KR20100101270A - 초전도 회전기의 고정자 냉각 구조 - Google Patents

초전도 회전기의 고정자 냉각 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초전도 회전기 즉, 초전도 모터 또는 발전기의 고정자를 냉각시키기 위한 냉각 구조에 관한 것으로서, 고정자코일이 슬롯에 지지되고 그 외측부에 고정자요오크가 형성된 초전도 회전기의 고정자를 냉각시키기 위한 냉각 구조에 있어서, 상기 고정자코일이 일부분 노출되도록 상기 슬롯에 축방향으로 공간부가 형성되고, 상기 고정자코일이 노출된 부위와 상기 고정자요오크 사이에 냉각튜브가 배치되어, 상기 고정자코일과 고정자요오크를 동시에 냉각시키는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기의 고정자 냉각 구조를 기술적 요지로 한다. 이에 따라 상기 냉각튜브가 고정자코일과 고정자요오크에 동시에 접하는 구조이므로 고정자코일뿐만 아니라 고정자요오크도 동시에 냉각할 수 있으며, 고정자코일의 외곽에 나선형으로 냉각튜브를 감기만 하면 되므로 냉각튜브의 막힘을 방지할 수 있고, 제작이 매우 간단할 뿐만 아니라, 고정자에 슬롯이 존재하므로 특히 저속, 고토오크의 선박추진용 모터나 풍력 발전기에서 발생하는 매우 큰 전자기력을 지지할 수 있는 이점이 있다.
초전도 회전기 모터 발전기 고정자 냉각 수랭식 슬롯 토오크

Description

초전도 회전기의 고정자 냉각 구조{Stator water(oil) cooling structure for superconducting motors or generators}
본 발명은 초전도 회전기 즉, 초전도 모터 또는 발전기의 고정자를 냉각시키기 위한 냉각 구조에 관한 것으로서, 슬롯에 형성된 공간부에 고정자코일을 노출시켜 냉각튜브를 통하여 고정자코일 및 고정자요오크를 동시에 직접 냉각할 수 있는 초전도 회전기의 고정자 냉각 구조에 관한 것이다.
대부분의 기존 모터의 고정자는 공기의 자연 대류(natural convection)나 강제 대류(forced convection)를 통하여 냉각이 되며 수냉각이나 유냉각을 사용하는 것들도 있다. 공기 냉각의 경우는 고정자 코일에 흘릴 수 있는 전류의 밀도가 상대적으로 수냉각이나 유냉각 방식보다 낮으나, 자연 대류 공랭식은 별도의 냉각 장치가 전혀 필요 없으며 강제 대류 공랭식은 냉각용 팬(블로어)만을 설치하면 된다.
수(유)랭식의 경우는 비교적 1000 마력 이상의 대용량에서 사용되며, 공랭식보다 고정자 코일에 흘릴 수 있는 전류의 밀도가 높으나 냉각을 위한 장치가 훨씬 복잡해진다.
일반적으로 기존 모터의 수냉 또는 유냉각 방식은 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 가장 열이 많이 발생하는 고정자 코일(1)을 직접 냉각하는 방식이 아니라 코일을 둘러싼 고정자 철심(2)을 냉각하여 고정자 코일과의 열전달을 통하여 발생하는 열을 제거하는 방식이다. 따라서 고정자 냉각을 위한 물이나 기름이 흐르는 통로(3)가 고정자 요오크 철심을 냉각하는 구조로 되어있다.
기존의 모터는 이와 같이 고정자 코일이 열전달이 잘 되는 철심으로 둘러싸여 있기 때문에, 냉각 통로를 고정자 요오크 부에만 설치하여도 고정자 코일을 충분히 냉각시킬 수 있다.
한편, 초전도 모터와 발전기와 같은 초전도 회전기는 철심을 사용하지 않고도 강한 자기장을 발생시킬 수 있는 초전도 코일을 사용한다. 기존 회전기는 구리(銅)로 된 코일을 사용하므로 철심을 사용하지 않으면 원하는 출력을 얻기 힘들며 고정자 코일과 회전자 코일의 자속 쇄교량을 최대화시키기 위하여 고정자 철심과 회전자 철심 사이의 공극이 매우 작다. 따라서 고정자 코일이 철심으로 이루어진 슬롯(slot)에 삽입되어 회전자와의 공극을 최소화하는 구조를 갖는다. 그러나 이러한 철심으로 이루어진 슬롯에 자기장이 집중되어 회전자에 의해 발생하는 자기장이 회전할 때 슬롯부에서 교류 손실이 다른 부분보다 크게 발생하고, 슬롯부와 코일부의 투자율(permeability)이 다르므로 발전 전압 파형의 왜형율이 증가하는 요인이 된다.
초전도 회전기는 기존 기기의 이러한 문제점을 해결하기 위하여 고정자 슬롯이 철심이 아닌 FRP(Fiber-glass Reinforced Plastics)와 같은 비자성체로 이루어진다. 그러므로 슬롯부에서의 손실이 없어지고 발전 전압의 파형이 매우 정현적 인(sinusoidal) 장점이 있는 반면, FRP의 열전도율이 철심보다 매우 적기 때문에 고정자 코일에서 발생하는 열이 쉽게 빠져나가지 않는 단점이 있다.
선박추진용 모터나 터빈 발전기와 같이 기존의 대형기에서는 도 2에 도시된 바와 같이 고정자 코일 사이에 냉각튜브(4)를 삽입하거나 코일 자체에 냉각 통로를 갖는 형태로 수(유)냉각 구조를 가진다.
지금까지 개발된 대부분의 초전도 회전기의 고정자 수(유)냉각 구조는 도 3과 4에서 볼 수 있는 바와 같이 기존 회전기에 사용되는 형태를 가진다. 이러한 구조는 FRP(6) 내부에 냉각튜브(8)를 좁은 슬롯에 고정자 코일(5)과 함께 권선해야 하며, 고정자 코일(5)의 단부가 굽어지는 형상에 따라서 냉각튜브(8)가 꺾여지는 부분(17)이 있으며, 각 부분의 냉각튜브들을 여러 곳에서 용접해야 한다. 따라서 냉각튜브가 좁아지거나 막히기 쉽고 제작하기 매우 어려운 단점이 있다. 또한 고정자 슬롯 내부에 도체가 차지해야 할 공간에 냉각튜브가 배치되므로 슬롯 내부의 고정자 도체 점적율이 감소하고 기기의 크기를 증가시키는 요인이 된다.
기존의 방식과 다른 고정자 냉각 구조로서 도 5와 같은 형태의 특허(U.S. Pat. No. 6,489,701 B1)가 등록된 바 있으며, 슬롯을 없애버렸고 고정자 코일(9)이 단일층(Single layer) 권선 방식으로 이루어져 있다. 냉각튜브(10)는 단일 층으로 이루어진 고정자 코일의 상부와 하부에 나선형으로 코일을 둘러싼 형태를 취하고 있다. 이러한 방식은 고정자 코일이 받는 전자기력(토오크)을 지지해주는 구조물이 없으므로 1800 rpm 이상으로 회전하여 고정자 코일에 비교적 적은 전자기력이 작용하는 산업용 모터에 적합하다.
그러나 일반적인 산업용 모터에 비해 10 배 이상으로 회전속도가 적은 반면 큰 토오크가 작용하는 선박 추진용 모터나 풍력 발전기 등의 고정자 코일에는 매우 큰 전자기력이 걸리므로, 도 5와 같이 고정자 코일(9)을 지지하는 슬롯을 사용하지 않는다면 기기의 파손을 일으킬 수 있다.
또 이와 같은 방식은 냉각튜브(10)가 코일을 완전히 둘러싸는 일체형이므로 고정자 코일(9)이 소손될 경우 코일만을 보수하기가 힘들며, 각 상의 코일들이 겹쳐져 제작이 되므로 전기적 절연이 취약해지기 쉽다. 따라서 고정자 코일이 받는 전자기력이 비교적 적은 고속, 저토오크의 산업용 모터 등에는 적용할 수도 있으나, 고정자 코일이 받는 전자기력이 매우 큰 저속, 고토오크의 선박추진용 모터 또는 풍력 발전기 등의 분야에는 부적절하며 큰 토오크를 지지해 줄 수 있는 구조가 필요하다.
그리고 코일을 위아래로 덮고 있는 냉각튜브(10)로 인하여 고정자 코일부의 부피가 증가로 인하여 기기의 크기가 더욱 커지게 되며, 초전도 계자코일과 고정자 코일 간의 공극(Air-gap)이 다른 방법들보다 증가하므로 목표 출력을 얻기 위한 자속 쇄교량을 확보하기 위해 고가의 초전도 선재가 계자코일에 더 많이 소요되므로 기기의 제조 비용을 더욱 증가시킨다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 저속, 고토오크의 초전도 회전기에 냉각 효율이 공랭식보다 높은 수(유)냉각 방법을 채택하면서, 발생하는 고토오크를 지지해 주는 슬롯을 제거하지 않고 냉각튜브를 통하여 고정자코일 미치 고정자요오크를 동시에 직접 냉각할 수 있는 초전도 회전기의 고정자 냉각 구조의 제공을 그 목적으로 한다.
상기 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 고정자코일이 슬롯에 지지되고 그 외측부에 고정자요오크가 형성된 초전도 회전기의 고정자를 냉각시키기 위한 냉각 구조에 있어서, 상기 고정자코일이 일부분 노출되도록 상기 슬롯에 축방향으로 공간부가 형성되고, 상기 고정자코일이 노출된 부위와 상기 고정자요오크 사이에 냉각튜브가 배치되어, 상기 고정자코일과 고정자요오크를 동시에 냉각시키는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기의 고정자 냉각 구조를 기술적 요지로 한다.
또한, 상기 슬롯에 형성된 공간부는, 축방향으로 다수개 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 냉각튜브는 상기 고정자코일이 노출된 부위에 나선형으로 감겨져 형성되는 것이 바람직하며, 또한, 상기 냉각튜브는 상기 고정자코일이 노출된 부위에 나선형으로 감겨져 인접한 냉각튜브들과 상기 고정자 외곽에서 연결되는 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 냉각튜브는 상기 고정자요오크에 형성된 인입로 및 인출로에 수용되어 상기 고정자 외곽에서 연결되는 것이 더욱 바람직하다.
상기 구성에 의해 본 발명은 상기 냉각튜브가 고정자코일과 고정자요오크에 동시에 접하는 구조이므로 고정자코일뿐만 아니라 고정자요오크도 동시에 냉각할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 냉각튜브가 고정자 슬롯 내부에 배치되는 방식이 아니므로 냉각튜브가 꺾이는 부분에서 냉각튜브가 막힐 염려가 없으며, 여러 개의 냉각튜브들을 연결할 필요가 없으므로 냉각튜브 간 용접시 발생할 수 있는 막힘도 줄일 수 있으며, 고정자코일의 외곽에 나선형으로 냉각튜브를 감기만 하면 되므로 제작이 매우 간단하며 기기의 크기가 소형이 될 뿐만 아니라 슬롯 내부에서 고정자코일이 차지하는 점적율을 높일 수 있고 냉각튜브가 회전자의 자속과 쇄교량도 훨씬 적기 때문에 냉각튜브에서 발생할 수 있는 와전류도 크게 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 고정자에 슬롯이 존재하므로 고정자코일에 작용하는 전자기력(토오크)을 지지할 수 있으며, 특히 저속, 고토오크의 선박추진용 모터나 풍력 발전기에서 발생하는 매우 큰 전자기력을 지지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 초전도 회전기 즉, 초전도 모터 또는 발전기의 고정자코일에서 발생하는 열을 효과적으로 냉각시켜주기 위한 냉각 구조에 관한 것으로, 슬롯 내부에 수(유) 냉각튜브를 배치하는 방법을 피하고 고정자코일의 외곽과 고정자 요오크 사 이에 나선형으로 냉각튜브를 배치하여, 고정자코일이 받는 전자기력을 견뎌내도록 비자성체의 슬롯을 유지하면서 축방향으로 슬롯 사이에 공간부를 두어 나선형의 냉각튜브를 배치하여 고정자코일뿐 아니라 고정자요오크 부분도 냉각할 수 있는 초전도 회전기의 고정자 냉각 구조이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하고자 한다. 도 6과 도 7은 본 발명에 따른 초전도 회전기의 고정자 냉각 구조에 대한 횡단면도 및 종단면도이다.
도 6에 도시된 횡단면을 보면, 상기 냉각튜브(400)는 고정자코일(100)과 고정자요오크(300) 사이에 원주 방향으로 배치된다. 도 7에 도시된 종단면을 보면, 축방향으로 적층된 비자성체인 FRP 슬롯(200) 사이에 공간부(210)가 형성되고, 상기 공간부(210)에 의해 외부로 노출된 고정자코일(100) 부분과 상기 고정자요오크(300) 그리고 상기 FRP 슬롯(200)으로 둘러싸인 빈 공간에 냉각튜브(400)가 배치되어, 상기 고정자코일(100)과 고정자요오크(300)에 냉각튜브(400)가 동시에 접하는 구조이므로 상기 고정자코일(100)과 고정자요오크(300)도 동시에 냉각할 수 있다.
이와 같이, 상기 냉각튜브(400)가 슬롯(200) 내부에 배치되는 방식이 아니므로 냉각튜브(400)가 꺾이는 부분에서 튜브가 막힐 염려가 없으며, 여러 개의 튜브들을 연결할 필요가 없으므로 튜브 간 용접시 발생할 수 있는 막힘도 줄일 수 있게 된다.
또한, 고정자에 슬롯(200)이 존재하므로 고정자코일(100)에 작용하는 전자기 력(토오크)을 지지할 수 있으며, 특히 저속, 고토오크의 선박추진용 모터나 풍력 발전기에서 발생하는 매우 큰 전자기력을 지지할 수 있게 된다. 그리고 냉각튜브(400)를 고정자 슬롯(200) 내부에 배치하지 않으므로 슬롯(200)의 크기를 줄일 수 있으며 슬롯(200) 내부에서 고정자 코일이 차지하는 점적 율을 높일 수 있게 되어, 기존 방식보다 높은 전력밀도(power density)로 설계할 수 있고, 코일의 단부에 냉각수(유)의 공급을 위한 별도의 연결부 등이 필요하지 않으므로 기기의 축방향 길이도 줄일 수 있게 된다.
여기에서, 고정자코일(100)이 받는 전자기력의 세기나 고정자코일(100)의 크기게 따라 상기 슬롯(200)에 형성된 공간부(210)는 축방향으로 다수개 형성되도록 하며, 각 공간부(210)에는 냉각튜브(400)가 감기게 된다.
또한, 상기 냉각튜브(400)는 상기 고정자코일(100)이 노출된 부위에 원주 방향으로 나선형으로 감겨져 형성되도록 하며, 상기 각 고정자코일(100)의 노출된 부위에 나선형으로 감긴 냉각튜브(400)들은 인접된 냉각튜브(400)들과 상기 고정자 외곽에서 연결형성된다.
따라서, 종래의 슬롯(200) 내부에 냉각튜브(400)가 배치되는 방식은 고정자코일(100)의 권선 시에 냉각튜브(400)를 삽입하므로 그 구조도 복잡해지고 제작이 어려운 반면, 본 발명은 고정자코일(100)의 외곽에 나선형으로 냉각튜브(400)를 감기만 하면 되므로 제작이 매우 간단하며, 상기 냉각튜브(400)가 원주 방향으로 감기므로 꺾이는 부분들이 없고, 냉각튜브(400) 간 연결(용접)부를 크게 줄일 수 있으므로 튜브가 막힐 염려가 훨씬 적다. 그리고 냉각튜브(400)가 회전자의 자속과 쇄교량도 훨씬 적기 때문에 냉각튜브(400)에서 발생할 수 있는 와전류도 크게 줄일 수 있다
또한, 상기 냉각튜브(400)들은 상기 고정자 외곽에서 서로 연결될때, 일반적으로 규소 강판으로 적층된 고정자요오크(300)에 형성된 인입로 및 인출로(310)에 수용되어 연결되므로써, 상기 냉각튜브(400)는 고정자코일(100)로 인입, 인출되도록 형성된다.
여기에서, 각 인입로 및 인출로(310)에서 인입, 인출되는 냉각튜브(400)의 단말은 인접한 냉각튜브(400)의 단말과 용접(410)하여 직렬로 연결되어 하나의 수(유)로를 구성하게 된다.
이와 같이 본 발명에서는 냉각튜브의 굽어짐을 없애고 기존 냉각튜브 배치의 난점들을 해결할 수 있는 초전도 회전기를 위한 새로운 고정자 수(유)냉각튜브의 배치 방법을 제안하고자 한 것이며, 이는 또한 선박추진이나 풍력발전 등의 저속, 고토오크 분야에 적용이 가능하도록 고정자 코일이 받는 전자기력을 지지하는 슬롯 구조를 유지하도록 한 것이다.
도 1은 기존 수(유)랭식 모터의 고정자 구조를 나타낸 도.
도 2는 기존 수(유)랭식 발전기의 고정자 슬롯 내부 구조를 나타낸 도.
도 3은 기존 수(유)랭식 초전도 모터 또는 발전기의 횡단면 형상을 나타낸 도.
도 4는 기존 수(유)랭식 초전도 모터 또는 발전기의 종단면 형상을 나타낸 도.
도 5는 종래 기술에 따른 고정자 코일 및 냉각튜브 형상을 나타낸 도.
도 6은 본 발명의 초전도 모터 또는 발전기의 횡단면 형상을 나타낸 도.
도 7은 본 발명의 초전도 모터 또는 발전기의 종단면 형상을 나타낸 도.
<도면에 사용된 주요 부호에 대한 설명>
100 : 고정자코일 200 : 슬롯
210 : 공간부 300 : 고정자요오크
310 : 인입로 및 인출로 400 : 냉각튜브

Claims (5)

  1. 고정자코일(100)이 슬롯(200)에 지지되고 그 외측부에 고정자요오크(300)가 형성된 초전도 회전기의 고정자를 냉각시키기 위한 냉각 구조에 있어서,
    상기 고정자코일(100)이 일부분 노출되도록 상기 슬롯(200)에 축방향으로 공간부(210)가 형성되고, 상기 고정자코일(100)이 노출된 부위와 상기 고정자요오크(300) 사이에 냉각튜브(400)가 배치되어, 상기 고정자코일(100)과 고정자요오크(300)를 동시에 냉각시키는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기의 고정자 냉각 구조.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 슬롯(200)에 형성된 공간부(210)는 축방향으로 다수개 형성된 것을 특징으로 하는 초전도 회전기의 고정자 냉각 구조.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 냉각튜브(400)는 상기 고정자코일(100)이 노출된 부위에 나선형으로 감겨져 형성되는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기의 고정자 냉각 구조.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 냉각튜브(400)는 상기 고정자코일(100)이 노출된 부위에 나선형으로 감겨져 인접한 냉각튜브(400)들과 상기 고정자 외곽에서 연결되는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기의 고정자 냉각 구조.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 냉각튜브(400)는 상기 고정자요오크(300)에 형성된 인입로 및 인출로(310)에 수용되어 상기 고정자 외곽에서 연결되는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기의 고정자 냉각 구조.
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