KR20140101422A - 초전도 회전기의 계자 회전자 - Google Patents

Abstract

회전축(10)과, 복수개의 코일 박스(20)와, 복수개의 초전도 코일을 구비하며, 코일 박스는, 회전축의 중심축방향으로 연장되고, 내부에 공간을 형성하도록 구성된 벽을 구비하고, 회전축의 둘레면에 착탈 가능하게 고정되고, 초전도 코일은, 각각의 코일 박스의 공간에 배치되고, 초전도 회전기의 계자 권선을 이루는 초전도 회전기의 계자 회전자(100).

Description

초전도 회전기의 계자 회전자{FIELD ROTOR OF SUPERCONDUCTING ROTATING MACHINE}

본 발명은, 초전도 회전기(superconducting rotating machine)의 계자 회전자(field rotor)에 관한 것이다.

특허문헌 1은, 초전도 회전기의 로터 코어(rotor core)를 개시한다. 그 초전도 회전기의 로터 코어는, 축 방향으로 관통하는 링(ring) 형태의 공간을 갖는 비자성 재료의 대략 중공 원통체로 구성되어 있다. 로터 코어는, 그 로터 코어의 기단 측에서 말단 측을 향해 흐르는 헬륨 가스와, 그 로터 코어의 말단 측에서 기단 측을 향해 흐르는 헬륨 가스에 의해 냉각된다.

일본특허공개공보 특개 2011-041403호

본 발명은, 초전도 회전기의 계자 회전자에 있어서, 종래보다 더 쉽고 정밀하게 제조할 수 있고, 초전도 코일에 생기는 거대한 전자력을 지지 가능하게 하는 구조를 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명에 따른 제1 초전도 회전기의 계자 회전자는, 회전축과, 복수의 코일 박스(coil box)와, 복수의 초전도 코일을 구비하며, 상기 코일 박스는 상기 회전축의 중심 축 방향으로 연장되고, 내부에 공간을 형성하도록 구성된 벽을 구비하고, 상기 회전축의 둘레면에 착탈 가능하게 고정되며, 상기 초전도 코일은 각각의 상기 코일 박스의 상기 공간에 배치되고, 상기 초전도 회전기의 계자 권선을 이룬다.

본 발명에 따른 제2 초전도 회전기의 계자 회전자는, 회전축과, 복수의 초전도 코일과, 저열수축(低熱收縮) 부재와, 코일 유지 부재를 구비하며, 상기 코일 유지 부재는 상기 코일 유지 부재와 상기 회전축의 둘레면 사이에 상기 초전도 코일을 개재시키는 동시에 상기 회전축의 둘레면에 고정됨으로써 상기 초전도 코일을 상기 회전축의 둘레면에 유지하고, 상기 저열수축 부재는 상기 초전도 코일과 상기 코일 유지 부재 사이 및 상기 초전도 코일과 상기 회전축의 둘레면 사이 중 적어도 어느 한쪽에 설치되고, 평균 열선팽창계수(mean coefficient of linear thermal expansion)가 상기 코일 유지 부재의 평균 열선팽창계수보다 작고, 상기 초전도 코일은, 상기 초전도 회전기의 계자 권선을 이룬다.

본 발명의 초전도 회전기의 계자 회전자에 따르면, 종래보다 더 쉽고 정밀하게 제조할 수 있는 구조를 제공할 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 제1 실시형태의 제1 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자의 개략적인 구성의 일 예를 나타내는 사시도이다.
도 2는 제1 실시형태의 제1 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자의 개략적인 구성을 나타내는 분해도이다.
도 3은 제1 실시형태의 제1 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자의 개략적인 구성을 나타내는 단면 사시도이다.
도 4는 제1 실시형태의 제1 실시예에 있어서 코일 박스(20)를 중심축에 평행하고 또한 둘레면에 수직인 평면을 따라 절단한 단면 구조를 나타내는 개략적인 모식도이다.
도 5는 제1 실시형태의 제1 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자의 냉매 경로의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이다.
도 6은 제1 실시형태의 제2 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자의 개략적인 구성을 나타내는 단면 사시도이다.
도 7은 제1 실시형태의 제2 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자의 개략적인 구성을 나타내는 단면 분해도이다.
도 8은 제2 실시형태의 제3 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이다.
도 9는 제2 실시형태의 제3 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자의 개략적인 구성을 나타내는 분해도이다.
도 10은 제2 실시형태의 제3 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자의 개략적인 구성을 나타내는 단면 사시도이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해 첨부 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 이하의 설명에서 "중심축", "둘레면", "둘레 방향", "직경 방향"은, 특별한 설명이 없는 한, 회전축의 중심축, 둘레면, 둘레 방향, 직경 방향을 각각 가리키는 것으로 한다. 또한, 설명의 편의상, 중심축 방향을 전후 방향으로 하고, 동력이 입출력되는 쪽을 전방, 전력이나 냉매가 입출력되는 쪽을 후방으로 한다.

(제1 실시형태)

제1 실시형태의 제1 양태의 초전도 회전기의 계자 회전자는, 회전축과, 복수의 코일 박스와, 복수의 초전도 코일을 구비하며, 코일 박스는 회전축의 중심축 방향으로 연장되고, 내부에 공간을 형성하도록 구성된 벽을 구비하고, 회전축의 둘레면에 착탈 가능하게 고정되고, 초전도 코일은 각각의 코일 박스의 공간에 배치되고, 초전도 회전기의 계자 권선을 이룬다.

이러한 구성에 따르면, 초전도 코일이 들어있는 코일 박스를 조립하고, 그 후에 코일 박스를 회전축에 설치할 수 있다. 초전도 코일을 회전축에 직접 설치하는 구성과 비교해서 쉽게 정밀하게 계자 회전자를 제조할 수 있다. 또한, 코일 박스에 의해 초전도 코일에 생기는 거대한 전자기력(후프력(Hoop Stress): 코일이 축방향 (권축방향)에 수직인 방향으로 확대되려고 하는 힘)을 지지할 수 있다.

회전축은, 초전도 회전기가 전동기인 경우에는 출력축이 되는 축이고, 초전도 회전기가 발전기인 경우에는 입력축이 되는 축이다.

코일 박스는, 한 개의 부재로 구성되어 있어도 좋고, 복수의 부재로 구성되어 있어도 좋다. 코일 박스를 회전축의 둘레면에 고정하는 방법은 특별히 한정되지 않는다. 고정 방법으로는, 예를 들어, 볼트 고정, 나사 고정, 용접 등을 생각할 수 있다.

코일 박스는, 개폐 가능하게 구성되는 것이 바람직하다. 이러한 구성에서는, 초전도 코일에 출입이 가능해져 보수(maintenance)가 쉬워진다.

코일 박스의 수, 및 초전도 코일의 수는 특별히 한정되지 않는다.

"둘레면"은, 예를 들어, 곡면이어도 좋고, 평면이어도 좋다.

제1 실시형태의 제2 양태의 초전도 회전기의 계자 회전자는, 상기 제1 태양의 계자 회전자이며, 또한 각각의 코일 박스가 내부에 초전도 코일을 냉각하는 냉매를 흐르게 하기 위한 냉매 유로를 갖추고 있다.

이러한 구성에서는, 코일 박스에 냉매 유로가 갖추어져 있기 때문에, 냉매 유로를 회전축에 배치하는 구성과 비교하여 보다 효과적으로 초전도 코일을 냉각할 수 있다.

냉매의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 액체 질소, 액체 헬륨, 저온 헬륨 가스 등을 냉매로 사용할 수 있다. 냉매 유로는, 예를 들어, 코일 박스의 내부 공간에 별개로 설치되어 있어도 좋고, 코일 박스의 벽에 형성되어 있어도 좋고, 코일 박스의 벽에 설치된 구멍과 코일 박스의 내부 공간으로 구성되어도 좋다.

제1 실시형태의 제3 양태의 초전도 회전기의 계자 회전자는, 상기 제2 양태의 계자 회전자이며, 또한 각각의 코일 박스와 둘레면 사이에 중심축 방향 및 회전축의 둘레 방향으로 넓어지는 간극이 형성되어 있다.

이러한 구성에서는, 코일 박스와 회전축이 간극에 의해 단열되기 때문에, 초전도 코일을 더 효과적으로 냉각할 수 있다.

"둘레방향"이란, 축방향 및 직경방향 중 어느 쪽에 대해서도 수직인 방향이다. 둘레면은, 예를 들어, 곡면이어도 좋고, 평면이어도 좋다.

제1 실시형태의 제4 양태의 초전도 회전기의 계자 회전자는, 상기 제3 양태의 계자 회전자이며, 또한 보호 저항을 구비하고, 상기 보호 저항은 간극의 내부에 배치되도록 코일 박스에 고정되고, 각각의 간극에 대응하는 초전도 코일에 병렬로 연결되어 있다.

이러한 구성에서는, 초전도가 파괴되었을 때에 보호 저항에 의해 초전도 코일을 보호할 수 있는 동시에 간극을 효과적으로 이용하여 보호 저항을 격납할 수 있기 때문에 계자 회전자를 보다 소형화할 수 있다.

보호 저항이란, 초전도가 파괴되었을 때에 초전도 코일을 보호하기 위해 초전도 코일과 병렬로 전원 회로에 연결되는 저항을 말한다. 예를 들어, 일부의 초전도 코일에 문제가 발생하고 초전도 상태가 없어져 온도가 상승했을 경우(상전도 전이: 퀀치(quench)), 각각의 초전도 코일 및 보호 저항을 포함한 회로를 전원으로부터 분리함으로써 초전도 코일 안을 흐르고 있던 전류의 에너지가, 보호 저항에 의해 열에너지 등으로 빠르게 변환되어 초전도 코일의 소손(燒損) 등의 가능성이 낮아진다.

"각각의 간극에 대응하는 초전도 코일"이란, 어느 간극이 특정 코일 박스와 회전축 사이에 형성되어 있을 때, 해당하는 특정 코일 박스에 격납된 초전도 코일을 의미한다.

제1 실시형태의 제5 양태의 초전도 회전기의 계자 회전자는, 상기 제1 양태 내지 제4 양태 중 어느 하나의 계자 회전자이며, 또한 저열수축 부재를 구비하고, 상기 저열수축 부재는 코일 박스의 내면과 코일 박스에 수납되는 초전도 코일 사이에 배치되고, 평균 열선팽창계수가 코일 박스의 평균 열선팽창계수보다 작다.

초전도 코일 쪽이 코일 박스보다 냉각에 의한 열수축량이 크면, 열수축량에 차이가 생겨 코일 박스에서 초전도 코일을 냉각하는 전열면의 접촉면압이 작아질 수 있다. 그러한 경우에도, 상기 구성에서는, 저열수축 부재의 열수축량이 작기 때문에 저열수축 부재를 배치하지 않는 경우에 비해 전열면의 접촉면압(contact interface pressure)을 크게 할 수 있다. 초전도 코일의 냉각에 필요한 냉각면의 접촉면압이 적절하게 유지되면, 열전달이 원활하게 이루어진다. 따라서 초전도 코일을 보다 효율적으로 균일하게 냉각할 수 있다.

제1 실시형태의 제6 양태의 초전도 회전기의 계자 회전자는, 상기 제5 양태의 계자 회전자이며, 또한 저열수축 부재의 평균 열선팽창계수는 초전도 코일의 평균 열선팽창계수보다 작다.

이러한 구성에서는, 보다 적극적으로 전열면의 접촉면압을 강하게 할 수가 있다.

저열수축 부재의 구성(재료, 형상, 크기 등)은, 초전도 코일이 손상되지 않는 범위에서 가능한 한 전열면의 접촉면압이 확대되도록 설정하는 것이 바람직하다.

평균 열선팽창계수란, 실온에서의 평균 열선팽창계수를 의미한다. 실온이란, 코일을 냉각하기 전의 온도라고 할 수 있다. 실온에서의 평균 열선팽창계수란, 구체적으로는, 코일을 냉각하기 전의 온도에서부터 냉각되었을 때의 온도까지 온도 범위에서의 평균 열선팽창계수라고 할 수 있다. 보다 구체적으로는, 온도 상승에 따라 물체의 길이가 팽창하는 비율을, 실온을 기준 온도로 1℃(= 1K) 당 나타낸 값이며, 단위는 예를 들어, 1/K라고 할 수 있다. 저열수축 부재와 초전도 코일을 합친 부재 전체에서의 열선팽창량이, 코일 박스의 열선팽창량에 대해 같은 정도이거나 작은 것이 바람직하다.

저열수축 부재가 배치되는 장소는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 회전축의 직경 방향으로 초전도 코일과 대향하는 벽과 초전도 코일 사이에 배치되어 있어도 좋고, 회전축의 둘레방향으로 초전도 코일과 대향하는 벽과 초전도 코일 사이에 배치되어 있어도 좋고, 회전축의 중심축방향으로 초전도 코일과 대향하는 벽과 초전도 코일 사이에 배치되어 있어도 좋다.

초전도 코일은, 통전 시, 후프력에 의해 코일의 축방향(권축방향)에 수직 인 방향(회전축의 중심축방향, 회전축의 둘레방향)으로 넓어지려고 한다. 이 때문에, 코일의 축방향에 수직인 방향으로는 벽과의 간극이 생기기 어렵다. 한편, 코일의 축방향(회전축의 직경방향)으로는 후프력이 작용하지 않기 때문에 벽과의 간극이 생기기 쉽다. 간극이 생기면, 열전도성의 감소를 초래하여 초전도 코일의 온도가 불균일해지기 쉽다. 따라서 회전축의 직경방향으로 초전도 코일과 대향하는 벽과 초전도 코일 사이에 저열수축 부재를 배치하여도 좋다. 이러한 구성에서는, 초전도 코일의 온도 분포를 더 균일화시킬 수 있다. 회전축의 직경방향으로 초전도 코일과 대향하는 벽과 초전도 코일 사이에만 저열수축 부재를 배치하여도 좋다. 이러한 구성에서는, 초전도 코일의 온도 분포 균일화 및 장치의 소형화를 동시에 실현할 수 있다.

제1 실시형태의 제7 양태의 초전도 회전기의 계자 회전자는, 상기 제1 양태 내지 6 양태 중 어느 하나의 계자 회전자이며, 또한 둘레면에 있어서, 코일 박스의 각각에 대응하도록 복수의 오목부가 형성되고, 오목부는 해당하는 코일 박스에 대향하도록 형성되고, 중심축방향으로 연장되는 측면을 가지며, 각각의 코일 박스에 있어서 볼록부가 형성되고, 볼록부는 중심축방향으로 연장되고, 회전축을 향해 돌출 되고, 오목부의 중심축방향으로 연장되는 측면에 접촉하여 끼워진다.

이러한 구성에서는, 초전도 코일에 생기는 토크를, 코일 박스와 회전축의 접촉면을 통해 효율적으로 회전축으로 전달할 수 있다. 또한, 코일 박스와 회전축의 접촉부를 최소화하여 코일 박스와 회전축의 열전도성을 낮게 함으로써 초전도 코일 및 코일 박스를 보다 효율적으로 냉각할 수 있다.

볼록부와 오목부의 접촉은, 측면 전체에서 생길 필요는 반드시 없고, 중심축방향으로 늘어선 선(線)이나 복수 개의 점에서 접촉이 생겨도 좋다.

제1 실시형태의 제8 양태의 초전도 회전기의 계자 회전자는, 상기 제1 양태 내지 제7 양태 중 어느 하나의 계자 회전자이며, 또한 복수의 웨지(wedge) 부재를 구비하며, 회전축의 둘레방향으로 인접한 2개의 코일 박스를 코일 박스 페어(pair)로 할 때, 웨지 부재는 각각 중심축방향으로 연장되고, 각각의 코일 박스 페어에 대해, 그 2개의 코일 박스 페어를 이루는 2개의 코일 박스 사이에 배치되고, 그 2개의 코일 박스 각각과 접촉한다.

이러한 구성에서는, 인접한 2개의 코일 박스에 대해 초전도 코일에 생기는 후프력 중 토크에 기여하지 않는 성분을, 웨지 부재를 통해 상쇄시킬 수 있다.

제1 실시형태의 제9 양태의 초전도 회전기의 계자 회전자는, 상기 제2 양태 내지 제4 양태 중 어느 하나의 계자 회전자이며, 또한 냉매 유로가, 벽 중 회전축에 대향하는 부위의 내부에 형성되어 있다.

이러한 구성에서는, 냉매 유로를 코일 박스와 일체로 형성할 수 있어 더 쉽고 정밀하게 계자 회전자를 제조할 수 있다.

또한, 제1 실시형태에 있어서, 냉매 유로, 간극, 보호 저항, 저열수축 부재, 오목부, 볼록부, 웨지 부재는, 모두 필수 구성 요소가 아니고, 적절하게 생략 가능하다.

본 실시형태에 있어서의 초전도 회전기에는, 예를 들면, 초전도 모터 및 초전도 발전기가 포함된다. 이하의 실시예에서는, 계자 회전자의 계자 권선에, 회전기의 외부에서 전압과 전류가 계속 공급되는 것으로 설명하지만, 회전기의 외부에서 전압과 전류가 계속 공급되지 않고 계자 권선이 이른바 영구 전류 모드로 사용되는 구성을 채용하여도 좋다.

[제1 실시예]

도 1은 제1 실시형태의 제1 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이다. 도 2는 제1 실시형태의 제1 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자의 개략적인 구성을 나타내는 분해도이다. 도 3은 제1 실시형태의 제1 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자의 개략적인 구성을 나타내는 단면 사시도이다. 도 4는 제1 실시형태의 제1 실시예에 있어서 코일 박스(20)를 중심축에 평행하고 또한 둘레면에 수직인 평면을 따라 절단한 단면 구조를 나타내는 개략적인 모식도이다. 도 5는 제1 실시형태의 제1 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자의 냉매 경로의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이다.

제1 실시예의 초전도 회전기의 계자 회전자(100)는, 회전축(10)과, 복수의 코일 박스(20)와, 복수의 초전도 코일(30)을 구비하며, 코일 박스(20)는 회전축(10)의 중심축방향으로 연장되고, 내부에 공간을 형성하도록 구성된 벽(25)을 구비하고, 회전축(10)의 둘레면에 착탈 가능하게 고정되고, 초전도 코일(30)은 각각의 코일 박스(20)의 공간에 배치되고, 초전도 회전기의 계자 권선을 이룬다.

각각의 코일 박스(20)는 내부에 초전도 코일(30)을 냉각하는 냉매를 흐르게 하기 위한 냉매 유로(23)를 구비하고 있다. 냉매 유로(23)는, 벽(25) 중 회전축(10)에 대향하는 부위(회전축(10)에 가장 가까운 쪽에서 중심축방향 및 둘레방향으로 확장되는 벽)의 내부에 형성되어 있다.

계자 회전자(100)는, 저열수축 부재(35)를 구비하며, 저열수축 부재(35)는 코일 박스(20)의 내면과 코일 박스(20)에 수납되는 초전도 코일(30) 사이에 배치되고, 평균 열선팽창계수가 코일 박스의 평균 열선팽창계수보다 작다. 저열수축 부재(35)의 평균 열선팽창계수는 코일 박스의 평균 열선팽창계수 및 초전도 코일의 평균 열선팽창계수 중 어느 것보다 작아도 좋다.

회전축(10)의 둘레면에 있어서, 코일 박스(20)의 각각에 대응하도록 복수의 오목부(11)가 형성되고, 오목부(11)는 해당하는 코일 박스(20)에 대향하도록 형성되고, 회전축(10)의 중심축방향으로 연장되는 측면(12)을 가진다. 각각의 코일 박스(20)에 있어서, 볼록부(24)가 형성되고, 볼록부(24)는 중심축방향으로 연장되며, 회전축(10)을 향해 돌출하고 오목부(11)의 중심축방향으로 연장되는 측면(12)에 접촉하며 끼워진다.

복수의 웨지 부재(40)를 구비하며, 회전축의 둘레방향으로 인접한 2개의 코일 박스(20)를 코일 박스 페어로 할 때, 웨지 부재(40)는 각각 중심축방향으로 연장되고, 각 코일 박스 페어에 대해 그 코일 박스 페어를 이루는 2개의 코일 박스(20) 사이에 배치되고, 그 2개의 코일 박스(20)의 각각과 접촉한다.

각각의 코일 박스(20)와 둘레면 사이에는 중심축방향 및 회전축의 둘레방향으로 확장되는 간극(70)이 형성되어 있다.

이하, 제1 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자(100)에 대해, 더욱 상세하게 설명한다. 본 실시예의 계자 회전자(100)는 6 극형(極型)이다. 제1 실시형태의 계자 회전자는 다극형인 것이 바람직하고, 6극형에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 4 극형, 8 극형 등이어도 좋다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 회전축(10)은 중심축방향으로 관통하는 원통형 공간이 형성된 중공의 대략 육각기둥 형상을 갖는다. 회전축(10)은, 예를 들어, 비자성 재료이며 우수한 저온 특성을 갖는 SUS316 스테인레스 스틸로 형성된다. 회전축(10)의 둘레면(측면, 측둘레면)에는, 중심축방향으로 연장되도록 소정의 깊이로 오목부(12)가 형성되어 있다. 오목부(12)에는 코일 박스(20)를 회전축(10)에 고정하기 위한 나사 구멍이 복수개 형성되어 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 코일 박스(20)는, 상자부(21)와 뚜껑부(22)를 구비하고 있다. 상자부(21) 및 뚜껑부(22)에는, 초전도 코일(30)을 격납하기 위한 오목부가 형성되어 있다. 그 오목부에 2개의 저열수축 부재(35) 사이에 끼워진 초전도 코일(30)이 격납된다. 본 실시예에서는 코일 박스(20)의 수 및 초전도 코일(30)의 수는 모두 6개이다. 코일 박스(20)는, 예를 들어, SUS316 스테인레스 스틸로 형성된다. 상자부(21) 및 뚜껑부(22)에는, 코일 박스(20)를 회전축(10)에 고정하기 위한 나사를 관통시키기 위한 구멍이 복수개 형성되어 있다. 상자부(21)의 오목부에 초전도 코일(30)과 저열수축 부재(35)를 올려놓고 뚜껑부(22)로 뚜껑을 덮음으로써 코일 박스(20)의 내부에 초전도 코일(30)과 저열수축 부재(35)가 격납된다. 그런 다음, 상자부(21) 및 뚜껑부(22)에 형성된 구멍에 볼트 등이 관통되고, 이 볼트 등이 회전축(10)의 오목부(12)에 형성된 나사 구멍에 나사 결합함으로써 코일 박스(20)가 회전축(10)에 탈착 가능하게 고정된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 코일 박스(20)는, 내부에 공간을 형성하도록 구성된 벽(25)을 구비하고 있다. 벽(25) 중 회전축(10)에 대향하는 부위의 내부에는, 벽(25)을 중심축방향으로 직선으로 관통하도록 냉매 유로(23)가 형성되어 있다. 벽의 두께는, 예를 들어, 15mm 이상 30mm 이하로 할 수 있다.

도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 저열수축 부재(35)는, 회전축(10)의 직경방향으로 초전도 코일(30)과 대향하는 벽(25), 즉 도 4에서 상하의 벽(25)과 초전도 코일(30) 사이에 배치되어 있다. 바꾸어 말하면, 저열수축 부재(35)는, 회전축(10)의 둘레면에 평행한 2개의 벽(25) 각각과, 초전도 코일(30) 사이에 배치되어 있다. 초전도 코일(30)은, 통전 시, 후프력에 의해 코일의 축방향(권축방향)에 수직인 방향(회전축(10)의 중심축방향, 회전축의 둘레방향)으로 확장되려고 한다. 이 때문에, 코일의 축방향(권축방향)에 수직인 방향으로는 벽(25)과의 간극이 생기기 어렵다. 한편, 코일의 축방향(회전축(10)의 직경방향)으로는, 후프력이 작용하지 않기 때문에 벽과의 간극이 생기기 쉽다. 간극이 생기면, 열전도성의 저하를 초래하여 초전도 코일의 온도가 불균일해지지 쉽다. 따라서 코일의 축방향(회전축(10)의 직경방향)으로 초전도 코일(30)과 대향하는 벽(25)과 초전도 코일(30) 사이에 저열수축 부재(35)를 배치하여도 좋다. 이러한 구성에서는, 초전도 코일(30)의 온도 분포를 더 균일화시킬 수 있다. 저열수축 부재(35)는, 예를 들어, 탄소강, 니켈강 등을 이용하여 구성할 수 있다. 저열수축 부재(35)의 형상 및 재질은, 운전 시에 초전도 코일(30)을 냉각했을 때에, 초전도 코일(30)이 충분한 접촉면압을 받아서 코일 박스(20)의 내부에 유지되도록 적절하게 설정될 수 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 냉매 배관(50)은, 코일 박스(20)의 전후 단부에 있어서, 조인트 등에 의해 냉매 유로(23)와 연결되어 있다. 액체 질소, 액체 헬륨, 저온 헬륨 가스 등의 냉매는, 냉매 배관(50)을 통하여 냉매 유로(23)로 공급된다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 냉매 배관(50)은, 원통형 공간의 내부에서 중심축으로부터 소정의 거리만큼 떨어져서 중심축방향으로 연장되는 공급 중앙 배관(51)과, 원통형 공간의 내부에서 중심축과 동축으로 연장되는 배출 중앙 배관(52)과, 회전축(10)의 후단부에 설치된 제1 공급 분기 조인트(53)를 기점으로 공급 중앙 배관(51)에서 120도 피치로 3방향(모두 직경 방향)으로 분기하고, 각각 대응하는 코일 박스(20)에 관련된 냉매 유로(23)의 입구에 연결되는 제1 공급 가지 배관(54)과, 회전축(10)의 후단부에 설치된 제1 배출 분기 조인트(55)를 기점으로 배출 중앙 배관(52)에서 120도 피치로 3방향(모두 직경 방향)으로 분기하고, 각각 해당하는 코일 박스(20)에 관련된 냉매 유로(23)의 출구에 연결되는 제1 배출 가지 배관(56)과, 회전축(10)의 전단부에 설치된 제2 공급 분기 조인트(57)를 기점으로 공급 중앙 배관(51)에서 120도 피치로 3방향(모두 직경방향)으로 분기하고, 각각 해당하는 코일 박스(20)에 관련된 냉매 유로(23)의 입구에 연결되는 제2 공급 가지 배관(58)과, 회전축(10)의 전단부에 설치된 제2 배출 분기 조인트(59)를 기점으로 배출 중앙 배관(52)에서 120도 피치로 3방향(모두 직경방향)으로 분기하고, 각각 해당하는 코일 박스(20)에 관련된 냉매 유로(23)의 출구에 연결되는 제2 배출 가지 배관(60)을 구비하고 있다.

중심축방향에서 보면, 제1 공급 가지 배관(54)과 제2 공급 가지 배관(58)은 60도 피치로 어긋나도록 중심축에서 연장되어 있고, 결과적으로 총 6개의 공급 배관이 60도 피치로 등간격으로 방사형으로 연장된다. 또한, 중심축방향에서 보면, 제1 배출 가지 배관(56)과 제2 배출 가지 배관(60)은 60도 피치로 어긋나도록 중심축에서 연장되어 있고, 결과적으로 총 6개의 배출 배관이 60도 피치로 등간격으로 방사형으로 연장된다.

냉매 배관(50)은, 예를 들면, SUS316 스테인레스 스틸로 형성된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 냉매 유로(23)는, 입구가 코일 박스(20)의 전단 또는 후단 중 어느 하나의 벽(25)에서 제1 공급 가지 배관(54) 또는 제2 공급 가지 배관(58)과 연결되고, 중심축방향으로 직진하다가, 타단 부근에서 되접어 꺾이고, 다시 중심축방향으로 직진하며, 코일 박스(20)의 전단 또는 후단 중 어느 하나의 벽(25)에서 제1 배출 가지 배관(56) 또는 제2 배출 가지 배관(60)과 연결된다. 즉, 냉매 유로(23)는, 코일 박스(20)의 전단 측에 입구가 형성되고, 코일 박스(20)의 후단 측에서 되접어 꺾여 코일 박스(20)의 전단 측에 출구가 형성되는 유로와, 코일 박스(20)의 후단 측에 입구가 형성되고, 코일 박스(20)의 전단 측에서 되접어 꺾여 코일 박스(20)의 후단 측에 출구가 형성되는 유로가, 인접한 코일 박스(20)마다 교대로 배치된다.

냉매 유로(23)는, 예를 들어, 코일 박스(20)의 길이방향을 전후방향으로 전단 또는 후단 중 어느 하나의 벽(25)에서 드릴 등으로 반대 측의 단부까지 연장되는 직선형 유로를 형성하고, 해당 유로의 단부에 연결되도록 되접어 꺾이는 부위용이 유로를 측면에서 드릴 등으로 형성하고, 마지막으로 측면 부근의 여분의 유로를 용접 등으로 밀봉함으로써 형성할 수 있다.

이러한 구성에 있어서, 냉매는, 도 5에서 화살표로 나타낸 방향으로 흐른다. 즉, 회전축(10)의 후방에서 공급 중앙 배관(51)으로 공급된 냉매는, 후단부의 제1 공급 분기 조인트(53)를 통해 3개의 제1 공급 가지 배관(54)으로 공급되는 동시에, 전단부의 제2 공급 분기 조인트(57)를 통해 3개의 제2 공급 가지 배관(58)으로 공급된다. 제1 공급 가지 배관(54)으로 공급된 냉매는, 냉매 유로(23)를 경유하여 제1 배출 가지 배관(56)으로 공급된다. 제2 공급 가지 배관(58)으로 공급된 냉매는, 냉매 유로(23)를 경유하여 제2 배출 가지 배관(60)으로 공급된다. 제1 배출 가지 배관(56)에 공급된 냉매는, 후단부의 제1 배출 분기 조인트(55)를 통해 배출 중앙 배관(52)으로 공급된다. 제2 배출 가지 배관(60)에 공급된 냉매는, 전단부의 제2 배출 분기 조인트(59)를 통해 배출 중앙 배관(52)으로 공급된다. 배출 중앙 배관(52)으로 공급된 냉매는, 회전축(10)의 후방으로 배출된다.

이상과 같은 구성에 따르면, 냉매 배관(50) 및 냉매 유로(23)를 흐르는 냉매에 의해 6개의 코일 박스(20) 및 그 내부에 격납된 초전도 코일(30)을 효과적으로 냉각할 수 있다. 또한, 상술한 냉매 배관(50) 및 냉매 유로(23)의 구체적인 구성은 어디까지나 일 예에 지나지 않고, 냉매의 종류, 회전축(10) 및 코일 박스(20)의 재료, 크기 등에 따라 적절하게 구성을 변경할 수 있음은 말할 필요도 없다.

도 3에 도시된 바와 같이, 간극(70)은, 오목부(11)와 볼록부(24) 사이에 형성된다. 더욱 상세하게는, 오목부(11)의 바닥면과 볼록부(24)의 상면 사이에 형성된다. 간극(70)은, 예를 들면, 오목부(11)의 바닥면 및 볼록부(24)의 상면을 평면형으로 구성하고, 오목부(11)의 깊이(측면(12)의 높이)를 볼록부(24)의 높이(측면(26)의 높이)보다 크게 함으로써 형성될 수 있다. 간극(70)의 높이(두께)는, 보호 저항(75)을 격납하고 또한 회전축(10)에서 코일 박스(20)로의 전열을 억제하는데 충분한 크기인 것이 바람직하며, 구체적으로는 예를 들면, 3mm 이상 10mm 이하로 하는 것이 바람직하다. 여기서 말하는 높이(두께)란, 회전축(10)의 직경방향의 높이(두께)를 말한다.

회전축(10)은, 외부의 베어링 등으로부터 전열되기 때문에, 냉각되기 어렵다. 간극(70)이 마련됨으로써 상대적으로 고온의 회전축(10)과 상대적으로 저온의 코일 박스(20)가 단열되어 코일 박스(20)의 내부에 격납된 초전도 코일(30)을 더욱 효율적으로 냉각할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 초전도 코일(30)은, 이른바 레이스 트럭(Race Truck)형 코일이다. 레이스 트럭형 코일에서는, 특히 직선 부분에서, 통전 시에 발생하는 후프력이 커져 코일이 기계적으로 파괴될 위험성이 높아진다. 본 실시예에서는, 코일 박스(20)의 벽(25)에 의해, 후프력에 대항하는 항력이 초전도 코일(30)에 부여되기 때문에, 이러한 파괴의 위험성을 크게 줄일 수 있다. 초전도 코일(30)은, 예를 들어, 비스머스계 초전도 선재나 이트륨계 초전도 선재로 구성된다. 초전도 코일(30)은, 예를 들어, 냉매 유로(23)를 흐르는 냉매에 의해 30K 정도까지 냉각됨으로써 초전도 상태가 된다.

초전도 코일(30)은, 예를 들어, 6개의 계자극을 이루는 6개의 초전도 코일(30)이, 코일 박스(20)의 벽(25)에 형성된 구멍(미도시)을 통과하는 배선(미도시)에 의해 모두 직렬로 연결된다. 초전도 코일(30)이 이루는 전류 경로의 양단이 회전축(10)의 내부를 경유하는 배선(미도시)과 브러시(미도시)에 의해 회전기의 외부로 인도되어 전원(미도시)에 연결된다. 배선에 통전이 되면, 6개의 초전도 코일(30)이, 둘레방향으로 교대로 N극과 S극으로 여자된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 회전축(10)의 6개의 둘레면에는, 각각 대응하는 코일 박스(20)의 볼록부(24)가 끼이도록 오목부(11)가 형성되어 있다. 오목부(11)는, 중심축을 따라 연장되고 또한 직경방향에 평행한 2개의 측면(12)과, 중심축을 따라 연장되고 또한 둘레방향에 평행한 1개의 바닥면을 갖는다. 각각의 코일 박스(20)에는, 각각 대응하는 회전축(10)의 오목부(11)에 끼이도록 볼록부(24)가 형성되어 있다. 볼록부(24)는, 중심축을 따라 연장되고 또한 직경방향에 평행한 2개의 측면(26)과, 중심축을 따라 연장되고 또한 둘레방향에 평행한 1개의 상면을 갖는다. 오목부(11)의 바닥면과 볼록부(24)의 상면은, 폭이 대략 같고, 측면(12)과 측면(26)이 면 접촉함으로써 볼록부(24)가 오목부(11)에 끼인다.

또한, 측면(12) 및 측면(26)은, 반드시 직경방향에 평행할 필요는 없다. 측면(12) 및 측면(26)은, 양쪽이 접촉함으로써 토크가 코일 박스(20)에서 회전축(10)으로 전달될 수 있도록 구성되어 있는 것이 바람직하다. 따라서 측면(12) 및 측면(26)은 직경방향에 대해 0도보다 크고 90도보다 작은 소정의 각도를 이루는 평면에 평행하여도 좋다. 측면(12) 및 측면(26)은, 평면일 필요는 없고, 곡면이어도 좋다. 측면(12) 및 측면(26)은, 전체적으로 접촉하여도 좋고, 부분적으로만 접촉하여도 좋다. 웨지 부재(40)를 중심축에 수직인 면으로 절단한 단면은, 중심축을 향해 폭이 좁아지는 테이퍼 모양의 형상을 갖는다.

도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 웨지 부재(40)는, 회전축(10)의 둘레방향으로 인접한 2개의 코일 박스(20)에 협지되어 있다. 즉, 1개의 웨지 부재(40)는, 서로 인접한 둘레면의 경계 중 1개에 대응한다. 코일 박스(20)는, 중심축을 따라 연장되고 또한 직경방향에 평행한 2개의 측면을 가진다. 웨지 부재(40)도, 중심축을 따라 연장되고 또한 직경에 평행한 2개의 측면을 가진다.

웨지 부재(40)에는, 웨지 부재(40)를 회전축(10)에 고정하기 위한 나사를 관통시키기 위한 구멍이 복수개 형성되어 있다. 코일 박스(20)와 웨지 부재(40)는, 각각 볼트 등의 나사를 이용하여 회전축(10)에 고정된다. 이러한 고정이 이루어지면, 코일 박스(20)의 측면과 웨지 부재(40)의 측면이 면 접촉한다. 두 측면은, 전체적으로 접촉하여도 좋고, 부분적으로만 접촉하여도 좋다.

[제2 실시예]

도 6은 제1 실시형태의 제2 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자의 개략적인 구성을 나타내는 단면 사시도이다. 도 7은 제1 실시형태의 제2 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자의 개략적인 구성을 나타내는 단면 분해도이다. 본 실시예에 따른 계자 회전자는, 조립 후의 전체 외관은 제1 실시예에 대해 도 1에서 나타낸 것과 동일하므로 도시를 생략한다.

제1 실시예의 초전도 회전기의 계자 회전자(110)는, 제1 실시예의 계자 회전자(100)에 있어서, 보호 저항(75)을 더 구비하고, 보호 저항(75)은 간극(70)의 내부에 배치되도록 코일 박스(20)에 고정되고, 각각의 간극(70)에 해당하는 초전도 코일(30)에 병렬로 연결되어 있다.

이하, 제2 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자(110)에 대해서 더욱 상세하게 설명한다. 또한, 상술한 구성 이외에 대해서는, 제1 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자(100)와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

보호 저항(75)은, 예를 들어, 스테인리스 스틸 또는 티타늄으로 구성된다. 보호 저항(75)의 저항값은 예를 들어, 5Ω으로 할 수 있다. 보호 저항(75)은, 그 전부가 간극(70)의 내부에 배치되는 것이 바람직하다.

보호 저항(75)은, 초전도 코일(30)과 회전기 외부에 설치된 전원(미도시)을 포함하여 구성되는 회로에서, 초전도 코일(30)과 병렬로 연결된다. 보호 저항(75)은, 각각의 계자극을 이루는 초전도 코일(30)마다 설치되어 있는 것이 바람직하다. 즉, 1개의 계자극을 이루는 초전도 코일(30)을 1개의 코일이라고 생각했을 경우에는, 각각의 코일마다 보호 저항(75)이 설치되어 있는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는, 1개의 계자극에 대응하여 1개의 코일 박스(20)와 1개의 초전도 코일(30)과 1개의 보호 저항(75)이 설치된다. 또한, 계자극의 개수와 코일 박스(20)의 개수와 초전도 코일(30)의 개수와 보호 저항(75)의 개수의 관계는 특별히 한정되지 않고, 서로 동일해도 좋고 달라도 좋고 일부가 동일하고 일부가 달라도 좋다.

초전도 코일(30) 및 보호 저항(75)을 포함한 회로가 전원으로부터 분리되는 것은 예를 들어, 전원 근방에 설치된 보호 스위치 등에 의해 실현된다. 그 보호 스위치는, 예를 들면, 초전도 코일(30)에 연결되는 배선과 보호 저항(75)에 연결되는 배선이 분기하는 점과 전원 사이의 배선 상에 설치된 스위치로 구성될 수 있다. 혹은, 그 보호 스위치는, 예를 들면, 초전도 코일(30)에 연결되는 배선과 보호 저항(75)에 연결되는 배선이 만나는 점과 전원 사이의 배선 상에 설치된 스위치로 구성될 수 있다.

초전도 상태가 실현되어 있을 때는, 스위치가 폐로(閉路)를 하고 있다. 퀀치 검출기(미도시)에 의해 초전도 코일(30)의 퀀치(상전도전이)가 발견되면, 스위치가 개로(開路)를 하도록 제어된다. 스위치가 개로를 하면, 초전도 코일(30)과 보호 저항(75)으로 회로가 형성되고, 초전도 코일(30) 안을 흐르고 있던 전류의 에너지가, 보호 저항(75)에 의해 열에너지 등으로 급속하게 변환되어 초전도 코일(30) 소손 등의 가능성이 감소된다.

퀀치 검출기, 보호 스위치 및 보호 저항 등의 구체적인 구성은, 주지의 구성을 채용할 수 있으므로 상세한 설명을 생략한다.

(제2 실시형태)

제2 실시형태의 제1 양태의 초전도 회전기의 계자 회전자는, 회전축과, 복수개의 초전도 코일과, 저열수축 부재와, 코일 유지 부재를 구비하며, 코일 유지 부재는, 코일 유지 부재와 회전축의 둘레면 사이에 초전도 코일을 개재시키는 동시에 회전축의 둘레면에 고정됨으로써 초전도 코일을 회전축의 둘레면에 유지하고, 저열수축 부재는 초전도 코일과 코일 유지 부재 사이 및 초전도 코일과 회전축의 둘레면 사이 중 적어도 어느 한쪽에 설치되고, 평균 열선팽창계수가 코일 유지 부재의 평균 열선팽창계수보다 작고, 초전도 코일은, 초전도 회전기의 계자 권선을 이룬다.

이러한 구성에서는, 냉각에 의해 초전도 코일이 수축하여도 저열수축 부재에 의해 초전도 코일과 코일 유지 부재의 간극이 원하는 압력을 가지며 충전되어 열전도가 원활하게 이루어짐으로써 초전도 코일을 보다 효율적이고 균일하게 냉각할 수 있다.

회전축은, 초전도 회전기가 전동기인 경우에는 출력축이 되는 축이며, 초전도 회전기가 발전기인 경우에는 입력축이 되는 축이다.

코일 유지 부재는, 예를 들어, 회전축과의 사이에서 초전도 코일을 협지하는 판형 부재이어도 좋다. 혹은, 코일 유지 부재는 제1 실시예에서 설명한 바와 같은 코일 박스이어도 좋다.

"둘레면"은, 예를 들어, 곡면이어도 좋고, 평면이어도 좋다.

"코일 유지 부재와 회전축의 둘레면 사이에 초전도 코일을 개재시킨다"란, 코일 유지 부재의 적어도 일부와 회전축의 둘레면 사이에 초전도 코일을 개재시키는 양태를 포함한다. 구체적으로는 예를 들면, 코일 유지 부재가 초전도 코일을 내부에 격납하는 코일 박스인 경우, 코일 박스의 벽 중 회전축의 둘레면과 반대쪽(직경방향의 바깥쪽)의 벽(코일 유지 부재의 일부)과 회전축의 둘레면 사이에, 초전도 코일이 배치되게 된다. 이러한 양태에 있어서도, 코일 유지 부재와 회전축의 둘레면 사이에 초전도 코일을 개재시키고 있다고 말할 수 있다.

평균 열선팽창계수란, 실온에서의 평균 열선팽창계수를 의미한다. 실온이란, 코일을 냉각하기 전의 온도라고 할 수 있다. 실온에서의 평균 열선팽창계수란, 구체적으로는, 코일을 냉각하기 전의 온도에서부터 냉각되었을 때의 온도까지 온도 범위에서의 평균 열선팽창계수라고 할 수 있다. 더욱 구체적으로는, 예를 들면, 온도의 상승에 따라 물체의 길이가 팽창하는 비율을, 실온을 기준 온도로 1℃(= 1K) 당 나타낸 값이며, 단위는 예를 들어, 1/K라고 할 수 있다. 저열수축 부재와 초전도 코일을 합친 부재 전체에서의 열선팽창량이, 코일 유지 부재의 열선팽창량에 대해 동일한 정도이거나 작은 것이 바람직하다.

제2 실시형태의 제2 양태의 초전도 회전기의 계자 회전자는, 상기 제1 양태의 계자 회전자이며, 또한, 저열수축 부재의 평균 열선팽창계수가 초전도 코일의 평균 열선팽창계수보다 작다.

이러한 구성에서는, 보다 적극적으로 전열면의 접촉면압을 강하게 할 수 있다.

제2 실시형태의 제3 양태의 초전도 회전기의 계자 회전자는, 상기 제1 양태 또는 제2 양태의 계자 회전자이며, 또한, 코일 유지 부재는 코일 박스이고, 코일 박스는, 회전축의 중심축방향으로 연장되고, 내부에 공간을 형성하도록 구성된 벽을 구비하고, 회전축의 둘레면에 착탈 가능하게 고정되고, 초전도 코일은 각각의 코일 박스의 공간에 배치된다.

이러한 구성에서는, 초전도 코일을 격납한 코일 박스를 조립하고, 그 후에 코일 박스를 회전축에 설치할 수 있다. 초전도 코일을 회전축에 직접 설치하는 구성과 비교하여 쉽고 정밀하게 계자 회전자를 제조할 수 있다.

코일 박스에 대해서는 제1 실시형태와 동일하게 할 수 있으므로 상세한 설명을 생략한다.

제1 실시형태의 제4 양태의 초전도 회전기의 계자 회전자는, 상기 제3 양태의 계자 회전자이며, 또한 각각의 코일 박스가, 내부에 초전도 코일을 냉각하는 냉매를 흐르게 하기 위한 냉매 유로를 갖추고 있다.

이러한 구성에서는, 코일 박스에 냉매 유로가 구비되어 있기 때문에, 냉매 유로를 회전축에 배치하거나 하는 구성과 비교하여 더욱 효과적으로 초전도 코일을 냉각할 수 있다.

냉매에 대해서는, 제1 실시형태와 동일하게 할 수 있으므로 상세한 설명을 생략한다.

제2 실시형태의 제5 양태의 초전도 회전기의 계자 회전자는, 상기 제4 양태의 계자 회전자이며, 또한 각각의 코일 박스와 둘레면 사이에 중심축방향 및 회전축의 둘레방향으로 확장되는 간극이 형성되어 있다.

이러한 구성에서는, 코일 박스와 회전축이 간극에 의해 단열되기 때문에, 초전도 코일을 더 효과적으로 냉각할 수 있다.

"둘레방향"이란, 축방향 및 직경방향 중 어느 하나에 대해서도 수직인 방향이다. 둘레면은, 예를 들어, 곡면이어도 좋고, 평면이어도 좋다.

제2 실시형태의 제6 양태의 초전도 회전기의 계자 회전자는, 상기 제5 양태의 계자 회전자이며, 보호 저항을 더 구비하고, 보호 저항은, 간극의 내부에 배치되도록 코일 박스에 고정되고, 각각의 간극에 해당하는 초전도 코일에 병렬로 연결되어 있다.

이러한 구성에서는, 초전도가 파괴되었을 때에 보호 저항에 의해 초전도 코일을 보호할 수 있는 동시에, 간극을 효과적으로 이용하여 보호 저항을 격납할 수 있기 때문에 계자 회전자를 더욱 소형화할 수 있다.

보호 저항에 대해서는 제1 실시형태와 동일하게 할 수 있으므로 상세한 설명을 생략한다.

제2 실시형태의 제7 양태의 초전도 회전기의 계자 회전자는, 상기 제1 양태 내지 제6 양태 중 어느 하나의 계자 회전자이며, 또한 둘레면에 있어서 코일 박스의 각각에 대응하도록 복수의 오목부가 형성되고, 오목부는 대응하는 코일 박스에 대향하도록 형성되고, 중심축방향으로 연장되는 측면을 가지며, 각각의 코일 박스에 있어서 볼록부가 형성되고, 볼록부는 중심축방향으로 연장되고, 회전축을 향해 돌출하고, 오목부의 중심축방향으로 연장되는 측면에 접촉하며 끼워진다.

이러한 구성에서는, 초전도 코일에 생기는 토크를, 코일 박스와 회전축과의 접촉면을 통해 효율적으로 회전축으로 전달할 수 있다. 또한, 코일 박스와 회전축의 접촉부를 최소화하여 코일 박스와 회전축의 열전도성을 낮게 함으로써 초전도 코일 및 코일 박스를 보다 효율적으로 냉각할 수 있다.

제2 실시형태의 제8 양태의 초전도 회전기의 계자 회전자는, 상기 제1 양태 내지 제7 양태 중 어느 하나의 계자 회전자이며, 또한 복수개의 웨지 부재를 구비하고, 회전축의 둘레방향으로 인접한 2개의 코일 박스를 코일 박스 페어로 할 때, 웨지 부재는 각각 중심축방향으로 연장되고, 각각의 코일 박스 페어에 대해, 그 코일 박스 페어를 이루는 2개의 코일 박스 사이에 배치되고, 그 2개의 코일 박스의 각각과 접촉한다.

이러한 구성에서는, 인접한 2개의 코일 박스에 대해 초전도 코일에 생기는 후프력 중 토크에 기여하지 않는 성분을 웨지 부재를 통해 상쇄시킬 수 있다.

제2 실시형태의 제9 양태의 초전도 회전기의 계자 회전자는, 상기 제2 양태 내지 제4 양태 중 어느 하나의 계자 회전자이며, 또한 냉매 유로가 벽 중 회전축에 대향하는 부위의 내부에 형성되어 있다.

이러한 구성에서는, 냉매 유로를 코일 박스와 일체로 형성할 수 있으며, 또한 쉽고 정밀하게 계자 회전자를 제조할 수 있다.

또한, 제2 실시형태에서, 코일 박스, 냉매 유로, 간극, 보호 저항, 오목부, 볼록부, 웨지 부재는, 모두 필수 구성 요소가 아니고 적절하게 생략 가능하다.

본 실시형태에 따른 초전도 회전기에는, 예를 들면, 초전도 모터 및 초전도 발전기가 포함된다. 이하의 실시예에서는, 계자 회전자의 계자 권선에, 회전기의 외부로부터 전압과 전류가 계속 공급되는 것으로 설명하지만, 회전기의 외부로부터 전압과 전류가 계속 공급되지 않고 계자 권선이 이른바 영구 전류 모드로 사용되는 구성을 채용하여도 좋다.

[제3 실시예]

도 8은 제2 실시형태의 제3 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이다. 도 9는 제2 실시형태의 제3 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자의 개략적인 구성을 나타내는 분해도이다. 도 10은 제2 실시형태의 제3 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자의 개략적인 구성을 나타내는 단면 사시도이다.

제3 실시예의 초전도 회전기의 계자 회전자(120)는, 회전축(15)과, 복수의 초전도 코일(30)과, 저열수축 부재(35)와, 코일 유지 부재(27)를 구비하며, 코일 유지 부재(27)는, 코일 유지 부재(27)와 회전축(15)의 둘레면 사이에 초전도 코일(30)을 개재시키는 동시에 회전축(15)의 둘레면에 고정됨으로써 초전도 코일(30)을 회전축(15)의 둘레면에 유지하고, 저열수축 부재(35)는 초전도 코일(30)과 코일 유지 부재(27) 사이 및 초전도 코일(30)과 회전축(15)의 둘레면 사이 중 적어도 어느 한쪽에 설치되고, 평균 열선팽창계수가 코일 유지 부재(27)의 평균 열선팽창계수보다 작다. 저열수축 부재(35)의 평균 열선팽창계수는 코일 유지 부재(27)의 평균 열선팽창계수 및 초전도 코일(30)의 평균 열선팽창계수 중 어느 것보다 작아도 좋다. 초전도 코일(30)은, 초전도 회전기의 계자 권선을 이룬다.

이하, 제3 실시예에 따른 초전도 회전기의 계자 회전자(120)에 대해 더욱 상세히 설명한다. 본 실시예의 계자 회전자(120)는 6 극형이다. 제2 실시형태의 계자 회전자는 다극형인 것이 바람직하고, 6 극형에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 4극형, 8극형 등이어도 좋다.

도 8, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 회전축(15)은, 중심축방향으로 관통하는 원통형 공간이 형성된 중공의 대략 육각기둥 형상을 가진다. 회전축(15)은, 예를 들어, 비자성 재료이며 우수한 저온 특성을 갖는 SUS316 스테인레스 스틸로 형성된다. 회전축(15)의 둘레면(측면, 측둘레면)에는, 중심축방향으로 연장되도록 소정의 깊이로 오목부(13)가 형성되어 있다. 오목부(13)는, 위에서 볼 때, 초전도 코일(30)과 대략 동일한 형상을 가진다. 오목부(13)에는, 코일 유지 부재(27)를 회전축(15)에 고정하기 위한 나사 구멍이 복수개 형성되어 있다. 오목부(13)에, 2개의 저열수축 부재(35) 사이에 끼워진 초전도 코일(30)의 일부가 격납된다.

도 8, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 코일 유지 부재(27)는, 회전축과의 사이에 초전도 코일을 협지하는 중심축방향 및 둘레방향으로 확장되는 판형 부재로 이루어진다. 코일 유지 부재(27)에는, 초전도 코일(30)을 격납하기 위한 오목부(28)가 형성되어 있다. 오목부(28)에, 2개의 저열수축 부재(35) 사이에 끼워진 초전도 코일(30)의 일부가 격납된다. 본 실시예에서는 코일 유지 부재(27)의 수 및 초전도 코일(30)의 수는 모두 6개이다. 코일 유지 부재(27)는, 예를 들면, SUS316 스테인레스 스틸로 형성된다. 코일 유지 부재(27)에는, 코일 유지 부재(27)를 회전축(15)에 고정하기 위한 나사를 관통시키기 위한 구멍이 복수개 형성되어 있다. 오목부(13)에 초전도 코일(30)과 저열수축 부재(35)를 올려놓고, 코일 유지 부재(27)로 뚜껑을 덮음으로써 회전축(15)과 코일 유지 부재(27) 사이에 형성된 공간에 초전도 코일(30)과 저열수축 부재(35)가 격납된다. 그 후에, 코일 유지 부재(27)에 형성된 구멍에 볼트 등이 관통되고, 이 볼트 등이 회전축(15)의 오목부(13)에 형성된 나사 구멍에 나사 결합함으로써 코일 유지 부재(27)가 회전축(15)에 탈착 가능하게 고정된다. 또한, 코일 유지 부재(27)는, 용접 등으로 회전축(15)에 탈착 불가능하게 고정되어도 좋다.

도 8, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 회전축(15)의 외주부에는, 각각의 초전도 코일(30)에 대응하도록, 한 쌍의 냉매 유로(14)가 형성되어 있다. 냉매 유로(14)는, 예를 들어, 회전축(15)을 중심축방향으로 관통하도록 형성된다. 냉매의 흐름 방법에 대해서는 주지의 구성을 채용 가능할 수 있으므로 상세한 설명을 생략한다.

도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 저열수축 부재(35)는, 오목부(13)의 바닥면과 초전도 코일(30) 사이, 및 코일 유지 부재(27)의 하면(회전축(15) 쪽의 면)과 초전도 코일(30) 사이에 배치되어 있다. 초전도 코일(30)은, 통전 시, 후프력에 의해 직경을 넓히려고 하기 때문에, 코일의 직경방향으로는 오목부(13) 및 오목부(28)의 벽 사이에 간극이 생기기 어렵다. 한편, 코일의 축방향으로는 후프력이 작용하지 않기 때문에, 오목부(13)의 바닥면 및 코일 유지 부재(27)의 하면 사이에 간극이 생기기 쉽다. 따라서 오목부(13)의 바닥면 및 코일 유지 부재(27)의 하면과 초전도 코일(30) 사이에 저열수축 부재(35)를 배치하는 것이 바람직하다. 저열수축 부재(35)는, 예를 들어, 탄소강, 니켈강 등을 이용하여 구성할 수 있다. 저열수축 부재(35)의 형상 및 재질은, 운전 시에 초전도 코일(30)을 냉각했을 때에, 초전도 코일(30)이 충분한 접촉면압을 받아서 코일 박스(20) 내부에 유지되도록 적절하게 설정될 수 있다.

초전도 코일(30)은, 예를 들어, 냉매 유로(14)를 흐르는 냉매에 의해 30K 정도까지 냉각됨으로써 초전도 상태가 된다. 초전도 코일(30)이 이루는 전류 경로의 양단이 회전축(15)의 내부를 경유하는 배선(미도시)과 브러시(미도시)에 의해 회전기의 외부로 인도되어서 전원(미도시)에 연결된다. 배선에 통전이 되면, 6개의 초전도 코일(30)이, 둘레방향으로 교대로 N극과 S극으로 여자된다. 상기 이외의 점에 대해 초전도 코일(30)은 제1 실시형태의 제1 실시예와 동일하게 구성할 수 있으므로 상세한 설명을 생략한다.

제1 실시형태의 제1 실시예 및 제2 실시예는, 본 실시형태에도 적용 가능하다.

상기 설명으로부터, 당업자에게는, 본 발명의 많은 개량이나 다른 실시형태가 분명하다. 따라서 상기 설명은 예시로서만 해석되어야하며, 본 발명을 실행하는 최선의 양태를 당업자에게 교시할 목적으로 제공된 것이다. 본 발명의 정신을 벗어나지 않고 그 구조 및/또는 기능에 대해 실질적으로 변경할 수 있다.

[산업상 이용가능성]

본 발명의 초전도 회전기의 계자 회전자는, 종래보다 더 쉽고 정밀하게 제조 할 수 있는 구조를 제공 가능한 초전도 회전기의 계자 회전자로서 유용하다.

10: 회전축
11: 오목부
12: 측면
13: 오목부
14: 냉매 유로
15: 회전축
20: 코일 박스
21: 상자부
22: 뚜껑부
23: 냉매 유로
24: 볼록부
25: 벽
26: 측면
27: 코일 유지 부재
28: 오목부
30: 초전도 코일
35: 저열수축 부재
40: 웨지 부재
50: 냉매 배관
51: 공급 중앙 배관
52: 배출 중앙 배관
53: 제1 공급 분기 조인트
54: 제1 공급 가지 배관
55: 제1 배출 분기 배관
56: 제1 배출 가지 조인트
57: 제2 공급 분기 조인트
58: 제2 공급 가지 배관
59: 제2 배출 분기 조인트
60: 제2 배출 가지 배관
70: 간극
75: 보호 저항
100, 110, 120: 계자 회전자

Claims (9)

1. 초전도 회전기의 계자 회전자이며,
   회전축과, 복수의 코일 박스와, 복수의 초전도 코일을 구비하며,
   상기 코일 박스는,
   상기 회전축의 중심축방향으로 연장되고,
   내부에 공간을 형성하도록 구성된 벽을 구비하고,
   상기 회전축의 둘레면에 착탈 가능하게 고정되고,
   상기 초전도 코일은,
   각각의 상기 코일 박스의 상기 공간에 배치되고,
   상기 초전도 회전기의 계자 권선을 이루는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기의 계자 회전자.
2. 제1항에 있어서,
   각각의 상기 코일 박스는, 내부에 상기 초전도 코일을 냉각하는 냉매를 흐르게 하기 위한 냉매 유로를 구비하는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기의 계자 회전자.
3. 제2항에 있어서,
   각각의 상기 코일 박스와 상기 둘레면 사이에, 상기 중심축방향 및 상기 회전축의 둘레방향으로 확장되는 간극이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기의 계자 회전자.
4. 제3항에 있어서,
   보호 저항을 가지며,
   상기 보호 저항은,
   상기 간극의 내부에 배치되도록 상기 코일 박스에 고정되고,
   각각의 상기 간극에 대응하는 상기 초전도 코일에 병렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기의 계자 회전자.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   저열수축 부재를 구비하며,
   상기 저열수축 부재는,
   상기 코일 상자의 내면과 상기 코일 박스에 수납되는 상기 초전도 코일 사이에 배치되고,
   평균 열선팽창계수가 상기 코일 박스의 평균 열선팽창계수보다 작은 것을 특징으로 하는 초전도 회전기의 계자 회전자.
6. 제5항에 있어서,
   상기 저열수축 부재의 평균 열선팽창계수가, 상기 초전도 코일의 평균 열선팽창계수보다 작은 것을 특징으로 하는 초전도 회전기의 계자 회전자.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 둘레면에는 상기 코일 박스의 각각에 대응하도록 복수의 오목부가 형성되고,
   상기 오목부는,
   대응하는 상기 코일 박스에 대향하도록 형성되고,
   상기 중심축방향으로 연장되는 측면을 가지며,
   각각의 상기 코일 박스에는 볼록부가 형성되고,
   상기 볼록부는,
   상기 중심축방향으로 연장되고,
   상기 회전축을 향해 돌출하고,
   상기 오목부의 상기 중심축방향으로 연장되는 측면에 접촉하며 끼워지는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기의 계자 회전자.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   복수의 웨지 부재를 구비하며,
   상기 회전축의 둘레방향으로 인접한 2개의 상기 코일 박스를 코일 박스 페어로 할 때,
   상기 웨지 부재는,
   각각 상기 중심축방향으로 연장되고,
   각각의 상기 코일 박스 페어에 대해, 해당 코일 박스 페어를 이루는 2개의 코일 박스 사이에 배치되고,
   그 2개의 코일 박스 각각에 접촉하는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기의 계자 회전자.
9. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 냉매 유로는, 상기 벽 중 상기 회전축에 대향하는 부위의 내부에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 회전기의 계자 회전자.

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