KR20020087373A - 동기식 기계용 로터 - Google Patents

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KR20020087373A
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Abstract

동기식 기계(10)용 로터(14)는 로터 축을 갖는 로터 코어(22)와, 로터 코어상에 장착된 한 쌍의 초전도 코일 권선(34, 100)을 포함하며, 각각의 상기 코일은 로터의 축(20)에 평행하고 그로부터 오프셋된 개별 평면에 존재하는 것으로 개시되어 있다.

Description

동기식 기계용 로터{SUPER-CONDUCTING SYNCHRONOUS MACHINE HAVING ROTOR AND A PLURALITY OF SUPER-CONDUCTING FIELD COIL WINDINGS}
본 발명은 일반적으로 동기식 회전 기계내의 초전도 코일에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 동기식 기계의 로터내의 초전도 계자(super-conducting field) 권선용의 코일 지지 구조체에 관한 것이다.
계자 코일 권선을 구비하는 동기식 전기 기계는, 이에 한정되는 것은 아니지만, 회전 발전기, 회전 모터 및 리니어 모터를 포함한다. 일반적으로, 이들 기계는 전자기적으로 결합된 스테이터 및 로터를 포함한다. 로터는 다극 로터 코어 및 이 로터 코어상에 장착된 코일 권선을 포함할 수 있다. 로터 코어는 철심 로터 등의 자기적으로 투자 가능한 솔리드 재료(magnefically-permeable solid material)를 포함할 수 있다.
종래의 구리 권선은 동기식 전기 기계의 로터에 보통 사용된다. 그러나, (통상적인 측정에 의해서는 낮을 지라도) 구리 권선의 전기 저항은 로터의 실질적인 가열의 원인이 되기에 충분하고, 기계의 전력 효율을 저하시키기에 충분하다. 최근에, 초전도(SC) 코일 권선이 로터용으로 개발되었다. SC 권선은 사실상 전혀 저항이 없으며, 로터 코일 권선에 매우 유리하다.
철심 로터는 약 2테슬라(Tesla)의 공극 자장 강도에서 포화된다. 공지된 초전도 로터는 3테슬라 이상의 공극 자장을 이루도록 로터에 철을 갖지 않는 공기-코어 설계를 이용하며, 이러한 높은 공극 자장은 전기 기계의 전력 밀도를 증가시키며, 그에 따라 기계의 중량 및 크기를 상당히 감소시킨다. 그러나 공기-코어 초전도 로터는 다량의 초전도 와이어를 필요로 하며, 이 다량의 SC 와이어는 필요한 코일의 개수, 코일 지지체의 복잡성 및 SC 코일 권선과 로터의 비용을 추가시킨다. 그러한 초전도 로터는 액체 헬륨에 의해 초전도 코일이 냉각되며, 사용된 헬륨은 실온의 가스 헬륨으로서 회수된다. 저온 냉각용으로 액체 헬륨을 사용하면, 회수된 실온의 가스 헬륨의 연속적인 재액화가 필요하며, 그러한 재액화는 상당한 신뢰성 문제를 가지며, 상당한 보조 전력을 필요로 한다.
고온 SC 코일 계자 권선은 취성을 갖는 초전도 재료로 형성되며, 초전도성을 달성하고 유지하기 위해 임계 온도(예를 들면, 27°K) 또는 그 이하의 온도로 냉각되어야 한다. 초전도 권선은 BSCCO(BixSrxCaxCuxOx)계 도체 등의 고온 초전도 재료로 형성될 수 있다.
SC 코일의 냉각 기술은 저온 냉동기로부터 솔리드 전도 경로를 통해 에폭시 함침 SC 코일을 냉각하는 것을 포함한다. 대안적으로, 로터내의 냉각 튜브는 액체 및/또는 가스 냉각제의 유동내에 침적된 SC 코일 권선에 액체 및/또는 가스 냉각제를 운반할 수 있다. 그러나, 침적 냉각은 전체 계자 권선 및 로터 구조체가 극저온으로 될 필요가 있다. 결과적으로, 철은 극저온에서의 철의 취성 때문에 로터 자기 회로에 전혀 사용될 수 없다.
예를 들어 공지된 초전도 로터의 공기-코어 및 액체 냉각 초전도 계자 권선 조립의 단점을 가지지 않는 전기 기계용 초전도 계자 권선 조립이 요구된다.
또한, 고온 초전도(HTS) 코일은 큰 굴곡 및 인장 변형으로부터의 열화에 민감하다. 이들 코일은 코일 권선에 응력 및 변형을 가하는 상당한 원심력을 받는다. 전기 기계의 정상 작동은 몇 년 동안에 걸친 수천회의 시동 및 정지 사이클을 수반하며, 이것은 로터의 저 사이클 피로 부하를 발생시킨다. 더욱이, HTS 로터 권선은 로터 밸런싱 과정 동안에 실온에서 25% 과속 작동을 견딜수 있어야 하며, 그럼에도 불구하고 발전 동작 동안에 극저온에서 가끔의 과속 조건을 견딜 수 있어야 한다. 이들 과속 조건은 권선상의 원심력 부하를 정상 작동 조건 이상으로 실질적으로 증가시킨다.
전기 기계의 로터 계자 권선으로 사용되는 HTS 코일은 저온 및 정상 작동 동안에 응력 및 변형을 받는다. 이들은 원심 부하, 토크 전달 및 과도 고장 조건을 받는다. 힘, 응력, 변형 및 사이클성 부하를 견디기 위해, HTS 코일은 코일 지지 시스템에 의해 로터내에 적절하게 지지되어야 한다. 코일을 로터내에 유지하는 이들 코일 지지 시스템은 로터의 회전으로 인한 극심한 원심력에 대해 코일을 고정해야 한다. 더욱이, 코일 지지 시스템 및 구조체는 HTS 코일을 보호하며, 코일이 조기에 균열, 피로 또는 파손되지 않도록 해야한다.
SC 코일을 로터에 적용하는 점에 있어서, HTS 코일용 지지 시스템의 개발이 어려운 문제였다. 이미 제안된 로터용 HTS 코일 지지 시스템의 예시는 미국 특허 제 5,548,168 호, 미국 특허 제 5,532,663 호, 미국 특허 제 5,672,921 호, 미국 특허 제 5,777,420 호, 미국 특허 제 6,169,353 호 및 미국 특허 제 6,066,906 호에 개시되어 있다. 그러나, 이들 코일 지지 시스템은, 고가이고 복잡하며, 과도한 수량의 구성요소를 필요로 하는 등의 여러 문제를 갖는다. SC 코일용 코일 지지 시스템을 구비한 HTS 로터에 대한 필요성이 오랫동안 있어 왔다. 또한, 코일 지지 시스템을 저비용으로 제조하고, 구성요소를 용이하게 조립하는데 대한 필요성이 존재한다.
로터 는 동기식 기계의 로터 코어상에 한 쌍의 HTS 코일을 구비한다. 유사하게, 지지 구조체는 로터상에 한 쌍의 HTS 코일을 장착하는 것으로 개시된다. 로터는 본래 HTS 코일을 포함하도록 설계된 동기식 기계를 위한 것일 수 있다. 대안적으로, HTS 로터는 통상적인 발전기 등의 기존 전기 기계의 구리 코일 로터를 대체할 수 있다. 로터와 그것의 HTS 코일은 본 명세서에 발전기와 관련하여 설명되지만, HTS 코일 로터는 또한 다른 동기식 기계에도 사용되기에 적합하다.
2극 계자 권선용 이중 레이스트랙 HTS 코일 설계는 코일 설계 및 코일 지지 시스템 설계의 단순함을 제공한다. 또한, 이중 코일 설계는 실질적으로 단일 코어 로터의 코일 권선의 양의 두배를 갖는다. 따라서, (이러한 코일이 발전기의 로터내에 포함될 때) 이중 코일 설계는 실질적으로 보다 큰 전력 발전 용량을 갖는다.
제 1 실시예에 있어서, 본 발명은 ⓛ로터 축을 갖는 로터 코어와, ②로터 코어상에 장착된 한 쌍의 초전도 코일 권선을 포함하며, 상기 코일 권선은 로터의 축에 평행하고 그로부터 오프셋된 개별 평면에 존재하는 동기식 기계용 로터이다.
다른 실시예에 있어서, 본 발명은 ①로터 축과 로터 코어를 따라 종방향으로 연장하는 오목 표면을 구비하는 로터 코어와; ②상기 로터 코어상에 장착되고, 로터 축에 평행하고 그로부터 평면내에 각각 존재하는 제 1 및 제 2 초전도 코일 권선과; ③상기 각 코일 권선의 대향 측면부에 가로 놓이고 그들을 연결하는 다수의 제 1 인장 로드와; ④상기 양쪽 코일 권선 사이에 가로 놓이고 그들을 연결하는 다수의 제 2 인장 로드를 포함하는 동기식 기계용 로터이다.
도 1은 스테이터내 초전도(SC) 로터의 개략적인 측면도,
도 2는 도 1에 도시된 SC 로터용으로 적합한 고온 초전도(HTS) 레이스트랙 코일의 개략적인 사시도,
도 3은 이중 HTS 레이스트랙 코일을 구비하는 예시적인 SC 로터의 개략적인 사시도(코일 지지 시스템 제외),
도 4는 이중 HTS 레이스트랙 코일을 구비하는 예시적인 SC 로터의 개략적인 사시도(코일 지지 시스템 포함),
도 5는 이중 안장형 코일을 구비하는 예시적인 SC 로터의 개략적인 사시도(코일 지지 시스템 제외),
도 6은 이중 안장형 코일용 코일 하우징의 개략적인 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 동기식 기계12 : 스테이터
14 : 로터16 : 로터 동공
18 : 자기장20 : 로터 축
22 : 로터 코어24 : 컬렉터 단부 샤프트
26 : 저온 이송 커플링30 : 구동 단부 샤프트
34, 100 : 로터 코일 권선36 : 고온 초전도(HTS) 코일
40 : 권선의 측면부42 : 코일 단부
44 : 오목 표면46 : 도관
48 : 로터 코어의 오목 표면50 : 릿지
52 : 단열 튜브54 : 분할 클램프
62 : 인장 로드64 : 채널 하우징
66 : 맞춤 핀70 : 편평한 단부
72 : 인장 로드100 : 안장형 코일
102 : 종방향 슬롯142 : 인장 로드
144 : 안장형 코일 하우징
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1은 스테이터(12) 및 로터(14)를 구비한 예시적인 동기식 발전기(10)를 도시한다. 스테이터(점선으로 도시됨)는 스테이터의 원통형 로터 진공 공동(16)을 둘러싸는 계자 권선 코일(field winding coil)을 포함한다. 로터는 스테이터의 로터 진공 공동 내측에 끼워맞춰진다. 로터가 스테이터내에서 회전할 때, 로터 및 로터 코일에 의해 발생된 자기장(18)은 스테이터를 통해 이동하며, 스테이터 코일의 권선에 전류를 생성한다. 이러한 전류는 발전기에 의해 전력으로서 출력된다.
로터(14)는 대체로 종방향으로 연장하는 축(20) 및 대체로 솔리드의 로터 코어(22)를 구비한다. 솔리드 코어(22)는 높은 자기 투자율을 가지며, 철 등의 강자성 재료로 보통 제조된다. 낮은 전력 밀도의 초전도 기계에 있어서, 로터의 철심은 기자력(MMF; magnetomotive force)을 저감시키는데 사용되며, 따라서 와이어의 양을 최소화한다. 예를 들면, 철 로터 코어는 약 2테슬라의 공극 자장 강도에서 자기적으로 포화될 수 있다.
로터(14)는, 종방향으로 연장하고 레이스트랙형인 적어도 하나의 고온 초전도(HTS) 코일 권선(34)을 지지한다(도 3 참조). 대안적으로, 초전도 코일은 안장(saddle)형이거나 특별한 로터 설계에 적합한 다른 형상일 수 있다. 코일 권선 시스템은 솔리드 로터 코어상에 장착된 레이스트랙 코일 이외의 다른 코일 구조에도 적합할 수 있다.
로터는 로터, 코어(22)를 받치며 베어링에 의해 지지되는 한쌍의 단부 샤프트(24, 30)를 포함하며, 외부 장치에 의해 커플링될 수 있다. 컬렉터(collector)단부 샤프트(24)는 코일 권선(34)의 코일(36)상에 접속부(79)를 위한 외부 전기 접속을 제공하는 컬렉터 링(78)을 구비한다. 또한, 컬렉터 단부 샤프트는 로터내의 SC 코일 권선을 냉각하는데 사용되는 저온 냉각 유체의 공급원에 결합된 냉각제 이송 커플링(26)을 포함한다. 이 냉각제 이송 커플링(26)은 냉각제 냉각 유체의 공급원에 결합된 고정 세그먼트와, HTS 코일에 냉각 유체를 제공하는 회전 세그먼트를 포함한다. 예를 들어, 구동 단부 샤프트(30)는 구동 터빈에 결합하는 동력 커플링(32)을 포함한다.
도 2는 예시적인 HTS 레이스트랙 계자 코일 권선(34)을 도시한다. 로터의 SC 계자 권선 코일(34)은 고온 초전도(HTS) 코일(36)을 포함한다. 각 HTS 코일은 고형 에폭시 함침식 권선 합성물로 적층된 BSCCO(BixSrxCaxCuxOx) 도체 와이어 등의 고온 초전도 도체를 포함한다. 예를 들면, 일련의 B2S2C2C3O 와이어는 고형 에폭시 함침 코일내로 적층되고 서로 접착된다.
HTS 와이어는 취성을 가지며 손상되기 쉽다. 전형적으로, HTS 코일은 권선 HTS 테이프로 감겨진 층이며, 정밀한 치수 공차를 달성하도록 정밀 코일 형태로 에폭시 함침된다. 이 테이프는 레이스트랙 SC 코일(36)을 형성하도록 나선형으로 감겨진다. 전도열 전달에 의해 냉각을 제공하기 위해 하나 또는 그 이상의 외측 코일 표면상에 접착되는 냉각 도관을 포함하는 레이스트랙 권선을 형성하도록 와이어가 감싸진다.
레이스트랙 코일의 치수는 로터 코어의 치수에 좌우된다. 일반적으로, 각레이스트랙 코일은 로터 코어의 자극을 둘러싸며, 로터 축에 평행하다. HTS 코일 권선은 레이스트랙 둘레에 연속적으로 이어져 있다. 코일은 무저항 전류 경로를 로터의 둘레에 그리고 코어의 자극 사이에 형성한다.
코일 권선(34)에는 저온 냉각 유체용 유체 통로(38)가 포함된다. 이들 통로는 SC 코일(36)의 외측 에지 둘레로 연장할 수 있다. 통로는 저온 냉각 유체를 코일에 제공하여 전도열 전달에 의해 코일로부터 열을 제거한다. 냉각 유체는 코일의 전기 저항이 없는 초전도 상태를 조성하는데 요구되는 SC 코일 권선에서 저온(예를 들면, 27℉)을 유지한다. 냉각 통로는 로터 코어의 일단부에 공급 유체 포트(39) 및 배출 유체 포트(41)를 구비한다. 이들 포트(39, 41)는 냉각제 이송 커플링(26)까지 연장하는 로터 단부 샤프트(24)내의 튜브에 SC 코일상의 냉각 통로(38)를 접속한다.
각 HTS 레이스트랙 코일 권선(34)은 로터 축(20)에 평행한 대체로 직선형의 측면부(40)와, 로터 축에 수직인 한 쌍의 단부(54)를 구비한다. 코일의 측면부는 로터 축으로부터 가장 먼 코일의 일부분이기 때문에 가장 큰 원심 응력을 받는다. 따라서, 코일의 측면부는, 코일의 측면부를 고정하고 코일상에 작용하는 원심력에 반대로 작용하는 코일 지지 시스템(도 3 및 도 4에 도시됨)에 의해 지지된다.
도 3은 이중 HTS 레이스트랙 코일 권선(34)을 가진 로터 코어(22)의 개략적인 도면이다. 단부 샤프트(24, 30)는 로터 코어의 대향 단부로부터 연장한다. 로터 코어는 바람직한 자성을 갖는 철 단조물일 수 있다. 로터 코어는 두 개의 자극을 가질 수 있으며, 두 개의 단부는 로터 코어의 대향 단부에 위치한다. 로터 코어는 코일과 전기적으로 상호 작용하며 로터와 스테이터 주위에 전자기장을 조성한다.
로터 코어와 단부 샤프트는 예를 들어 단조에 의해 단일 철제 샤프트로부터 일체적으로 형성될 수 있다. 대안적으로, 로터 코어와 단부 샤프트는 서로 조립되는 개별적인 구성요소(그리고 코어는 다수-부재의 코어일 수 있음)일 수 있다. 단조 코어는 로터 조립을 용이하게 하기 위해 세 개의 부재로 제조될 수 있다. 그러나, 본 명세서에 도시된 실시예에 있어서, 로터 코어는 단부 샤프트와 일체형이며, 코어와 샤프트는 로터의 전체 길이를 따라 연속적이다. 대안적으로, 철심은 샤프트 종방향을 따라 다수 섹션으로 제조될 수 있다.
철 로터 코어(22)는 스테이터(12)내에서의 회전에 적합한 대체로 원통형인 형상을 갖는다. 코일 권선을 수용하기 위해, 로터 코어는 편평하거나 또는 삼각형 영역이거나 또는 슬롯형 등인 오목 표면(44)을 가지며, 이들 표면(48)은 원통형 코어의 곡면에 형성되어 로터 코어를 횡단하여 종방향으로 연장한다. 코일 권선(34)은 오목 표면에 인접하여 로터상에 장착된다. 일반적으로 코일은 오목 영역의 외측 표면을 따라 종방향으로 연장한다. 이들 로터 코어상의 오목 표면(44)은 코일 권선의 수용을 목적으로 하며, 따라서 오목 영역의 형상은 코일 권선과 일치하도록 설계된다. 예를 들어, 코일 권선이 안장형이거나 또는 다른 형상을 갖는다면, 로터 코어의 오목 영역은 권선의 형상을 수용하도록 구성된다.
로터 코어내의 오목 표면(44)은 코일 권선을 수용하며, 실질적으로 코일 권선의 외측 표면은 로터의 회전에 의해 규정되는 엔벌로프(envelope)까지 연장한다.회전시 로터 코어의 외측 곡면(46)은 원통형 엔벌로프를 규정한다. 이 회전 엔벌로프는 스테이터내의 로터 공동(16)(도 1 참조)과 동일한 직경을 갖는다.
로터가 통기 냉각을 전혀 필요로 하지 않기 때문에, 로터 엔벌로프와 스테이터 공동 사이의 갭은 단지 스테이터의 강제식 유동 통기 냉각이 요구되므로 비교적 작은 간극이다. 로터 코일 권선과 스테이터 권선 사이의 전자기적 커플링을 증대시키기 위해 로터와 스테이터 사이의 간극을 최소화하는 것이 바람직하다. 더욱이, 로터 코일 권선은 로터에 의해 형성된 엔벌로프까지 연장하도록 위치되는 것이 바람직하며, 그에 따라 로터와 스테이터 사이의 간극에 의해서만 스테이터로부터 분리된다.
이중 HTS 코일 권선 장치에 있어서, 로터 코어(22)는 한 쌍의 코일을 위한 2쌍의 오목 표면(44)을 구비한다. 이들 4개의 표면은 코어의 외연 주위에 대칭적으로 배치되어 회전하는 동안 균형을 제공한다. 이들 각각의 표면(44)은 대체로 직각 삼각형 단면을 갖는 로터 코어의 길이를 연장하는 로터 코어내 용적(48)을 규정한다. 이 삼각형 단면의 빗변은 로터 코어의 표면의 호(arc)이다. 각각의 용적(48)은 2개의 HTS 코일 권선(34)중의 하나의 측면부(40)를 수용한다. 웜 철 코어는 로터를 통해 인장 바아가 연장하는 것을 허용하도록 도관 구멍(48)의 배열을 갖는다.
한 쌍의 로터 코어 릿지(ridge)(50)는 로터를 따라 종방향으로 로터의 대향 측면까지 연장한다. 이 한 쌍의 릿지는 로터의 회전에 의해 형성된 엔벌로프까지 로터상에서 반경방향 외측으로 연장한다. 각각의 코일 릿지는 코일(34)과 이 코일이 장착된 오목 표면(44) 사이에 존재한다. 릿지는 로터 코어와 일체형이며, 로터의 다른 부분들과 마찬가지로 동일한 자기적으로 투자 가능한 재료로 형성된다. 이들 릿지는 자극 축 둘레의 로터의 굽힘 강성을 강화하여 로터의 회전 진동에 대해 두배로 증대시킬 것이 요구된다.
철심 로터내 HTS 코일 권선의 기본 부하는 로터 회전 동안의 원심 가속에서 기인한다. 원심력을 상쇄하기 위해서는 효과적인 구조적 코일 지지체가 필요하다. 특히 가장 큰 원심력을 받는 코일의 측면부(40)를 따라 코일 지지체가 필요하다. 코일의 측면부를 지지하기 위해, 각 인장 로드(도 4 참조)는 코일의 측면부 사이에서 연장하며, 코일의 대향 측면부를 파지한다. 또한 인장 로드는 이중 코일 사이에 지지를 제공하도록 한쌍의 코일 사이에서 연장할 수 있다. 인장 로드는 로터 코어의 일련의 도관(52)(예를 들면, 구멍)을 통해 연장하여, 로드는 동일한 코일의 양 측면부 사이에서 또는 인접한 코일들 사이에서 연장할 수 있다.
도관(52)은 직선 축을 갖는 로터 코어내의 대체적인 원통형 통로이다. 도관의 직경은 로터가 인장 로드와 접하는 것을 방지하고 따라서 로터와 로드 사이의 열 전도를 방지하기 위해 인장 로드의 직경보다 충분히 클 수 있다. 도관의 직경은 로터의 오목한 표면에 인접한 그것의 단부를 제외하면 실질적으로 일정하다. 도관의 단부는 인장 로드를 위한 원통형 슬리브(도 4 참조)를 수용하도록 직경이 보다 확대될 수 있다.
도관(52)은 로터 코어를 통해 연장하고 인장 로드를 위한 통로를 제공하는 구멍이다. 이 도관은 대체로 원형인 직경을 가지며 로터를 통과하는 직선형 축을갖는다. 일반적으로 도관의 축은 도관이 대응하는 레이스트랙 코일에 의해 규정되는 평면에 존재한다. 또한, 도관의 축은 도관을 통해 연장하는 인장 로드가 연결되는 코일의 측면부에 대해 수직이다. 또한, 로터 도관의 직경은 인장 로드가 로터와 접촉하지 않을 만큼 충분히 크다. 인장 로드와 로터 코어 사이의 접촉을 방지함으로써 로터 코어로부터 인장 로드를 통해 냉각된 SC 코일 권선까지 열전도를 최소화한다.
도관(52)은 코일의 측면부(40)에 대해 수직일 수 있다. 동일한 코일의 대향 측면부들 사이에서 연장하는 그러한 인장 로드를 위해, 대응하는 도관은 양 코일의 평면에 수직일 수 있고 로터 코어의 릿지(50)를 통해 연장할 수 있다. 도관의 개수와 위치는 HTS 코일의 위치와 이 코일의 측면부를 지지하는데 필요한 코일 하우징(도 4 참조)의 개수에 따라 변할 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 코일 권선(34)의 쌍 각각의 단부(42)는 로터 코어의 대향 단부에 인접한다. 코일 권선의 단부는 분할 클램프(54)(도 4)가 유지한다. 이 분할 클램프는 한 쌍의 플레이트를 포함하고 그 사이에 코일의 단부가 샌드위치된다. 분할 클램프는 인코넬 X718 등의 비자성 재료로 형성될 수 있다. 동일한 또는 유사한 비자성 재료는 인장 로드와 지지 시스템의 다른 부분을 형성하는데 사용될 수 있다. 강자성 재료는 퀴리 천이 온도(Qurie transition temperature) 이하에서 취성화되어 하중 지지 구조체로서 사용될 수 없기 때문에, 지지 시스템은 저온에서 연성을 보존하기 위해 비자성인 것이 바람직하다.
각 코일 단부에서 분할 클램프(54)는 한 쌍의 대향 플레이트(56)를 포함하며, 그 사이에 코일의 단부(42)가 샌드위치된다. 클램프 플레이트(56)의 표면은 코일 권선의 단부를 수용하도록 채널(58)을 포함한다. 분할 클램프는 클램프를 로터 코어에 유지하고 클램프가 HTS 코일의 단부를 지지하는 것을 가능하게 하는 칼라(도시되지 않음) 또는 다른 구조적 장치에 의해 지지된다.
코일로의 전기 및 냉각 유체 커플링(39)(도 3 및 도 4에는 전기적 커플링만 도시됨)은 코일 단부(42)에 존재한다. 코일로의 전기적 커플링은 로터상의 회전 코일에 전기적 접속을 제공하기 위한 컬렉터(도시되지 않음)를 구비하는 단부 샤프트에 가장 근접한 단부에 제공된다. 냉각 유체 커플링은 각 코일 권선의 대향 단부에 제공되어, 저온 냉각 유체가 코일로 유동할 수 있고, 코일로부터 냉각 시스템으로 역 순환되는 냉각 유체내의 코일로부터 열이 제거된다.
레이스트랙형 HTS 코일 권선(34)의 측면부(40)는 로터 코어 본체내 도관(46)을 통해 연장하는 일련의 인장 로드(62)에 의해 지지된다. 인장 로드는 비자성이며, 동일 코일의 대향 측면부 사이 또는 2개의 코일의 측면부들 사이에서 연장하는 직선형 바아이다. 인장 로드는 인코넬 X718 등의 고강도 비자성 합금으로 형성된다. 이 인장 로드는 코일 권선을 유지하는 채널 하우징(64)을 갖는 커플링을 각 단부에 구비한다. 채널 하우징 및 인장 로드는 코일 권선의 측면부에 가해지는 인장력을 조정할 수 있다.
코일 권선 지지체는 로터상의 코일 권선을 유지하며, 로터의 회전과 전기 기계의 작동으로 발생한 원심력과 진동에 대해 권선을 받치는 역할을 한다. 코일 권선 지지체는 로터를 통해 연장하는 인장 로드와 로드의 양 단부에서의 코일 권선상에 클램프를 포함한다. 인장 로드는 코일 권선에 대해 실질적으로 반경방향으로 연장하므로, 원심력에 대해 코일을 특히 양호하게 지지한다. 각각의 인장 로드는 레이스트랙 코일의 평면에서 로드의 종방향을 따라 연속되는 샤프트이다. 인장 로드의 종방향 연속성은 코일에 측방향 강성을 제공하여, 로터에 동력학적 이득을 제공한다.
또한, 측방향 강성은 코일 지지체를 코일과 통합하는 것을 허용하여, 최종 로터 조립전에 코일이 코일 지지체와 조립될 수 있다. 사전 조립은 코일 및 로터 조립 시간을 감소시키고, 코일 지지 품질을 향상시키며, 코일 조립 편차를 감소시킨다. 레이스트랙 코일은 코일의 긴 측면을 따라 연장하는 인장 부재의 배열체에 의해 지지된다. 인장 로드와 코일 지지 부재는 코일에 사전 조립된다.
HTS 코일 권선과 구조적 지지 구성요소는 저온 상태에 있다. 반면, 로터 코어는 주변 "고온" 상태에 있다. 코일 지지체는 로터 코어로부터 HTS 코일까지 열이 도달하도록 하는 열 전도의 잠재적인 공급원이다. 로터는 작동중 고온이 된다. 코일은 초-냉각 상태로 유지되어야 하므로, 코일로 열이 전도되는 것을 방지해야한다. 로드는 구멍, 예를 들어 도관을 통해 로터내로 연장하지만, 로터와 접촉하지는 않는다. 이러한 비접촉은 로터로부터 인장 로드 및 코일로의 열전도를 방지한다.
코일로부터 방출되는 열을 감소시키기 위해, 로터 코어 등의 열 공급원으로부터 지지체를 통한 열전도를 줄이도록 코일 지지체가 최소화된다. 일반적으로, 초전도 권선용의 두 가지 범주의 지지체, 즉 ① "웜(warm)" 지지체 및 ②"콜드(cold)" 지지체가 있다. 웜 지지체에 있어서, 지지 구조체는 냉각된 SC 권선으로부터 단열된다. 웜 코일 지지체에 따르면, 초전도(SC) 코일의 대부분의 기계적 부하는 콜드 코일과 웜 지지 부재 사이에 놓인 구조 부재에 의해 지지된다.
콜드 코일 지지 시스템에 있어서, 지지 시스템은 SC 코일의 콜드 극저온에 또는 그 부근에 있다. 콜드 지지체에 있어서, SC 코일의 대부분의 기계적 부하는 극저온에 또는 그 부근에 있는 코일 지지 구조 부재에 의해 지지된다. 본 명세서에 개시된 예시적인 코일 지지 시스템은 콜드 지지체로서, 인장 로드와, SC 코일에 인장 로드를 결합하는 관련 하우징은 저온에서 또는 그 부근에서 유지된다. 지지 부재가 차갑기 때문에, 이들 부재는 예를 들어 로터 코어를 관통하는 비접촉 도관에 의해 로터 코어 및 로터의 다른 "고온" 구성요소로부터 단열된다.
각각의 지지 부재는 인장 로드(62), 채널 하우징(64) 및 하우징을 인장 로드의 단부에 연결하는 맞춤 핀(dowel pin)(66)으로 구성된다. 각각의 채널 하우징(64)은 코일 권선(34)을 수용하도록 인장 로드와 채널에 열결되는 레그를 구비하는 U자형의 브래킷이다. U자형 채널 하우징은 코일을 위한 지지 시스템의 정밀하고 편리한 조립을 허용한다. 채널 하우징은 실질적으로 각각의 코일의 전체 측면부(40)에 걸쳐 코일에 작용하는 힘, 예를 들어 원심력을 종합적으로 분산시킨다.
채널 하우징(64)은 일괄적으로 HTS 코일(34)의 각 측면부(40)의 길이를 따라 연장한다. 채널 하우징은 코일의 측면부가 원심력에 의해 과도하게 굽거나 휘는 것을 방지한다. 코일 지지체는 코일의 종방향 열팽창과, 가스 터빈의 시동 및 정지시 발생하는 수축을 제한하지 않는다. 특히, 열팽창은 측면부의 길이가 증가 또는 감소되도록 하며, 따라서 지지 시스템에 대해 종방향으로 미끄러진다.
원심 하중은, 코일의 외측 표면과 측면 직선부 주위에 끼워지고 맞춤 핀에 의해 인장 로드의 대직경 단부(68)에 맞춤 핀으로 고정된 채널 하우징을 통해, 코일 구조체로부터 지지 로드까지 전달된다. U자형 채널 하우징은 저온에서 연성을 갖는 경량의 고강도 재료로 구성된다. 채널 하우징용의 전형적인 재료는 알루미늄, 인코넬 또는 티타늄 합금이며, 이것들은 비자성이다. U자형 하우징의 형상은 낮은 중량 및 강도에 최적화되어 있다.
채널 하우징과 인장 로드를 통과하는 맞춤 핀(66)은 경량화를 위해 중공형일 수 있다. U자형 하우징의 측면이 하중을 받아 분리되는 것을 방지하기 위해 맞춤 핀의 단부에는 로크-너트 또는 핀이 형성되거나 부착될 수 있다. 맞춤 핀은 고강도 인코넬 또는 티타늄 합금으로 제조될 수 있다. 인장 로드는 U자형 하우징과 코일 폭을 끼우기 위해 그것의 단부에 2개의 편평한 단부(70)가 가공되어 있는 보다 큰 직경의 단부(68)를 갖도록 제조된다. 로드, 코일 및 하우징이 서로 연결되면, 인장 로드의 편평한 단부(70)는 HTS 코일의 내측 표면에 접하게 된다. 이러한 구조는 맞춤 핀을 수용하는 인장 로드 구멍 영역으로의 응력 집중을 줄인다.
인접 코일들 사이에서 연장하는 인장 로드(72)는 U자형 채널 하우징(64)에 또한 부착된다. 이들 인장 로드는 이중 코일이 서로를 지지하도록 구조체을 제공한다. 인장 로드(72)는 각 채널 하우징의 측면에 있는 암커넥터(74)내로 삽입된다. 로크-맞춤 핀(74)은 인장 로드(76)를 채널 하우징의 측면에 고정하는데 사용될 수 있다.
인장 로드(62), 채널 하우징(64) 및 분할 클램프(54)의 코일 지지 시스템은 HTS 코일 권선이 로터 코어(22)상에 장착됨으로써 조립될 수 있다. 실제로, 코일 지지 시스템은 주로 HTS 코일 권선을 로터 코어에 부착하는 수단이다. 인장 로드 및 채널 하우징의 프레임은 적절히 융기된 구조를 제공하여, 로터 코어에 대해 제 위치에 코일 권선을 지지하고 유지한다.
코일 권선(34)은 로터 코어 주위의 전도성 실린더에 의해 스테이터-유도 자기 유동으로부터 보호될 수 있다. 또한, 코일 권선은 로터로부터 권선을 단열시키도록 진공내에 있을 수 있다. 진공은 로터 코어 주위의 원통형 진공 용기에 의해 형성된다.
도 5는 로터(20)상에 장착된 이중 안장형 코일(100)의 개략적인 도면이다. 각각의 안장형 코일은 도 2에 도시된 레이스트랙 권선과 유사한 구조를 갖는데, 각각의 코일은 SC 코일(36)로 형성되고, 코일을 저온으로 유지하기 위해 냉각 통로(38)를 구비한다. 안장형 코일은 로터 코어에 존재하는 종방향 슬롯(102)에 끼워지는 긴 측면부(140)를 갖는다. 슬롯은 코어(22)의 길이 만큼 연장하며, 각각 코어의 대향 측면상에 존재한다. 안장형 코일은 로터 코어의 단부(56)에 인접한 단부(154)를 갖는다. 따라서, 각각의 안장형 코일은 코어에 존재하는 한 쌍의 슬롯을 통해 연장하며, 코어의 단부 주위를 감싼다. 실드(90)는 코일을 덮고 있으며, 코일을 위해 진공을 제공하며, 스테이터로부터의 전자기장이 민감한 코일을 관통하는 것을 방지하도록 전도성을 갖는다.
도 6은 이중 안장형 코일(100)을 위한 코일 하우징(144)의 개략적인 도면이다. 코일 하우징은 안장형 하우징(144)이 한 쌍의 권선 위로 끼워지는 것을 제외하면, 레이스트랙 코일 권선을 위한 하우징(44)과 유사하다. 안장형 하우징은 맞춤 핀(180)을 수용하는 구멍(152)을 각각 갖는 한 쌍의 레그(150)를 구비한다. 맞춤 핀은 코어내 도관을 통해 연장하는 인장 로드(142)에 하우징을 연결한다. 인장 로드의 단부(186)는 편평하며, 코어를 면하는 안장형 코일의 측면을 위한 지지 표면을 형성한다.
본 발명이 현재 가장 실제적이고 바람직한 실시예로 고려되는 것과 관련하여 설명된 반면에, 본 발명은 개시된 실시예에만 제한되지 않으며, 오히려 첨부된 특허청구범위의 사상내의 모든 실시예를 커버하고자 한다는 것은 이해될 것이다.
본 발명에 따른 2극 계자 권선용 이중 레이스트랙 HTS 코일 설계는 코일 설계 및 코일 지지 시스템 설계의 단순함을 제공한다. 또한, 이중 코일 설계는 실질적으로 단일 코어 로터의 코일 권선의 양의 두배를 가지므로, 이중 코일 설계는 실질적으로 보다 큰 전력 발전 용량을 갖는다.

Claims (21)

  1. 동기식 기계(10)용 로터에 있어서,
    로터 축(20)을 갖는 로터 코어(22)와,
    로터 코어상에 장착된 한 쌍의 초전도 코일 권선(34, 100)을 포함하며, 각각의 상기 코일 권선은 로터의 축에 평행하고 그로부터 오프셋된 개별 평면에 존재하는
    동기식 기계용 로터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 초전도 코일(34)은 레이스트랙 형상을 갖는
    동기식 기계용 로터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 초전도 코일(34, 100)은 로터 축(20)에 평행한 한 쌍의 대향 측면부(40)와, 로터 코어(22)의 단부에 인접한 한 쌍의 단부(42)를 각각 구비하는
    동기식 기계용 로터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 로터 코어(22)는 로터 코어를 따라 종방향으로 연장하는 오목 표면(44)을 구비하고, 상기 오목 표면은 코일 권선(34, 100)을 수용하는
    동기식 기계용 로터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 초전도 코일(34, 100)에는 전체 코일 둘레를 연장하는 고온 초전도(HTS) 권선(36)이 포함되는
    동기식 기계용 로터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    코일 권선 사이에서 연장하여 코일 권선을 연결하는 인장 로드(72)를 더 포함하는
    동기식 기계용 로터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    코일 권선 사이에서 연장하여 코일 권선을 연결하며, 로터 코어내 도관(52)을 통해 연장하는 인장 로드(72)를 더 포함하는
    동기식 기계용 로터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    코일 권선 사이에서 연장하여 코일 권선(34)을 연결하는 인장 로드(72)를 더 포함하고, 상기 인장 로드는 코일의 각 평면에 수직인
    동기식 기계용 로터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 로터 코어(22)는 철심 본체인
    동기식 기계용 로터.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 로터 코어(22)는 코일 권선을 분리하는 릿지(ridge)(50)를 포함하는
    동기식 기계용 로터.
  11. 제 1 항에 있어서,
    각 코일(34)의 대향 측면부에 가로 놓이고, 그것들에 연결된 인장 로드(62)와, 상기 양쪽 코일(34)에 가로 놓이고 그것들에 연결된 인장 로드(72)를 더 포함하는
    동기식 기계용 로터.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 코일 권선(34, 100)은 로터 축의 대향 측면상에 존재하며, 상기 각각의 코일 권선과 로터 축에 대한 평면은 동등한 거리로 분리되는
    동기식 기계용 로터.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 코일 권선(34, 100)에 대한 평면은 서로 평행하며, 로터 축은 상기 평면 사이에 존재하는
    동기식 기계용 로터.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 코일은 안장형 코일(100)인
    동기식 기계용 로터.
  15. 제 14 항에 있어서,
    양쪽 코일의 측면부를 각각 받치는 안장형 코일 하우징(144)을 더 포함하는
    동기식 기계용 로터.
  16. 동기식 기계(10)용 로터(14)에 있어서,
    로터 축과, 로터 코어를 따라 종방향으로 연장하는 오목 표면(44)을 구비하는 로터 코어(14)와,
    상기 로터 코어상에 장착되고, 로터 축에 평행하고 그로부터 평면내에 각각 존재하는 제 1 및 제 2 초전도 코일 권선(34, 100)과,
    상기 각 코일 권선의 대향 측면부에 가로 놓이고 그들을 연결하는 다수의 제 1 인장 로드(62)와,
    상기 양쪽 코일 권선 사이에 가로 놓이고 그들을 연결하는 다수의 제 2 인장 로드(72)를 포함하는
    동기식 기계용 로터.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 코일 권선의 측면부를 각각 지지하고, 상기 제 1 인장 로드중 하나와 상기 제 2 인장 로드중 하나의 단부에 연결된 다수의 채널 하우징(70)을 더 포함하는
    동기식 기계용 로터.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 채널 하우징(70)은 상기 측면부 전체를 덮는 하우징을 형성하는
    동기식 기계용 로터.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 인장 바아는 로터 코어내의 각 도관(22)을 통해 각각 연장하는
    동기식 기계용 로터.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 코일은 안장형 코일(100)인
    동기식 기계용 로터.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 양쪽 코일 측면부를 각각 받치는 안장형 코일 하우징(144)을 더 포함하는
    동기식 기계용 로터.
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