KR20020090861A - 고온 초전도 코일 제조 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

레이스트랙 형상 고온 초전도 코일은 후침투 필라멘트 플라이 층간 절연물과 같은 결합제를 구비한 정밀한 코일상에 인장하에서 고온 초전도 테이프(18)를 층 권취함으로써 제조된다. 코일 폼은 레이스트랙 형상 보빈(12), 2개의 측면 플레이트(14) 및 코일의 외측 표면을 형성하는 일련의 블록(16)을 포함한다. 와인딩의 외측 표면은 열교환 튜브에 접착된 구리박으로 도포된다. 코일은 코일 폼에서 구워져서 에폭시가 경화되고, 다음에 코일 폼으로부터 해제된다. 결과적인 코일 구조체는 밀접한 허용오차 치수로 형성된 강성 와인딩 복합물이다.

Description

고온 초전도 코일 제조 장치 및 방법{HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTING RACETRACK COIL}
본 발명은 일반적으로 동기 회전 기계내의 초전도 코일에 관한 것이다. 특히 본 발명은 동기 기계의 로터내의 초전도계 와인딩을 제조하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
계자 코일 와인딩을 구비한 동기 전기 기계는 회전 제너레이터, 회전 모터 및 선형 모터를 포함하지만 이들로만 제한되지 않는다. 일반적으로, 이들 기계는 전자기적으로 결합된 스테이터 및 로터를 포함한다. 로터는 다중 극 로터 코어와, 로터 코어상에 장착된 코일 와인딩을 포함할 수 있다. 로터 코어는 철제 코어 로터와 같은 자기적으로 투과성의 고형 재료를 포함할 수 있다.
종래의 구리 와인딩은 동기 전기 기계의 로터에 통상 사용된다. 그러나, 구리 와인딩의 전기 저항은 로터를 실질적으로 가열하고 그리고 기계의 동력 효율을 감소시키기에 충분하다(비록 종래의 수단에 낮음). 최근에, 초전도 코일 와인딩은 효율적으로 저항이 없으며 매우 유리한 로터 코일 와인딩인 로터용으로 개발되었다.
전기 기계의 로터 계자(field) 와인딩으로서 사용된 고온 초전도 코일은 정밀한 치수 허용오차로 제조된 강성 구조체로서 설계되어서, 구조적 지지체가 장전 동안에 높은 스트레인 및 손상 가능성이 코일에 발생될 수 있게 하는 초과 간극이 없이 코일에 끼워맞춰질 수 있어야 한다. 레이스트랙 코일 폼의 직선 부분상에 권취될 때 테이프 컨덕터의 스프링 백은 원형 부분과 비교할 때 복합물의 빈약한 패킹 인자 및 보다 낮은 강도를 갖게 된다.
전형적인 초전도체 로터 와인딩은 구조적 지지체를 위한 원통형 쉘 둘레에 조립된 섀들형 코일로부터 제조된다. 이들 섀들형 코일은 복잡한 와인딩 구조체이어서, 엄격한 굽힘 직경, 도선의 비틀림 및 냉각 동안의 지지 구조체에 대한 와인딩의 상이한 열적 스트레인의 결과로서 와인딩 작동에 의해 고온 초전도 테이프 컨덕터를 지나치게 긴장시킬 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예에 있어서, 고온 초전도 코일을 제조하기 위한 장치는 대면 관계로 배치된 2개의 측면 플레이트와, 결합제가 개재된 고온 초전도 테이프의 층을 수납하는 것으로 측면 플레이트 사이에 배치된 바람직하게 레이스트랙 형상의 보빈과, 측면 플레이트의 외연에 인접하게 조립된 다수의 블록을 포함한다. 블록은 보빈상의 고온 초전도 테이프의 층을 압축하도록 보빈쪽으로 변위가능하다. 다수의 블록은 볼트에 의해 측면 플레이트의 외연상에 조립될 수 있다. 이와 관련하여, 볼트는 고온 초전도 테이프의 층을 단계적 압축하는 크기로 되어 있다. 선택적으로, 블록은 고온 초전도 테이프의 층의 개수에 따라서 선택적 압축하기 위해 상이한 두께의 블록을 포함할 수 있다. 또한, 다수의 블록은 초전도 코일의 필요한 외측 치수에 따라 형성되는 다수의 최종 블록을 포함할 수 있다. 결합제는 모든 적당한 재료로 될 수 있으며, 바람직하게 후침투 필라멘트 플라이 개재 절연물 또는 열가소성 재료를 포함한다.
본 발명의 다른 예시적인 실시예에 있어서, 고온 초전도 코일을 제조하는 방법은 본 발명의 장치로 실행된다. 이 방법은 ⓐ 고온 초전도 테이프를 보빈상에 권취하는 단계와, ⓑ 결합제를 권취된 고온 초전도 테이프에 도포하는 단계와, ⓒ 다수의 블록을 구비한 보빈을 향해 고온 초전도 테이프 및 결합제를 압축하는 단계와, ⓓ 압축된 고온 초전도 테이프 및 결합제를 구워서 결합제를 경화시키는 단계를 포함한다. 단계 ⓐ 내지 ⓒ는 고온 초전도 테이프의 각 층에 대해서 실시될 수 있다. 선택적으로 단계 ⓑ 및 ⓒ는 고온 초전도 테이프의 다중 층을 권취한 후에 실시될 수 있다. 이와 관련하여, 단계 ⓑ는 진공 압력 침투 공정에 의해 고온 초전도 테이프의 권취된 다중 층을 에폭시 침투시킴으로써 실시될 수 있다. 또한, 단계 ⓐ는 후침투 코팅을 가진 고온 초전도 테이프를 이용하여 실시될 수 있다.
또한, 상기 방법은 상기 단계 ⓐ 전에, 코일의 개시 도선을 2개의 측면 플레이트중 하나상의 도선 단자에 고정하는 단계와, 결합제 층을 보빈에 도포하는 단계를 더 포함한다. 이와 관련하여, 상기 단계 ⓓ 전에, 코일의 마무리 도선을 2개의 측면 플레이트중 다른 하나상의 도선 단자에 고정하는 단계와, 장방형 냉각 열교환 튜브가 접착된 코일에 구리박의 층을 도포하고, 가열하에서 단계 ⓒ를 반복하는 단계를 더 포함한다.
도 1은 본 발명의 고온 초전도 레이스트랙 코일을 제조하기 위한 장치 및 방법을 도시하는 조립도,
도 2는 장치의 사시도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 코일 폼 12 : 보빈
14 : 측면 플레이트16 : 블록
18 : 고온 초전도 테이프 와인딩
도 1 및 도 2는 고온 초전도(high temperature superconducting : HTS) 코일을 제조하는데 사용된 정밀 코일 폼(10)을 도시한 것이다. 고온 초전도 코일은 전형적으로 코일 폼상에서 인장하에서 고온 초전도 테이프와 함께 권취된 층이다. 고온 초전도 테이프의 몇몇 형태가 공지되어 있고, 모든 적당한 고온 초전도 테이프는 본 발명의 고온 초전도 코일의 제조시에 사용된다.
코일 폼(10)은 도시된 바와 같이 실질적으로 직선의 측면을 구비한 레이스트랙 형상 보빈(12)과, 이 보빈(12)을 둘러싸서 대면 관계로 배치된 2개의 측면 플레이트(14)를 포함한다. 플레이트(14)는 고온 초전도 테이프 와인딩의 후압축 에폭시 침투를 실행하도록 침투 구멍(도시하지 않음)을 포함할 수 있다. 일련의 블록(16)은 측면 플레이트(14)의 외연상에 조립될 수 있으며, 볼트 등을 이용하여 보빈(12)을 향해 그리로 그로부터 멀리 변위가능하다. 고온 초전도 테이프 와인딩은 도 1에서 참조부호(18)로 표시되어 있다.
고온 초전도 코일의 제조시에, 코일의 개시 도선은 코일의 중심선 축 근처의 측면 플레이트(14)중 하나에 고정된 구리 도선 단자 등과 같은 도선 단자에 납땜된다. 후침투 필라멘트 플라이와 같은 결합제 층 또는 폴리에스터와 같은 열가소성 재료는 보빈(12)상에 도포되며, 다음에 고온 초전도 테이프의 제 1 층이 권취된다. 블록(16)은 측면 플레이트(14), 특히 적어도 직선 블록상에 볼트체결되어, 제 1 층의 직선 부분을 보빈(12)을 향해 압축하여, 테이프의 제 1 층, 후침투 층 및 보빈(12) 모두가 함께 부착된다. 보빈 재료(후침투 필라멘트 플라이)의 제 2 층이 제 1 테이프 층의 상부에 도포되며, 다음에 고온 초전도 테이프의 제 2 층이 권취된다. 동일한 일련의 직선 블록(16)이 이용되어 와인딩(18)을 보빈(12)을 향해 압축시켜서, 모든 층이 함께 부착된다. 층 와인딩 공정은 최종 홀수 층이 완료될 때까지 계속되며, 최종 도선은 코일의 중심선 축 근처에서 다른 측면 플레이트(14)에 고정된 구리 도선 단자에 납땜된다.
다음에, 후침투 필라멘트 플라이의 층이 완성된 와인딩의 외측 표면상에 도포되고, 이어서 외측 표면상에 접착된 장방형 냉각 열교환 튜브를 구비한구리박(copper foil)의 층이 도포된다. 일련의 직선 블록 및 코너 블록(16)(도 1에 도시됨)은 측면 플레이트(14)를 거쳐서 구리박의 외측 표면에 조립되어, 적당한 열이 정밀한 형상의 코일 외측 표면에 가해질 때 완성된 코일을 압축한다. 마무리된 코일 폼 및 와인딩 조립체는 균일한 온도로 구워져서 후침투물을 경화시킨다. 온도는 특정 재료의 경화 온도에 따라 변화된다. 결과적인 코일 구조체는 밀접한 허용오차 치수로 형성된 강성 와인딩 복합물이다.
제조 공정에서, 블록(16)을 측면 플레이트(14)에 고정하는 볼트는 고온 초전도 테이프의 층의 단계적 압축을 실행하는 크기로 될 수 있다. 이러한 방법으로, 층이 형성될 때 볼트가 고온 초전도 테이프의 단계가 압축을 실행할 수 있기 때문에 블록(16)의 단지 하나의 제조 세트만이 필요하다. 선택적으로, 다수의 블록은 고온 초전도 테이프의 층의 수에 따라서 선택적인 압축을 위해 상이한 두께의 블록을 포함할 수 있다. 블록은 정밀한 크기의 코일 폼을 형성하기 위해서 초전도 코일(도 2에 도시되어 있음)의 필요한 외경에 따라 형성된 다수의 최종 블록을 추가로 포함할 수 있다.
와인딩 제조 공정의 변형예에 있어서, 고온 초전도 테이프 절연물상의 후침투 코팅이 이용되어, 층간 후침투 필라멘트 플라이를 제거한다. 결과적인 코일 구조체는 고온 초전도 테이프의 보다 높은 패킹 인자를 갖고 있으며, 그 결과 와인딩 전류 밀도가 보다 높게 된다. 다른 변형예에 있어서, 유리 절연 고온 초전도 테이프는 고속 경화 접착제와 함께 이용되어 별개의 위치에서 각 층을 하나 이전 층에 접착 및 압축할 수 있다. 그 결과, 완성된 와인딩은 진공 압력 침투 공정에 의해에폭시 침투된다. 진공 압력 침투 공정은 공지되어 있으며, 그에 따라 그 상세한 설명은 하지 않는다.
본 발명의 구조 및 방법에 따르면, 권취된 고온 초전도 테이프의 각 층은 하나 이전 층과 함께 접착 및 압축될 수 있어서, 적어도 직선 부분상의 테이프의 스프링 백(spring back)이 제거되며, 그에 따라 빈약한 패킹 인자, 감소된 전류 밀도 및 와인딩 복합물의 열등한 강도 특성이 방지된다. 본 발명의 장치 및 방법에 따라 제조된 고온 초전도 코일은 장전 동안에 높은 스트레인 및 손상 가능성이 코일에 발생되는 것을 방지하는 정밀한 코일 폼으로 된다.
본 발명은 가장 실제적이고 바람직한 실시예로 고려되는 것과 관련하여 기술하였지만, 본 발명은 상술한 실시예에 의해 제한되지 않으며, 반대로 첨부된 특허청구범위의 정신 및 영역내에 포함된 다양한 변형예 및 등가 배열을 포함하는 것이다.
본 발명에 따르면, 권취된 고온 초전도 테이프의 각 층은 하나 이전 층과 함께 접착 및 압축될 수 있어서, 적어도 직선 부분상의 테이프의 스프링 백이 제거되며, 그에 따라 빈약한 패킹 인자, 감소된 전류 밀도 및 와인딩 복합물의 열등한 강도 특성이 방지되는 효과가 있다. 본 발명에 따라 제조된 고온 초전도 코일은 장전 동안에 높은 스트레인 및 손상 가능성이 코일에 발생되는 것을 방지하는 정밀한 코일 폼으로 되는 효과가 있다.

Claims (17)

  1. 고온 초전도(high temperature superconducting : HTS) 코일을 제조하는 장치에 있어서,
    대면 관계로 배치된 2개의 측면 플레이트(14)와,
    상기 측면 플레이트 사이에 배치되며, 결합제가 개재된 고온 초전도 테이프(18)의 층을 수납하는 보빈(12)과,
    상기 측면 플레이트의 외연에 인접해서 조립되며, 상기 보빈상의 고온 초전도 테이프의 층을 압축하도록 상기 보빈을 향해 변위가능한 다수의 블록(16)을 포함하는
    고온 초전도 코일 제조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 블록(16)은 볼트에 의해 상기 측면 플레이트(14)의 외연상에 조립되는
    고온 초전도 코일 제조 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 볼트는 고온 초전도 테이프(18)의 층을 단계적 압축하는 크기로 되어 있는
    고온 초전도 코일 제조 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 다수의 블록(16)은 상기 고온 초전도 테이프(18)의 층의 개수에 따라 선택적인 압축을 위해 상이한 두께의 블록을 포함하는
    고온 초전도 코일 제조 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 다수의 블록(16)은 초전도 코일의 필요한 외측 치수에 따라 형성된 다수의 최종 블록을 포함하는
    고온 초전도 코일 제조 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합제는 후침투 필라멘트 플라이 층간 절연물을 포함하는
    고온 초전도 코일 제조 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합제는 열가소성 재료를 포함하는
    고온 초전도 코일 제조 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 보빈(12)은 실질적으로 직선의 측면을 구비한 레이스트랙 형상(racetrack shape)인
    고온 초전도 코일 제조 장치.
  9. 대면 관계로 배치된 2대의 측면 플레이트(14)와, 상기 측면 플레이트 사이에 배치된 보빈(12)과, 상기 측면 플레이트의 외연에 인접해 조립되며, 상기 보빈을 향해 그리고 그로부터 멀리 변위가능한 다수의 블록(16)을 구비하는 고온 초전도 코일을 제조하는 방법에 있어서,
    ⓐ 고온 초전도 테이프(18)를 상기 보빈(12)상에 권취하는 단계와,
    ⓑ 권취된 고온 초전도 테이프(18)에 결합제를 도포하는 단계와,
    ⓒ 상기 고온 초전도 테이프 및 결합제를 상기 보빈(12)을 향해 상기 다수의 블록(16)으로 압축하는 단계와,
    ⓓ 상기 압축된 고온 초전도 테이프 및 결합제를 구워서 결합제를 경화시키는 단계를 포함하는
    고온 초전도 코일 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 단계 ⓐ 내지 ⓒ가 고온 초전도 테이프(18)의 각 층에 대해서 실시되는
    고온 초전도 코일 제조 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 단계 ⓑ 및 ⓒ가 고온 초전도 테이프(18)의 다중 층을 와인딩한 후에 실시되는
    고온 초전도 코일 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 단계 ⓑ가 진공압 침투 공정에 의해 고온 초전도 테이프(18)의 권취된 다중 층을 에폭시 침투시킴으로써 실시되는
    고온 초전도 코일 제조 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 단계 ⓐ가 후침투 코팅을 가진 고온 초전도 테이프(18)를 이용하여 실시되는
    고온 초전도 코일 제조 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 단계 ⓐ 전에, 코일의 개시 도선을 2개의 측면 플레이트중 하나상의 도선 단자에 고정하는 단계와, 결합제 층을 보빈(12)에 도포하는 단계를 더 포함하는
    고온 초전도 코일 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 단계 ⓓ 전에, 코일의 마무리 도선을 2개의 측면 플레이트(14)중 다른 하나상의 도선 단자에 고정하는 단계와, 장방형 냉각 열교환 튜브가 접착된 코일에 구리박의 층을 도포하고, 가열하에서 단계 ⓒ를 반복하는 단계를 더 포함하는
    고온 초전도 코일 제조 방법.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 보빈(12)은 실질적으로 직선의 측면을 가진 레이스트랙 형상이며, 상기 단계 ⓒ는 상기 보빈의 직선 측면을 향해 고온 초전도 테이프(18) 및 결합제를 압축시킴으로써 실시되는
    고온 초전도 코일 제조 방법.
  17. 고온 초전도 코일을 제조하는 방법에 있어서,
    ⓐ 고온 초전도 테이프(18)를 보빈(12)상에 권취하는 단계와,
    ⓑ 권취된 고온 초전도 테이프에 결합제를 도포하는 단계와,
    ⓒ 고온 초전도 테이프 및 결합제를 압축하는 단계와,
    ⓓ 압축된 고온 초전도 테이프 및 결합제를 구워서 결합제를 경화시키는 단계를 포함하는
    고온 초전도 코일 제조 방법.
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