KR20080064964A - 동기 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 여기 장치를 위해 필요한 고정자 권선부와 자석 바퀴를 포함하는 동기 장치에 관한 것이다. 또한, 에너지를 자석 바퀴 인덕턴스에 전달할 필요가 있으며, 바람직하게는 여기 장치를 통해 에너지를 초전도성 코일에 전달할 필요가 있다. 권선부 헤드의 전류에 의해 생성되는 자기장으로부터 보호하기 위한 보호부(30, 30')가 또한 필요하다. 본 발명에 따르면, 보호부(30, 30')는 고정자 및 회전자 권선부들(6, 10)의 간섭장의 손상을 감소시키기 위해 이용되는 특정 시스템의 형태이다.

Description

동기 장치{SYNCHRONOUS MACHINE}

본 발명은 청구항 1의 전제부에 따라 회전자 인덕턴스를 구동하고 감시하기 위한 여기 장치를 갖는, 고정자 권선부 및 상기 회전자 인덕턴스를 포함하는 동기 장치에 관한 것이다.

동기 장치들에는 전기 발전기들 또는 모터들로서 사용되기 위한 특정 여기 장치들이 제공된다. 특히, 전류가 높아지고 표적 방식으로 감소될 필요가 있는 초전도성 여자기 권선부들(superconducting exciter windings)을 갖는 장치들의 경우, 인버터들, 변압기들과 동기 정류기들을 포함하는 여기 장치들이 기술되는 바와 같이 예컨대 동일한 우선권을 갖는 출원인에 의한 병렬 출원들에 적합하다.

이러한 여기 장치의 설치 장소는 피드 라인들에서의 손실을 최소화하기 위하여 가능한 한 회전자 인덕턴스에 근접해야 한다. 특히, HTS(고온 초전도성) 기술을 이용하여 구성된 이러한 초전도성 권선부들의 경우, 초전도성 회전자 인덕턴스를 위한 보호부가 구현될 필요가 있으며, 상기 보호부는 케이블의 파손과 초전도성 회전자 인덕턴스의 연관된 파괴의 확률을 배제하기 위하여 또는 이러한 확률을 가능한 한 낮게 유지하기 위하여 초전도성 인덕턴스에 최대한 근접하게 장착되어야 한다.

한편으로 권선부 헤드의 전류들에 의해 생성되는 자기장과 다른 한편으로 공극으로부터 발생되는 고정자 및 회전자 표류장(the stator and rotor stray field)이 상기 여기 장치에 문제점이 된다. 이러한 원치않는 자기장들은 자신들이 위치된 전자제품을 방해할 수 있고 특히 변압기의 강자성 물질들이 포화를 유발하여 그에 따라 전자제품들이 기능불능이 되도록 할 수 있다.

상기 종래 기술에 기초하여, 본 발명의 목적은 결함들을 유도하지 않는 비접촉 에너지 및 데이터 전송을 위한 설치 장소로서 고정자 권선부 헤드 아래에 있는 이용 가능한 공간을 사용하는 것이다. 특히, 상기 경우에, 회전자 상에서 HTS 코일들의 유용한 사용을 위한 특별한 보호 개념을 동등하게 사용하는 것이 가능함이 틀림없다.

상기 목적은 본 발명에 따라 청구항 1의 특징부에 의해 달성된다. 개선예들이 종속항들에 주어진다.

본 발명에 의해, 비접촉 에너지 전달 및 자기 차폐물을 갖는 전기 장치들을 위한 (장치 구조에 대하여) 내부의 여기 장치가 구현된다.

본 발명은 초전도성 권선부들, 특히 HTS 물질로 이루어지는 장치의 경우에 바람직하게 구현된다. 그러나, 본 발명은 또한 모든 공지된 동기 장치들에도 제공될 수 있다.

본 발명은 특히 고정자 및 회전자 권선부들의 파괴성 외부 장들이 적절한 방식으로 약해지는 것을 의미한다. 따라서, 자기 코어 물질들, 특히 제공되는 페라이트들의 유도성 커플링을 이용한 비접촉 에너지 전달이 전체 제1 시간 동안에 이용될 수 있다.

종래 기술로부터, 여기 장치의 설치 장소에서의 자기력선속밀도가 몇십 mT(a few 10mT)임을 알 수 있다. 그러나, 특히 페라이트들과 같은 여기 장치에 포함되는 자기 구성요소들로 인해, 장의 세기 분포가 상기 구성요소들이 자기적으로 포화되고 따라서 종종 앞서 이미 언급된 바와 같이 정확하게 기능하지 못하도록 왜곡된다.

다른 한편으로, 본 발명에 의해, 요구되는 장의 세기 분포들이 표적 방식으로 미리 결정될 수 있고, 특히 민감한 전자제품을 갖는 여기 장치의 영역들은 전자제품들의 개별 구성요소들의 기능을 손상시킬 수도 있는 파괴성 장들로부터 자유롭게 될 수 있다.

본 발명의 목표된 개선예에서는, 차폐물과 하우징의 설계를 위한 상이한 실시예들이 가능하며, 이때 변형예들의 조합이 또한 가능하다.

유용하게도, 여기 장치를 위한 전체 하우징이 자기 스틸로 이루어질 수 있음으로써, 외부 장들이 가능한 최고 범위까지 차폐된다.

적어도 부분적으로 여기 장치의 회전 하우징을 둘러싸는, 자기 스틸로 이루어지는 고정된 또는 적층된 스크린이 또한 제공된다.

본 발명의 더욱 상세한 사항들과 장점들은 청구범위와 도면들을 동반하는 하기의 상세한 설명에 의해 제공된다.

도 1은 변압기를 포함하는 여기 장치, 회전자, 고장자 권선부를 갖는 전기 동기 장치의 개략적인 섹션도,

도 2는 도 1에 도시된 전기 장치의 정면도,

도 3은 도 1에 도시된 전기 장치의 라인 Ⅲ-Ⅲ에 따른 섹션의 정면도,

도 4는 도 1에 도시된 차폐물의 대안예에 대한 부분 세부도, 및

도 5는 추가 엘리먼트들을 갖는 스크린의 세부도.

하기에서 도면들은 부분적으로 공동으로 기술된다. 동일하거나 기능적으로 동일한 부분들은 동일한 참조부호들을 갖는다.

도면들은 전기 발전기로서 또는 모터로서 기능하는 전기 장치를 도시한다. 이러한 장치에는 적어도 두 개의 장착부들(3, 3')에 장착되는 회전 샤프트(2)가 필수적이다.

도 1의 개략도로부터, 회전자(5)가 상기 샤프트(2) 상에 배열되고, 그 위에 회전자 권선부들, 특히 HTS 물질로 이루어지는 초전도성 권선부들이 위치되는 것을 알 수 있는데, 이에 관해서는 도 2 및 도 3을 참조하여 하기에서 더 명백하게 될 것이다.

또한, 도 1로부터, 권선부 헤드들(11, 11')을 갖는 고정자 권선부(10)가 회전 엘리먼트로서 회전자(5)의 반대편에 제공됨을 알 수 있다.

필수적으로, 도 1에는 고정부(21)와 회전부(22)를 실질적으로 포함하는 여기 장치(20)가 제공된다. 상기 두 부분들(21, 22)은 변압을 위한 권선부들을 갖고, 필수적으로 더 높은 전압이 더 낮은 전압으로 변환되고 여기 장치(20)는 움직이는 부분에서, 즉 샤프트(2) 상에서 상기 더 낮은 전압에서 작동된다.

도 1에서, 콤팩트 유닛 형태인 여기 장치(20)는 회전 샤프트(2) 상에 위치되고 샤프트(2) 상에서 고정부(21)로부터 회전부(22)로 전력을 전달하기 위하여 변압기(25)에 의해 활성화된다. 여기 장치(20)는 전자식 구성요소 부품들을 갖는 회로 구조를 포함하며, 상기 전자식 구성요소 부품들에 관해서는 본 상세한 설명에서 더 자세히 기술되지 않는다. 상기 전자식 구성요소 부품들이 외부 장들에 민감하므로, 차폐물(30)이 필요한데, 이에 관해서는 하기에 더욱 상세히 기술된다.

차폐물(30)은 변압기(25)를 포함하는 전체 여기 장치(20)에 걸쳐 하우징으로서 푸쉬되는 완전한 중공 원통을 포함할 수 있다. 그러나, 차폐물(30)은 또한 개별적인 페라이트 링들(31)과 같은 개별 엘리먼트들도 포함할 수 있는데, 이에 관해서는 도 2를 참조하여 하기에서 기술된다.

하우징 또는 차폐물(30)은 유용하게도 특히 스틸과 같이 자기적으로 높은 전도성을 갖는 물질로 이루어진다. 그러나, 하우징 또는 차폐물(30)은 SMC(soft magnetic composite) 물질들로도 이루어질 수 있으며, SMC는 자기 함유물들(magnetic inclusions) 때문에 전기적으로 매우 떨어지는 전도성에도 불구하고 요구되는 자기 특성들을 구현한다. 이러한 특성들은 또한 하우징(30)의 벽 상에 있는 층에 의해 달성될 수 있는데, 상기 벽은 유용하게도 비철 물질, 예컨대 탄소 섬유 등등으로 이루어질 수 있다. 추가적인 세부내용들은 이어지는 상세한 설명에서 주어진다.

차폐물(30)은 샤프트(2)를 중심으로 동시에 회전하지 않거나 또는 샤프트(2)를 중심으로 동시에 회전하도록 설계될 수 있다. 제1 대안예, 즉 비-동시적 회전 차폐물의 장점은 특히 기계적으로 단순한 설계를 포함한다. 이러한 설계에 의해, 회전 차폐물로부터 유발되는, 특히 흡수될 필요가 있는 원심력들이 존재하지 않는다.

다른 한편으로, 차폐물의 동시적 회전 배열에 관한 제2 대안예에서는, 동기 장치의 동시에 회전하는 회전 장의 결과로서 파괴성 와전류가 발생하지 않는다.

실제적인 적용을 위해, 차폐물의 비-동시적 회전 또는 회전 배열을 선택할 때, 고정자 권선부(10)에 대한 여기 장치(20)의 배열이 고려된다. 특히, 여기 장치가 권선부 헤드들(11) 바로 아래에 배열될 때, 동시적 회전 배열이 바람직하다. 그렇지 않다면, 차폐물의 고정 배열이 유용한 것으로서 선택될 것이다.

도 1을 수정함으로써 형성된 도 4에 도시된 바와 같은 특정 배열에서, 공동(44)이 단부 영역(41)의 샤프트(4)로 삽입되고, 그 결과로 내부의 이미 자기적으로 차폐된 자유 공간이 자기적으로 민감한 여기 전자제품들을 위해 형성된다.

상기 내용은 샤프트가 충분히 큰 직경을 갖는, 고전력을 갖는 장치들의 경우에 특히 적절하다. 더 작은 직경의 경우, 도 1의 샤프트(2)가 단부 영역으로 연장될 수 있고, 내부 자유 공간(44)을 갖는 중공 원통(41) 형태가 될 수 있다. 이러한 경우를 위해, 장착부(2')가 변경될 필요가 있고, 반면에 변압기(25)의 변압기 권선부들을 갖는 여기 장치(20)의 고정부는 실질적으로 동일하게 유지된다.

연관된 전자제품들을 갖는 전체 여기 장치(20)의 용기가 샤프트(4)의 연장된 부분(41)의 자유 공간(44)에 제공될 수 있다. 여기서, 자기 차폐물로서 동일하게 사용되는 자기 물질로 이루어진 샤프트의 경우에, 원심력이 상당히 낮게 유지되는 것이 특히 유리한데, 그 이유는 축에 근접한 여기 전자제품들의 배열이 도 1과 비교할 때 전체적으로 감소된 여기 장치의 직경을 유도할 수 있기 때문이다.

도 2 및 도 3은 앞서 기술된 장치의 외부 설계를 나타낸다. 특히, 도 3의 섹션 관점에서 보면, 회전 샤프트(2) 상의 회전자(5)가 위치될 수 있고, 상기 회전자 상에는 회전자 권선부, 특히 HTS 물질로 이루어진 초전도성 코일(6)이 위치된다.

도 2는 한편으로 에너지의 입력 또는 출력의 전달이 보장되게 하고 다른 한편으로 차가운 영역의 초전도성 코일(6)의 제어가 보장되게 하는 여기 전자제품의 전체적인 지시만을 제공한다.

여기 장치에 속하는 구성요소 부품들이 장치 샤프트 외부에서 또는 어쩌면 내부에서 장착될 때 차폐물이 구성요소들 모두를 둘러싸는 하우징을 구현하는 것이 필수적이다. 상세하게는 도 1에서, 상기 하우징은 용이하게 대체될 수 있고, 결과적으로 종래 기술에서 차가운 영역, 따뜻한 영역 내부에서 그리고 전체 장치 하우징 외부에서 대안적으로 제공되는 바와 같은 별개의 하우징들과 비교하여 공간-절약적이고 더욱 신뢰성 있다. 콤팩트한 배열의 결과로서, 상기 경우에 특히 피드 라인들이 감소할 수 있다.

앞서 이미 기술된 도 4에 도시된 대안예에 의해, 여기 영역을 제외하고 필수적으로 동일하고 도 1에 상응하는 전기 장치의 설계가 도출된다. 별개의 하우징은 상이 경우에 불필요하다. 대신에, 장치 샤프트가 여자기와 마주보는 영역에서 연장되고 그 자유 공간에 여기 장치를 수용하는 것이 필수적이다.

그러므로, 샤프트로서 전기적으로 전도성의 물질로 이루어진 한 중공-원통형 샤프트 부분은 도 4에서 여기 장치를 수용하는 것에 부가하여 동등하게 여기 전자제품들을 위한 차폐물을 형성한다. 그러므로, 장치의 특히 콤팩트한 설계가 가능하다.

도 5에서, 방사 방향으로 플럭스 가이던스(flux guidance)를 위한 엘리먼트들(31, 31', ...)은 차폐물로서 동작하는 중공 원통(30')에 삽입된다. 이러한 엘리먼트들(31, 31', ...)은 우수한 자기전도성(magnetic conductivity)을 갖는 물질 상에 웹들 또는 디스크들에 의해 구현되고 최소 방사 공극을 갖는 중공 원통(30') 내에서 간격을 두고 배열된다.

이러한 배열에 의해, 자기장이 중공 원통의 내부로부터 떨어져 유지되며, 상기 중공 원통 내부에는 자기장들에 민감한 구성요소 부품들을 갖는 여기 전자제품들이 적절한 방식으로 위치된다. 특히, 직경 장들(diametric fields)이 중요할 때, 그러므로 외부 차폐물(30')의 강도가 감소할 수 있다.

필드 가이던스 엘리먼트들로서 평평한 디스크들을 사용할 때, 유용하게도 여기 전자제품들의 구성요소들을 위한 라인 부싱들(line bushings)이 원통의 내부에 제공된다.

도 5는 개별 역선들을 나타낸다. 그러므로, 도 5에 도시된 특정 배열은 자기장들의 필드 강도 분포가 원하는 방식으로 영향받을 수 있게 하는 플럭스 집중 기(flux concentrator)로서 동작한다.

도 1 내지 도 5에서, 차폐물(30)의 물질은 각각의 경우에 자기적으로 전도성인 스틸이다. 높은 투과성(permeability)과 낮은 이방성 전도성(anisotropic electric conductivity)을 갖는 대안적인 물질이 또한 예컨대 소위 SMC(soft magnetic composites)에 의해 제공된다. 이러한 복합 물질들은 특히 소결될 수 있고 그러므로 용이하게 원하는 형태로 만들어질 수 있다.

대안적으로, 차폐물은 자기적으로 비전도성인 물질로 이루어진 외부 커버링을 포함할 수 있으며, 그 상에서 실제 자기 차폐물이 높은 투과성을 갖는 물질로 코팅함으로써 형성된다. 이 경우, 상기 외부 커버링은 부식방지 물질, 예컨대 스테인리스 스틸로 이루어질 수 있고, 높은 투과성의 물질로 이루어진 코팅부가 특히 내부에 위치된다.

최종적으로, 차폐물을 위해 자기적으로 비전도성인 물질의 외부 커버링을 사용하는 것도 가능하며, 실제 자기 차폐물이 높은 투과성의 물질, 예컨대 Mu 금속으로 이루어진 링들에 의해 형성된다.

Claims (20)

1. 회전자 인덕턴스를 구동하고 감시하기 위한 여기 장치(excitation device)를 갖는, 상기 회전자 인덕턴스 및 고정자 권선부를 포함하는 동기 장치로서,

   상기 회전자 인덕턴스, 특히 초전도성 인덕턴스로의 양방향 에너지 전달을 위한 변압기를 포함하고,

   여기 장치(20)의 외부 장들(external fields)을 약화시키기 위하여, 상기 고정자 권선부(10)의 권선부 헤드(11)의 전류에 의해 및 회전자의 인덕턴스(5)에 의해 생성되는 자기장 및 전기장을 약화시키기 위한 차폐물(30, 30')이 제공되는,

   동기 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 동기 장치의 회전자 인덕턴스(5)를 위한 두 개의 장착부들이 제공되고, 상기 여기 장치(20)는 상기 두 개의 장착부들(3, 3') 사이에 배열되는,

   동기 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 차폐물(30, 30')은 동시에 회전하도록 설계되는,

   동기 장치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 차폐물(30, 30')은 동시에 회전하지 않도록 설계되는,

   동기 장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 차폐물(30, 30')의 물질은 높은 투과성을 갖는 물질, 예컨대 자기적으로 전도성인 스틸인,

   동기 장치.
6. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 차페물(30, 30')의 물질은 높은 투과성과 낮은 전도성을 갖는 물질, 예컨대 소위 SMC들(soft megnetic composites)인,

   동기 장치.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 차페물은 중공 원통(30, 30') 형태이고, 상기 중공 원통(30, 30')은 커버링으로서 여기 장치(20)를 위한 부분적 또는 전체의 하우징을 형성하는,

   동기 장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   전체 하우징(30, 30')은 자기적으로 매우 전도성인 스틸, 예컨대 St37로 이루어지는,

   동기 장치.
9. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,

   제1 고정 스크린이 높은 투과성을 갖는 스틸로 이루어지고, 상기 고정 스크린은 여기 장치(20)의 전체 회전 하우징을 둘러싸는,

   동기 장치.
10. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,

    자기 스틸로 이루어진 여기 장치(20)(상기 여기 장치의 전체 하우징)를 둘러싸는 고정되고 적층된 스크린이 제공되는,

    동기 장치.
11. 제 3 항에 있어서,

    동시 회전 스크린(30, 30')은 여기 장치(20)의 전체 회전 하우징을 형성하거나 상기 전체 회전 하우징을 둘러싸는,

    동기 장치.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 차페물(30, 30')은 자기적으로 비전도성인 물질로 이루어진 외부 커버링을 포함하고, 실제 자기 차폐물은 높은 투과성을 갖는 물질로 코팅된 커버링에 의해 형성되는,

    동기 장치.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 외부 커버링은 부식방지 물질, 예컨대 스테인리스 스틸로 이루어지고, 높은 투과성의 물질로 이루어진 코팅부는 상기 커버링의 내부에 위치되는,

    동기 장치.
14. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 차폐물(30, 30')은 자기적으로 비전도성인 물질로 이루어진 외부 커버링을 포함하고, 실제 자기 차폐물(30)은 높은 투과성의 물질, 예컨대 Mu 금속으로 이루어진 링들에 의해 형성되는,

    동기 장치.
15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 하우징(30, 30')은 전체적으로 또는 부분적으로 교체될 수 있게 설계되는,

    동기 장치.
16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 여기 장치(20)는 회전부와 고정부를 포함하고, 상기 회전부와 고정부는 변압기(25)를 통해 비접촉 에너지 전달을 위해 커플링되는,

    동기 장치.
17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 변압기(25)는 페라이트 링들(ferrite rings)(26)을 포함하는,

    동기 장치.
18. 제 16 항에 있어서,

    상대적으로 큰 직경을 갖는 샤프트(4)를 포함하고,

    여기 전자제품들(excitation electronics)을 포함하는 여기 장치(20)의 회전부는 샤프트(4, 41) 내부 자유 공간(42)에 배열되는(도 4),

    동기 장치.
19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,

    자기적으로 매우 전도성인 물질로 이루어진 적어도 하나의 엘리먼트(31, ...)가 중공-원통형 차폐물(30') 내부에 제공되고 필드 집중기(field concentrator)로서 동작하는(도 5),

    동기 장치.
20. 제 19 항에 있어서,

    상기 적어도 하나의 엘리먼트(31, ...)는 방사 방향으로 자기적으로 매우 전도성이고, 엘리먼트(31, ...) 양면들 모두에 분포된 여기 전자제품들을 위한 라인 부싱들(line bushings)을 갖는,

    동기 장치.

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