KR20130021495A - 공랭식 고정자코일 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외부의 공기가 유입 또는 배출되도록 하는 복수 개의 통풍닥트가 형성된 고정자요오크, 상부코일과 하부코일로 구성된 고정자코일, 상기 상부코일과 하부코일의 사이에 구비되어 상기 상부코일과 하부코일을 절연하는 절연판 및 상기 고정자코일의 외부를 감싸고 고정자요오크의 일측에 고정되는 지지부와 상기 고정자코일을 외부로 노출되게 하는 노출부가 반복 형성된 슬롯이 포함되어 고정자코일과 공기가 접촉하는 면적을 최대한으로 할 수 있도록 슬롯의 구조를 개선하고, 고정자코일이 상부코일과 하부코일로 구성된 것을 상호 접촉하지 않도록 절연판을 구비하여 절연 파괴를 방지한 공랭식 고정자코일 냉각장치에 관한 것이다.

Description

공랭식 고정자코일 냉각장치{Apparatus of air cooling for stator coils of superconduting motor or generator}

본 발명은 공랭식 고정자코일 냉각장치에 관한 것으로, 고정자코일과 공기가 접촉하는 면적을 최대한으로 할 수 있도록 슬롯의 구조를 개선하여 공랭식으로 냉각할 수 있도록 하고, 또한, 고정자코일의 절연 파괴를 방지한 공랭식 고정자코일 냉각장치에 관한 것이다.

통상적으로 초전도 회전기(전동기, 발전기)는 회전자에 초전도 고정자코일을 사용하여 기존의 기기보다 높은 자장을 발생시킬 수 있으므로, 고정자와 회전자 사이의 공극이 매우 크다. 또한 고정자코일에서 발생하는 역기전력을 정현적으로 만들어 주기위하여 고정자코일이 FRP(fiber-reinforced plastic)와 같은 비자성체로 둘러싸여 있게 된다.

기존의 기기는 도 1에서와 같이 고정자코일(4)이 규소강판으로 이루어진 철심으로 둘러싸여 있기 때문에, 고정자코일(4)에서 발생하는 열이 주위의 열전도도가 높은 슬롯(5)을 통하여 고정자요오크(6)로 쉽게 전달된다.

그러나, 고정자코일(4)이 열전도도가 매우 낮은 FRP 재질의 슬롯(5)으로 둘러싸여 있기 때문에 코일에서 발생하는 열이 고정자요오크(6)으로 잘 전달되지 않는다. 따라서 공랭식일 경우 발생된 열의 접촉 면적이 고정자 코일에 국한되어 효과적인 냉각이 이루어지지 않는다. 특히 고전압 기기의 경우 고정자코일이 절연지로 여러 겹 둘러싸여 있기 때문에 고정자코일의 온도 상승은 더욱 심해진다.

또 다른 초전도 회전기의 고정자코일에 관한 냉각 기술로는 대한민국 공개특허 10-2010-0044393 '전기자코일 냉각수단이 구비된 초전도 모터'에 개시되어 있다.

도 2를 참조하면, 초전도 계자코일(22)이 권선된 회전자(20) 및 다수개의 전기자코일(44)이 삽입되는 전기자슬롯(42)이 형성된 고정자(40)를 포함하여 이루어지는 초전도 모터에 있어서,

상기 전기자코일(44)의 일측에는 상기 전기자코일(44)의 발열을 흡수하는 냉각채널(46)이 일체로 결합형성되되, 상기 냉각채널(46)은 상기 전기자코일(44)에 비해 상대적으로 비저항이 크고 열전도율이 높은 재질로 형성되는 것을 특징으로 하여 냉각할 수 있도록 한 것이다.

그러나, 위와같이 종래의 초전도 회전기의 고정자코일을 냉각하는 방식 중 공기로 냉각 방식은 냉각효율이 떨어지는 문제점이 있어왔고, 냉각채널을 이용한 냉각방식은 구조적으로 복잡하기 때문에 초전도 회전기의 고정자코일 냉각을 주로 수랭식이나 유랭식을 사용하게 된다.

그러나, 수랭식이나 유랭식은 고정자 코일 사이에 냉각을 위한 튜브를 삽입하여 제작을 해야되므로 구조가 복잡해지고 비용이 증가하게 되며, 또한 가열된 튜브 내부의 유체를 다시 냉각시켜야 하므로 복잡한 냉각 장치가 필요한 문제점이 있다.

또한, 고정자코일이 상부코일과 하부코일로 구성되게 되는데, 이때 상기 상부코일과 하부코일이 슬롯 내부에 접촉된 형태로 배치되어 절연 파괴가 발생하는 문제점이 있다.

본 발명은 고전압을 사용할 경우 고정자코일의 절연지가 두꺼워지며, 코일을 둘러싸고 있는 FRP로 이루어진 슬롯이 매우 열전도도가 낮기 때문에 코일에서 발생하는 열이 외부로 잘 방출되지 않고 코일의 온도가 과도하게 상승하므로 초전도 회전기의 고정자코일을 감싸는 절연지로 인한 과도한 온도 상승을 해결할 수 있는 공랭식 고정자코일 냉각장치를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

또한, 종래의 수랭식이나 유랭식의 유체 냉각 방식은 유체의 순환 튜브를 고정자코일 내부에 설치해야 하고 가열된 유체를 다시 냉각시키는 별도의 냉각 장치가 필요하다. 따라서 냉각 장치가 복잡하게 되고 제작비용이 크게 상승하므로 구조가 간단한 공랭식으로 하되, 고정자코일을 공기와 접촉면적을 최대한으로 하여 효과적으로 냉각할 수 있는 공랭식 고정자코일 냉각장치를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

그리고, 상부코일과 하부코일의 접촉에 따른 절연파괴를 방지할 수 있는 공랭식 고정자코일 냉각장치를 제공하고자 하는데도 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 공랭식 고정자코일 냉각장치는 외부의 공기가 유입 또는 배출되도록 하는 복수 개의 통풍닥트가 형성된 고정자요오크; 상부코일과 하부코일로 구성된 고정자코일; 상기 상부코일과 하부코일의 사이에 구비되어 상기 상부코일과 하부코일을 절연하는 절연판; 및 상기 고정자코일의 외부를 감싸고 고정자요오크의 일측에 고정되는 지지부와 상기 고정자코일을 외부로 노출되게 하는 노출부가 반복 형성된 슬롯;이 포함된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 다른 면에 따른 공랭식 고정자코일 냉각장치는 상기 슬롯의 노출부는 상기 통풍닥트가 형성된 위치에 대응되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 또 다른 면에 따른 공랭식 고정자코일 냉각장치는 상기 슬롯의 노출부의 축방향 길이는 상기 통풍닥트의 길이보다 큰 길이를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 또 다른 면에 따른 공랭식 고정자코일 냉각장치는 상기 절연판은 상기 통풍닥트가 형성된 위치에서 상기 노출부에 의해 노출되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 또 다른 면에 따른 공랭식 고정자코일 냉각장치는 상기 절연판의 재질은 FRP(fiber-reinforced plastic)인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 또 다른 면에 따른 공랭식 고정자코일 냉각장치는 상기 슬롯의 재질은 비자성체인 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 기대할 수 있을 것이다.

먼저, 고정자코일을 지지하는 FRP으로 이루어진 슬롯은 지지부와 노출부로 이루어져 지지부에 의해 고정자코일을 고정자요오크에 고정하면서도 노출부에 의해 고정자코일이 외부로 노출되어 공기와 열교환하는 면적이 넓어짐으로 인하여 열전도율이 낮은 슬롯으로 인하여 고정자 코일에서 발생하는 방출되기 어려운 주울 열이 냉각 공기의 대류를 통하여 외부로 쉽게 방출되게 된다.

또한, 일반적으로 전기적 절연을 위하여 고정자코일에 여러 겹의 절연지가 덮여지게 된다. 따라서 코일에서 발생하는 열이 슬롯 외부로 더욱더 방출되기 어렵지만, 본 발명에서는 절연지를 포함하지 않아도 되므로 열이 외부로 잘 방출될 수 있게 된다.

그리고, 고정자코일이 상부코일과 하부코일로 이루어지게 되는데 그 사이에 절연판을 구비되게 하여 상부코일과 하부코일의 접촉에 따른 절연파괴를 방지할 수 있게 된다.

도 1은 종래에 따른 초전도 회전기의 고정자코일 구조를 나타낸 도면.
도 2는 종래의 또 다른 전기자코일 냉각수단이 구비된 초전도 모터의 주요부에 대한 종단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공랭식 고정자코일 냉각장치의 구성도.

이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공랭식 고정자코일 냉각장치의 구성도이다.

도 3을 참조하면 본 발명은 크게, 고정자요오크(100), 고정자코일(200), 슬롯(300) 및 절연판(400)을 포함하여 이루어지게 된다.

고정자요오크(100)는 두께 방향으로 복수 개가 관통된 통풍닥트(120)가 형성되어 외부의 공기가 내부로 유입 또는 배출되게 된다.

즉, 통풍닥트(120)에 의해 내,외부로 공기가 순환하여 고정자요오크(100) 내부에 위치한 고정자코일(200)을 공랭할 수 있게 된다.

고정자코일(200)은 고정자요오크(100) 내측부에 구비되고, 상부코일(220)과 하부코일(240)로 구성되게 된다.

슬롯(300)은 고정자코일(200)의 외부를 감싸고 고정자요오크(100)의 일측에 공정되는 지지부(320)와 고정자코일(200)을 외부로 노출되게 하는 노출부(340)가 반복 형성되게 된다.

여기서, 슬롯(300)의 노출부(340)는 통풍닥트(120)가 형성된 위치에 대응되도록 형성되어 통풍닥트(120)에서 유입된 공기가 고정자코일(200)을 직접 냉각할 수 있게 된다.

그래서, 노출부(340)에서의 공기접촉면을 확보하면서도 지지부(320)에 의해 고정자코일(200)이 지지될 수 있도록 길이가 동일하거나 작은 경우와 대비하여 공기 유동량을 크게 할 수 있다.

다시 언급하면, 노출부(340)의 축방향 길이는 냉각 공기와 고정자코일(200)이 접촉되는 면적을 최대한으로 하도록 통풍닥트(120)의 길이보다 크게 형성되어 공기의 대류를 통하여 고정자코일(200)로부터 발생되는 주울 열이 잘 배출되게 된다.

즉, 노출부(340)의 축방향 길이는 통풍닥트(120)의 길이보다 크게 하고, 또한 고정자코일(200)을 감싸는 지지부(320)보다 더 길게 형성되게 하여 고정자코일(200)과 공기와의 접촉 면적을 최대한으로 하여 공랭 효과를 최대한으로 할 수 있게 된다.

여기서, 노출부(340)의 축방향 길이는 슬롯(300)의 길이가 긴 방향을 말한다.

그리고, 슬롯(300)의 재질은 비자성체인 것은 어떠한 것도 무방하나, 본 발명에서는 FRP(fiber-reinforced plastic)하여 통상적으로 규소강판으로 이루어진 고정자요오크(100)와 고정자코일(200) 사이에 높은 절연장벽이 존재하여 절연파괴를 방지할 수 있기 때문이다.

절연판(400)은 상부코일(220)과 하부코일(240)의 사이에 구비되어 상부코일(220)과 하부코일(240)을 절연하게 된다.

여기서, 절연판(400)의 재질은 비자성체인 FRP(fiber-reinforced plastic)인 것을 특징으로 하여 절연할 수 있게 된다.

그리고, 절연판(400)은 통풍닥트(120)가 형성된 위치에서 노출부(340)에 의해 외부로 노출되도록 형성되게 된다.

그리고, 절연판(400)은 상부코일(220) 및 하부코일(240)과 이격되도록 슬롯(300) 내부에 고정되게 형성하여 노출부(340)에서 상부코일(220) 및 하부코일(240)의 외주면 전체가 모두 노출되도록 할 수 있다.

그리고, 상기 절연판(400)이 효과적으로 상부코일(220)과 하부코일(240)을 절연하기 위해 다층구조로 구성되게 할 수 있다.

위와 같이, 절연판(400)이 상부코일(220)과 하부코일(240)을 이격되게 실시하기 어려운 경우에는, 절연판(400)의 윗면과 아랫면에 복수개의 돌출된 돌기를 형성되게 하여 상부코일(220)과 하부코일(240)이 절연판(400)에 접촉하더라도 돌기 사이로 공기가 유동되므로 냉각효율을 높일 수 있게 할 수 있다.

그래서, 절연판(400)은 상부코일(220)과 하부코일(240)을 절연할 수 있을뿐만 아니라, 일반적으로 상부코일(220)과 하부코일(240)을 각각의 외주면을 감싸는 절연지가 불필요하게 되므로 외부 공기에 최대한 노출하여 냉각효과를 더 높일 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명은 고정자코일과 공기가 접촉하는 면적을 최대한으로 할 수 있도록 슬롯의 구조를 개선하고, 그리고, 고정자코일이 상부코일과 하부코일로 구성된 것을 상호 접촉하지 않도록 그 사이에 절연판을 구비하여 절연 파괴를 방지한 공랭식 고정자코일 냉각장치를 제공하는 것을 기본적인 기술적인 사상으로 하고 있음을 알 수 있으며, 이와 같은 본 발명의 기본적인 사상의 범주내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이다.

100: 고정자요오크 120: 통풍닥트
200: 고정자코일 220: 상부코일
240: 하부코일 300: 슬롯
320: 지지부 340: 노출부
400: 절연판

Claims (6)

1. 외부의 공기가 유입 또는 배출되도록 하는 복수 개의 통풍닥트가 형성된 고정자요오크;
   상부코일과 하부코일로 구성된 고정자코일;
   상기 상부코일과 하부코일의 사이에 구비되어 상기 상부코일과 하부코일을 절연하는 절연판; 및
   상기 고정자코일의 외부를 감싸고 고정자요오크의 일측에 고정되는 지지부와 상기 고정자코일을 외부로 노출되게 하는 노출부가 반복 형성된 슬롯;이 포함된 것을 특징으로 하는 공랭식 고정자코일 냉각장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 슬롯의 노출부는 상기 통풍닥트가 형성된 위치에 대응되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 공랭식 고정자코일 냉각장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 슬롯의 노출부의 축방향 길이는 상기 통풍닥트의 길이보다 큰 길이를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 공랭식 고정자코일 냉각장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 절연판은 상기 통풍닥트가 형성된 위치에서 상기 노출부에 의해 노출되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 공랭식 고정자코일 냉각장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 절연판의 재질은 FRP(fiber-reinforced plastic)인 것을 특징으로 하는 공랭식 고정자코일 냉각장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 슬롯의 재질은 비자성체인 것을 특징으로 하는 공랭식 고정자코일 냉각장치.
   

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