KR102644703B1 - 초전도 코일을 이용한 초전도 자기 기어 장치 및 이를 이용한 발전 장치 - Google Patents

초전도 코일을 이용한 초전도 자기 기어 장치 및 이를 이용한 발전 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초전도 코일을 이용한 초전도 자기 기어 장치 및 이를 이용한 발전 장치에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 초전도 코일을 이용한 초전도 자기 기어 장치는, 제1 초전도 코일을 포함하는 제1 회전부; 제2 초전도 코일을 포함하는 제2 회전부; 및 상기 제1 회전부와 상기 제2 회전부 사이의 자속 경로를 형성함에 따라 상기 제1 회전부의 회전에 의해 상기 제2 회전부의 회전을 매개하여 자속을 증폭시키기 위한 자속 증폭부;를 포함하되, 상기 제1 회전부와 상기 제2 회전부는 상기 제1 초전도 코일와 상기 제2 초전도 코일의 개수와 크기 차이에 따라 자기 기어비(magnetic gear ratio)를 정하는 것일 수 있다.

Description

초전도 코일을 이용한 초전도 자기 기어 장치 및 이를 이용한 발전 장치{SUPERCONDUCTING MAGNETIC GEAR DEVICE USING SUPERCONDUCING COIL, GENERATING APPARTUS USING THE SAME}
본 발명은 초전도 코일을 이용한 초전도 자기 기어 장치 및 이를 이용한 발전 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기계적인 접점 없이 고자기장을 생성하는 초전도 코일에 의한 자기 기어비(magnetic gear ratio)를 적용하여 저속회전을 고속회전으로 변환함으로써 기어 치열의 기계적인 마찰로 인한 마모와 고장으로 인해 일어날 수 있는 여러 유지보수 비용 및 시간 측면에서의 손실을 방지하기 위한, 초전도 코일을 이용한 초전도 자기 기어 장치 및 이를 이용한 발전 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 풍력발전기는 바람이 가지는 에너지를 회전력으로 변환시키는 블레이드(Blade), 블레이드를 연결하는 허브(Hub), 회전력을 기어박스에 전달하는 주축(Main Shaft), 저회전 고토크의 회전을 고회전 저토크의 회전으로 변환하는 기어박스(Gearbox), 회전력을 전력으로 바꾸는 발전기(Generator), 풍력발전기를 지지하는 타워(Tower), 블레이드의 피치각을 조적하는 피치 시스템(Pitch System), 나셀(Nacell)을 바람이 부는 방향으로 일치시키는 요 시스템(Yaw System) 그리고 풍력발전기를 제어하는 제어/모니터링 시스템의 구조로 구성되어 있다.
특히, 기어박스는 상대적으로 낮은 블레이드의 회전수를 발전기를 구동하기에 충분한 회전수로 증속시키는 역할을 담당한다. 이러한 기어박스는 제한된 공간속에서 높은 증속비를 위해 대부분 유성기어(Planetary Gear)를 적용하고 있다.
구체적으로, 유성기어는 태양기어(Sun Gear)를 중심으로 복수의 피니언기어(Pinion Gear)가 맞물려 자전하면서 공전하는 구조를 가지면서, 피니언기어가 링기어(Ring Gear)에 내접하여 연결되는 기어체계이다. 피니언기어는 캐리어(carrier)로 연결되어 있다.
이와 같은 유성기어의 구조는 높은 비율의 각 속도비를 얻을 수 있다는 장점이 있으나, 구조적 또는 기계적 관점에서 볼 때 기어가 회전하면 마찰이 계속 발생하는 특성으로 인해 기어의 치열 마모 및 손상이 일어날 수밖에 없다.
그래서, 풍력발전기의 기어박스는 일대일 비율의 기어개수를 가지는 구조가 아니라 하나의 태양기어에 복수 개의 피니언기어가 존재하는 구조의 경우 기어의 톱니바퀴 하나에 고장이 발생하더라도 전체 시스템을 정지시켜야 하는 한계가 있다. 이는 풍력발전기 전체 발전량에 영향을 미칠 수 있기 때문에 풍력발전기의 유지보수 비용 측면에서 큰 손실이 발생하는 것을 예상할 수 있다.
따라서, 풍력발전기는 기어 치열의 기계적인 마찰로 인한 마모와 고장으로 인해 일어날 수 있는 여러 유지보수 비용 및 시간 측면에서의 손실을 방지할 수 있는 방안이 마련될 필요가 있다.
한국 공개특허공보 제10-2016-0019200호
본 발명의 목적은 기계적인 접점 없이 고자기장을 생성하는 초전도 코일에 의한 자기 기어비(magnetic gear ratio)를 적용하여 저속회전을 고속회전으로 변환함으로써 기어 치열의 기계적인 마찰로 인한 마모와 고장으로 인해 일어날 수 있는 여러 유지보수 비용 및 시간 측면에서의 손실을 방지하기 위한, 초전도 코일을 이용한 초전도 자기 기어 장치 및 이를 이용한 발전 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 초전도 코일을 이용한 초전도 자기 기어 장치는, 소형 초전도 코일(제1 초전도 코일)을 포함하는 저속 회전부(제1 회전부); 대형 초전도 코일(제2 초전도 코일)을 포함하는 고속 회전부(제2 회전부); 및 상기 제1 회전부와 상기 제2 회전부 사이의 자속 경로를 형성함에 따라 상기 제1 회전부의 회전에 의해 상기 제2 회전부의 회전을 매개하여 자속을 증폭시키기 위한 자속 증폭부;를 포함하되, 상기 제1 회전부와 상기 제2 회전부는 상기 제1 초전도 코일와 상기 제2 초전도 코일의 개수와 크기 차이에 따라 자기 기어비(magnetic gear ratio)를 정하는 것일 수 있다.
상기 제1 회전부와 상기 제2 회전부는, 상기 자속 증폭부를 매개로 하여 토로이달 형상으로 동축상에 정렬하여 배치하는 것일 수 있다.
상기 제1 회전부는 상기 자속 증폭부의 외측에 배치하고, 상기 제2 회전부는 상기 자속 증폭부의 내측에 배치하는 것일 수 있다.
상기 제1 초전도 코일의 개수는 상기 제2 초전도 코일의 개수 보다 많고, 상기 제1 초전도 코일의 크기는 상기 제2 초전도 코일의 크기 보다 작은 것일 수 있다.
상기 제1 초전도 코일은, 미리 형성되어 임계 냉각 온도가 유지되는 제1 코일 수용부에 삽입되어 상기 제1 회전부의 수평면 상에 원주 방향을 따라 정렬되어 배치되고, 상기 제2 초전도 코일은, 미리 형성되어 임계 냉각 온도가 유지되는 제2 코일 수용부에 삽입되어 상기 제2 회전부의 수평면 상에 원주 방향을 따라 정렬되어 배치되는 것일 수 있다.
상기 제1 회전부는, 풍력 발전기의 프로펠러와 연결되어 상기 프로펠러의 회전력에 의해 회전하는 것일 수 있다.
상기 자속 증폭부는, 원주 방향을 따라 정렬되어 배치되는 단면이 장방형의 금속부재가 미리 형성되어 있는 금속부재 수용부에 삽입되어 있고, 상기 금속부재는 상기 제1 회전부에 의해 형성된 자기장을 증폭시켜 자속밀도를 증가시키는 것일 수 있다.
상기 금속부재의 개수는, 상기 제1 초전도 코일의 개수와 상기 제2 초전도 코일의 개수의 합과 동일한 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 발전 장치는, 회전을 통해 자계의 자속 변화를 형성하는 계좌 기능을 담당하기 위한 초전도 자기 기어 장치; 및 상기 계자 기능과 상호 작용을 통해 유도기전력에 의해 유도되어 전류가 흐르는 전기자 기능을 담당하기 위한 전기자부;를 포함하고, 상기 초전도 자기 기어 장치는, 제1 초전도 코일을 포함하는 제1 회전부; 제2 초전도 코일을 포함하는 제2 회전부; 및 상기 제1 회전부와 상기 제2 회전부 사이의 자속 경로를 형성함에 따라 상기 제1 회전부의 회전에 의해 상기 제2 회전부의 회전을 매개하여 자속을 증폭시키기 위한 자속 증폭부;를 포함하되, 상기 제1 회전부와 상기 제2 회전부는 상기 제1 초전도 코일와 상기 제2 초전도 코일의 개수와 크기 차이에 따라 자기 기어비(magnetic gear ratio)를 정하는 것일 수 있다.
본 발명은 기계적인 접점 없이 고자기장을 생성하는 초전도 코일에 의한 자기 기어비(magnetic gear ratio)를 적용하여 저속회전을 고속회전으로 변환함으로써 기어 치열의 기계적인 마찰로 인한 마모와 고장으로 인해 일어날 수 있는 여러 유지보수 비용 및 시간 측면에서의 손실을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 고 자장을 가지는 초전도 코일로 인해 영구자석을 사용하는 경우보다 무게를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명은 고 자장을 가지는 초전도 코일로 인해 영구자석과 비교하여 대용량 발전기 및 모터에 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발전 장치를 나타낸 도면,
도 2는 도 1의 발전 장치를 이용한 풍력 발전기를 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발전 장치를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 발전 장치(100)는 초전도 코일을 이용한 초전도 자기 기어 장치(이하 '초전도 자기 기어 장치'라 함)(110 내지 130)의 계자 기능과 전기자부(140)의 전기자 기능의 상호 작용을 통한 유도기전력에 의해 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시킨다. 이러한 발전 장치(100)는 대표적으로 풍력발전기에 적용 가능하나, 이에 한정되어 해석되지 않는다.
구체적으로, 초전도 자기 기어 장치는 기계적인 접점 없이 고자기장을 생성하는 초전도 코일에 의한 자기 기어비(magnetic gear ratio)를 적용하여 저속회전을 고속회전으로 변환함으로써 기어 치열의 기계적인 마찰로 인한 마모와 고장으로 인해 일어날 수 있는 여러 유지보수 비용 및 시간 측면에서의 손실을 방지할 수 있다.
이러한 초전도 자기 기어 장치는 회전을 통해 자계(magnetic field)의 자속 변화를 형성하는 발전 장치(100)의 계자 기능을 담당하되, 계자와의 상호 작용을 통한 유도기전력(유기기전력)에 의해 유도되어 전류가 흐르는 발전 장치(100)의 전기자 기능을 담당하는 전기자부(140)와 연동한다.
이하, 초전도 자기 기어 장치에 대해 상세히 설명하기로 한다.
초전도 자기 기어 장치는 저속 회전부(제1 회전부)(110), 고속 회전부(제2 회전부)(120), 및 자속 증폭부(130)를 포함한다.
먼저, 저속 회전부(110)는 초전도성을 유지하기 위한 임계 냉각 온도를 유지하면서 다수개의 소형 초전도 코일(제1 초전도 코일)(111)을 포함하여 구현한다.
여기서, 소형 초전도 코일(111)은 미리 형성되어 임계 냉각 온도가 유지되는 제1 코일 수용부(112)에 삽입되어 저속 회전부(110)의 수평면 상에 원주 방향을 따라 정렬되어 배치되고, 코일의 권선 방향(시계방향 또는 반시계방향)을 교번하여 권선함에 따라 코일의 극성(N극 및 S극)을 교대로 형성한다. 이때, 소형 초전도 코일(111)은 코일의 극성을 나타낼 수 있도록 운전전류를 도통한다.
이러한 저속 회전부(110)는 외부 회전체(예, 풍력발전기의 프로펠러)와 연결되어 외부 회전체의 회전력에 의해 회전한다.
다음으로, 고속 회전부(120)는 저속 회전부(110)와 마찬가지로, 초전도성을 유지하기 위한 임계 냉각 온도를 유지하면서 다수개의 대형 초전도 코일(제2 초전도 코일)(121)을 포함하여 구현한다.
여기서, 대형 초전도 코일(121)은 미리 형성되어 임계 냉각 온도가 유지되는 제2 코일 수용부(122)에 삽입되어 고속 회전부(120)의 수평면 상에 원주 방향을 따라 정렬되어 배치되고, 코일의 권선 방향(시계방향 또는 반시계방향)을 교번하여 권선함에 따라 코일의 극성(N극 및 S극)을 교대로 형성한다. 이때, 대형 초전도 코일(121)은 코일의 극성을 나타낼 수 있도록 운전전류를 도통한다.
저속 회전부(110)와 고속 회전부(120)는 소형 초전도 코일(111)과 대형 초전도 코일(121)의 개수와 크기를 서로 다르게 구현함에 따라 자기 기어비(magnetic gear ratio)를 정할 수 있다. 일반적인 기계적 기어는 접점을 위한 기어치(gear tooth)의 개수로 기어비를 정하게 된다.
즉, 초전도 자기 기어 장치의 기어비는 소형 초전도 코일(111)의 개수와 대형 초전도 코일(121)의 개수와 크기의 차이로 정할 수 있다.
이 경우, 소형 초전도 코일(111)의 개수는 대형 초전도 코일(121)의 개수 보다 많고, 소형 초전도 코일(111)의 크기는 대형 초전도 코일(121)의 크기 보다 작기 때문에, 저속 회전부(110)와 고속 회전부(120)는 회전수가 서로 달라질 수 있다.
예를 들어, 소형 초전도 코일(111)의 개수가 20개이고, 대형 초전도 코일(121)의 개수가 4개인 경우에, 그에 따라 소형 초전도 코일(111)의 회전수는 8 RPM이고, 대형 초전도 코일(121)의 회전수가 80 RPM일 수 있다.
한편, 저속 회전부(110)와 고속 회전부(120)는 자속 증폭부(130)를 매개로 하여 토로이달(toroidal) 형상으로 동축상에 정렬하여 배치한다.
도 1과 같이 저속 회전부(110)는 자속 증폭부(130)의 외측에 배치하고, 고속 회전부(120)는 자속 증폭부(130)의 내측에 배치하는 것이 바람직하다. 이는 동심원의 반지름에 따라 원주 방향으로 배치 가능한 코일의 개수가 달라지는데, 내측에서 외측으로 갈수록 원주 방향으로 배치 가능한 코일의 개수가 많아지기 때문이다.
즉, 소형 초전도 코일(111)의 개수가 대형 초전도 코일(121)의 개수 보다 많기 때문에, 배치 가능한 코일 개수가 상대적으로 많은 자속 증폭부(130)의 외측에 저속 회전부(110)를 배치하고, 배치 가능한 코일 개수가 상대적으로 적은 자속 증폭부(130)의 내측에 고속 회전부(120)를 배치하는 경우에 자기 기어비에 따른 기어 설계상 제약이 적다.
반면에, 저속 회전부(110)와 고속 회전부(120)는 자속 증폭부(130)의 배치 위치가 반대인 경우를 고려할 수 있다. 이 경우에는 동심원의 반지름이 커지는 고속 회전부(120)의 배치 가능한 코일 개수가 늘어날 수 있으나, 동심원의 반지름이 작아지는 저속 회전부(110)의 배치 가능한 코일 개수가 늘어나기 어려운 제약이 있기 때문에 자기 기어비에 따른 기어 설계상 제약이 커질 수 있다.
자속 증폭부(130)는 저속 회전부(110)와 고속 회전부(120) 사이에 자속 경로(Flux Path)(FP)를 형성함에 따라 저속 회전부(110)의 회전에 의해 고속 회전부(120)의 회전을 매개하여 자속을 증폭시키는 다수 개의 금속부재(131)를 포함하여 구성한다.
즉, 자속 증폭부(130)는 저속 회전부(110)의 소형 초전도 코일(111)이 회전함에 따라 금속부재(131)에 분포된 자속의 크기 및 방향의 변화를 통해 고속 회전부(120)의 대형 초전도 코일(121)이 회전 가능하게 만들어준다. 이때, 자속 증폭부(130)는 회전하지 않고 고정되어 있다.
여기서, 금속부재(131)는 미리 형성되어 있는 금속부재 수용부(132)에 삽입되어 자속 증폭부(130)의 수평면 상에 원주 방향을 따라 정렬되어 배치되는 단면이 장방형일 수 있다.
그리고, 금속부재(131)는 저속 회전부(110)에 의해 형성된 자기장을 증폭시켜 자속밀도를 증가시킨다. 이는 금속부재(131)의 원자들이 자기장에 의해 한쪽 방향으로 정렬됨에 따라 자속이 증폭되기 때문이다. 이때, 자속밀도(Magnetic Density)는 일반적으로 물질 특성의 상수 즉, 투자율(Permeability)에 자계강도(Magnetic Field Strength)를 곱한 값으로 나타낼 수 있고, 철(Fe) 재질의 투자율이 매우 높다. 이에 따라, 금속부재(131)는 철 재질이 바람직하다.
또한, 금속부재(131)는 저속 회전부(110)와 고속 회전부(120) 사이에 자속 경로(FP)를 형성하므로, 저속 회전부(110)와 고속 회전부(120)의 접선의 연직 방향으로 길게 배치되는 구조를 가질 수 있다.
여기서, 금속부재(131)의 개수는 저속 회전부(110)의 소형 초전도 코일(111)의 개수와 고속 회전부(120)의 대형 초전도 코일(121)의 개수의 합과 같다. 도 1을 참조하면, 소형 초전도 코일(111)의 개수는 20개이고, 대형 초전도 코일(121)의 개수는 4개일 때, 금속부재(131)의 개수는 24개가 된다.
한편, 초전도 자기 기어 장치의 동작 원리에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저, 저속 회전부(110)와 고속 회전부(120)는 초전도 코일의 냉각을 진행하되, 운전전류까지 전류를 흘러주어 각 코일이 N극과 S극의 역할을 담당할 수 있게 한다.
그리고, 저속 회전부(110)는 외부 회전체에 의한 회전력이 가해지면 소형 초전도 코일(111)이 회전하게 된다. 이때, 자속 증폭부(130)는 저속 회전부(110)의 회전에 따라 자화된 금속부재(131)의 극성이 변하게 되면, 고속 회전부(120)는 대형 초전도 코일(121)에 반발력이 발생함에 따라 힘이 전달되어 고속으로 회전하게 된다.
특히, 자속 증폭부(130)의 금속부재(131) 극성은 저속 회전부(110)의 소형 초전도 코일(111)의 회전에 따라 변경된다. 이는 고속 회전부(120)의 대형 초전도 코일(121)에 반발력으로 작용하게 된다.
그런데, 고속 회전부(120)의 대형 초전도 코일(121)은 극수가 적기 때문에 하나의 코일에 복수 개의 금속부재(131)가 여러 차례 반발력을 작용하는 효과를 나타내기 때문에 회전 속도가 빨라지는 특성을 나타낸다.
이와 같이, 초전도 자기 기어 장치는 코일 개수비를 자기 기어비로 작용하게 된다.
한편, 초전도 자기 기어 장치는 발전 장치(100)의 회전자(rotor)에 해당되고, 전기자부(140)는 발전 장치(100)의 고정자(stator)에 해당된다.
구체적으로, 전기자부(140)는 자속 밀도를 증가시키기 위해 실리콘(Si) 재질의 라미네이트 기판을 타발하고, 이를 다수개 적층하여 형성한 코어(141)를 포함하여 구성한다. 여기서, 코어(141)에는 전기자 코일(142)을 권선하기 위한 슬롯이 형성된다. 이때, 전기자 코일(142)은 일반적인 발전 장치 설계시와 같이 고조파 및 유도기전력 측면에서 동기기와 같은 권선법으로 권선된다.
초전도 자기 기어 장치는 저속 회전부(110)의 소형 초전도 코일(111)이 회전하게 되면, 고속 회전부(120)의 대형 초전도 코일(121)이 자기 기어비에 따라 회전을 진행한다.
그러면, 고속 회전부(120)의 대형 초전도 코일(121)은 회전함에 따라 계자 코일로서 기능하여 자속 변화를 만들게 되고, 전기자부(140)와 상호 작용으로 인해 발전 장치(100)의 내부에 있는 전기자 코일(142)에 유도기전력을 발생시킨다. 이에 따라, 전기자 코일(142)에는 전류가 흐르게 된다.
도 2는 도 1의 발전 장치를 이용한 풍력 발전기를 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 도 1의 발전 장치(100)는 풍력 발전기에 적용 가능하다.
풍력발전기의 프로펠러(10)는 풍력발전기의 일단에 구비하여 일단에서 타단으로 바람의 흐름을 형성할 때 회전하게 된다.
저속 회전부(110)는 프로펠러 회전축(11)에 일체로 연결되어 프로펠러(10)의 회전에 의해 함께 회전하게 된다. 이때, 프로펠러 회전축(11)은 풍력발전기의 일단에 장착된 제1 베어링(30)을 통해 하우징(20)에 회전 가능하게 조립된다.
또한, 고속 회전부(120)는 제2 베어링(40)을 통해 전기자부(140)의 코어(141) 중심축에 회전 가능하게 조립된다.
그리고, 자속 증폭부(130)는 저속 회전부(110)와 고속 회전부(120) 사이에서 고정되어 배치되고, 전기자부(140)는 고속 회전부(120)의 내측에 고정되어 배치된다. 이때, 자속 증폭부(130)와 전기자부(140)는 풍력발전기의 타단측 하우징(20)에 일체로 고정하거나, 개별로 고정할 수 있다.
한편, 저속 회전부(110)의 내주면은 자속 증폭부(130)의 외주면에 대향하면서 소정 간격 이격 배치한다. 아울러, 고속 회전부(120)의 외주면은 자속 증폭부(130)의 내주면에 대향하면서 소정 간격 이격 배치하고, 고속 회전부(120)의 내주면은 전기자부(140)의 외주면에 대향하면서 소정 간격 이격 배치한다.
저속 회전부(110)의 소형 초전도 코일(111)의 개수와 고속 회전부(120)의 대형 초전도 코일(121)의 개수의 차이는 초전도 자기 기어 장치 기어비로 정해진다.
비록 상기 설명이 다양한 실시예들에 적용되는 본 발명의 신규한 특징들에 초점을 맞추어 설명되었지만, 본 기술 분야에 숙달된 기술을 가진 사람은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 상기 설명된 장치 및 방법의 형태 및 세부 사항에서 다양한 삭제, 대체, 및 변경이 가능함을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 설명에서보다는 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된다. 특허청구범위의 균등 범위 안의 모든 변형은 본 발명의 범위에 포섭된다.
10 ; 프로펠러 11 ; 프로펠러 회전축
20 ; 하우징 30 ; 제1 베어링
40 ; 제2 베어링 110 ; 제1(저속) 회전부
111 ; 제1(소형) 초전도 코일 112 ; 제1 코일 수용부
120 ; 제2(고속) 회전부 121 ; 제2(대형) 초전도 코일
122 ; 제2 코일 수용부 130 ; 자속 증폭부
131 ; 금속부재 132 ; 금속부재 수용부
140 ; 전기자부 141 ; 코어
142 ; 전기자 코일

Claims (17)

  1. 제1 초전도 코일을 포함하는 제1 회전부;
    제2 초전도 코일을 포함하는 제2 회전부; 및
    상기 제1 회전부와 상기 제2 회전부 사이의 자속 경로를 형성함에 따라 상기 제1 회전부의 회전에 의해 상기 제2 회전부의 회전을 매개하여 자속을 증폭시키기 위한 자속 증폭부;를 포함하되,
    상기 제1 회전부와 상기 제2 회전부는 상기 제1 초전도 코일와 상기 제2 초전도 코일의 개수와 크기 차이에 따라 자기 기어비(magnetic gear ratio)를 정하고,
    상기 자속 증폭부는, 상기 제1 회전부와 상기 제2 회전부 사이에서 고정되어 배치되고,
    상기 자속 증폭부는,
    원주 방향을 따라 정렬되어 배치되는 단면이 장방형의 금속부재가 미리 형성되어 있는 금속부재 수용부에 삽입되고,
    상기 금속부재는 상기 제1 회전부에 의해 형성된 자기장을 증폭시켜 자속밀도를 증가시키도록 된 것을 특징으로 하는 초전도 코일을 이용한 초전도 자기 기어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 회전부와 상기 제2 회전부는,
    상기 자속 증폭부를 매개로 하여 토로이달 형상으로 동축상에 정렬하여 배치하는 것인 초전도 코일을 이용한 초전도 자기 기어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 회전부는 상기 자속 증폭부의 외측에 배치하고,
    상기 제2 회전부는 상기 자속 증폭부의 내측에 배치하는 것인 초전도 코일을 이용한 초전도 자기 기어 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 초전도 코일의 개수는 상기 제2 초전도 코일의 개수 보다 많고,
    상기 제1 초전도 코일의 크기는 상기 제2 초전도 코일의 크기 보다 작은 것인 초전도 코일을 이용한 초전도 자기 기어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 초전도 코일은,
    미리 형성되어 임계 냉각 온도가 유지되는 제1 코일 수용부에 삽입되어 상기 제1 회전부의 수평면 상에 원주 방향을 따라 정렬되어 배치되고,
    상기 제2 초전도 코일은,
    미리 형성되어 임계 냉각 온도가 유지되는 제2 코일 수용부에 삽입되어 상기 제2 회전부의 수평면 상에 원주 방향을 따라 정렬되어 배치되는 것인 초전도 코일을 이용한 초전도 자기 기어 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 회전부는,
    풍력 발전기의 프로펠러와 연결되어 상기 프로펠러의 회전력에 의해 회전하는 것인 초전도 코일을 이용한 초전도 자기 기어 장치.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속부재의 개수는,
    상기 제1 초전도 코일의 개수와 상기 제2 초전도 코일의 개수의 합과 동일한 것인 초전도 코일을 이용한 초전도 자기 기어 장치.
  9. 회전을 통해 자계의 자속 변화를 형성하는 계자 기능을 담당하기 위한 초전도 자기 기어 장치; 및
    상기 계자 기능과 상호 작용을 통해 유도기전력에 의해 유도되어 전류가 흐르는 전기자 기능을 담당하기 위한 전기자부;를 포함하고,
    상기 초전도 자기 기어 장치는,
    제1 초전도 코일을 포함하는 제1 회전부;
    제2 초전도 코일을 포함하는 제2 회전부; 및
    상기 제1 회전부와 상기 제2 회전부 사이의 자속 경로를 형성함에 따라 상기 제1 회전부의 회전에 의해 상기 제2 회전부의 회전을 매개하여 자속을 증폭시키기 위한 자속 증폭부;를 포함하되,
    상기 제1 회전부와 상기 제2 회전부는 상기 제1 초전도 코일와 상기 제2 초전도 코일의 개수와 크기 차이에 따라 자기 기어비(magnetic gear ratio)를 정하고,
    상기 자속 증폭부는, 상기 제1 회전부와 상기 제2 회전부 사이에서 고정되어 배치되고,
    상기 자속 증폭부는,
    원주 방향을 따라 정렬되어 배치되는 단면이 장방형의 금속부재가 미리 형성되어 있는 금속부재 수용부에 삽입되고,
    상기 금속부재는 상기 제1 회전부에 의해 형성된 자기장을 증폭시켜 자속밀도를 증가시키도록 된 것을 특징으로 하는 발전 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 회전부와 상기 제2 회전부는,
    상기 자속 증폭부를 매개로 하여 토로이달 형상으로 동축상에 정렬하여 배치하는 것인 발전 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 회전부는 상기 자속 증폭부의 외측에 배치하고,
    상기 제2 회전부는 상기 자속 증폭부의 내측에 배치하는 것인 발전 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 초전도 코일의 개수는 상기 제2 초전도 코일의 개수 보다 많고,
    상기 제1 초전도 코일의 크기는 상기 제2 초전도 코일의 크기 보다 작은 것인 발전 장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 초전도 코일은,
    미리 형성되어 임계 냉각 온도가 유지되는 제1 코일 수용부에 삽입되어 상기 제1 회전부의 수평면 상에 원주 방향을 따라 정렬되어 배치되고,
    상기 제2 초전도 코일은,
    미리 형성되어 임계 냉각 온도가 유지되는 제2 코일 수용부에 삽입되어 상기 제2 회전부의 수평면 상에 원주 방향을 따라 정렬되어 배치되는 것인 발전 장치.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 회전부는,
    풍력 발전기의 프로펠러와 연결되어 상기 프로펠러의 회전력에 의해 회전하는 것인 발전 장치.
  15. 삭제
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 금속부재의 개수는,
    상기 제1 초전도 코일의 개수와 상기 제2 초전도 코일의 개수의 합과 동일한 것인 발전 장치.
  17. 제 9 항에 있어서,
    상기 전기자부는,
    실리콘 재질의 라미네이트 기판을 타발 및 적층하여 형성하는 코어; 및
    상기 코어의 슬롯에 권선된 전기자 코일;
    을 포함하는 발전 장치.
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