KR20090042901A - 유도자형 동기기 - Google Patents

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KR20090042901A
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히로유키 도가와
히데히코 스기모토
도루 오카자키
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Abstract

중심부에 축부를 가지는 축방향 갭구조의 유도자형 동기기로서, 자성체로 이루어진 요크, 및 상기 요크로부터 상기 축부 방향으로 돌출되어 마련되고, 직경 방향으로 N극 및 S극을 형성하는 계자체를 가지는 계자측 고정자와, 상기 계자체에 의해 형성되는 N극에 대향하도록 배치된 N극 유도자, 및 상기 계자체에 의해 형성되는 S극에 대향하도록 배치된 S극 유도자를 가지는 회전자와, 상기 N극 유도자 및 상기 S극 유도자에 대향하여 전기자 코일이 배치된 전기자측 고정자를 구비하고 있는 유도자형 동기기이다.

Description

유도자형 동기기{Inductor type synchronizer}
본 발명은, 전기자의 극성 변화와 회전축의 회전이 동기되어 회전하는 유도자형 동기기에 관한 것이다. 본원은 2006년 6월 23일에 출원된 일본특허출원 제2006-174010호에 대해 우선권을 주장하고 그 내용을 여기에 원용한다.
종래부터 계자 코일이 배치된 회전자와, 이 계자 코일에 대향하도록 전기자 코일이 배치된 고정자와, 회전자에 고정 접속된 회전축을 구비한 발전기 또는 전동기가 사용되어 왔다. 이와 같은 동기기(同期機)의 경우, 회전축의 일단에 접속된 슬립링 등에 의해, 회전하는 계자 코일에 급전(給電)한다(예를 들어, 특허문헌 1,2 참조).
특허문헌 1: 일본 공개특허 소54-116610호 공보
특허문헌 2: 일본 공개특허 평6-86517호 공보
그러나 상기 종래의 유도자형 동기기에서 큰 회전력을 얻는 경우, 코일에 대량의 전류를 흘릴 필요가 있기 때문에 코일을 포함한 동기기 전체가 대형화된다. 또 회전자에는 상전도(常電導) 코일이 배치되어 있기 때문에 회전축의 출력을 증대시킬 경우에는 코일에 대량의 전류를 흘려보낼 필요가 있다. 따라서 회전 운동을 동반하는 코일에 급전하기 위한 구조가 더욱더 복잡해지고 대형화된다.
본 발명은 상술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 특히 축방향으로 소형화를 꾀할 수 있는 유도자형 동기기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 관한 제1 해결수단으로서, 중심부에 축부를 가지는 축방향 갭(axial gap) 구조의 유도자형 동기기로서, 자성체로 이루어진 요크, 및 상기 요크로부터 상기 축부 방향으로 돌출되어 마련되고 직경 방향으로 N극 및 S극을 형성하는 계자체(界磁體)를 가지는 계자측 고정자와, 상기 계자체에 의해 형성되는 N극에 대향하도록 배치된 N극 유도자, 및 상기 계자체에 의해 형성되는 S극에 대향하도록 배치된 S극 유도자를 가지는 회전자와, 상기 N극 유도자 및 상기 S극 유도자에 대향하여 전기자 코일이 배치된 전기자측 고정자를 구비하고 있는 유도자형 동기기를 채용한다.
이 발명은, N극 유도자 및 S극 유도자에 의해 계자체를 직경 방향으로부터 둘러싸도록 배치할 수 있다.
또 본 발명에 관한 제2 해결수단으로서, 상기 제1 해결수단에 있어서, 상기 계자체가 계자 코일이 되고, 상기 계자 코일이 걸어맞추어지는 걸어맞춤 홈이, 상기 축부를 중심으로 하는 상기 회전자의 측면에 마련되고, 상기 N극 유도자의 일부가, 상기 걸어맞춤 홈에 면하여 상기 계자 코일의 외주쪽 또는 내주쪽 중 어느 한쪽에 대향 배치되고, 상기 S극 유도자의 일부가 상기 걸어맞춤 홈에 면하여, 상기 계자 코일의 외주쪽 또는 내주쪽 중 다른 한 쪽에 대향 배치되어 있는 유도자형 동기기를 채용한다.
이 발명은, 계자 코일을 회전자의 걸어맞춤 홈에 걸어맞춤으로써 계자 코일을 회전자 안에 수납하도록 배치할 수 있다. 따라서 계자측 고정자의 축방향의 두께로서 요크에 필요한 두께만을 고려하면 되므로 회전축 방향의 길이를 짧게 할 수 있다.
또 본 발명에 관한 제3 해결수단으로서, 상기 제2 해결수단에 있어서 상기 계자 코일 및 상기 전기자 코일 중 적어도 하나가 초전도재로 형성되어 있는 유도자형 동기기를 채용한다.
이 발명은, 종래와 같은 전류량이라 해도 각 계자체나 각 전기자 코일의 크기를 종래보다 축소시킬 수 있어 유도자형 동기기를 더욱 소형화 할 수 있다.
본 발명에 의하면, 계자체와 N극 유도자 및 S극 유도자가 축방향으로 대향하여 배치되는 경우보다도 회전축 방향의 길이를 짧게 할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일실시형태에 관한 초전도 전동기의 내부 구조를 도시한 단면 개략도이다.
도 2는, 본 발명의 일실시형태에 관한 초전도 전동기의 회전자 본체를 도시한 사시도이다.
도 3은, 본 발명의 일실시형태에 관한 초전도 전동기의 N극 유도자를 도시한 사시도이다.
도 4는, 본 발명의 일실시형태에 관한 초전도 전동기의 N극 유도자 및 S극 유도자의 배치 상태를 도시한 구성 사시도이다.
도 5는, 본 발명의 일실시형태에 관한 초전도 전동기의 N극 유도자 및 S극 유도자의 배치 상태를 도시한 구성 사시도이다.
도 6은, 본 발명의 일실시형태에 관한 초전도 전동기의 S극 유도자를 도시한 사시도이다.
<부호의 설명>
1 초전도 전동기(유도자형 동기기)
2 회전축(축부)
3 요크
5 계자 코일(계자체)
6A,6B 계자측 고정자
7 N극 유도자
8 S극 유도자
10A,10B 회전자
10a 걸어맞춤 홈
11 전기자 코일
12 전기자측 고정자
본 발명의 일실시형태에 대해서 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명하기로 한다.
본 발명에 관한 초전도 전동기(유도자형 동기기)(1)는, 도 1에 도시한 바와 같이 중심부에 회전축(축부)(2)을 가지는 축방향 갭구조의 초전도 전동기로서, 자성체로 이루어진 요크(3)와, 요크(3)로부터 회전축(2)의 축방향으로 돌출되어 마련되고 직경 방향으로 N극 및 S극을 형성하는 계자 코일(계자체)(5)을 가지며, 회전축(2) 방향으로 서로 대향하도록 좌우 대칭으로 배치된 한쌍의 계자측 고정자(6A),(6B)와, 계자 코일(5)에 의해 형성되는 N극에 대향하도록 배치되어 자화되는 N극 유도자(7)와, 계자 코일(5)에 의해 형성되는 S극에 대향하도록 배치되어 자화되는 S극 유도자(8)를 가지며, 회전축(2) 방향으로 서로 대향하도록 좌우 대칭으로 배치된 한쌍의 회전자(10A),(10B)와, N극 유도자(7) 및 S극 유도자(8)에 대향하여 전기자 코일(11)이 배치되어, 회전축(2)을 회전 및 관통 가능하도록 지지하고 한쌍의 회전자(10A),(10B)에 끼워진 전기자측 고정자(12)를 구비하고 있다.
요크(3)는 퍼멘더(permendur), 규소 강판, 철, 퍼멀로이 등의 자성체로 이루어지고, 회전축(2) 방향으로 소정의 두께를 가지는 원반형으로 형성되어 있다. 요크(3)의 중심부에는, 회전축(2)가 관통할 수 있는 직경의 관통공(3a)이 마련되어 있다. 요크(3)의 서로 대향하는 안쪽 면에는, 회전축(2)을 중심으로 하여 환형으로 형성된 계자용 단열 냉매 용기(13)가 각각 회전축(2) 방향으로 돌출되어 마련되어 있다. 계자용 단열 냉매 용기(13) 안에는 액체 질소가 충전되어 있으며 계자 코일(5)이 내부에 수납되어 있다.
계자 코일(5)은 비스무트계, 이트륨계 등의 초전도재로 구성되어 있으며 회전축(2) 둘레에 감기도록 하여 계자용 단열 냉매 용기(13) 안에 수납되어 있다. 따라서 계자 코일(5)를 여자시켰을 때에는 외주쪽과 내주쪽의 직경 방향으로 나뉘어 자극이 발생한다.
한쌍의 회전자(10A),(10B)는, 도 2에 도시한 바와 같이 FRP나 스테인레스 등의 비자성체로 이루어지며, 중심부에 마련된 끼워맞춤공(15a)에서 회전축(2)을 고정 지지하는 회전자 본체(15)를 각각 구비하고 있다. 요크(3)와 대향하는 회전자 본체(15)의 바깥쪽 면에는, 계자 코일(5)이 걸어맞추어지는 걸어맞춤 홈(10a)이, 회전축(2)을 중심으로 하여 환형으로 형성되어 있다. 그리고 걸어맞춤 홈(10a)을 둘러싸도록 마련되어 N극 유도자(7) 또는 S극 유도자(8)를 내부에 수납하는 수납 오목부(1Ob),(1Oc)가 둘레 방향으로 여러 개 형성되어 있다.
N극 유도자(7)에는, 도 3에 도시한 바와 같이 계자용 단열 냉매 용기(13)와 직경 방향 바깥쪽 또는 안쪽으로부터 대향 가능하게 곡면형으로 형성된 일단면(7a)과, 후술하는 원주형 자성체(17)와 대향했을 때 회전자 본체(15)의 둘레 방향으로 길고 직경 방향으로 짧은 타원판형 또는 대략 원판형으로 형성된 타단면(7b)이 마련되어 있다. N극 유도자(7)는, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 회전자 본체(15)의 중심에 대해 점대칭이 되는 위치에 회전축(2) 방향으로 관통하여 합계 4개가 배치되어 있다. 이 때 N극 유도자(7)의 일단면(7a)은 걸어맞춤 홈(10a)에 면하여 계자 코일(5)의 N극 발생 위치에 대향 배치되고, 또한 타단면(7b)은 전기자 코일(11)에 대향 배치되어 있다.
S극 유도자(8)에는, 도 6에 도시한 바와 같이 계자용 단열 냉매 용기(13)와 직경 방향 바깥쪽 또는 안쪽으로부터 대향 가능하게 곡면형으로 형성된 일단면(8a)과, 후술하는 원주형 자성체(17)와 대향했을 때 회전자 본체(15)의 둘레 방향으로 길고 직경 방향으로 짧은 타원판형 또는 대략 원판형으로 형성된 타단면(8b)이 마련되어 있다. S극 유도자(8)는, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이 회전자 본체(15)의 중심에 대해 점대칭이 되는 위치, 또한 N극 유도자(7)와는 대략 90도의 위상차를 갖는 위치에 회전축(2) 방향으로 관통하여 합계 4개가 배치되어 있다. 이 때, S극 유도자(8)의 일단면(8a)은 걸어맞춤 홈(10a)에 면하여 계자 코일(5)의 S극 발생 위치에 대향 배치되고, 또한 타단면(8b)은 전기자 코일(11)에 대향 배치되어 있다. N극 유도자(7) 및 S극 유도자(8)는 퍼멘더, 규소 강판, 철, 퍼멀로이 등의 자성체로 구성되어 있다.
전기자측 고정자(12)는 FRP나 스테인레스 등의 비자성체로 이루어진 고정자 본체(16)를 구비하고 있다. 고정자 본체(16)의 중심부에는, 회전축(2)이 관통하는 관통공(16a)이 배치되어 있다. 고정자 본체(16)에는 퍼멘더, 규소 강판, 철, 퍼멀로이 등의 고투자성(高透磁性) 재료로 이루어진 원주형 자성체(17)와, 두꺼운 원통형으로 형성되어 내부가 빈 전기자용 단열 냉매 용기(18)가 고정자 본체(16)를 관통하도록 배치되어 있다. 원주형 자성체(17)는 양 단면(17a),(17b)이 N극 유도자(7) 및 S극 유도자(8)와 대향하도록 관통공(16a)을 중심으로 하는 동일 원주 상에 소정의 간격을 두고 6개 매설되어 있다
전기자용 단열 냉매 용기(18)는 각 원주형 자성체(17)의 바깥쪽에 끼워맞춤된 상태로 고정자 본체(16)에 배치되어 있다. 이 전기자용 단열 냉매 용기(18) 안에 비스무트계, 이트륨계 등의 초전도재로 이루어진 전기자 코일(11)이 전기자용 단열 냉매 용기(18)의 내주면에 감기도록 하여 배치되어 있다.
계자 코일(5)에는 직류 전기 배선(19)을 통해 직류 전원(20)이 접속되어 있다. 또 전기자 코일(11)에는 교류 전기 배선(21)을 통해 교류 전원(22)이 접속되어 있다. 한편, 계자용 단열 냉매 용기(13) 및 전기자용 단열 냉매 용기(18)에는 냉각 배관(23)을 통해 액체 질소를 냉매로 하는 냉각기(25)가 각각 접속되어 있다. 이 냉각기(25)는 액체 질소를 냉각하여 순환시키기 위한 구동 전원(미도시)과 접속되어 있다.
다음으로, 본 실시형태에 관한 초전도 전동기(1)의 작용에 대해서 설명하기로 한다.
우선, 냉각기(25)를 구동하여 냉각 배관(23)을 통해 계자용 단열 냉매 용기(13) 및 전기자용 단열 냉매 용기(18)에 액체 질소를 공급한다. 그리고 계자용 단열 냉매 용기(13) 및 전기자용 단열 냉매 용기(18) 안에 배치되어 계자 코일(5) 및 전기자 코일(11)을 각각 냉각시켜 초전도 상태로 한다.
다음으로, 직류 전원(20)으로부터 직류 전류를 계자 코일(5)에 각각 급전한다. 이 때, 직류 전류의 방향에 따라 계자측 고정자(6A)에는, 예를 들면 계자 코일(5)의 직경 방향 바깥쪽에 N극 및 직경 방향 안쪽에 S극이 각각 형성된다. 이로써 N극 유도자(7)의 전기자측 고정자(12)와 대향하는 타단면(7b)에 N극이 도출된다. 한편, S극 유도자(8)의 전기자측 고정자(12)와 대향하는 타단면(8b)에 S극이 도출된다. 계자측 고정자(6B)에 대해서도 직류 전류의 방향에 따라 마찬가지의 자극이 형성되고, N극 유도자(7) 및 S극 유도자(8)의 타단면(7b),(8b)에 각각 N극,S극이 도출된다.
이 상태에서 교류 전원(22)으로부터 3상 교류를 전기자 코일(11)에 급전한다. 이 때, 3상간의 위상차에 의해 전기자 코일(11)에는 회전축(2) 둘레로 회전하는 회전 자계가 발생한다. 이 회전 자계가 N극 유도자(7) 및 S극 유도자(8)에 대해 한쌍의 회전자(10A),(10B) 사이에서 동일 방향의 회전축선 둘레의 회전력을 발생시켜 회전축(2)이 회전한다.
이 초전도 전동기(1)에 의하면, 계자 코일(5)와 전기자 코일(11)에 각각 전류를 흘려 여자시킴으로써 한쌍의 회전자(10A),(10B)를 통해 회전축(2)을 회전시켜 회전력을 공급할 수 있다. 이 때, 계자 코일(5) 및 전기자 코일(11)이 초전도재로 형성되어 있기 때문에 종래와 동일한 전류량이라 해도 계자 코일이나 전기자 코일의 크기를 종래보다도 축소시킬 수 있어 초전도 전동기를 소형화할 수 있다.
또 한쌍의 회전자(10A),(10B)에는 코일이 배치되어 있지 않기 때문에, 고정자에 배치된 계자 코일(5) 및 전기자 코일(11)에만 전원 공급 및 냉각하면 되므로 전기계 및 냉각계를 간단한 구성으로 할 수 있다. 이 때, 계자 코일(5)을 회전자 본체(15)의 걸어맞춤 홈(10a)에 걸어맞춤으로써, 계자 코일(5)을 N극 유도자(7) 및 S극 유도자(8)에 의해 직경 방향으로 둘러싸도록 하여 회전자 본체(15) 안에 배치할 수 있다. 따라서, 각 계자측 고정자(6A),(6B)의 축방향의 두께로서는, 계자 코일(5)의 회전자(10A),(10B)쪽으로의 돌출량을 고려하지 않고 요크(3)에 필요한 두께만을 고려하면 되므로 회전축(2) 방향의 길이를 짧게 할 수 있다.
본 발명의 기술범위는 상기 실시형태에 한정되지 않으며 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 여러가지 변경을 추가할 수 있다. 예를 들면, 상기 실시형 태에서는 유도자형 동기기를 초전도 전동기로 하였으나, 회전축(2)을 회전시킴으로써 발전시키는 발전기로서 사용해도 좋다.
또 상기 실시형태에서는 한쌍의 회전자(10A),(10B)의 중심부에 접속된 회전축(2)이 한쌍의 회전자(10A),(10B)와 함께 회전하는 내부 로터형으로 되어 있지만, 여기에 한정되지 않는다. 예를 들면, 중심부에 배치된 축부는 고정축이 되는 한편, 외주쪽이 한쌍의 회전자와 접속된 외부 로터형의 유도자형 동기기로 해도 좋다.
또한 N극 유도자 및 S극 유도자와 전기자 코일의 조합 수는 상술한 것에 한정되지 않으며, 예를 들면 N극 유도자 및 S극 유도자를 2개씩으로 하고 전기자 코일을 3개로 해도 좋다. 또 N극 유도자 및 S극 유도자를 8개씩으로 하고 전기자 코일을 12개로 해도 좋다.

Claims (3)

  1. 중심부에 축부를 가지는 축방향 갭(axial gap) 구조의 유도자형 동기기로서,
    자성체로 이루어진 요크, 및 상기 요크로부터 상기 축부 방향으로 돌출되어 마련되고, 직경 방향으로 N극 및 S극을 형성하는 계자체(界磁體)를 가지는 계자측 고정자와,
    상기 계자체에 의해 형성되는 N극에 대향하도록 배치된 N극 유도자, 및 상기 계자체에 의해 형성되는 S극에 대향하도록 배치된 S극 유도자를 가지는 회전자와,
    상기 N극 유도자 및 상기 S극 유도자에 대향하여 전기자 코일이 배치된 전기자측 고정자를 구비하고 있는 유도자형 동기기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 계자체가 계자 코일이 되고,
    상기 계자 코일이 걸어맞추어지는 걸어맞춤 홈이, 상기 축부를 중심으로 하는 상기 회전자의 측면에 마련되고,
    상기 N극 유도자의 일부가, 상기 걸어맞춤 홈에 면하여 상기 계자 코일의 외주쪽 또는 내주쪽 중 어느 한쪽에 대향 배치되고,
    상기 S극 유도자의 일부가, 상기 걸어맞춤 홈에 면하여 상기 계자 코일의 외주쪽 또는 내주쪽 중 다른 한 쪽에 대향 배치되어 있는 유도자형 동기기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 계자 코일 및 상기 전기자 코일 중 적어도 하나가 초전도재로 형성되어 있는 유도자형 동기기.
KR1020097000967A 2006-06-23 2007-06-20 유도자형 동기기 KR101024625B1 (ko)

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