KR20120063220A - 초전도 회전기 및 초전도 회전기 구동 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 계자권선을 초전도 권선으로 형성한 초전도 회전기에 관한 것으로, 외부 전원에 여자된 권선에 의해 계속적으로 전원을 공급할 수 있는 초전도 회전기 및 초전도 회전기 구동 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 초전도 회전기는 계자코일이 권선되어 직류전원을 여자시키는 회전자 및 상기 회전자의 외측에 형성되어, 회전자계를 발생시키는 고정자를 포함하며, 상기 계자코일은 초전도 선재의 권선으로 형성되며, 영구전류를 통전하기 위한 폐루프를 형성하도록 결선되는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

초전도 회전기 및 초전도 회전기 구동 방법{Superconducting rotating machines and the operating method for them}

본 발명은 회전계자형 동기전동기나 발전기에 있어서, 계자권선을 초전도 권선으로 형성한 초전도 회전기에 관한 것으로, 더 자세히는, 외부 전원에 여자된 권선에 의해 계속적으로 전원을 공급할 수 있는 초전도 회전기 및 초전도 회전기 구동 방법에 관한 것이다.

일반적으로 회전계자형 동기 전동기는 계자코일이 권선되어 있는 회전자와 회전자계를 발생시키는 고정자의 권선으로 구성된다.

[도 8]은 종래 회전계자형 동기발전기(10)의 개략도를 나타내는 도면이다.

종래 회전계자형 동기전동기 또는 동기발전기는 회전자(13)를 회전시키기 위해서 고정자 권선(12)의 각 상을 일정한 시간 간격으로 통전시켜 회전자계를 발생시키고, 이러한 회전자계를 추종하여, 회전자에 기계적인 회전력이 발생하게 된다.

이러한 동기전동기의 운전을 위해서는 고정자의 권선과 계자권선에 각각 전기에너지를 공급해주기 위한 교류 전원과 직류전원이 요구된다.

종래, 회전자의 계자전선을 여자(exciting or energizing)시키기 위해서 슬립 링(slip ring)과 브러쉬 등의 전기적인 접촉을 유지할 수 있는 별도의 장치가 필요하다.

하지만 종래 동기전동기에 슬립 링과 브러쉬를 형성함에 따라 전동기의 구조가 복잡해지는 문제점이 발생하며, 상기 슬립 링과 브러쉬에 기계적이 마찰이 발생함에 따라 동기전동기의 구동 효율이 감소하는 문제점이 발생하는 것이다.

또한, 종래 영구자석형의 경우, 영구자석의 크기에 제약이 따르는 문제점이 있으며, 영구자석에서 발생하는 자속밀도가 제한적이므로, 대형기에는 적합하지 않은 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로,

본 발명에 따른 초전도 회전기의 목적은 슬립 링 및 브러쉬의 구성을 배제하여, 초전도 회전기의 구조를 간단하게 구성하고, 초전도 상태에서 계속적으로 자속을 발생시켜 운영하여, 초전도 회전기의 운전 효율을 향상시키는데 있다.

다른 목적은, 영구전류스위치를 더 포함하여, 폐루프의 영구전류 흐름을 제어하는데 있다.

또 다른 목적은, 영구전류스위치의 온/오프 상태에 따라 여자 모드 또는 영구전류 모드로 운전되는데 있다.

또 다른 목적은, 저온용기를 더 포함하여, 초전도 권선이 초전도 상태에 이를 수 있도록 하는데 있다.

또 다른 목적은, 전류도입선 및 전원스위치를 더 포함하여, 외부 전원공급기와 초전도 권선의 연결 여부를 제어하는데 있다.

본 발명에 따른 초전도 회전기 구동 방법의 목적은, 여자 모드 및 영구전류 모드로 구동되어, 외부 전원을 공급받은 후, 외부 전원을 차단하더라도 초전도 권선의 폐루프에 영구전류가 흐르도록 하는데 있다.

다른 목적은, 여자 모드로 운전하는 단계를 포함하여, 외부 전원공급기로부터 직류전원을 원활히 공급받는데 있다.

또 다른 목적은, 영구전류 모드로 운전하는 단계를 포함하여, 초전도 상태에서 영구전류가 유지되도록 하는데 있다.

또 다른 목적은, 영구전류스위치의 구동으로 초전도 권선의 폐루프를 개방하는데 있다.

본 발명에 따른 초전도 회전기는 계자코일이 권선되어 직류전원을 여자시키는 회전자 및 상기 회전자의 외측에 형성되어, 회전자계를 발생시키는 고정자를 포함하며, 상기 계자코일은 초전도 선재의 권선으로 형성되며, 영구전류를 통전하기 위한 폐루프를 형성하도록 결선되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초전도 회전기는 상기 계좌코일은 초전도 권선의 내부도체에 히터로 구성된 영구전류스위치(PCS-Permanent Current Switch)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초전도 회전기는 영구전류스위치는 상기 초전도 권선에 외부 전원공급기의 전원이 공급되어 오프(OFF) 상태가 되는 여자 모드 및 상기 여자 모드 이후, 외부 전원공급기와의 연결이 끊어지고, 초전도 코일에 영구전류가 흐르도록 온(ON) 상태가 되는 영구전류 모드로 동작되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초전도 회전기는 초전도 권선은 초전도 코일의 전기 저항이 제로가 되도록 극저온 냉각 기능을 하는 저온용기(Cryostat)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초전도 회전기는 폐루프와 연결되어, 상기 외부 전원공급기와 연결되는 전류도입선을 더 포함하고, 상기 전류도입선은 상기 외부 전원공급기와 상기 초전도 권선의 전류 공급여부를 제어하는 전원스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 초전도 회전기 구동 방법은 외부 전원공급기로부터 초전도 권선에 직류전원을 공급하는 여자 모드로 운전하는 단계 및 상기 여자 모드 이후, 상기 초전도 권선의 폐루프에 영구전류가 흐르는 영구전류 모드로 운전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초전도 회전기 구동 방법에 있어서, 여자 모드로 운전하는 단계는 영구전류스위치를 오프시키고, 전류도입선에 형성된 전원스위치를 온시켜, 상기 외부 전원공급기와 상기 초전도 권선을 연결하는 단계 및 상기 초전도 권선에 직류전류를 공급하여, 자속을 발생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초전도 회전기 구동 방법에 있어서, 영구전류 모드로 운전하는 단계는 영구전류스위치를 온시키고, 전원스위치를 오프시켜, 상기 초전도 권선의 폐루프에 영구전류가 흐르도록 하는 단계 및 상기 폐루프 상의 영구전류의 흐름을 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초전도 회전기 구동 방법에 있어서, 영구전류의 흐름을 유지하는 단계 이후에, 영구스위치에 전류를 인가하는 단계, 초전도 권선의 내부 도체를 발열시키는 단계, 초전도 권선의 초전도 상태를 해지하는 단계 및 상기 폐루프를 개방시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 초전도 회전기는 슬립 링 및 브러쉬의 구성을 배제함으로써, 초전도 회전기의 구조를 간단하게 구성하고, 초전도 상태에서 계속적으로 자속을 발생시켜 운영함으로써, 초전도 회전기의 운전 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 영구전류스위치를 더 포함함으로써, 폐루프의 영구전류 흐름을 제어할 수 있는 효과가 있다.

또한, 영구전류스위치의 온/오프 상태에 따라 여자 모드 또는 영구전류 모드로 운전할 수 있는 효과가 있다.

또한, 저온용기를 더 포함함으로써, 초전도 권선이 초전도 상태에 이를 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 전류도입선 및 전원스위치를 더 포함함으로써, 외부 전원공급기와 초전도 권선의 연결 여부를 제어할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따른 초전도 회전기 구동 방법은, 여자 모드 및 영구전류 모드로 구동함으로써, 외부 전원을 공급받은 후, 외부 전원을 차단하더라도 초전도 권선의 폐루프에 영구전류가 흐르도록 하는 효과가 있다.

또한, 여자 모드로 운전하는 단계를 포함함으로써, 외부 전원공급기로부터 직류전원을 원활히 공급받을 수 있는 효과가 있다.

또한, 영구전류 모드로 운전하는 단계를 포함함으로써, 초전도 상태에서 영구전류가 유지되도록 하는 효과가 있다.

또한, 영구전류스위치의 구동으로 초전도 권선의 폐루프를 개방할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 초전도 회전기의 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 초전도 회전기 구동 방법의 전체 흐름을 나타내는 흐름도.
도 3은 본 발명에 따른 초전도 회전기 구동 방법의 S10 단계의 상세 흐름도.
도 4는 본 발명에 따른 초전도 회전기의 여자 모드의 전류흐름을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 초전도 회전기 구동 방법의 S20 단계의 상세 흐름도.
도 6은 본 발명에 따른 초전도 회전기의 영구전류모드의 전류흐름을 나타내는 도면.
도 7은 본 발명에 따른 초전도 회전기 구동 방법의 S30 단계의 상세 흐름도.
도 8은 종래 회전계자형 동기전동기의 구조를 나타내는 도면.

이하, 본 발명에 따른 초전도 회전기를 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면 다음과 같다.

[도 1]은 본 발명에 따른 초전도 회전기의 개념도를 나타내는 도면으로, 본발명에 따른 초전도 회전기는 계자코일이 권선되어 있는 회전자 및 회전자계를 발생시키는 고정자를 포함하며, 상기 회전자는 저온용기(21), 초전도 코일(22), 영구전류 스위치(23), 전류도입선(24), 전원스위치(25) 직류전원기(26) 및 제어부(27)를 포함한다.

본 발명에 따른 상기 초전도 코일(22)은 초전도 선재로 권선된 초전도 코일을 이용하며, 폐루프가 형성되도록 결선시키는 것이 특징이다.

이러한 초전도 코일(22)이 초전도 상태가 되기 위해서는 극저온 냉각과 함께 상기 저온용기(21)가 요구된다.

일반적으로 상기 초전도 상태란 일정 온도에서 전기저항이 전혀 없이 전류가 흘러가는 현상으로, 금속이나 합금을 극저온에 가까이 냉각하였을 때 일어난다.

이러한 초전도 상태에서 폐루프에 발생한 영구전류에 의해서, 계속적인 전원 공급 없이도 회전자의 구동이 가능한 것이다.

상기 영구전류 스위치(23)는 상기 폐루프의 상에 위치하고, 상기 제어부(27)와 연결되어 영구전류의 흐름을 제어하는 역할을 하게 된다.

즉, 상기 영구전류 스위치(23)는 본 발명에 따른 초전도 권선 안의 도체 중 어느 하나에 히터를 포함하도록 구성되어, 상기 제어부(27)의 제어신호에 따라 상기 히터에 전류를 인가하여, 열이 발생하도록 한다.

이러한 열에 의해, 상기 히터 주변의 초전도 도체의 온도가 상승하고, 상기 초전도 권선 중 일부에 초전도 상태가 깨어지는 현상이 발생하고, 폐루프가 끊어지게 되는 것이다.

본 발명에 따른 초전도 회전기는 상기 영구전류 스위치(23)의 구동에 따라 여자 모드 또는 영구전류 모드로 구동된다.

상기 여자 모드는 외부 전원공급기인 상기 직류전원장치(26)로부터 전원을 공급받아 자속을 형성하는 동작 상태를 말하며, 상기 영구전류 모드는 상기 직류전원장치(26)와의 연결이 해지된 상태에서도 상기 초전도코일(22)의 폐루프에 영구전류가 흐르는 동작 상태를 말한다.

상기 전류도입선(24)은 상기 초전도 코일(22)과 외부에 위치한 상기 직류전원기(26)를 연결하는 수단이 되며, 상기 전원스위치(25)는 상기 전류도입선(24) 상에 위치하여, 상기 제어부(27)와 연결되어, 상기 제어부(27)의 제어신호에 따라 상기 초전도 코일(22)과 직류전원기(26)를 연결 또는 개방하는 역할을 한다.

상기 직류전원기(26)는 본 발명에 따른 초전도 코일(22)에 직류 전원을 공급하는 역할을 한다.

이처럼 본 발명에 따른 초전도 회전기를 적용하면, 슬립 링 및 브러쉬 등의 구성을 배제한 간단한 구조의 초전도 회전기를 구성할 수 있으며, 초전도 상태에서 계속적으로 자속을 발생시켜 운영할 수 있는 것이다.

즉, 초전도 상태에서 저항이 없어짐에 따라 자속밀도가 증가하게 되므로, 영구자석형 동기기에 비해 큰 출력을 얻는 것이 가능해지고, 나아가 초전도 회전기의 운전 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 누릴 수 있는 것이다.

[도 2]는 본 발명에 따른 초전도 회전기 구동 방법의 전체 흐름을 나타내는 도면으로 여자 모드로 운전하는 단계를 수행한다.(S10)

[도 3]은 상기 S10 단계의 상세 흐름을 나타내는 도면으로, 외부 전원공급기인 상기 직류전원장치(26)와 상기 초전도 코일(22)을 연결하는 단계를 수행한다.(S11)

상기 S11단계는 [도 4]에 도시된 바와 같이, 상기 영구전원스위치(23)가 오프 상태가 되며, 상기 전원스위치(25)가 온 상태가 되어, 상기 직류전원장치(26)와 상기 초전도 코일(22)을 연결하게 되는 상태를 말한다.

다음으로, 상기 직류전원장치(26)에서 공급한 전류가 상기 초전도 코일(22)에 흐르게 되어, 자속을 발생시키는 단계를 수행한다.(S13)

본 발명에 따른 S10 단계를 여자 모드라 한다.

다음으로, 영구전류 모드로 운전하는 단계를 수행한다.(S20)

[도 5]는 본 발명에 따른 상기 S20 단계의 상세 흐름을 나타내는 도면으로, 초전도 상태에서 영구전류를 발생시키고, 상기 직류전원장치(26)의 전류 공급을 차단하는 단계를 수행한다.(S21)

상기 S21단계는 [도 6]에 도시된 바와 같이, 상기 영구전류 스위치(23)가 온 상태이고, 상기 전원스위치(25)가 오프 상태이며, 본 발명에 따른 초전도 권선은 초전도 상태에 이르게 되어, 상기 직류전원장치(26)의 연결을 해지하더라도 폐루프 상에 영구 전류를 흐르게 되는 상태가 되는 것이며, 이후, 폐루프 상의 영구전류의 흐름을 유지하는 단계를 수행한다.(S23)

본 발명에 따른 상기 S20 단계를 영구전류 모드라 한다.

다음으로, 초전도 권선의 초전도 상태를 해지하는 단계를 수행한다.(S30)

[도 7]은 본 발명에 따른 S30 단계의 상세 흐름을 나타내는 도면으로, 상기 영구전류 스위치(23)의 히터 즉, 초전도 권선 내부 도체에 형성된 히터에 전류를 인가하는 단계를 수행한다.(S31)

다음으로, 전류가 인가된 상기 영구전류 스위치(23)의 히터에 열을 발생시키고, 상기 히터 주변의 초전도 도체의 온도가 상승시키며(S33), 다음으로 상기 초전도 권선의 일부에 초전도 상태를 파괴시키는 단계를 수행한다.(S35)

이에 따라 상기 초전도 상태를 파괴시킴에 따라, 상기 폐루프를 개방시키는 단계를 수행한다.(S37)

본 발명에 따른 초전도 회전기 구동 방법을 적용하면, 영구전류 스위치의 제어에 따라 여자 모드 및 영구전류 모드로 구동이 가능하며, 초전도 회전기에 외부 전원을 공급 후, 외부 전원을 차단하더라도 초전도 권선의 폐루프에 영구전류가 흐르도록 하는 효과를 누릴 수 있는 것이다.

이상 본 발명의 실시예로 설명하였으나 본 발명의 기술적 사상이 상기 실시예로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 초전도 회전기로 구현할 수 있다.

10 : 종래 영구자석형 동기전동기
11 : 고정자 12 : 고정자 권선
13 : 회전자 21 : 저온용기
22 : 초전도 코일 23 : 영구전류 스위치
24 : 전류도입선 25 : 전원스위치
26 : 직류전원장치 27 : 제어부

Claims (9)

1. 계자코일이 권선되어 직류전원을 여자시키는 회전자 및
   상기 회전자의 외측에 형성되어, 회전자계를 발생시키는 고정자를 포함하며,
   상기 계자코일은 초전도 선재의 권선으로 형성되며, 영구전류를 통전하기 위한 폐루프를 형성하도록 결선되는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 계좌코일은 초전도 권선의 내부도체에 히터로 구성된 영구전류스위치(PCS-Permanent Current Switch) 및
   상기 영구전류스위치의 구동을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 초전도 권선은
   상기 영구전류스위치가 오프(OFF) 상태가 되고, 상기 초전도 권선에 외부 전원공급기로부터 전원을 공급받아 여자시키는 여자 모드 및
   상기 영구전류스위치가 온(ON) 상태가 되고, 상기 외부 전원공급기와 분리되어, 상기 폐루프에 영구전류를 통전시키는 영구전류 모드로 구동되는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 초전도 권선은,
   초전도 코일의 전기 저항이 제로가 되도록 극저온 냉각 기능을 하는 저온용기(Cryostat)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기.
5. 제3항에 있어서,
   상기 폐루프와 연결되어, 상기 외부 전원공급기와 연결되는 전류도입선을 더 포함하고, 상기 전류도입선은 상기 외부 전원공급기와 상기 초전도 권선의 전류 공급여부를 제어하는 전원스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기.
6. 외부 전원공급기로부터 초전도 권선에 직류전원을 공급하는 여자 모드로 운전하는 단계 및
   상기 여자 모드 이후, 상기 초전도 권선의 폐루프에 영구전류가 흐르는 영구전류 모드로 운전하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기 구동 방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 여자 모드로 운전하는 단계는,
   영구전류스위치를 오프시키고, 전류도입선에 형성된 전원스위치를 온시켜, 상기 외부 전원공급기와 상기 초전도 권선을 연결시키는 단계 및
   상기 초전도 권선에 직류전류를 공급하여, 자속을 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기 구동 방법.
8. 제6항에 있어서,
   상기 영구전류 모드로 운전하는 단계는,
   영구전류스위치를 온시키고, 전원스위치를 오프시켜, 상기 초전도 권선의 폐루프에 영구전류가 흐르도록 하는 단계 및
   상기 폐루프 상의 영구전류의 흐름을 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기 구동 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 영구전류의 흐름을 유지하는 단계 이후에,
   영구스위치에 전류를 인가하는 단계;
   초전도 권선의 내부 도체를 발열시키는 단계;
   초전도 권선의 초전도 상태를 해지하는 단계 및
   상기 폐루프를 개방시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기 구동 방법.

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