
[실시예 2] 하이브리드 자석을 탑재한 능동 전류 제어형 비접촉식 초전도 여자기의 운전 전류 제어 운전(도 7 참조)
초기 충전 운전에서 AC 전자석(AC EM)에 의해 일정값의 전류로 비접촉식 전류 충전이 완료되면 회전자의 고온초전도 계자 권선은 전기자 권선과 동기화 되어 회전을 시작하게 된다.
이에, 주자속을 발생하는 영구자석(PM)과의 상대적인 시변성을 통해 정격 운전에 요구되는 계자 전류로 포화된다.
이때, DC 전자석(DC EM)이 가동되어 영구자석(PM)이 발생하는 주자속의 크기를 감자 및 증자시켜 비접촉식으로 계자에 충전되는 전류의 제어가 다양한 운전환경에 대응하도록 형성된다.
이에, 회전기 정상운전시 회전기 회전 속도의 제어가 요구되는 운전 환경에서 비접촉식 여자기에 의해 충전되는 계자전류는 회전기의 회전속도 제어와는 독립적으로 일정한 값을 유지해야 된다.
그리고 DC 전자석(DC EM)에 인가되는 DC 전원의 방향 및 크기를 제어하여 회전기의 회전 속도 및 방향의 변화에 대응하여 계자 전류를 일정하게 유지 혹은 특정 값으로의 제어가 가능하게 된다.
참고로, 정방향 운전시에는 예로서 최대로 포화되는 계자 전류 보다 낮은 전류로 운전이 요구되는 환경에서는 DC 전자석(DC EM)에 마이너스 전류(즉, 영구자석(PM)과 반대방향의 자속을 만드는 전류)를 인가하는 감자 모드 운전을 하여 쇄교하는 총자속량을 감소시킬 수 있으며 DC 전자석(DC EM)의 전류량을 제어함으로써 회전기 정상 운전시의 계자 전류를 능동적으로 제어가 가능해진다.
이에 초전도 전동기가 정방향 회전할 때 하이브리드 자석에서 (+) 정적 자기장을 발생시키면 영구자석을 보조해서 증가된 자속이 동기전동기 회전자 축에 감긴 고온초전도 선재와 쇄교해서 계자코일에 전류가 더욱 많이 더욱 빠르게 충전된다.
그리고, 역방향 운전시에는 회전자의 회전방향의 반대가 되어야 하는 운전환경임으로서 쇄교자속의 방향이 역전되어 충전전류가 감소되며 이때 자속량이 일정하다면 충전전류가 “0”까지 방전된다.
이에, 역방향 회전이 지속되면 충전전류의 극성이 마이너스 방향으로 되어 결론적으로 계자 자속이 반대의 극성을 갖게 된다.
이는 계자 권선의 주자속을 감소시켜 발생 토크를 감소시키게 되며 궁극적으로 동기화를 벗어나게 하여 회전기로서의 기능을 상실하게 한다.
이를 방지하기 위해 이때 DC 전자석(DC EM)에 마이너스 전류(즉, 영구자석(PM)과 반대방향의 자속을 만드는 전류)를 인가하여 총 쇄교자속량을 감소시켜 방전되는 전류량을 감소시키는 효과를 얻을 수 있게 된다.
즉, 초전도 모터가 역방향 회전할 때 하이브리드 자석에서 (-) 정적 자기장을 발생시키면 영구자석에서 발생된 정적 자기장을 상쇄해서 동기모터 회전자 축 전면부(헤드)에 감긴 고온초전도 선재에 충분한 크기의 자속이 쇄교하지 못하게 되므로 회전방향 전환에 의한 방전이 발생하지 않게 된다.
[실시예 3] 하이브리드 자석을 탑재한 능동 전류 제어형 비접촉식 초전도 여자기의 정격 전류 제어 운전(도 8 참조)
초기 충전 운전에서 AC 전자석(AC EM)에 의해 일정 값의 전류로 비접촉식 전류 충전이 된 회전자의 고온초전도 계자 권선은 전기자 권선과 동기화 되어 회전을 시작하게 되며 여자기의 직류전압을 생성하기 위한 대부분의 주자속을 발생하는 영구자석(PM)과의 상대적인 시변성, 즉, 회전하는 속도 차를 통해 정격 운전에 요구되는 계자 전류로 포화된다.
이는 목표 전류 충전을 위한 대부분의 자속을 공급하기는 하지만 자속의 방향 및 크기를 제어할 수 없기 때문에 AC 전자석(AC EM) 혹은 DC 전자석(DC EM)의 보조 제어와 함께 운전되도록 형성된다.
이때, 하이브리드 자석의 구성중 영구자석(PM)을 최내각에 위치하여 회전자부의 고온초전도 선재와의 전자기적인 공극을 최소화 (혹은 물리적 거리를 최소화)하여 쇄교되는 총 자속량을 극대화 할 수 있게 된다.
[실시예 4] 하이브리드 자석 결선의 인터록 절체를 통해 제어(도 9 참조)
하이브리드 자석 제작시 추가의 결선 및 절체 스위치를 사용하여 AC 전자석(AC EM)과 DC 전자석(DC EM) 사이의 추가적인 회로 구성이 가능하다.
이를 통해 초기 충전시 AC 전자석(AC EM)이 발생하는 AC 자속 크기를 증가시켜 좀 더 많은 전류를 신속히 충전 가능하게 된다.
즉, 전동기가 정지하고 있는 상태에서는 각각의 하이브리드 자석의 DC 전자석(DC EM)과 AC 전자석(AC EM)을 직렬로 연결하고 모든 하이브리드 자석을 Y결선 후 AC 전원을 이용해서 회전자계를 발생시키게 된다.
이와 같이 DC 전자석(DC EM)이 작동하는 운전영역에서 스위치 절체를 통해 AC 전자석(AC EM)을 DC 전자석(DC EM)으로 활용함이 가능하게 된다.
이를 통해 영구자석(PM)이 발생하는 회전 자계의 크기를 증가시켜 부하 고온초전도 코일에 충전되는 최대 포화전류 증대가 가능하게 된다.
즉, 전동기가 회전하고 있는 상태에서는 모든 DC 전자석(DC EM)과 AC 전자석(AC EM)을 직렬로 연결하고 6개의 하이브리드 자석을 DC전원과 직렬 연결하여 중심 방향으로 자기장을 발생시키게 된다.
각 전원과의 인터록 절체를 통하여 각각의 운전 모드에서 운전되는 전자석의 용량을 확대함으로써 비접촉식으로 충전되는 전류의 능동 제어 범위를 확대시켜 전류 제어의 효율성 및 정밀성을 증대할 수 있게 된다.
[실시예 5] 회전기 고정자(전기자)의 3상 회전자계를 이용한 초기 전류 충전 운전(도 5 참조)
초기 충전 운전에서 하이브리드 자석의 AC 전자석(AC EM)의 동작 대신에 전동기에 구비된 고정자(전기자)와 연결되어 있는 인버터 드라이브 시스템으로 발생하는 3상 회전자계를 에너지원으로 이용하여 비접촉식 계자 전류 충전이 가능해진다.
이를 통하여 기존의 AC 전자석(AC EM)을 삭제하여 하이브리드 자석의 용량 및 사이즈를 감소 시킬 수 있을 뿐 아니라 AC 전자석(AC EM)을 DC 전자석(DC EM)으로 사용할 경우 DC 전자석(DC EM)의 용량 증대를 통해 전류 제어 범위를 확대 할 수 있는 장점을 갖게 된다.
[실시예 6] 회전형 영구자석을 이용한 전류 능동 제어 범위 확대(도 10 참조)
회전하는 영구자석(PM) 자속 발생부를 주자속원(Main source)으로 두고 DC 전자석(DC EM) 자속 발생부를 보조자속원(Assist)으로 두어 초기 계자 전류 충전시 영구자석(PM) 자속부를 일정 속도로 회전시켜 회전기 동기화가 가능한 계자 전류까지 충전하고 그 이후부터는 영구자석(PM)의 회전을 멈추어도 회전자의 상대적인 회전속도에 의하여 영구자석(PM)에서 인가되는 자기장이 시변성을 갖게되어 최대 포화 전류까지 전류가 비접촉식으로 충전된다.
계자 자속의 일정 제어 혹은 감자 및 증자 제어가 요구되는 운전환경에서는 DC 전자석(DC EM)을 능동적으로 제어하여 회전기의 다양한 운전환경에 대응하도록 세부적인 계자 전류 제어가 가능해진다.
이러한 구성은 DC 전자석(DC EM)인 경우 세부적인 제어를 위해 주자속원(Main source)을 보조하는 용도이며 대부분의 계자 전류는 영구자석(PM)의 주자속에 의해 발생되므로 DC 전자석(DC EM)의 용량 및 사이즈를 감소 시킬 수 있는 이점을 갖게 된다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
100 ... 비접촉식 여자기 회전자 110 ... 고온초전도 코일
120 ... 2세대 고온초전도 테이프 130 ... 구동모터
200 ... 비접촉식 여자기 고정자 210 ... 철물 고정자
220 ... 하이브리드 자석 221 ... 영구자석
222 ... 절연판 223 ... 내측 전자석
224 ... 외측 전자석 225 ... 인터록 절체 스위치
120 ... 2세대 고온초전도 테이프 130 ... 구동모터
200 ... 비접촉식 여자기 고정자 210 ... 철물 고정자
220 ... 하이브리드 자석 221 ... 영구자석
222 ... 절연판 223 ... 내측 전자석
224 ... 외측 전자석 225 ... 인터록 절체 스위치
Claims (6)
- 일측에 고온초전도 코일(110: HTS coil) 파트가 구비되고 타측에 2세대 고온초전도 테이프(120: HTS tape) 파트가 구비된 회전자(Rotor)가 구동모터(130)에 의해 축선을 기준으로 회전하도록 하는 비접촉식 여자기 회전자(100)와; 상기 2세대 고온초전도 테이프(120) 파트가 구비된 회전자에 대하여 외측 원주방향을 따라 일정간격 이격된 링형 철물 고정자(210)가 배치되도록 형성되고, 상기 철물 고정자(210)의 내주면에는 다수개의 하이브리드 자석(220)이 일정한 등간격을 두고 장착되도록 하되, 상기 하이브리드 자석(220)은 철물 고정자(210)의 원 중심점을 기준으로 가장 앞쪽에 영구자석(221)이 배치되어 정적 자기장을 발생시키도록 형성되며, 상기 영구자석(221)의 후방에는 절연판(222)을 기준으로 구획된 내측 전자석(223)이 구비되도록 하되, 상기 내측 전자석(223)은 이웃한 내측 전자석들과 서로 결선되도록 형성되며, 상기 내측 전자석(223)의 후방에는 절연판(222)을 기준으로 구획된 외측 전자석(224)이 구비되도록 하되, 상기 외측 전자석(224)은 이웃한 외측 전자석들과 서로 결선되도록 하는 비접촉식 여자기 고정자(200)가; 구성되어 이루어진 하이브리드 자석을 탑재한 능동 전류 제어형 비접촉식 초전도 여자기용 시험장치에 있어서,
상기 내측 전자석(223)은 DC 전자석이고, 상기 외측 전자석(224)은 AC 전자석이며, 상기 내측 전자석(223)은 이웃한 다른 내측 전자석들과 직렬로 연결된 후 DC 전원장치(300)로 하여금 영구자석(221)의 정적 자기장을 보완하도록 형성되고, 상기 외측 전자석(224)은 다른 외측 전자석들 중 선택된 외측 전자석들과 Y결선 형태의 3상 결선 후 인버터(400)를 통해 회전자계를 발생시켜 능동적인 제어가 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자석을 탑재한 능동 전류 제어형 비접촉식 초전도 여자기용 시험장치. - 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 비접촉식 여자기 고정자(200)는 내측 전자석(223)들 간의 결선회로와 외측 전자석(224)들 간의 결선회로 상에 인터록 절체 스위치(225)가 구비되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자석을 탑재한 능동 전류 제어형 비접촉식 초전도 여자기용 시험장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 영구자석(221)은 후단부 일측에 베어링 또는 회전체(500)가 구비되도록 하되, 상기 베어링 또는 회전체(500)와 결합된 영구자석은 별도의 서보모터 또는 구동장치에 의해 설정에 따라 자전(회전)시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자석을 탑재한 능동 전류 제어형 비접촉식 초전도 여자기용 시험장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 하이브리드 자석을 탑재한 능동 전류 제어형 비접촉식 초전도 여자기용 시험장치는,
초기 충전 운전시 하이브리드 자석의 AC 전자석(AC EM)의 동작 대신 전동기에 구비된 고정자(전기자)와 연결되어 있는 인버터 드라이브 시스템으로 발생하는 3상 회전자계를 에너지원으로 이용하여 비접촉식 계자 전류 충전이 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 자석을 탑재한 능동 전류 제어형 비접촉식 초전도 여자기용 시험장치.
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2022
- 2022-01-07 US US18/255,397 patent/US20240079945A1/en active Pending
- 2022-01-07 WO PCT/KR2022/000259 patent/WO2022164070A1/ko active Application Filing
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