KR20140043794A

KR20140043794A - 전기 기기 및 이의 작동 방법

Info

Publication number: KR20140043794A
Application number: KR1020147001801A
Authority: KR
Inventors: 미햐엘 프랑크; 요아킴 프라우엔호퍼; 외른 그룬트만; 베르너 헤어커르트; 페터 쿰메트; 볼프강 닉; 하인츠 슈밋트; 하쎌트 페터 판
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2012-07-18
Publication date: 2014-04-10
Also published as: EP2721725B1; AU2012289033A1; AU2012289033B2; WO2013014043A2; WO2013014043A3; DE102011079725A1; EP2721725A2; BR112014001664A2

Abstract

본 발명은 부품으로서 고정자(3) 및 고정자(3)에 대해 회전할 수 있는 회전자(4)를 포함하는 전기 기기(1)에 관한 것으로서, 하나의 부품, 특히 회전자(4)의 극들(14)은 자속을 발생하기 위한 초전도 코일(6)을 포함하며, 이러한 자속의 경로 안에는 하나 이상의 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9) 및 고온 초전도 재료 블록에 할당된, 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9)의 재료의 임계 온도 위로 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9)의 온도를 일시적으로 높이기 위해 초전도 코일(6)에 형성되어 있는 가열 수단(10, 11, 12)이 배치되어 있다.

Description

전기 기기 및 이의 작동 방법{ELECTRICAL MACHINE AND METHOD FOR OPERATING IT}

본 발명은 부품으로서 고정자 및 고정자에 대해 회전할 수 있는 회전자를 포함하는 전기 기기에 관한 것으로서, 하나의 부품, 특히 회전자의 극들은 자속을 발생하기 위한 초전도 코일을 포함한다. 그 외에도, 본 발명은 그와 같은 전기 기기의 작동 방법에 관한 것이다.

전기 기기들은 다양한 응용 분야에서 다양한 실시예로 종래 기술에 널리 공개되어 있다. 극들을 구현하기 위해, 특히 회전자에서 영구 자석들을 사용하는 영구 자석 여자 기기 역시 상기의 공지된 전기 기기에 속한다. 그러나 영구 자석을 사용하면 회전자의 달성가능한 최대 자속이 이 영구 자석에 의해 제한받는다. 더 효율적인 기기를 개발할 수 있기 위해서는 극들에 더 큰 자속이 제공되는 것이 바람직하다.

영구 자석 기기에 비해 증가된 자속 밀도 및 그 결과 증가된 전력 밀도를 전기 코일을 이용해 구현하였던 전기 기기들 역시 공지되어 있다. 특히, 이 경우 소위 초전도 기기를 언급할 수 있으며 이것은 상응하게 냉각되는 초전도 극 권선을 포함하고 있다. 이것으로 특히 높은 전력 밀도가 달성될 수 있다.

이와 같은 초전도 기기, 예컨대 고온 초전도 동기 전동기, 고온 초전도 발전기 또는 동기 조상기의 경우에, 초전도 극 권선이, 특히 회전자 권선으로서 형성되어 냉각되고 연속적으로 전류를 공급받아야 한다. 여자 전류의 이상 시에, 예컨대 전류 공급의 이상으로 또는 냉각 시스템의 고장으로 그 결과 회전자 권선이 회전자 권선의 임계 온도를 넘어 가열되면 초전도 기기가 더 이상 작동할 수 없다. 이는 특히 초전도 기기가, 예컨대 선박에서, 관련 에너지원 등으로서 이용될 때 위험하다.

본 발명의 과제는 특히 이를 개선하여 더 높은 전력 밀도를 달성할 수 있는 및/또는 여자 전류 또는 냉각 시스템의 이상 시에도 향상된 작동 신뢰성을 제공하는 초전도 기기를 제공하는 데 있다.

도입부에 언급한 유형의 전기 기기에 있어서 이와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따라 자속의 경로 안에 하나 이상의 고온 초전도 재료 블록 및 이 고온 초전도 재료 블록에 할당된, 고온 초전도 재료 블록의 재료의 임계 온도 위로 고온 초전도 재료 블록의 온도를 일시적으로 높이기 위해 초전도 코일에 형성되어 있는 가열 수단이 배치되어 있다.

먼저 유의할 점으로서 초전도 권선이 고정자에 제공되어 있는 경우에도 본 발명이 구현될 수 있지만 하기의 실시예들은 대부분의 경우에 대응 부품으로서 회전자에 관한 것이다. 이 경우, 상기 회전자는 내부 회전자일 수도 있고 외부 회전자일 수도 있다. 따라서 본 발명은 초전도 기기의 다양한 유형의 구조에 이용될 수 있다.

본 발명의 기본적인 사상은 초전도 코일(극 권선) 외에도, 초전도 코일의 자속을 소위 "동결"할 수 있는 고온 초전도 벌크 재료로 이루어지는 하나 이상의 고온 초전도 재료 블록 역시 사용하는 것이다. 즉, 극 권선들은, 경우에 따라 기기의 작동을 위한 이용 외에도, 이 부품에 추가로 설치된 고온 초전도 벌크 재료의 자화에 사용된다. 고온 초전도 재료 블록의 고온 초전도 재료의 자화를 위해 이것은 가열 수단에 의해 단시간 자신의 임계 온도 위로 가열된다. 그러나 동시에 초전도 권선은 자신의 임계 온도 아래에서 유지되며 전류를 제공받는다. 고온 초전도 재료 블록이 자신의 임계 온도 위 온도에 있기 때문에 코일의 자속이 고온 초전도 재료 블록으로부터 밀려나지 않고 오히려 이제 일반 전도성인 고온 초전도 재료를 침투한다. 이제 가열 수단이 다시 스위칭오프되면, 고온 초전도 재료 블록이 다시 자신의 임계 온도 아래에 있는 온도로 냉각된다. 이 경우 자속은 고온 초전도 벌크 재료 안에 고정되어("피닝되어") "동결"된다. 이제 초전도 코일을 흐르는 여자 전류가 스위칭오프되면, 고온 초전도 재료 블록에서 "동결"되어 저장된 자속이 유지되고 그 외에도 고온 초전도 재료의 온도가 충분히 낮게 유지되는 한 이용될 수 있다. 물론, 이는 여자 전류의 추후 이상 시에도 적용되므로, 상기 기기가 그와 같은 경우에 거의 "영구 자석 여자 기기"로서 계속 작동될 수 있다.

먼저, 이는 특히, 고온 초전도 재료 블록이 추가로 제공되면, 이와 같은 기기의 고장 안전과 관련하여 매우 유용하다. 일반적으로 고온 초전도 선재 도체, 예컨대 YBCO 선재 도체 또는 Bi2223 선재 도체로 이루어지는 초전도 코일들의 작동 온도가 약 27 - 30 K이고 더 높은 온도인 경우 훨씬 더 적은 전류만을 운반할 수 있는 반면, - 재료에 따라서 - 자속선 고정은 더 높은 온도에서도 고온 초전도 벌크 재료 안에서 매우 효율적이며, 예컨대 최고 약 65K의 온도에서도 여전히 YBCO이 사용되기 때문이다. 그 결과, 냉각 이상 시에 추가 작동 시간을 얻을 수 있다. 여자 전류와 완전한 냉각의 이상 시에도 이 기기는 심지어 장시간 계속 작동될 수 있다.

특히, 구체적으로 구현할 때 초전도 코일에 의해 둘러싸인 부피의 일부만이 하나 이상의 고온 초전도 재료 블록을 통해 채워져 있으면, 결국 본 발명을 통해 추가로, 초전도 코일의 전류 공급을 제어하여 부가적으로 여자 제어를 가능하게 하는 "영구 여자 기기"가 구현된다.

본 발명의 범주 내에서 고온 초전도 재료 블록의 형태로서 우수한 피닝 특성을 갖는 고온 초전도 벌크 재료가 추가로 초전도 극 권선을 포함하는 초전도 기기 안에 통합되어 있다. 어차피 존재하는 초전도 코일(극 권선)이 고온 초전도 재료 블록의 고온 초전도 벌크 재료를 자화하기 위해 사용된다. 이 경우, 초전도체가 초전도 상태에서는 자장이 침투하게 할 수 없는 효과가 사용되지만 일반적인 전도 상태에서는 초전도 재료가 균일하게 자장에 의해 침투된다. 자장이 일반 전도성 초전도체를 침투하고 그 후 이 일반 전도성 초전도체가 냉각을 통해 초전도 상태에 놓이면, 초전도체 내에 자장이 고정된다.

그 결과, 복수의 장점들이 생긴다.

먼저, 이미 설명한 것처럼, 냉각 이상 시에도 이 초전도 기기가 계속 작동될 수 있다. 이 경우, 초전도 코일의 임계 온도에 이를 때까지 여유가 있을 뿐만 아니라 더 나아가서 우수한 피닝 특성을 가지는 고온 초전도 재료 블록의 고온 초전도 재료가 이용되기 때문에 예컨대 30K의 온도 위에서도 분명하게 이 기기가 약 65K의 벌크 온도에 이를 때까지 계속 작동될 수 있다. 초전도 코일을 위한 여자 장치의 이상 시에 이 기기는 고온 초전도 재료 블록 안에 "동결된" 자속을 통해 계속 작동될 수 있다.

자화된 고온 초전도 재료 블록을 가지지만 초전도 코일에 전류 공급이 이루어지지 않은 기기의 작동 시 영구 여자 기기의 특성들이 구현된다. 이러한 작동 상태에서 회전자 전류의 제어가 불필요하고, 더 높은 온도에서 기기는 계속 작동될 수 있다. 고온 초전도 재료 블록을 자화하기 위해 초전도 코일을 사용하므로 더 큰 자장이 이 안으로 도입될 수 있어, 고온 초전도 영구 자석 기기는 일반적인 영구 자석 기기에 비해 더 작게 그리고 더 가볍게 구현될 수 있다.

또한, 단지 초전도 코일에 기반하는 초전도 기기에 비해 고온 초전도 영구 자석 기기는 더 작고 더 가볍다. 같은 크기 및 중량에서 고온 초전도 영구 자석 기기는 앞서 언급한 기기들보다 더 효율적이다. 본 발명에 따라 달성가능한 자속은 고온 초전도 영구 자석 기기에서 자속 발생을 위해 이 기기 안에 존재하는 권선으로 달성할 수 있는 자속보다도 더 크다.

그 외에도, 본 발명에 의해, 이미 설치된 회전자 또는 부품에서 상기 자화가 실시될 수도 있다. 그 결과, 전통적인 영구 자석 기기에 비해 취급 및 조립이 더 용이해진다.

특히, 초전도 코일에 의해 둘러싸인 표면의 일부만이 하나 이상의 고온 초전도 재료 블록으로 채워지면, 예컨대 최대 여자 전류에서 고온 초전도 재료 블록의 첫번째 자화 후에 극 자장이 초전도 코일에 흐르는 전류에 의해 제어되거나 영향받을 수 있다. 이와 같은 방식에 의해 영구 자석 여자 기기가 제어될 수 있으므로 이 기기로 공칭 작동 외에도 과여자 또는 저여자 작동 역시 가능해진다. 제어 가능 영역은 고온 초전도 재료로 채워진 표면 영역 및 자화 동안 이용되는 코일 전류를 통해 결정된다.

특히 유리한 점은 예컨대 유지 목적을 위해 고온 초전도 재료 블록의 자화 제거를 위해 가열 수단이 사용될 수 있어 고온 초전도 재료 블록이 단시간에 자신의 임계 온도 위로 가열될 수 있다는 것이다. 이 경우 물론 초전도 코일을 흐르는 여자 전류가 스위칭오프되어야 한다. 실제 영구 자석 여자 기기에 비해 부품, 특히 회전자의 자화 제거의 가능성이 상당히 중요하다.

이미 언급한 것처럼, 본 발명에 따른 기기의 자화된 고온 초전도 재료 블록이 차갑게, 즉 고온 초전도 재료의 임계 온도 아래에 그리고 열 활성 자속 유동이 자속선의 상당한 이동을 야기하는 온도 아래에 있으면, 본 발명에 따른 기기는 초전도 코일의 사용 없이도 작동될 수 있다. 이는 더 높은 온도에서도, YBCO의 사용 시에 예컨대 약 65K까지 기기의 작동을 가능하게 하며, 이는 특히 제공된 냉각 장치라는 점에서 예컨대 더 효율적인 작동 컨셉을 가능하게 한다.

바람직하게는 고온 초전도 재료 블록은 규정된 약한 열 결합부에 의해 잔여 부품, 특히 잔여 회전자와 연결되어 있다. 고온 초전도 재료를 (잘 규정된 낮은 열전도성을 갖는) 저온 부품에 규정에 따라 열적으로 결합하여, 이 부품과 초전도 코일은 가열 수단을 통해 고온 초전도 재료 블록을 가열하는 동안에도 거의 가열되지 않는다. 결합부, 즉 구체적으로 결합부 재료의 열전도성에 대한 구체적 값들은 특별한 요구 조건들 및 실시예들로부터 도출된다.

그 외에도, 고온 초전도 재료 블록은 코일 코어의 영역에, 즉 궁극적으로 초전도 코일에 의해 둘러싸여 있는 영역 안에 배치될 수 있다. 이 경우, 이미 언급한 것처럼, 초전도 코일에 의해 둘러싸인 전체 영역이 고온 초전도 재료 블록 또는 복수의 고온 초전도 재료 블록들의 고온 초전도 재료에 의해 충전되어 있지 않고 오히려 일반적인 극 코어 재료가, 예컨대 철과 같은 자성 재료 또는 비자성 재료가 추가로 제공될 수 있다. 이는 특히 고온 초전도 재료 블록이 초전도적이어서 그외 자속을 밀어내면 초전도 코일에 의해 발생된 자속에 공간을 제공하므로, 이미 언급한 기기가 제어될 수 있다. 그런 경우 여자 전류에 의해, 어느 정도의 자속이 정확하게 극들에 제공되어야 하는지가 조정될 수 있다. 예컨대 회전자의 축방향으로 복수의 고온 초전도 재료 블록들이 제공될 수 있으며, 이들은 언제나 극 코어 재료로 이루어지는 블록들을 통해 중단되어 있고 경우에 따라서 열결합부에 의해 분리되어 고정된다. 다른 실시예들도 이 경우 생각할 수 있다. 이런 점에서 유의할 점은 고온 초전도 재료 블록이 초전도 코일에 의해 둘러싸여 있는 영역 안에 반드시 위치하여야 하는 것이 아니라 이를 부품 내 자성 경로의 다른 지점들에 설치하는 것도 생각해 볼 수 있다는 것이다.

이미 언급한 것처럼, 2개 이상의 고온 초전도 재료 블록들이 각 초전도 코일을 위해 제공될 수 있다. 이 경우, 별도로 제어할 수 있는 고유의 가열 수단이 각 고온 초전도 재료 블록에 할당되는 것이 특히 유리하다. 그런 경우 복수의 고온 초전도 재료 블록들이 제공되어 각각 개별적으로 가열될 수도 있고 냉각될 수도 있다. 이는 예컨대 고온 초전도 블록들의 벌크 재료 안에 "동결된" 자속을 초전도 코일로 달성할 수 있는 자속보다 훨씬 더 증가시킬 수 있게 한다. 이를 위해 적절한 순서로 초전도 코일에 전류가 공급되고/공급되지 않고 고온 초전도 재료 블록들이 가열/냉각된다. 이와 같은 방식에 의해, 고온 초전도체 안에서 동결될 수 있는 최대 자속 및 개별적으로 열적으로 제어할 수 있는, 코일에 할당된 고온 초전도 재료 블록들의 수(n)에 따라서, 부품 안에서 코일로 발생할 수 있는 자속이 n배까지 "동결될" 수 있다.

일례를 참고로 이를 상술한다. 이 경우, 각 초전도 코일에 대해 3개의 고온 초전도 재료 블록들을 갖는 회전자를 전제하며, 이때 이들 각각에 의해 초전도 코일에 의해 둘러싸여 있는 영역의 삼분의 일이 채워져 있다.

이 경우, 먼저 제1 고온 초전도 재료 블록은 자신의 임계 온도 위 온도로 가열되는 반면, 제2 및 제3 고온 초전도 재료 블록은 초전도(저온) 상태에 있다. 초전도 코일에 전류가 공급된다. 그 결과, 초전도 코일의 자속이 제2 및 제3 고온 초전도 재료 블록에 의해 밀려나므로, 초전도 코일의 전체 자속이 제1 고온 초전도 재료 블록을 침투한다. 가열 수단을 스위칭오프하면 제1 고온 초전도 재료 블록이 냉각되어, 초전도 코일의 전체 자속이 제1 고온 초전도 재료 블록 안에 영구적으로 피닝(동결)된다. 이제, 선택적으로 초전도 코일에 흐르는 여자 전류가 스위칭오프될 수 있다.

그 후 제2 고온 초전도 재료 블록은 가열 수단에 의해 자신의 임계 온도 위 온도로 가열되고 제1 고온 초전도 재료 블록 및 제3 고온 초전도 재료 블록은 초전도(저온) 상태로 된다. 이제 다시 초전도 코일에 전류가 공급되면, 초전도 코일의 자속이 이런 경우에 제1 고온 초전도 재료 블록과 제3 고온 초전도 재료 블록에 의해 밀려나므로, 전체 코일 자속이 제2 고온 초전도 재료 블록을 침투한다. 이것이 이제 다시 가열 수단의 스위칭오프를 통해 냉각되면, 코일의 전체 자속이 제2 고온 전도체 재료 블록 안에서도 "동결"된다. 이제 선택에 따라서 또 초전도 코일을 흐르는 전류가 스위칭오프될 수 있다.

끝으로, 대응하는 가열 수단에 의해 제3 고온 초전도 재료 블록도 자신의 임계 온도 위 온도로 가열되는 반면, 제1 및 제2 고온 초전도 재료 블록은 초전도 상태로, 즉 저온으로 남는다. 초전도 코일에 전류가 공급되면, 이제는 코일의 자속이 이제 제1 및 제2 고온 초전도 재료 블록에 의해 밀려나고 전체 코일 자속이 제3 고온 초전도 재료 블록을 침투한다. 이것 역시 이제 가열 수단의 비활성화를 통해 냉각되므로, 코일의 전체 자속이 제3 고온 초전도 재료 블록 안에 "냉각"된 후, 초전도 코일에 흐르는 전류가 스위칭오프될 수 있다.

결과적으로, 이제 3개의 고온 초전도 재료 블록 안에 합해서 초전도 코일의 3배의 자속이 동결되어 있다.

그러나 별도로 가열할 수 있는 그와 같은 종류의 고온 초전도 재료 블록들을 이용할 수 있는 다른 가능성들 역시 생각할 수 있다. 그외 실시예에서 코일에 의해 둘러싸인 영역의 일부가 고온 초전도 재료 블록들에 의해 채워져 있지 않다. 그 결과, 이미 언급한 것처럼, 영구 자석 여자 기기처럼 거동할 뿐만 아니라 추가로 제어가능한 여자를 갖기도 하는 기기가 구현될 수 있다. 적절하게 설계하면, 즉 특히 고온 초전도 재료 블록들에 의해 채워지는 영역을 적절하게 선택하면, 자신의 공칭 작동 외에도 과여자 및 저여자 작동에도 적합한 기기가 구현될 수 있다. 이는 다시 일례를 참고로 설명된다.

구체적인 실시예에서 초전도 코일에 의해 둘러싸인 영역의 삼분의 일이 고온 초전도 재료에 의해 채워져 있지 않으면, 이 영역의 남는 삼분의 이는 (경우에 따라 복수의 세그먼트들로 구성되는) 가열가능한 고온 초전도 재료 블록으로 채워진다. 위에서 논의한 구체적 실시예와 다르게, 각각 코일의 가능한 최대 자속의 절반이 양 고온 초전도 재료 블록들 안에 고정적으로 피닝될 수 있다. 그러므로 합해서 코일의 가능한 최대 자속이 벌크 재료 안에 "동결되어" 있다. 이제 초전도 코일이 추가로 작동하면, 즉 바이폴라 방식으로 작동하면, 여자가 "0" 자속부터 "초전도 코일의 2배의 최대 자속"까지 제어될 수 있다.

고온 초전도 재료 블록에 대한 재료로서 다른 한 금속이나 또는 복수의 희토류 금속(예컨대 Y, Sm, Nd, Eu, Gd)의 조합, 예컨대 NdBaCuO, SmBaCuO 또는 GdBaCuO를 포함하는 YBCO 또는 123 초전도체를 사용하는 것이 적절한 것으로 증명되었다. 또한, MgB₂를 벌크 재료로서 생각할 수 있다. 이미 설명한 것처럼, 자속선 고정이 YBCO 벌크 재료 안에서 최고 약 65K 온도에서도 여전히 매우 효율적이다. 다른 희토류가 이용되면, 온도는 더 높아질 수 있다.

상기 전기 기기 외에도 본 발명은 본 발명에 따른 전기 기기의 작동 방법에 관한 것으로서, 초전도 코일에 전류가 공급되면 가열 수단에 의해 고온 초전도 재료 블록의 온도가 고온 초전도 재료 블록의 재료의 임계 온도 위로 상승될 수 있으며, 그 후 가열 수단이 비활성화된다. 이와 같은 방식에 의해, 이미 설명한 것처럼, 자속이 고온 초전도 재료 블록 안에 "동결"될 수 있다. 가열 수단의 비활성화를 통해 고온 초전도 재료 블록이 자신의 임계 온도 아래로 냉각되고 자속이 영구적으로 피닝된다. 그 후 초전도 코일 역시 다시 스위칭오프될 수 있다. 전기 기기와 관련한 전체 실시예들이 유사하게 본 발명에 따른 방법에 적용될 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 다른 실시예에서, 각 초전도 코일 및 이에 할당된, 별도로 제어할 수 있는 가열 수단에 대해 고온 초전도 재료 블록들이 복수로 제공되면 방금 언급한 단계들이, 즉 초전도 코일에 전류가 흘러 가열 수단을 통해 고온 초전도 재료 블록의 온도가 고온 초전도 재료 블록의 재료의 임계 온도 위로 상승하고, 그 후 가열 수단이 비활성화되는 단계들이 연속적으로 모든 고온 초전도 재료 블록들에 대해 실시되어, 정확하게 비자화 고온 초전도 재료 블록들의 온도가 고온 초전도 재료 블록들의 재료의 임계 온도 아래에 있다. 이런 절차는 전기 기기와 관련해 이미 상세하게 설명되었으므로, 기본적으로 코일이 자화 프로세스 시 코일의 최대 전류로 작동될 수 있어서, 예컨대 초전도 코일로만 발생될 수 있는 자속의 복수 배에 상응하는 자화가 발생하여 영구적으로 저장될 수 있다. 그러나 또 생각해 볼 수 있는 점으로서, 상기 코일이 고온 초전도 재료 블록의 수에 상응하는 비율의 최대 전류만으로 작동하며, 끝에서 고온 초전도 재료 블록들이 전부 초전도 코일을 통해 발생될 수 있는 최대 자속을 전부 포함하기 때문에, 자속의 각 값이 0 자속부터 초전도 코일을 통해 발생할 수 있는 최대 자속의 두배까지 초전도 코일의 추가적 바이폴라 전류 공급을 통해 발생될 수 있다. 이 경우 특히 적절한 점은 초전도 코일에 의해 둘러싸인 전체 영역이 고온 초전도 재료 블록에 의해 충전되어 있지 않은 것이며, 그런 경우 유의할 점은 코일의 자속이 영구적 피닝 동안 분할되고 여자 전류가 상응하게 적응되어야 한다는 것이다.

본 발명의 그외 장점들 및 세부 내용은 하기에서 설명하는 실시예로부터 그리고 도면을 참고하여 나온다.

도 1은 본 발명에 따른 전기 기기의 개략도이다.
도 2는 이 전기 기기의 한 극에 대한 평면도이다.

도 1에는 본 발명에 따른 전기 기기(1)가 개략적인 형태로 도시되어 있다. 기본적으로 주지하는 것처럼, 기기(1)는 여기에서 단지 개략적으로 표시된 고정자(3)에 대해 회전축(2)을 중심으로 회전가능한 회전자(4)를 포함하며, 회전자는 이 실시예에서 회전자 극들을 지지하지만, 이러한 회전자 극들 중 2개가 도시된 종단면도에서 보인다. 회전자(4)는 회전자 몸체(5)를 포함하며, 회전자 몸체는 여기에서 강자성 재료로 이루어지고 극 권선으로서 초전도 코일(6)을 지지하고 있다. 이 경우, 코일(6)에 의해 각각 둘러싸여 있는 각 영역의 일부는 회전자 몸체(5)의 재료에 의해 충전되어 있으며 고온 초전도 벌크 재료에 의해 커버되어 있지 않다.

코일(6)에 의해 둘러싸인 영역의 나머지 부분에 3개의 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9)이 배치되어 있으며, 이 고온 초전도 재료 블록에는 별도로 제어할 수 있는 가열 수단(10, 11, 12)이 각각 할당되어 있다. 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9)이 약한 열 결합부(13)에 의해 회전자 몸체(5)와 연결되어 있으며, 예컨대 결합부 재료는 규정된 낮은 열전도성을 갖는다. 이런 점 때문에, 가열 수단(10, 11, 12)에 의해 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9)이 단시간 자신의 고온 초전도 재료의 임계 온도 위 온도에 놓일 수 있지만, 코일(6)의 초전도성의 상실을 염려할 필요는 없다. 그럼에도, 가열 수단(10, 11, 12)이 비활성화되면 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9)이 여기에 자세히 도시되어 있지 않은 회전자(4)용 냉각 장치 때문에 다시 임계 온도 아래로 냉각된다.

고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9)에 대한 재료로서 여기에서 YBCO가 사용되었다.

도 2에는 회전자(4)의 하나의 극(14)의 평면도가 도시되어 있다. 코일(6)에 의해 둘러싸여 있는 영역 안에서 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9) 및 이의 가열 수단(10, 11, 12)을 분명히 볼 수 있다.

이런 점에서 유의할 점은 극 몸체(5)의 재료가 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9) 사이로 안으로 들어와 "치형" 구조가 생기는 실시예들도 생각할 수 있다는 것이다.

이제, 코일(6)에 의해 발생된 자속을 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9) 안에 저장하는 것을 기본적인 사상으로 한다. 이는 각 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9)에 가열 수단(10, 11 또는 12)이 특별히 할당되어 있기 때문에 각 고온 초전도 재료 블록에 대하여 개별적으로 발생할 수 있으므로, 예컨대 3개의 모든 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9) 안에 코일(6)의 가능한 최대의 자속을 저장하는 것도 생각할 수 있다. 이와 같은 방식에 의해, 영구적으로 존재하는 자속이 발생될 수 있고, 이런 자속은 초전도 코일(6)로 발생될 수 있는 최대 자속보다 크다.

하나의 고온 초전도 재료 블록(7, 8 또는 9) 안에 자속을 영구적으로 피닝하여 "동결하기" 위해, 이것은 가열 수단(10, 11 또는 12)에 의해 임계 온도보다 높은 온도에 놓이는 반면, 다른 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9) 및 초전도 코일(6)은 각각 자신의 임계 온도 아래에 남는다. 그러므로 자속이 다른 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9)으로부터 밀려나고, 코일(6)에 원하던 여자 전류가 흐르면, 가열된 고온 초전도 재료 블록(7, 8 또는 9)에만 자속이 흐른다. 그 후, 대응하는 가열 수단(10, 11 또는 12)이 다시 스위칭오프될 수 있고 대응하는 고온 초전도 재료 블록(7, 8 또는 9)은 다시 냉각되어 자속이 영구적으로 피닝된다.

이 실시예에서, 코일(6)에 의해 발생가능한 최대 자속의 삼분의 일이 각각 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9) 안에 저장될 수 있으므로, 이들은 코일(6)에 의해 발생될 수 있는 최대 자속 전부를 담고 있다. 코일(6)에 의해 둘러싸여 있는 영역의 일부가 회전자 몸체(5)의 재료에 의해 충전되어 있기 때문에, 코일(6)에 의해 추가로 발생된 자속들에 대해 다른 경로가 형성되므로, 코일에 상응하는 전류를 흘리면 극들의 자속이 0 내지 코일에 의해 발생될 수 있는 최대 자속의 두배까지 제어될 수 있다.

다른 실시예들에서, 기본적으로 코일(6)에 의해 발생될 수 있는 최대 자속을 각 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9) 안에 저장할 수 있도록, 코일(6)에 의해 둘러싸인 전체 영역이 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9)으로 충전될 수도 있다. 코일에 의해 둘러싸인 영역 안에 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9)만이 위치하고 이들 중 하나만이 초전도성을 갖지 않으면, 코일(6)이 동작하여, 초전도성을 갖지 않는 고온 초전도 재료 블록을 통해서만, 코일(6)에 의해 발생되는 자속이 전부 흐르므로 거기에 영구적으로 피닝될 수 있다.

도시된 실시예에는 예로서 3개의 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9)만이 도시되어 있지만, 물론 다른 갯수 역시 가능하고, 예컨대 5개의 고온 초전도 재료 블록이 가능하다.

바람직한 실시예를 통해 본 발명을 자세히 도시하고 설명하였을지라도, 본 발명은 공개한 예들에 의해 제한되지 않으며 이로부터 당업자는 다른 변형들을 본 발명의 보호 범위를 벗어남이 없이 도출할 수 있다.

Claims

부품으로서 고정자(3) 및 고정자(3)에 대해 회전할 수 있는 회전자(4)를 포함하는 전기 기기(1)이며, 하나의 부품, 특히 회전자(4)의 극들(14)은 자속을 발생하기 위한 초전도 코일(6)을 포함하는 전기 기기에 있어서,
자속의 경로 안에 하나 이상의 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9) 및 고온 초전도 재료 블록에 할당된, 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9)의 재료의 임계 온도 위로 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9)의 온도를 일시적으로 높이기 위해 초전도 코일(6)에 형성되어 있는 가열 수단(10, 11, 12)이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 기기.
제1항에 있어서, 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9)은 규정된 약한 열결합부(13)에 의해 잔여 부품과 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 기기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9)은 코일 코어의 영역 안에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 기기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 2개 이상의 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9)이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 기기.
제4항에 있어서, 별도로 제어할 수 있는 고유의 가열 수단(10, 11, 12)이 각 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9)에 할당되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 기기.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9)에 대한 재료로서 다른 한 금속이나 또는 복수의 희토류 금속들의 조합 또는 마그네슘 보라이드를 포함하는 YBCO 또는 123 초전도체가 사용되는 것을 특징으로 하는 전기 기기.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 전기 기기의 작동 방법으로서, 초전도 코일(6)에 전류가 흐르면 가열 수단(10, 11, 12)에 의해 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9)의 온도가 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9)의 재료의 임계 온도 위로 상승될 수 있으며, 그 후 가열 수단(10, 11, 12)이 비활성화되는 전기 기기의 작동 방법.
제7항에 있어서, 별도로 제어할 수 있는 할당된 가열 수단(10, 11, 12)을 구비한 제공된 복수의 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9)의 경우에 제7항에 따른 단계들이 연속적으로 모든 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9)을 위해 실시되고, 정확하게 비자화 고온 초전도 재료 블록들(7, 8, 9)의 온도가 고온 초전도 재료 블록들(7, 8, 9)의 재료의 임계 온도 아래에 있는 것을 특징으로 하는 전기 기기의 작동 방법.
제8항에 있어서, 코일(6)은 고온 초전도 재료 블록(7, 8, 9)의 수에 상응하는 비율의 최대 전류만으로 작동되는 것을 특징으로 하는 전기 기기의 작동 방법.
제7항 또는 제8항에 있어서, 코일(6)은 자화 프로세스 시 코일의 최대 전류로 작동되는 것을 특징으로 하는 전기 기기의 작동 방법.