KR20080035566A - 전기기계적 전력 변환기 및 전기 기계 회전자 - Google Patents

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KR20080035566A
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디에테르 볼프강 블럼
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디에테르 볼프강 블럼
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Abstract

기자력 및 기전력을 급수 합산하기 위해서 초전도 접속부에 의해서 서로 직렬로 접속된 회전자를 포함하는 비순환식 단극 전기기계적 전력 변환기가 제공된다. 본 발명에 따른 회전자 어셈블리는 초도전성 직렬 접속부에 의해서 직렬로 접속된 다수의 도전체 소자들을 포함한다. 이 초도전성 직렬 접속부로 인해서 전기기계적 전력 변환기 분야에서 지금까지 불가능하다고 알려진 기전력 및 기자력의 급수 합산 및 자속 격리가 제공될 수 있다. 이 초도전성 직렬 접속부는 비순환식 단극 전기기계적 전력 변환기의 회전자 임피던스를 수정하여 비순환식 단극 전기기계적 전력 변환기의 오랜 역사 동안 필요로 했던 개선 사항을 제공한다.

Description

전기기계적 전력 변환기 및 전기 기계 회전자{SUPERCONDUCTING ACYCLIC HOMOPOLAR ELECTROMECHANICAL POWER CONVERTER}
관련 특허 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2005년 6월 8일에 출원된 미국 가 특허 출원 제60/688,890호를 우선권으로 주장한다.
본 발명은 전반적으로 전기기계적 전력 변환기에 관한 것이며, 특히 비순환식 단극 전기기계적 전력 변환기(acyclic homopolar electromechanical power converter)를 개선하는 분야에 관한 것이다.
본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위해서, 이하에서는 전기기계적 전력 변환기 및 비환식 기계에 대한 간단한 배경 기술 및 전자기 기계의 역사적 측면들이 설명될 것이다.
자계가 존재할 시에 전기 도전체 어셈블리 내의 전류의 흐름에 의해서 전기 도전체 어셈블리에서 기자력(magnetomotive force:MMF)이 생성되면 전기 도전체 어 셈블리는 그 자계 내에서 움직이게 된다. 이렇게 전류 흐름을 사용하여 기력(motive force)를 생성하는데 사용되는 장치는 통상적으로 전기 모터로서 알려져 있다.
한편, 자계 내에서 전기 도전체 어셈블리가 움직임으로써 기전력을 발생시키는 것은 통상적으로 기력으로부터 전기를 생성하는 것으로 지칭된다. 이렇게 자계 내에서 전기 도전체 어셈블리를 움직임으로써 전기를 발생시키는 장치는 통상적으로 발전기로서 알려져 있다.
기자력의 경우에는 모터에 의해서 구현되는 바와 같은 또는 기전력의 경우에는 발전기에 의해서 구현되는 바와 같은 전기 동력학적 상호 작용을 사용하는 방법들 및 이러한 방법들에 의해서 생성되는 장치의 실시예들은 사용된 특정 전기 동력학적 상호 작용의 시간적 특성에 따라서 2 개의 부류로 분류된다.
오늘날 대부분의 전자기 기계가 기반으로 하고 있는 전기 동력학적 상호 작용의 제 1 부류는 순환식(cyclic)으로 지칭된다. 이 "순환식"이라는 용어는 거시적인 레벨에서 볼 때에 사용된 전기 동력학적 상호 작용이 시간에 따라서 변화되는(주기적) 성질과 관련된다. 즉, 순환식 장치 내에서 기자력 또는 기전력을 생성하는 주기적 전기 동력학적 상호 작용이 존재한다. 또한, 모든 순환식 기계는 시간에 따라서 변하는 전기 동력학적 상호 작용에 본질적으로 의존되어 있고 이러한 모든 순환식 장치 모두는 교류 전류 또는 시간에 따라서 변하는 전류의 형태를 기반으로 하기 때문에 이 순환식 장치가 직류 또는 교류를 사용 또는 생성하는지에 대한 여부는 전혀 중요하지 않다. 오늘날의 직류 장치는 외부 세계에 대해 직류 장치로서 보이기 위해서 간단히 정류/스위칭 수단을 의존하기만 하면 된다. 이러한 정류 또는 스위칭은 기계적으로 또는 전자적으로 수행될 수 있다. 오늘날의 직류 기계의 전기 동력학적 상호 작용은 이러한 기계의 돌출극(salient pole) 하에 존재하는 대체적으로 균일한 자계를 통해서 도전체 요소의 형태가 변하는 동안에는 시간에 따라서 변하지 않는 정도에 준한다.
전기 동력학적 상호 작용의 제 2 부류는 "비순환식(acyclic)"으로 지칭되는 것들이다. 이 용어는 거시 레벨에서 사용되는 전기 동력학적 상호 작용이 시간에 따라서 변하지 않는 비주기적인 성질과 관련된다. 즉, 이 비순환식 장치 내에서 기자력 또는 기전력을 생성하는 비주기적이며 연속적인 전기 동력학적 상호 작용이 존재한다. 본질적으로, 모든 비순환식 장치에서는, 모든 거시적 레벨에서의 전기 동력학적 상호 작용은 시간에 따라서 변하지 않게 여겨지는데, 즉 이 전기 동력학적 상호 작용의 극성도 강도도 어느 것도 시간에 따라서 변하지 않는다.
이러한 비순환식 기계들은 종종 단극(homopolar) 기계로서 지칭되는데, 이 "단극"이라는 것은 동일한 중심 상에 자기 극들을 갖는 것을 의미하며 또한 이러한 비순환식 기계들은 때때로 패러데이 기계로서 지칭된다. 한편, 이러한 비순환식 기계들이 때로는 하나의 자기 극성만을 갖는 단일 극성 기계(unipolar machine)로서 지칭된다. 그러나, 이렇게 단일 극성 기계라는 명칭은 모든 전자기 장치들이 본질적으로 적어도 서로 반대되는 2 개의 극성을 필요로 하기 때문에 잘못된 것이다.
비순환식 기계는 존재하고 있는 오직 진정한 종류의 직류 장치이다. 이러한 비순환식 장치는 순환식 교류 장치가 갖는 다수의 비효율적 측면이 필요 없으며 더 나아가 오늘날의 "직류 기계"에서 사용되고 있는 가격이 비싸고 비효율적이며 유지 보수를 받아야 하는 정류 및 스위칭 디바이스를 필요로 하지 않는다.
본 발명은 전류를 정류 또는 스위칭할 필요 없이 동작하는 비순환식 전자기 모터 및 발전기에 관한 것이며, 또한 자계 내에서 시간에 따라서 불변하는 전기 동력학적 상호 작용을 받는 전기 도전체 어셈블리 내에서 전류를 생성하는 기자력을 급수 합산(series summation)하거나 이 전기 도전체 어셈블리 내에서 생성된 기전력을 급수 합산하도록 구성가능한 동작 회전자 임피던스(operational rotor impedance)를 갖는 비순환식 전자기 모터 및 발전기에 관한 것이다.
본 발명은 전반적으로 전자기 기계와 관련되며 특히 비순환식 기계와 관련되기 때문에 본 발명을 이해시키고 설명하기 위해서는 전자기 동력학의 발전 역사에 대한 간략한 검토가 배경 기술로서 제공될 것이며, 또한 이 발전 역사에 있어서 더 복잡한 구조를 갖는 순환식 기계는 선호되는 반면에 단순한 구조를 갖는 비순환식 기계가 무시되어온 이유에 대해서도 살펴볼 것이다.
1821년에, 패러데이는 균일하고 방사 방향으로 대칭적인 자계 내에서 DC 전류를 운반하는 도전체가 회전 운동을 한다는 것을 발견하였다. 패러데이는 단극 비순환 위상을 갖는 장치로 해서 연속 회전형 전기 동력학적 기자력을 생성할 수 있다는 것을 발견하였다. 이어서, 패러데이는 다른 과학자들이 자신의 실험 결과를 다시 도출할 수 있도록 전자기 회전자를 개발하여 다른 과학자들에게 보냈다. 패러데이는 1821년에 자석을 전류 전달 도전체의 축을 중심으로 회전시킬 수 있게 되었다. 이는 세계 최초의 전기 모터이며 전기 에너지로부터 기계적 이동을 생성하는 전기기계 변환기였다.
이러한 패러데이의 최초의 단극/비순환식 "전자기 모터"는 실제 전기 모터를 개발하기 위해서 사용되지 않았는데, 그 이유는 이러한 전기 모터는 그 임피던스가 낮기 때문에 동작하기 위해서는 상당한 양의 DC 전류를 필요로 하였기 때문이다. 이 패러데이의 전자기 모터는 왕복식 전기 모터에서 사용되는 솔레노이드와 같은 복잡한 스위칭 메카니즘을 전혀 필요로 않는다는 사실에도 불구하고 이에 대한 연구과 관심은 빈약하였다. 오늘날의 수많은 직류 기계에는 이러한 복잡한 스위칭 메카니즘이 존재한다.
1831년에는 패러데이는 연속 회전형 전기 동력학적 기전력을 생성할 수 있다는 것도 발견하였다. 패러데이는 자계 내에서 도전체(도전성 디스크)가 회전하는 것을 확실하게 알게 되었고 이 회전하는 디스크의 중심 축과 그 주변부 간에는 기전력이 유도된다는 것을 발견하였다. 두 지점 간에서 외부 회로가 완성되면, 전류가 흐르기 시작한다. 이 경우에, 단극 비순환 위상을 갖는 장치로 해서 연속 회전형 전기 동력학적 기전력을 생성할 수 있다는 사실을 패러데이는 또한 발견하였다. 이는 세계 최초의 직류 발전기이며 기계적 에너지로부터 전기 에너지를 생성하는 전기기계 변환기였다.
이러한 패러데이의 최초의 단극/비순환식 발전기는 실제 발전기를 개발하기 위해서 사용되지 않았는데, 그 이유는 이러한 발전기는 그 임피던스가 낮기 때문에 저 전압의 대량의 DC 전류를 생성했기 때문이다.
이러한 패러데이의 발견 이외로, 기전력 또는 기자력을 생성하는 비순환식 장치들은 통상적인 순환식 회전형 전기기계적 전력 변환기에 비해서 그 연구가 이루어지지 않았다. 이러한 비순환식 발전기 및 전기 모터는 본질적으로 저 임피던스를 가지기 때문에 지금까지 대부분 연구소나 저 전압 고 전류를 필요로 하는 특정 애플리케이션으로만 그 사용이 제한되었다.
1900년부터 지금까지 이러한 비순환식 발전기 및 전기 모터 분야에서 몇몇 주목할만한 발전들이 있었다. 1904년에, Noeggerath는 단극 장치를 사용하여 높은 DC 전압을 생성하기 위한 실험을 수행하였는데, 그는 이 실험에서 집전환(slip ring)을 통해서 다수의 기전력 유도성 소자들을 직렬로 접속시켰다. 이로써 500 볼트 300 킬로 와트를 내는 장치를 제조하는데 성공하였다. 1912년에, Westinghouse 사의 Lamme는 260 볼트 2 메가 와트를 내는 장치를 제조하는데 성공하였다. 이 기계는 AC 전력의 가격이 더 낮아서 더 이상이 사용되지 않을 때까지는 수년간 사용되었다. 독일에서, 다수의 기업들이 그 당시에는 단일 극성 발전기(unipolar generator)로 지칭되었던 기계들을 제작하였다. 10 볼트 5000 암페어를 내는 ＠3000 RPM 머신이 1913년에 제작되어서 1940년까지 사용되었는데 주로 고 전류 스위치 및 단속기를 테스트하는데 사용되었다(Elektrotechnische Zeitschrift, 61. Jahrg. Heft 16, 18. April 1940에 공지된 독일 문헌 "Unipolarmaschine fur kleine spannungen und hohe strome" 참조 요망).
약 1920년 정도에, 브러시 및 집전환 전압 강하와 같은 전류 수집 브러시 및 집전환이 갖는 단점들과 I2R 손실들로 인해서 비순환식 기계의 발전은 더 이상 진척 되지 않았고 이 비순환식 기계들은 정류된 직류 머신으로 대체되었고, 나중에는 동작 안전성, 신뢰성 및 경제적인 측면 때문에 교류 발전기로 모조리 대체되었다. 다음은 Elektrotechnische Zeitschrift, 61. Jahrg. Heft 16, 18. April 1940에 공지된 독일 문헌 "Unipolarmaschine fur kleine spannungen und hohe strome"으로부터 번역된 문구이다. "조명 및 전력 공급을 위한 발전기로서 비순환식 기계는 그 자리를 영원히 상실하게 되었다!!"
거의 20 년 동안 비순환식 방법 및 기계들에 대한 연구는 거의 이루어 지지 않았다. 상기 참조 문헌을 살펴보면, 비순환식 단극 장치들은 상술한 브러시 및 집전환 전압 강하와 같은 전류 수집 브러시 및 집전환이 갖는 단점들과 I2R 손실들로 인해서 더 이상 성공적으로 사용될 수 없다는 견해와 함께 가차없이 처치되었음을 알 수 있다. 2차 세계대전 바로 이전에 화학 산업을 발전시킬 필요가 있어서 특히 독일에서는 비순환식 직류 발전에 대한 관심이 새롭게 일어났으며, 이의 일환으로서 1935년에 7.5 볼트 150,000 암페어 ＠514 RPM 머신이 개발되었다. 이 머신은 다수의 기전력 유도성 전기자 소자들이 생성한 기전력을 급수 합산하기 위해서 브러시 및 집전환과 함께 전기자 슬롯 내부로 내장되는 절연형 도전체를 사용했다는 점에서 1 차 세계대전 이전에 제작된 기계들과 유사하였다(Elektrotechnische Zeitschrift, 61. Jahrg. Heft 16, 18. April 1940에 공지된 독일 문헌 "Unipolarmaschine fur kleine spannungen und hohe strome" 참조 요망).
1930년에 Poirson이 처음 제안한 장치인 7 볼트 15,000 암페어 ＠1800 RPM 머신 및 다음에 발표된 이보다 더 크기가 큰 14 볼트 50,000 암페어 ＠750 RPM 머신은 그 구성이 더 간단해졌다. 이 머신들은 1937년에 파리 국제 박람회에 개시되었다. 이 두 머신은 전기자 코어, 집전환 및 기전력 생성 도전체 역할을 하는 비 슬롯형 회전자를 사용했다(Elektrotechnische Zeitschrift, 61. Jahrg. Heft 16, 18. April 1940에 공지된 독일 문헌 "Unipolarmaschine fur kleine spannungen und hohe strome" 참조 요망).
1940년부터 1960년까지는 비순환식 기계에 대한 연구가 거의 없었으며 이 후가 되어야 비순환식 기계에 대한 관심이 다시 일어났는데, 이의 일환으로서 미국의 General Electric 사 및 미 해군이 선박 추진용 애플리케이션을 위해서 비순환식 모터 및 발전기에 대한 연구를 하였다. 여기서 연구된 기계의 실례는 1974년의 Levi 및 Panzer가 저술한 문헌 "Electromechanical Power Conversion"에서 언급된 바와 같이 1964년에 미국의 General Electric 사가 개발한 67 볼트 150,000 암페어 ＠3600 RPM 비순환식 발전기이다.
1960년대 중반부터 지금까지, 초전도 또는 고온 초전도 자계 발생 코일 설계 사항 및 액체 금속(공융) 전류 수집 브러시가 개발되어서 용융 연구, 레일건(rail-gun) 발사대, 용접 등과 같은 특정 고 전력 애플리케이션에서 사용되었다. 가령, 미국 텍사스주의 오스틴에 소재한 텍사스 University of Texas에 있는 CEM(Center for Electromagnetics)는 5 내지 10 메가 와트 범위의 출력을 갖는 디스크 타입 비순환식 발전기 및 드럼 타입 비순환식 발전기를 개발하였다. 이들은 또한 OIME 사에 의해 생산된 파이프 용접용의 펄스형 단극 용접용 발전기도 설계하였다.
더 최근인 1997년에는 미 해군이 HTSC(고온 초전도) 비순환식/단극 선박 추진용 모터 테스트 결과를 발표하였다. 또한, 1997년에, CEM 및 Parker Kinetic Designs 사는 자동차 및 기관차용의 비순환식 견인용 모터를 대한 연구를 발표하였다. 더 최근인 2002년 내지 20005년에 미 해군은 General Atomics 사의 5 메가 와트 머신 및 36 메가 와트 머신을 사용하면서 고온 초전도 자계 발생 코일을 채용한 비순환식 선박 추진용 모터에 대한 심층적 연구를 발표하였다.
최근에, 전류 수집기를 슬라이딩시킬 필요가 없는 회전형 접촉부(rolling contact)를 채용한 비순환식 기계가 개발되었고 다수의 미세 섬유 복합 금속 브러시 및 다수의 전류 전달 세그먼트 정류 방식을 채용한 (양극성이지만 비순환식인) 단극 기계들이 제안되었다.
능동 도전체 세그먼트를 통해서 전류를 생성하는 기자력을 급수 합산하거나 능동 도전체 세그먼트 내에 생성된 기전력의 급수 합산하는 전기기계적 전력 변환 시스템들은 대부분 순환식 이극 위상(cyclical heteropolar topology)에 대해서 잘 알려져 있다. 이러한 전기기계적 전력 변환 시스템에 있어서, 능동 도전체 어셈블리의 형태는 통상적으로 코일 형태의 직렬 도전체 권선(a coiled series conductor winding)의 형태이다.
본질적으로 비순환식 기계와 관련된 종래 기술에는 3 가지 그룹이 존재한다. 제 1 그룹은 능동 도전체 세그먼트들 또는 소자들을 급수 합산하는 것을 사용하지는 않지만 디스크, 드럼, 실린더, 종 모양, 병렬 접속된 드럼, 시트 스택 등과 같은 간단한 단일의 능동 도전체 소자 타입의 장치를 포함한다.
제 2 그룹은 다수의 능동 도전체 소자들을 포함하고 다수의 집전환/브러시 어셈블리를 사용하거나 역 회전형 능동 소자 및 보조 집전환/브러시 어셈블리를 사용함으로써 생성된 기자력 또는 유도된 기전력을 급수 합산하는 비순환식 기계를 포함한다.
본 발명자의 현재까지의 지식으로는 다음과 같은 상기 제 2 그룹에 속하는 문헌들이 있다.
US293,758 (Lubke, 1884); US339,772 (Hering, 1886); US342,587, US342,588, US342,589, US351.902, US351,903, US351,904, US351.907 and US352,234 (all to Eickemeyer, 1886); US406,968 (Tesla, 1889); US396,149 (Eickemeyer, 1889); US400,838 (Entz, 1889); US515,882 (Maynadier, 1894); US523,998 (Rennerfelt, 1894); US561,803 (Mayer, 1896); US645,943 (Dalen et al., 1900); US678,157 (Bjarnason, 1901); US742,600 (Cox, 1903); US789,444 and US805,315 (both to Noeggerath, 1905); US826,668 (Ketchum, 1906); US832,742 (Noeggerath, 1906); US854/756 (Noeggerath, 1907); US859,350 (Thomson, 1907); US3,229,133 (Sears, 1966); US3,465,187 (Breaux, 1969); US4,097,758 (Jenkins, 1978); US4,514,653 (Batni5 1985); US55241,232 (Reed, 1993); 및 US5,587,618 (Hathaway, 1996.)
비순환식 발전기에서 유도된 기전력을 급수 합산하거나 비순환식 전기 모터에서 생성된 기자력을 급수 합산하는 것과 관련된 최근의 종래 기술의 실례는 Reed에 허여된 미국 특허 5,241,232이며, 이 실례는 이러한 급수 합산을 위해서 2 개 이상의 능동 소자 간에서 도전성 벨트를 사용한다. 이 Reed가 발명한 장치는 2 개의 공동으로 회전하는 능동 소자들을 직렬로 전기적으로 접속시키는 유연성이 있는 도전성 벨트를 사용한다는 점에서 백 여년 앞선 Tesla의 장치와 유사하다.
다른 최근의 실례는 Hathaway에 허여된 미국 특허 5,587,616이며 이 실례는 급수 합산을 위해서 복잡한 다수의 동기적으로 역회전하는 전기자 및 이와 관련된 집전환 및 슬라이딩 접촉부를 사용한다.
상술된 제 2 그룹과 관련된 종래 기술들은 다수의 소자들을 필요로 하는 다양한 복잡하면서 비효율적인 기술들을 사용하여 급수 합산을 수행한다. 본 발명은 동일한 전체 총 강도를 갖는 자계 내에서 단일 능동 소자만을 사용함으로써 이러한 제 2 그룹에 속하는 종래 기술들을 개선한 발명이다.
제 3 그룹은 다수의 능동 도전체 소자들을 포함하고 이 다수의 능동 도전체 소자들의 몇몇 형태의 "직렬 권선" 또는 "직렬 배열"을 사용함으로써 생성된 기자력 또는 유도된 기전력을 급수 합산하고 이로써 이러한 급수 합산이 직접적으로 수행되게 되는 비순환식 기계를 포함한다.
본 발명자의 현재까지의 지식으로는 다음과 같은 상기 제 3 그룹에 속하는 문헌들이 있다.
US5,278,470 (Neag, 1994); US5,451,825 (Strohm, 1995); 및 US5,977,684 (Lin, 1999.)
그러나, 이 제 3 그룹에 속하는 종래 기술들은 발전기의 경우의 유도된 기전력을 급수 합산하거나 전기 모터의 경우의 생성된 기자력을 급수 합산하는 것을 달 성할 수 없다. US5,278,470 (Neag, 1994) 및 US5,451,825 (Strohm, 1995)의 발명들은 다수의 능동 도전체 소자들과 상호 작용하는 복귀 자속 경로/인터링크부로 인해서 이러한 상호 작용이 의도되었는지 아니면 의도되지 않았는지의 여부와 상관없이 유도되게 되어 있는 역 기전력 또는 생성되게 되어 있는 역 기자력을 전혀 고려하지 않고 있다.
구체적으로, US5,278,470 (Neag, 1994)의 도 1A는 복귀 자속 경로/인터링크부가 완벽하게 완성되었음을 나타내고 있다. 그러나, 항상 그러하듯이 회전자 상의 직렬 권선의 일부를 형성하는 주변 도전체 세그먼트에서는 기자력 또는 기전력이 완전히 제거될 수 있다. 따라서, 이 주변 도전체 세그먼트가 자기적으로 침투 가능한 회전자 내의 슬롯으로 들어가면 이 주변 도전체 세그먼트의 자계 차폐는 충분하게 달성되지 않게 되고 이로써 항상 그러하듯이 회전자 직렬 권선이 임의의 측정 가능한 기전력 또는 기자력을 생성할 수 없게 된다.
또한, US5,451,825 (Strohm, 1995)의 도 1은 자속 벡터 B가 서로 반대 방향으로 되어서 도전체 소자들이 상기 자속 벡터 B의 자계에 의해서 그 형태가 변화되면 원하는 바의 기전력 또는 기자력이 이 도전체 소자 내에서 생성되게 되는 것을 도시하고 있지만, 완벽하게 완성된 자속 경로/인터링크부는 도시되지 않고 있다. 따라서, 완벽하게 완성된 자속 경로/인터링크부가 고려되게 되면, 상기 완성된 자속 경로/인터링크부와 상기 주변 도전체 세그먼트 간의 상호 작용으로 인해서 US5,278,470 (Neag, 1994)의 발명에서와 동일한 방식으로 US5,451,825 (Strohm, 1995)에서도 완벽한 기자력 또는 기전력 소거가 다시 한번 발생할 수 있게 된다. 이러한 불행한 결과로 인해서, US5,451,825 (Strohm, 1995)에서는 다수의 능동 도전체 소자들에 대한 급수 합산이 무산될 우려가 많다.
US5,977,684 (Lin, 1999.)에서는, 균일하고 대칭적인 축 방향 자속 자계가 입력된 샤프트 각 속도(shaft angular velocity)로 공동 회전하기보다는 머신 회전형(비 관성) 기준 프레임 내에서 정지 상태로 존재하는 것으로 보이기 때문에 원하는 유도 기전력 또는 생성 기자력이 부족하게 된다. 따라서, 일 구역에서 능동 도전체 소자와 상호 작용하는 회전하는 이동형 자속 자계가 존재하지 않으며 다른 구역에서는 직렬 접속 도전체 소자와 상호 작용하지 않는 정지형인 정적 자속 자계가 존재한다. 오직, 정적 자속 자계만이 존재한다.
요약하면, 비순환식 기계 및 단극 기계로 지칭되는 전기기계적 전력 변환기 분야와 관련된 종래 기술에 있어서, 제 2 그룹에 속하는 급수 합산 방식은 대부분 비현실적이며 제 3 그룹에 속하는 급수 합산 방식들도 성공하도록 동작하기 어려운 방식이어서 이들은 단지 저 임피던스 디바이스로서의 비순환식 단극 변환기의 이미지를 계속 유지하는데에 그쳤다.
과거에는, 비순환 단극 전기 모터 및 발전기는 통상적인 흑연 기반의 전기 브러시가 갖는 큰 전압 강하라는 단점으로 인해서 실질적으로 사용되지 않았다. 최근에, 최소한 이론적으로는, 미세 섬유 브러시 및 혼성(액체 금속) 브러시는 상기의 큰 전압 강하라는 단점을 극복할 수 있다고 생각되었다. 그러나, 극복해야할 다른 문제들이 있다. 비순환 단극 전기 모터 및 발전기가 널리 사용되지 못하도록 하는 제 1의 다른 문제점은 매우 큰 개수의 브러시 및 브러시 홀더가 필요하다는 것 이다(이는 회전자의 저 임피던스로 인해서 고 전류가 처리되어야하기 때문임). 제 2의 다른 문제점은 매 전류 경로 또는 "전류 턴(current turn)" 당 전압 또는 기전력이 낮기 때문에 회전자 임피던스 또는 머신 전압이 너무 낮다는 것이다. 가령, 비순환 단극 전기 모터 및 발전기에서 자계 내에서 움직이고 있는 능동 도전성 회전자를 통해서 전류가 흐름으로써 발생하는 기전력은 전류 턴 당 고작 10 볼트를 초과하지 못한다. 이 때문에 전체 기계적 성능에 있어서 최소 수백 볼트의 전압을 달성하기 위해서는 다수의 전류 턴 또는 전류 경로가 필요하고 따라서 브러시, 브러시 홀더 및 집전환도 매우 많이 필요하게 된다.
배경 기술을 더 많이 알아보기 위해서, 단극 전력 변환기 구조 및 이극 전력 변환기 구조를 다루는데 있어서 가장 종합적인 점들이 Levi 및 Panzer에 의해 저술된 "Electromechanical Power Conversion" [1974], pp.152-200 (ch. 5, "Homopolar Converters") 및 pp. 201-254 (ch. 6, "Power Conversion in Heteropolar Structures: Synchronous Converters with Uniform Air Gap".)를 참조하여 설명될 것이다.
상기 문헌 "Electromechanical Power Conversion" [1974]의 "서론" 부분의 8 페이지에서, Levi는 다음과 같이 말한다. "...5 장에서... 우리는 단극 변환기가 본질적으로 저 전압 고전류 장치라는 것을 알고 있다.... 이러한 단극 변환기의 저 임피던스 특성이라는 한계점을 극복하는 와중에, 우리는 6 장에서 이극 변환기 구성이 갖는 장점을 발견하게 되었다".
위의 Levi의 문헌을 참고하면, 5 장은 실린더 회전형 단극 구조의 대칭 측면 및 이와 관련된 고유한 몇몇 특성을 아주 철저하게 다루고 있으며, 이 대칭 측면과 관련된 고유한 몇몇 특성을 예를 들자면 단극 머신에서 유도된 자계 B는 임의의 이동성 전계를 생성하지 않는다는 것이며, 이러한 특성은 단극 구조에 대해 특정된 것이며 임의의 다른 구조는 갖지 않는다는 것을 알 수 있다. 또한, 단극 기계에서 경험되는 "전기자 반응"은 모든 다른 구조에서 경험되는 전기자 반응과는 다르며 따라서 이러한 단극 구조에서는 포화 효과가 용이하게 회피될 수 있으며 거의 완벽하게 차단될 수 있다는 점에서 이 단극 구조는 다른 타입의 구조에 비해서 고유하며 유리하다.
5 장은 또한 단극 기계가 고속, 대량 자계 B, 저 전압 및 고 전류 특성을 보이며 따라서 단극 기계는 본질적으로 특성상 저 임피던스를 갖는다고 결론을 내린다. 5 장의 요약 부분에서 주어진 최종 가정 중 일부는 다음과 같이 말한다. "... 우리는 최대 대칭성 및 균일성을 갖는 변환기 타입인 단극 변환기를 연구하였다". 1) "이 변환기의 전기 및 기계적 성능은 전체적으로 단일 체적 소자의 전기 및 기계적 성능과 대등하다". 2) "효율을 고려하게 되면 이 애플리케이션은 표류 속도에 근사한 속도 범위로 제한된다". 4) "포화 효과가 무시될 수 있다면, 무단부 구조에서의 전기자 반응은 단자 전압에 영향을 주지 않는다...". 이 5 장에서 단극 기계를 다루는 방식은 단극 구조를 다루는 방식의 전형이다.
6 장의 시작 부분인 201 페이지에서, Levi는 다음과 같이 말한다. "우리는 단극 변환기에서 전압의 크기와 물리적 크기 간의 유연성이 없는 견고한 관계를 극복하려는 노력을 하였으며 임피던스 레벨에서의 이러한 유연성이 없는 관계의 원천 을 자계 분포의 분균일성까지 추적하였다". 이어서, 203 내지 207 페이지에서, Levi는 다음과 같이 말한다. "단극 변환기의 고유한 저 임피던스는 능동 도전체 세그먼트들에서 유도된 기전력을 급수 합산하는 것이 성취될 수 없기 때문에 극복될 수 없다". 이러한 견해는 Levi의 문헌의 다른 부분에서 더 상세하게 언급되고 있다. 본질적으로 Levi는 직렬 도전체 내에서의 "버킹(bucking)" 또는 기전력 소거라는 고유한 문제점은 단극 기계에서는 극복될 수 없어서 AC를 생성하는 이극 기계로 관심을 돌렸다고 단극 기계와 이극 기계로 구분하는 방식으로 설명하였다. Levi는 급수 합산을 수행하기 위해서 이극 구조에서 사용될 경우에 자속 "조정(steering)" 및 자속 "격리"의 특정 형태에 영향을 주는 "그라메 링 권선(Gramme ring winding)"도 다루었다. Levi는 능동 도전체를 위한 급수 합산을 사용할 수 있는 독보적 능력으로 인해서 오직 이극 변환기만이 임피던스 정합을 수행할 수 있다고 말하고 있다.
6 장의 요약 부분에서, Levi는 다음과 같은 결론을 내린다. 1) "단극 변환기의 저 임피던스 특성은 피할 수 없다. 이러한 단점은 개별 전기자 도전체들의 직렬 접속에 의해서 증가된 전압을 허용하기 위해서 갭 B[자계] 내에서 극성을 교번시키는 방식에 의존함으로써 극복될 수 있다. 이러한 이극 특성을 이용하기 위해서는 외부 회로에서 AC 정량을 확립하는 것이다". 2) "....[이극 변환기에서]..... 단위 면적당 평균 또는 순수 전력은 단극 변환기에서와 동일한 최종 레벨에 도달할 수 없다". [] 표시는 본 발명자가 추가한 주석이다.
우리는 단극 구조에 비해서 이극 구조가 우수하고 필요하며 바람직하다는 바 를 제시하는 본 기술 분야의 당업자에게는 통상적인 견해 및 현재 지배적인 의견을 나타내는 Levi의 의견을 살펴보았다. 그러나, 우리는 공지된 고전적인 저 임피던스 단극 구조가 보이는 몇몇 논쟁의 여지가 없는 특성 및 장점에 대한 Levi의 진술을 또한 주목하게 된다.
Levi의 문헌 전체에 걸쳐서, 단극은 진정으로 비순환 단극을 의미하였다. 가령, 와트시 미터(watthour meter) 상에서의 와류 억제(eddy current brake)와 같은, 비순환이 아닌 단극 구조를 가질 수 있다. 비순환이 되는 것은 본질적으로는 단극이 되는 것을 의미하였다.
본 발명의 목적은 능동 도전체 및 자기적으로 침투 가능한 구성 요소가 서로에 대해 회전하고 있을 때에도 "자속 격리" 방법을 사용하여서 비순환 단극 구조 내에서 직렬 접속을 제공하는 것이다. 본 발명은 자계 내에서 전기 도전체 어셈블리가 움직임으로써 발생하는 시 불변 전기 동력학적 상호 작용을 받는 전기 도전체 어셈블리 내에서 생성된 기전력을 급수 합산할 수 있으며 이 전기 도전체 어셈블리 내에서 기자력을 생성하는 전류의 직렬 흐름을 제공한다.
본 발명자의 지식으로는, 비순환식 장치가 발전기로서 사용될 때에 직렬 접속된 도전체들 중 소정의 일부분에서의 "버킹(bucking)" 또는 역 기전력 유도 현상을 제거하기 위해서 "자속 격리" 방식을 사용하는 비순환식 방법 또는 장치는 지금까지 공지되지 않은 것으로 알고 있다. 또한, 본 발명자의 지식으로는, 비순환식 장치가 전기 모터로서 사용될 때에 직렬 접속된 도전체들 중 소정의 일부분에서의 "버킹 현상" 또는 역 기전력 유도 현상을 제거하기 위해서 "자속 격리" 방식을 사용하는 비순환식 방법 또는 장치는 지금까지 공지되지 않은 것으로 알고 있다.
몇몇 형태의 자속 격리를 사용하는 공지된 전기기계적 변환기 구조는 자신의 전기자 상에 "그라메 링 권선"을 갖는 이극 변환기 구조뿐이다. 이 이극 변환기 구조는 저 자계 강도 구역에서도 도전체를 움직여서 도전체가 최소한의 기전력을 생성할 수 있게 하며 도전체가 직렬 권선으로 된 복귀 도전체 역할을 할 수 있게 한다. 이로써, 출력된 기전력을 증가시키거나 출력된 기자력을 증가시키기 위해서 이극 기계 내에서 직렬 접속된 능동 도전체들이 사용될 수 있다.
그라메 링 권선 구조의 실례는 Williams 및 Harte에게 허여된 미국 특허 3,875,484 "Travelling Field Electric Motor with Improved Stator"에 개시되어 있으며 이 문헌의 전체 내용은 본 명세서에서 참조로서 인용된다.
본 발명에 따르면, 전기 모터 또는 발전기에 전력을 공급할 시에 발생하거나 전기 모터 또는 발전기로부터 전력을 제거할 시에 발생하는 전압 강하(저항)와 관련된 염려를 제거하고 기전력 또는 기자력을 급수 합산하여서 전류 턴당 또는 능동 전류 경로 세그먼트당 기전력(전압) 또는 기자력을 증가시킴으로써 종래 기술의 비순환 단극 모터 및 비순환 단극 발전기가 가지고 있었던 2 가지 주요한 문제점들을 극복할 수 있는 새로운 단극 모터 및 단극 발전기가 제공된다. 이로써, 본 발명은 본질적으로 고 임피던스 특성을 갖는 비순환 단극 기계를 제조할 수 있으며 이는 적어도 과거 100 년 동안에는 불가능하다고 줄곧 가르쳐졌던 고 임피던스 특성을 갖는 단극 기계인 것이다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따르면, 비순환식 단극 기계로서 지칭되는 전기기계적 전력 변환기에 있어서 자계 내에서 시 불변 전기 동력학적 상호 작용을 받는 다수의 능동 전기 도전체들을 서로 직렬 접속시키는 방법이 제공된다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따르면, 자계 내에서 능동 전기 도전체를 움직이는 시 불변 전기 동력학적 상호 작용을 받는 능동 전기 도전체 어셈블리의 직렬 접속을 사용하여서 기자력 생성 전류의 직렬 흐름을 사용하는 비순환식 모터 장치가 제공된다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따르면, 자계 내에서 능동 전기 도전체가 움직임으로써 발생되는 시 불변 전기 동력학적 상호 작용을 받는 능동 전기 도전체 어셈블리의 직렬 접속을 사용하여서 그 내에서 유도된 기전력을 급수 합산하는 비순환식 발전 장치가 제공된다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따르면, 자계 내에서 능동 전기 도전체의 움직임을 발생하거나 능동 전기 도전체의 움직임으로써 발생하는 시 불변 전기 동력학적 상호 작용을 받는 전기 도전체 어셈블리 내에서 기자력 생성 전류의 직렬 흐름을 사용하거나 유도된 기전력을 급수 합산하는 비순환식 전기기계적 상호 변환 장치(모터 또는 발전기)가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수직 자계 B 내에서 움직이는 비 능동 기자력 관련 도전체 어셈블리가 직렬 접속된 권선에서의 기자력 소거를 발생시키는 역 기자력을 생성하지 않도록 하기 위해서 자속 격리를 사용하는 전기기계적 전력 변환기가 제공된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 수직으로 인가되는 자계 B 내에서 움직이는 비 능동 기전력 관련 도전체 어셈블리가 직렬 접속된 권선에서의 기전력 소거를 발생시키는 역 기전력을 생성하지 않도록 하기 위해서 자속 격리를 사용하는 전기기계적 전력 변환기가 제공된다.
본 발명의 일 실시예는 비순환식 단극 기계로서 지칭되는 전기기계적 전력 변환기에 있어서 자계 내에서 시 불변적인 전기 동력학적 상호 작용을 받는 다수의 능동 전기 도전체들의 소망하는 임피던스 특성을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 고전적인 비순환식 단극 전기기계적 전력 변환기에서 기자력 또는 기전력 생성 어셈블리와 통상 관련되어 있는 큰 I2R 손실을 저감하는 기술이 제공된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 고전적인 비순환식 단극 전기기계적 전력 변환기에서 전류 수집 브러시 및 집전환 어셈블리와 통상 관련되어 있는 큰 I2R 손실을 저감하는 기술이 제공된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 고전적인 비순환식 단극 전기기계적 전력 변환기에서 기자력 또는 기전력 생성 어셈블리와 통상 관련되어 있는 물리적 크기를 저감시키는 기술이 제공된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 고전적인 비순환식 단극 전기기계적 전력 변환기에서 기자력 또는 기전력 생성 어셈블리와 통상 관련되어 있는 각 출력 속도 또는 각 입력 속도를 저감시키는 기술이 제공된다.
이러한 본 발명의 다양한 실시예들이 발전기로서 사용될 때에는, 이 실시예의 발전기는 이 발전기에 자계가 인가되면 교류 기전력을 생성하고, 본질적으로는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시킨다. 이러한 본 발명의 다양한 실시예들이 전기 모터로서 사용될 때에는, 자계가 교류에 인가되고 전기자가 또한 교류 전류 또는 스위칭된 직류 전류에 의해 에너지가 부여되면 상기 전기 모터는 교류 입력을 사용하는 기능을 할 것이다. 그러나, 어느 경우에서도, 와류가 생성될 것이며 따라서 통상적인 순환식 기계에서 행하여지는 정도로 와류 효과를 최소화하기 위해서 라미네이트 구조를 사용할 필요가 있다.
구체적으로, 본 발명은 자계 발생 코일들 및 상기 자계 발생 코일들 간에 개재된 샤프트를 포함하는 프레임과, 상기 샤프트에 연결된 회전자 실린더를 포함하며, 상기 회전자 실린더는 초도전성 직렬 접속부에 의해서 직렬로 접속된 다수의 도전체 소자를 포함하는 전기기계적 전력 변환기를 제공한다.
본 발명이 이제 첨부 도면을 참조하여 구체적으로 설명될 것이며, 이 도면들에서는 유사 참조 부호는 유사 구성 요소를 나타낸다.
도 1은 수직으로 인가된 균일한 자계 내에 위치한 도전성 소자를 따라서 흐르는 전류에 의해 생성된 기자력(MMF)의 고전적인 전기 동력학적 개념을 개략적으로 나타내는 도면,
도 2는 균일한 수직 자계 내에 위치한 직사각형의 평면 도전성 소자에서의 홀 효과를 개략적으로 나타낸 사시도,
도 3은 수직으로 인가된 균일한 자계를 통해서 움직이는 도전성 소자의 길이를 따라서 생성되는 기전력(EMF)의 고전적인 전기 동력학적 개념을 개략적으로 도시한 도면,
도 4는 패러데이에 따른 종래의 단극 및 비순환식 장치를 개략적으로 나타낸 도면,
도 5는 초전도 비순환식 단극 전기기계적 전력 변환기의 측면도,
도 6은 초전도 비순환식 단극 전기기계적 전력 변환기의 일단 도면,
도 7은 초전도 비순환식 단극 전기기계적 전력 변환기의 타단 도면,
도 8은 초전도 비순환식 단극 전기기계적 전력 변환기의 내부 단면도,
도 9는 그 내부가 보이도록 외부의 일부가 제거된 외부 자계 발생 코일을 갖는 초전도 비순환식 단극 전기기계적 전력 변환기의 내부 단면도,
도 10은 도전성 소자와 초전도 직렬 접속부를 나타낸 회전자 실린더의 개략적 단면도,
도 11은 회전자 중심 코어가 보이도록 그들의 일부가 제거된 외부 자계 발생 코일 및 회전자 실린더를 갖는 초전도 비순환식 단극 전기기계적 전력 변환기의 내부 단면도,
도 12는 회전자 중심 코어 및 극저온 튜빙(tubing)이 보이도록 그 외부의 일가 제거된 외부 자계 발생 코일 및 그 전체가 생략된 회전자 실린더를 갖는 초전도 비순환식 단극 전기기계적 전력 변환기의 내부 단면도,
도 13은 회전자 중심 코어 및 극저온 튜빙이 보이도록 그 전체가 제거된 외부 자계 발생 코일 및 회전자 실린더를 갖는 초전도 비순환식 단극 전기기계적 전력 변환기의 내부 단면도,
도 14는 초전도 비순환식 단극 전기기계적 전력 변환기의 프레임의 내부 단면도.
본 발명은 바람직한 실시예에 따라서 기술될 것이지만, 본 발명은 이하에서 기술되는 실시예들로 한정되는 것은 아니다. 이보다는, 수정 및 변경이 본 명세서에서 규정된 바와 같은 본 발명의 기술적 사상 및 범위와 이하의 첨부된 청구 범위 내에서 가능하다.
본 발명을 전반적으로 이해하기 위해서는 도면이 참조될 필요가 있다. 이들 도면에서, 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타내고 있다.
전기 동력학적 개념들의 개략적 설명
본 기술 분야의 당업자가 본 발명을 완벽하게 사용할 수 있도록 하기 위해서 본 명세서에서 전기 동력학적 개념들이 개략적으로 설명될 것이다.
도 1은 수직으로 인가된 균일한 자계 내에 위치한 도전성 소자를 따라서 흐르는 전류에 의해 생성된 기자력(MMF)의 고전적인 전기 동력학적 개념을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1에서, 길이 'l' (11)의 도전성 소자(10)는 그 내부에서 길이 'l'(11)을 따르는 전류 흐름 'I'를 갖고, 균일한 외부 자계(B)(13) 내에서 위치되어 있다. (본 경우에는 말하자면 q- 또는 전자로 구성된 전하들이 움직여서 발생한 전류 밀도 J에 의해서 발생하는) 전류 흐름 'I'(12)는 자계(B) 벡터(13) 및 전류 흐름 'I' 방향(12)에 대해 서로 수직인 벡터 방향으로의 순수 힘(net force) 'F'(14)를 경험한다. 이 힘 'F'(14)는 상기 전류 흐름 'I'와 상기 도전성 소자(10) 격자(lattice) 간의 고전적인 관점의 충돌을 통해 도전성 소자(10)의 다소 강성의 격자로 전달 또는 결합되고, 이에 따라 상기 도전성 소자(10)는 순수 힘 'F'(14)를 간접적으로 경험한다. 이것은 일반적으로 '로렌츠 힘'으로 지칭되고, 도 1의 15에 나타낸 바와 같이, 미분 방정식 dF = IdlB 로 주어진다. 전하 캐리어와 격자 간의 결합력에 대한 양자 전기 동력학 관점은 파동함수 상호 작용을 포함하고 (가령, 절대 온도 0 이상에서의 초도전성을 포함하는) 극단적으로 단순화된 고전적 관점이 발생하는 문제점들을 해결한다.
이동 전하가 로렌츠 힘을 경험하는 이유는 이동 전하의 자계가 외부 자계와 상호 작용하기 때문이고, 그 결과 이동 전하의 궤도는 변경된다(운동에너지의 이득 또는 손실은 없음). 그 길이 방향을 걸쳐서 기전력 전압이 인가되는 도전성 소자 내에서 발견되는 바와 같은 가속 전계 E가 존재하는 경우에, 외부에서 인가되는 자계가 존재하지 않을 시에 통상적으로 손실되거나 (충돌 또는 파동함수 상호 작용을 통해) 격자로 전달되는 상기 가속 전계 E의 대체적인 방향을 따라서 운동 에너지를 전하가 획득하고, (전체적으로 랜덤한) 격자가 상기 운동 에너지를 획득함으로써 (진동, 포논 전달을 통해서) 격자의 온도가 증가하게 된다. 이러한 에너지는 보통 '줄 열' 또는 '줄 손실' 등으로 지칭된다. 그러나, 외부 자계가 인가되면, 이동 전하의 궤적은 격자 상호 작용 간의 사이클로이드 궤적으로 변화되며, 이러한 사이클로이드 궤적은 인가된 자계의 방향에 대해서 수직이면서 상기 전계 벡터로 인해 발생하는 변위 및 이로 인해서 발생하는 순 전류 흐름의 방향에 대해 수직인 순 벡터를 갖는다.
도 2는 균일한 수직 자계 내에 위치한 직사각형의 평면 도전성 소자에서의 홀 효과를 개략적으로 도시한 사시도이다. 홀 효과는 상술한 도 1에서의 로렌츠 힘으로부터 기인한다. 도면에 나타낸 바와 같이, 직사각형의 평면 도전성 소자(또는 시트)(20)는 순수 전류 흐름 'I'(21)를 갖고, 상기 전류 흐름 'I'(21)는 다수의 이동 전하 캐리어 'q-'(예를 들면, 전자)로 이루어지며, 외부 균일 자계(B)(24)에 대해 오른편 각도에서 변위(또는 이동)속도 'u'로 이동한다. 로렌츠 상호 작용은 상기 다수의 이동 전하 'q-'(22)에 대해 궤도 변경(25)을 일으키고, 그 결과 상기 소자(20)의 일단에 음전하 캐리어의 축적(26)을 초래한다. 이 경우, 상기 전하 캐리어의 로렌츠 상호 작용은 도면에 29로 나타낸 바와 같이, F = QuB 로 주어진다.
따라서, 기전력 전위(EMF)가 상기 소자(20)에 가로로 형성되면, 도면에 나타낸 27 및 28 지점에서는, 상기 소자(20)를 가로지르는 음전하의 불균형으로 인한 기전력 전위(또는 기울기)가 측정되고, 28 지점은 포지티브 전위가 되고 27 지점은 네거티브 전위가 된다. 또한, 이 전위는 '홀 전압' 또는 '홀 전위'로 지칭된다. 또한 상술한 이유로 격자에는 순수 힘이 작용한다. 일반적으로 홀 전압은 극도로 작기 때문에, 용이하게 관찰되지도 않고 전기 기계에 사용되는 순환 전도체에서 고려 되지도 않는다. 또한, 홀 효과는 도전성 소자가 자계 내에서 이동할 경우에, 와류(eddy current) 또는 푸코 전류(Foucalt current)의 근원이 된다.
도 3은 수직으로 인가된 균일한 자계를 통해서 움직이는 도전성 소자의 길이를 따라서 생성되는 기전력(EMF)의 고전적인 전기 동력학적 개념을 개략적으로 도시한 도면이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 도전성 소자(30)는 길이 'l'을 갖고, 외부에서 인가된 균일 자계 B(33)를 통해, 속도 'u'(32)로 해서 균일하게 수직 이동한다. 상기 도전성 소자(30)는 상기 도전성 소자(30)의 격자 내 주위를 자유롭게 이동하는 음전하 캐리어 'q-'(34)(여기서 전자인 것으로 가정, 예를 들면, 전자의 페르미 기체 등)를 포함한다.
상기 전하 캐리어(34)는 로렌츠 힘 상호 작용 'F'를 경험하고(앞서 도 1 및 도 2에서 설명), 도전성 소자(30)의 일단에 음전하 캐리어(36)의 축적을 초래한다. 이것의 순수 효과는 자계(B)(33)를 통과하여 이동하는 동안 길이 'l'(31)을 갖는 도전성 소자(30)의 끝단을 가로지르는 식별가능한 기전력(EMF) 전위이고, 상기 기전력 전위는 일단(38)에서 포지티브(음전하 캐리어의 결핍에서 기인)이고 타단(37)에서 네거티브(음전하 캐리어의 과잉에서 기인)이다.
전하 캐리어의 로렌츠 힘 상호 작용으로 인한 기전력 전위 크기는 도 3에 39로 나타낸 바와 같이, E = Blu 로 주어진다. (도전성 소자의 바깥쪽까지 연속적인(폐쇄된) 전류 경로는 부재하며, 도전성 소자 내부의 기전력 구배로 인한 쿨롱 힘(coulomb force)과 로렌츠 힘 상호 작용의 균형이 깨질 때까지 음전하의 세로방향 이동은 계속된다는 사실이 주목될 필요가 있다.)
도 4를 참조하면, 패러데이에 따른 종래의 단극 및 비순환식 장치를 개략적으로 나타내고 있다. 이 장치는 세계 최초의 회전형 전기 동력학 기계로 고려된다. 도면에 나타낸 영구자석 등의 자성체(40)는 상기 자성체(40)에 관한 자속 자계(magnetic flux field)(41)를 생성한다. 이 자속 자계(41)는 인위적 자계 선(59, 60)으로 나타낸 바와 같이, 방사형 대칭이면서 (중심선(47)에 대해)균일하다. 상기 자성체(40)는 전기적 도전성 액체(43)(Hg 등)를 포함하는 트로프(trough)(42)로 둘러싸여 있다. 도전체(44)는 자성체(40)의 중심선(47)에 대해 자유롭게 회전 가능한 형태로 도전성 스위블 조인트(electrically conductive swivel joint)(45)로부터 매달려 있고, 이에 따라 46으로 나타낸 자성체(40)의 자계를 통과하여 자유롭게 이동(회전)한다.
이 장치를 통해 전기 회로가 완성되고, 상기 도전체(44)의 바닥 단은 50의 트로프(42)에서 도전성 액체(43)와 접촉(침지(dip))하고, 또한 상기 도전성 액체(43)와 접촉하는 고정 도체(49)를 통해 음극 단자(52)로 보내진다. 도전체(44)의 상단은 도전성 스위블 조인트(45)와 고정 도체(48)을 통해 양극 단자(53)와 접속된다.
도 4를 참조하여, 이러한 종래 장치의 동작을 설명한다. 기전력(EMF)(51)의 전원이 각각 양극 단자(53) 및 음극 단자(52)를 가로질러 적용된다. 따라서, 'I'(54)로 나타낸 전류가 상기 고정 도체(49)를 통해 음극단자(52)로부터 상기 도전성 액체(43)로 흐르고, 그 후 상기 도전체(44)를 통해 'I'(55) 및 'I'(56)으로 나타낸 전류가 흐르며, 그 후 상기 스위블 조인트(45) 및 최종적으로 고정 도 체(48)를 통해 'I'(57, 58)로 나타낸 전류가 상기 양극 단자(53)로 흐르도록, 장치를 통과하여 전류가 흐른다. (자유 회전하는) 도전체(44)에서의 전류 'I'(55, 56)의 수직 흐름은, 앞서 도 1에서 설명한 바와 같은 방법으로, 도전체(44)가 로렌츠 힘 'F'(59)를 경험하도록 초래한다. 도전체(44)는 균일한 방사 대칭 자계(41, 59, 60)의 중심선(47)에 대해 회전하는 것이 강제되므로, 상기 도전체는 연속적인 등속 회전이동을 수행하고, 힘 벡터 변형 매개로서 로렌츠 힘 상호 작용을 사용함으로써 본질적으로 전기력을 기계적 작업으로 전환하는 것을 수행한다. 도 4의 장치는 본질적으로 모터로 알려진 회전형 전기기계적 전력 변환기이다. 또한, 상기 장치는 상기 전류 흐름의 정류 또는 스위칭을 요구하는 것 없이 작동하고, 시간에 따라 변하는 전기 동력학적 상호 작용을 나타내지 않으며(거시적 범위에서), 단극 형태이고, 또한 비순환식으로 작동한다. 이 장치는 왕복적(reciprocal)이고, 기계적으로 구동될 때에는 기전력을 발생시킬 수 있다.
도 5는 초전도 비순환식 단극 전기기계적 전력 변환기의 측면도를 나타내고 있다. 프레임(501)은 전기기계적 전력 변환기의 내부 작업에 기계적 내구성을 제공하고, 철, 스틸, 황동 등의 금속으로 제조될 수 있다. 또한 프레임(501)은 전기기계적 전력 변환기를 설치 지지하는 스탠드(400)와 접속된다. 또한, 본 발명의 소정 실시예에서는 전기기계적 전력 변환기의 이동 배치를 보조하는 프레임 후크(404)를 설치할 수 있다. 또한, 도 5에 나타낸 바와 같이, 샤프트(405), 엔드캡(408, 409), 볼트(410, 411) 및 핀(504)을 갖는 극저온 냉동기(445)가 있다. 이들 각 구성요소들은 당업자가 본 발명을 제조하여 사용할 수 있도록, 전기기계적 전력 변환기의 내부 작업을 명확히 설명하는 다음 도면들에 의해 더욱 상세하게 설명할 것이다.
도 6을 참조하면, 초전도 비순환식 단극 전기기계적 전력 변환기의 제 1 실시예의 일단 도면이 나타나 있다. 극저온 냉동기(445)는 극저온 냉동기 핀(504)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 본 발명의 소정 실시예에서 극저온 냉동기(445)는 샤프트(405)와 함께 회전한고, 전기기계적 전력 변환기 내부의 초전도 접속부를 냉각시키도록 기능한다. 극저온 냉동기(445)는 예를 들면, 적외선 감지기, 의료 기구 및 초전도 장치를 냉각시키기 위해 사용되는 저온 냉각기이다. 극저온 냉동기는 당업자에게 잘 알려져 있는 것이다. 극저온 냉동기의 실례로는 Janis Research사(www.janis.com), Shi Cryogenics사(shicryogenics.com), 및 Ball Aerospace사(www.ballaerospace.com)에서 제조된 장비일 수 있다. 또한, 도 6은 프레임(501), 스탠드(400), 프레임 후크(404), 엔드캡(409) 및 엔드캡 볼트(411) 등과 같은 전기기계적 전력 변환기의 수개의 기계적 형태를 나타내고 있다.
도 7을 참조하면, 초전도 비순환식 단극 전기기계적 전력 변환기의 제 1 실시예의 타단 도면이 나타나 있다. 본 발명의 소정 실시예에서는 스탠드(400)를 포함하는 프레임(501)과, 후크(404)와, 엔드캡을 갖고, 엔드캡(408)은 도 7에서와 같이 육안으로 확인할 수 있다. 엔드캡은 스틸, 철, 황동 등의 금속으로 제조될 수 있다. 엔드캡(408)은 이후의 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 베어링 및 샤프트(405)를 수용하도록 기능한다. 샤프트(405)는 스틸, 경화 스틸, 철 등의 강자성 재료로 제조될 수 있다. 샤프트(405)는 기계적 에너지와 전기적 에너지 사이에 기계적 접속을 제공한다. 엔드캡(408)은 일련의 볼트(410)로 고정된다.
전기기계적 전력 변환기의 내부 작업을 완전히 이해하기 위해, 이후의 도면은 명확성을 위해 제거된 여러 가지 부품의 단면도를 제공한다. 도 8은 내부 부품을 나타낸 전기기계적 전력 변환기의 단면도이다. 소정 부품들은 본 도면으로부터 가려져 있으나, 다양한 내부 부품들이 설명의 목적으로 단계적으로 제거될 것이므로 이러한 설명으로 명확해 질 것이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예의 단면도는 비 자성의 스포크(spoke) 또는 스파이더 부재(spider member)(미도시)에 의해 샤프트(405)에 기계적으로 부착된 회전자 실린더(413)를 나타내고 있고, 이러한 전체 어셈블리는 후술하는 바와 같이, 축 방향 및 방사 대칭 자계 내부에서 자유롭게 회전이동할 수 있다. 회전자 실린더(413)는 스틸 등의 구조적 내구성을 갖는 재료로 제조되고, 초전도 직렬 접속부(미도시)에 의해 직렬로 접속되는 복수의 도전성 소자(미도시)를 포함한다. 이러한 초전도 회전자 어셈블리의 설계는 도 10을 참조하여 후에 더 자세히 설명하도록 한다. 능동 도전체 부재는 회전자 실린더(413)로부터 전기적 절연되고, 상기 도전체들 상호 간에 전기적 절연된다. 능동 도전체 부재들은 직렬 접속되는 권선 구성을 설치하기 위해 회전자 실린더(413)의 반대편 단에 직렬 접속된다. 직렬 접속부는, 후술하는 바와 같이, 고온 초전도(HTS : High Temperature Superconducting) 재료로 구성되고, 상기 고온 초전도(HTS) 직렬 접속부는 회전자 실린더(413) 주위를 둘러싸도록 배치된 초저온 냉각 듀어 쟈켓(dewar jackets)(417) 내부에 배치된다. 본 발명의 소정 실시예에서, 상기 직렬 접속부는 저온 초전도 재료 또는 초전도 재료로 구성된다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 외부 자계 발생 코일부(outer field coil portion)(418, 419)가 더 존재한다. 상기 코일부는 당업자에게 알려진 바와 같이, 종래의 구리(Cu) 권선 구조로 제조된다. 본 발명의 소정 실시예에서, 코일부는 초전도 재료 및 형태로 제조된다. 샤프트(405) 및 관련 회전자 어셈블리를 고정하기 위해 베어링(406, 407)이 채용된다.
이후 설명되는 본 발명의 실시예는 상기 HTS 직렬 접속부 내에서 자속 배제/분리/격리(magnetic flux exclusion/isolation/insulation)를 사용하고, 능동 권선 세그먼트(armature winding segment)의 두 개의 긴 권선 면만을 따라 자속 상화 작용을 통해 기자력 또는 기전력을 생성한다(상기 하나의 능동 세그먼트는 상기 실린더의 외부에 있고 상기 다른 하나의 능동 세그먼트는 상기 실린더의 내부에 있다). 상기 전체 권선 배열은 전기력 입력을 상기 샤프트 상에 나타나는 기계적 출력으로 전환하는 모터로서 사용되는 경우에는, 기자력(MMFs)의 합산을 제공하고, 또는 상기 샤프트에의 기계력 입력을 상기 권선 배열로부터 전기력 출력으로 전환하는 발전기로서 사용되는 경우에는, 기전력(EMFs)의 합산을 제공한다.
본 발명의 실시예는 잘 알려진 종래 비순환식 기계에 대해 감소된 브러시 손실 및 감소된 I2R 손실로 기인하는 증가된 체적 전력 밀도를 제공한다. 또한, 본 실시예는 임의의 애플리케이션에 대해서도 원하는 바대로 정합될 수 있는 임피던스를 가지며 능동 회전자 구성 내에서뿐만 아니라 전력 공급 결합 시에도 높은 손실을 경험하지 않는 기본적으로 2 단자 기계로 지칭되는 바를 제공한다. 이 기계는 왕복 적으로 동작하고(발전기 또는 모터), 정류를 필요로 하지 않고, 임의의 시간에 따라 변하는 전기 동력학적 상호 작용을 나타내지 않으며, 단극 형태이고, 비순환적으로 작동한다.
도 9는 그 내부가 보이도록 외부의 일부가 제거된 외부 자계 발생 코일을 갖는 초전도 비순환식 단극 전기기계적 전력 변환기의 내부 단면도이다. 도 9는 장치의 외부에 종래 브러시 인터페이스(예를 들면, 전류 공급기/수집기 어셈블리)를 사용한 것을 나타낸다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 브러시 홀더(928, 932, 937, 941)는 프레임(501)에 부착된다. 브러시 홀더 내부에는 스프링이 적재된 브러시(spring-loaded brush)(929, 931, 938, 940)가 포함된다. 브러시는 전기적 접촉으로(미도시) 부착된다. 브러시는 두 개의 집전환(930, 939)에 슬라이딩 전기 접촉을 제공하도록 기능하고, 샤프트(405)에 견고하게 설치되어 함께 회전한다. 따라서 집전환은 전기적 접촉을 통해 상기 장치의 내부에 전기적 접속을 제공하며, 이에 의해 회전형 전기자(rotating armature), 고정자 자계 발생 코일 어셈블리(stator field coil assembly)와 별도로 제조된 외부 전기 기계 접속부, 및 상기 전류 공급기/수집기 어셈블리에 전력을 전달한다.
본 발명의 소정 실시예에서, 브러시 및 집전환은 전기기계적 전력 변환기의 내부에 및 직렬 접속된 능동 도전체 구성(권선)에 전력을 공급하기 위한 무브러시 여자기(고주파 전자기 AC 전계 커플러)로 대체될 수 있고, 상기 무브러시 여자기는 본 발명의 소정 실시예에서, 극저온 냉동기(445)에 대한 전원이 될 수 있다. 또한, 도 9에 나타낸 바와 같은, 내부장 코일(952, 960)이 있다. 코일부는 당업자에게 알 려진 바와 같은, 종래의 구리(Cu) 권선 구조로 제조된다. 본 발명의 소정 실시예에서, 상기 코일부는 초전도 재료 및 형태로 제조된다.
도 10은 도전성 소자와 초전도 직렬 접속부를 나타낸 회전자 실린더의 개략적 단면도이다. 구리 등의 도전성 재료로 제조된, 능동 도전성 소자(1101, 1102, 1103, 1108, 1109)는 자성 회전자 실린더(413)의 내부 및 외부 양쪽에 배치되고(도 10에 미도시, 도 9 참조), 능동 도전성 소자는 실질적으로 평면 직사각 형상이며 회전자 실린더(413)의 가로 길이를 따라 움직이며(도 10에 미도시, 도 9 참조), 또한 적절히 형성된 절연층(1104, 1110)의 작용을 통해 상호 간, 회전자 실린더 및 그 인접부로부터 전기적 절연되어 있으며, 각 절연층은 5 내지 50 볼트의 공칭 항복 전압(즉, 유전성의 크기)을 갖는다. 절연층의 예로는 구리 소자 상에 형성된 Cu2O 이다.
도 10에서 나타낸 바와 같이 능동 도전성 소자는 5개의 세트 그룹이지만, 본 발명의 다른 실시예는 회전 로터에 결합되는 기계적 힘을 분석하는 것에 의해 결정된 다른 개수의 세트를 사용할 수 있다. 각 그룹 또는 세트의 단부 소자(1101, 1102, 1108, 1109)는 실질적으로 기계적 결합하는 형태이고 회전자 실린더(1105) 내의 슬롯에 장착되어 있으며, 이에 따라 기계적 힘 결합을 제공한다.
또한, 도 10에는 듀어 쟈켓(dewar jackets)(1100, 1107) 내부에 극저온으로 냉각된 고온 초전도(HTS : High Temperature Superconducting) 직렬 접속부(1106)가 나타나 있다. 고온 초전도(HTS) 직렬 바는 두 개의 능동 도전성 소자를 전기적 직렬 접속시키는 기능을 수행한다. 도시된 고온 초전도(HTS) 직렬 바는 그들의 임계온도(Tc) 아래로 냉각되거나 그들의 상한 임계 자계(Hc2)(소정 HTS 물질은 Hc2>10T인 상한 임계 자계를 가짐)보다 작아지나 그들의 HC1(소위 혼합 상태)보다 더 큰 자계가 존재하게 되어서 이들의 내부 체적으로부터의 어느 정도의 외부 인가 자속이 배제되면 매우 얇은 외부 층 또는 시스(sheath)(구께 50㎚ 이하) 내에서 (양자 열역학/전기역학 특성을 갖는 Meissner-Ochsenfeld 효과와 같은) 부분적 차단 전류 및 부수적 자속 자계를 보인다.
HTS 직렬 바가 Tc 아래이고 Hcl보다 작은 외부 자계가 존재하면, 차단 전류는 그들 내부 부피로부터 모든 자속을 배제하는 기능을 한다(즉 차단 전류는 격자에 결합하지 않고 내부 전도 CP/전자는 임의의 로렌츠 힘을 경험하는 것을 제외하면, 진공 상태에서와 같이 행동한다).
도 11은 회전자 중심 코어(1012)가 보이도록 그들의 일부가 제거된 외부 자계 발생 코일 및 회전자 실린더를 갖는 초전도 비순환식 단극 전기기계적 전력 변환기의 내부 단면도를 나타낸다. 회전자 중심 코어(1012)는 자성 재료로 제조된고, 샤프트(405)에 부착된다. 회전자 중심 로터(1012) 및 샤프트(405)는 비 자성의 스포크(spoke) 또는 스파이더 부재(spider member)(미도시) 등을 사용하여 회전자 실린더(413)에 기계적으로 결합된다(도 9 참조); 이러한 전체 어셈블리는 축 방향 및 방사 대칭 자계 내부에서 자유롭게 회전이동할 수 있다.
도 12는 회전자 중심 코어 및 극저온 튜빙(tubing)이 보이도록 그 외부의 일 가 제거된 외부 자계 발생 코일 및 그 전체가 생략된 회전자 실린더를 갖는 초전도 비순환식 단극 전기기계적 전력 변환기의 내부 단면도이다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이, 극저온 냉동기(445)는 프레임(501)에 실장될 수 있다. 또한 극저온 냉동기(445)는 극저온 냉동기 핀(504)을 포함할 수 있다. 극저온 냉동기(445)는 적절한 전기 공급기로부터 전기를 공급받는다. 극저온 냉동기(445)는 샤프트(405) 내부에서 극저온 공급 튜빙(1032)을 포함하는 순환 채널을 통해 상기 장치의 내부에 냉각제의 흐름을 공급한다. 본 발명의 소정 실시예에서, 극저온 냉동기(445)는 프레임(501)에 실장되지 않고, 샤프트(405)와 함께 회전한다. 장치 프레임(고정 내부)의 내부 부피는 극저온의 냉각제를 통해 냉각되고, 냉각제는 고정 내부로부터의 극저온 공급 튜빙(1032) 극저온 복귀 튜빙(1033)을 통해 고정 내부 전체를 자유롭게 순환한다. 샤프트 상 및 전기자 회전자(armature rotor) 상에는 밀봉부(seal)(미도시)를 사용할 수 있다.
도 13은 회전자 중심 코어 및 극저온 튜빙이 보이도록 그 전체가 제거된 외부 자계 발생 코일 및 회전자 실린더를 갖는 초전도 비순환식 단극 전기기계적 전력 변환기의 내부 단면도이다. 극저온 복귀 튜빙(1033)은 극저온 공급 튜빙(1032)과 유사한 형태 및 구조이다. 본 발명의 소정 실시예에서는, 극저온 튜빙은 극저온 냉동기(445)로부터 장치 프레임(501)의 내부 부피로 냉각제를 공급한다. 본 발명의 소정 실시예에서는, 초전도성 직렬 접속부만이 냉각되고, 냉각제는 도 8에 나타낸 극저온 냉동기(417)로 공급된다.
마지막으로, 도 14는 초전도 비순환식 단극 전기기계적 전력 변환기의 프레 임(501)의 내부 단면도이다.
지금까지, 본 발명의 다양한 목적을 달성하는 초전도 비순환식 단극 전기기계적 전력 변환기가 제공되었다. 본 발명의 다양한 목적들이 본 발명의 바람직한 실시예와 함께 기술되었지만, 수많은 수정 및 변경이 본 기술 분야의 당업자에게는 가능하다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에서 기술된 본 발명의 기술적 사상 및 범위와 이하의 첨부된 청구 범위 내에 해당되는 이러한 모든 다양한 수정 및 변경 사항을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (12)

  1. 전기기계적 전력 변환기로서,
    자계 발생 코일들 및 상기 자계 발생 코일들 간에 개재된 샤프트(shaft)를 포함하는 프레임과,
    상기 샤프트에 연결된 회전자 실린더를 포함하며,
    상기 회전자 실린더는 초도전성 직렬 접속부에 의해서 직렬로 접속된 다수의 도전체 소자를 포함하는
    전기기계적 전력 변환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기기계적 전력 변환기는 비순환식 단극 전기기계적 전력 변환기인
    전기기계적 전력 변환기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 초도전성 직렬 접속부에 대해 조작가능하게 연결되어서 상기 초도전성 직렬 접속부의 동작 온도를 저하시키는 극저온 냉각기를 더 포함하는
    전기기계적 전력 변환기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 도전체 소자들은 상기 회전자 실린더의 내부 표면과 외부 표면 모두에 배치되어 있는
    전기기계적 전력 변환기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 도전체 소자들은 전기적으로 절연된
    전기기계적 전력 변환기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 자계 발생 코일은 초전도 자계 발생 코일을 포함하는
    전기기계적 전력 변환기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 샤프트에 대해 대칭적으로 배치되어 상기 샤프트에 기계적으로 결합된 회전자 중심 코어를 더 포함하는
    전기기계적 전력 변환기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전자 실린더의 상기 다수의 도전체와 전기적으로 접촉하는 브러시 및 집전환(slip ring)을 더 포함하는
    전기기계적 전력 변환기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전자 실린더의 상기 다수의 도전체 소자와 전기적으로 접촉하는 무브러시 여자기(brushless exciter)를 더 포함하는
    전기기계적 전력 변환기.
  10. 실린더, 상기 실린더 상에 실장된 다수의 도전체 소자들, 상기 다수의 도전체 소자들을 서로 직렬로 전기적으로 접속시키는 초도전성 접속부를 포함하는
    전기 기계 회전자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 다수의 도전체 소자들은 구리로 구성된
    전기 기계 회전자.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 다수의 도전체 소자들은 초전도 소자를 포함하는
    전기 기계 회전자.
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