KR20200090148A - 증가된 회전 관성을 갖는 고온 초전도체 발전기 - Google Patents

증가된 회전 관성을 갖는 고온 초전도체 발전기 Download PDF

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Abstract

종축선을 구비하며 제 1 회전 관성을 갖는 고온 초전도체(HTS) 회전 기계가 제시된다. 종축선을 중심으로 배치된 원통형 고정자 조립체 그리고 고정자 조립체의 내부에 배치된 원통형 회전자 조립체가 마련된다. 회전자 조립체는 고정자 조립체의 내부에서 종축선을 중심으로 회전하도록 구성된다. 회전자 조립체는 작동 시에 고정자 조립체와 연동하는 자속을 발생시키는 적어도 하나의 HTS 권선 조립체를 포함한다. 제 2 회전 관성을 갖는 적어도 하나의 HTS 권선 조립체를 중심으로 배치된 원통형 전자기 차폐부가 마련된다. 회전자 조립체의 적어도 하나의 초전도 권선 조립체를 냉각하기 위한 극저온 냉각 시스템이 마련된다. 제 2 회전 관성은 제 1 회전 관성의 적어도 팔십 퍼센트(80%)이다.

Description

증가된 회전 관성을 갖는 고온 초전도체 발전기
본 출원은 2017년 9월 7일자로 출원된 미국 특허 출원 제 15/697,549 호를 우선권 주장하며, 해당 출원의 내용은 전체적으로 본원에 참조로써 인용되고 있다.
본 발명은 고온 초전도체(HTS) 발전기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 증가된 회전 관성을 갖는 HTS 발전기에 관한 것이다.
기계식, 공압식 및 유압식과 같은 다른 수단을 대신하여, 모든 전력 요건을 충족시키기 위해 전기 수단을 사용하는 것을 포함할 수도 있는 완전 전기식 선박(all-electric ship)의 개념이 미국과 외국 해군에서 탄력을 받고 있다. 전력 효용성의 융통성은 다양한 종류의 신규 무기 및 선박 시스템을 가능하게 할 것이다. 제안된 몇몇 신규 무기는 특히 엄격한 전력 공급 요건을 제시한다. 예를 들어, 전기-열 총, 화학 총 및 전자기 총과 고출력 레이저 또는 마이크로파 지향 에너지 무기는, 전자기 총과 기술적으로 유사한 전기 레일 항공기 발사 장치(전기 발사기)와 마찬가지로, 매우 짧은 시간 주기 동안 많은 양의 전력을 필요로 한다.
해군 함선의 경우 선상의 공간 및 중량 요건을 최소화하는 것이 가장 중요하며, 그 결과, 소형 가스 터보-발전기야말로 모든 선박 시스템에 전력을 공급하는 데 사용되는 선박 전력망의 활성화에 필요한 전력을 발생시키기 위한 매력적인 선택 방안이다. 매력적인 선택 방안에서는, 선박 전력망용 전력 공급원의 크기와 중량을 더욱 감소시키기 위해, 터보-발전기와 함께 고온 초전도체(HTS) 발전기를 사용한다. 그러나, HTS 발전기와 함께 터보-발전기를 사용하면, 전술한 무기 시스템의 엄격한 전력 요건을 적절하게 처리할 수 없는, 상대적으로 회전 관성이 낮은 시스템이 초래되며, 선박 전력망을 방해하는 과도 상태가 초래된다.
터보-발전기의 상대적으로 낮은 회전 관성으로 인해, 펄스 부하 동안 부과 되는 토크가, 회전 관성이 더 높은 터보-발전기에 의한 것보다, 회전 속도 감소에 상당히 더 큰 영향을 미친다. 회전 속도가 떨어지면, 터보-발전기의 주파수, 전압 및 전력이 비례하여 떨어진다. 이러한 문제를 극복하기 위해, 직렬 인덕턴스 또는 기타 다른 에너지 저장 수단과 같은, 추가의 전력 품질 구성 요소가 HTS 발전기를 사용하는 시스템에 추가될 수 있다. 그러나, 이러한 구성 요소는 시스템 비용을 증가시키며 추가 공간을 필요로 한다. 대안으로서, 길이 및 회전 관성이 증가된 종래의 (HTS가 아닌) 발전기가 과도 상태 문제를 극복하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 종래의 발전기의 추가적인 크기 및 무게는 특히, 격벽 간격이 제한된 선박에서는 틀림없이 문제가 된다.
일 양태에 있어서, 본 발명은 종축선을 구비하며 제 1 회전 관성을 갖는 고온 초전도체(HTS) 회전 기계를 특징으로 한다. 회전 기계는 종축선을 중심으로 배치된 원통형 고정자 조립체 그리고 고정자 조립체의 내부에 배치되며 고정자 조립체의 내부에서 종축선을 중심으로 회전하도록 구성된 원통형 회전자 조립체를 포함한다. 회전자 조립체는 작동 시에 고정자 조립체와 연동하는 자속을 발생시키는 적어도 하나의 HTS 권선 조립체를 포함한다. 적어도 하나의 HTS 권선 조립체를 중심으로 배치된 원통형 전자기 차폐부가 마련되며, 원통형 전자기 차폐부는 제 2 회전 관성을 갖는다. 회전자 조립체의 적어도 하나의 초전도 권선 조립체를 냉각하기 위한 극저온 냉각 시스템이 마련된다. 제 2 회전 관성은 제 1 회전 관성의 적어도 팔십 퍼센트(80%)이다.
본 발명의 다른 양태에 있어서, 아래의 특징 중 하나 이상이 포함될 수도 있다. 적어도 하나의 HTS 권선은 N극 쌍(p개)을 포함할 수도 있다. 회전 기계는 종축선으로부터 적어도 하나의 HTS 권선까지의 반경(R1)을 가질 수도 있다. 원통형 전자기 차폐부는 두께(t)를 가질 수도 있으며, 두께(t)는 R1/p의 50%를 초과할 수도 있다. 원통형 전자기 차폐부는 금속을 포함할 수도 있다. 금속은 구리, 강, 납, 금, 텅스텐 그리고 폐우라늄 중 하나 이상을 포함할 수도 있다.
본 발명의 다른 양태는 터빈 그리고 제 1 단부에서 터빈에 상호 연결된 샤프트를 구비한 터보-발전기를 특징으로 한다. 샤프트의 제 2 단부에 연결되며 종축선 및 제 1 회전 관성을 갖는 고온 초전도체(HTS) 회전 기계가 마련된다. HTS 회전 기계는 종축선을 중심으로 배치된 원통형 고정자 조립체를 포함한다. 고정자 조립체의 내부에 배치되며, 고정자 조립체의 내부에서 종축선을 중심으로 회전하도록 구성되는 원통형 회전자 조립체가 마련된다. 회전자 조립체는 작동 시에 고정자 조립체와 연동하는 자속을 발생시키는 적어도 하나의 HTS 권선 조립체를 포함한다. 적어도 하나의 HTS 권선 조립체를 중심으로 배치된 원통형 전자기 차폐부가 마련된다. 원통형 전자기 차폐부는 제 2 회전 관성을 갖는다. 회전자 조립체의 적어도 하나의 초전도 권선 조립체를 냉각하기 위한 극저온 냉각 시스템이 마련된다. 제 2 회전 관성은 제 1 회전 관성의 적어도 팔십 퍼센트(80%)이다.
본 발명의 다른 양태에 있어서, 아래의 특징 중 하나 이상이 포함될 수도 있다. 적어도 하나의 HTS 권선은 N극 쌍(p개)을 포함할 수도 있다. 회전 기계는 종축선으로부터 적어도 하나의 HTS 권선까지의 반경(R1)을 가질 수도 있다. 원통형 전자기 차폐부는 두께(t)를 가질 수도 있으며, 두께는 R1/p의 50%를 초과할 수도 있다. 원통형 전자기 차폐부는 금속을 포함할 수도 있다. 금속은 구리, 강, 납, 금, 텅스텐 그리고 폐우라늄 중 하나 이상을 포함할 수도 있다.
본 개시의 실시예가 첨부 도면을 참조하여 단지 예시로서 설명된다.
도 1은 선박 전력망용 전력을 생성하기 위한 HTS 발전기를 구비한 선상 터보-발전기의 측입면도를 보여주며;
도 2는 도 1에 도시된 유형의 두 개의 터보-발전기를 사용하는 선상 전력망의 개략적인 선도를 보여주며;
도 3은 발전기 회전 속도 및 그에 따른 전력 출력에 대한 펄스 전력 부하의 영향을 도시하기 위한 시간 경과에 따른 터보-발전기 회전 속도의 플롯을 보여주며;
도 4는 크기 및 중량의 감소에 최적화된 설계의 HTS 발전기의, 발전기의 길이를 따라 취한, 단면도를 보여주며;
도 5a는 전자기 차폐부 두께 및 전자기 간극을 포함하는 발전기의 치수를 도시하기 위해 발전기의 폭을 가로질러 취한 도 4의 유형의 HTS 발전기의 단면도를 보여주며;
도 5b는 전자기 차폐부 두께 및 전자기 간극을 포함하는 발전기의 치수를 도시하기 위해 발전기의 폭을 가로질러 취한 본 발명의 일 태양에 따른 증가된 회전 관성을 갖는 HTS 발전기의 단면도를 보여준다.
본 개시 및 그 다양한 특징부와 유리한 세부 사항이 첨부 도면 및 아래의 설명에 상세히 설명되며 및/또는 예시된 비제한적인 실시예 및 예를 참조하여 보다 완전히 설명된다. 도면에 도시된 특징부가 반드시 실제 크기 비율로 도시되어야 하는 것은 아니며, 본 명세서에 명시적으로 언급되지 않더라도, 당업자가 인식할 수 있는 바와 같이, 일 실시예의 특징부가 다른 실시예에 채용될 수도 있음에 유의하여야 한다.
잘 알려진 구성 요소 및 처리 기술에 대한 설명은 본 개시의 실시예를 불필요하게 모호하게 만들지 않도록 생략될 수도 있다. 본 명세서에 사용된 예는 단지 본 개시가 실시될 수도 있는 방식의 이해를 용이하게 하며 또한 당업계의 숙련자가 본 개시의 실시예를 실시할 수 있도록 하기 위한 것이다. 따라서, 본 명세서의 예 및 실시예가 본 개시의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 또한, 여러 개의 도면 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 유사한 부분을 나타낸다는 점에 유의한다.
도 1을 참조하면, 높은 rpm으로 회전할 수도 있으며 샤프트(16)를 통해 HTS 발전기(14)를 구동시킬 수도 있는 가스 터빈(12)을 구비한 터보-발전기(10)가 도시되어 있다. 이러한 예에서, 터보-발전기(10)는 60 Hz에서 작동하도록 설계되며 29 MW 해상용 가스-터빈에 의해 전력을 공급받도록 설계된 29 MW 3600 rpm의 2극 발전기일 수도 있다. 그러나, 본 개시는 임의의 특정 발전기 또는 가스-터빈 전력 레벨, 극의 개수 또는 구성으로 제한되는 것은 아니며, 다양한 가스 터빈 시스템에 적용 가능하다. 도 2에는, 도 1에 도시된 유형일 수도 있는 두 개의 터보 발전기(22, 24)를 포함하는 가능한 선박 전력망 구성(20)이 도시되어 있다. 이러한 예에서, 각각의 발전기는 60 Hz에서 4160 V AC의 29 MW의 3상 전력을 출력할 수도 있다. 이러한 예에서, 터보-발전기(22)는 3상 개폐 장치(26)를 통해 전력망(20)에 연결되는 반면, 터보-발전기(24)는 3상 개폐 장치(28)를 통해 전력망(20)에 연결된다.
터보-발전기 중 하나가 고장이 나는 경우, 그 각각의 개폐 장치가 다시, 전원으로서의 가동 터보-발전기에 의해 전력을 공급받을 수 있도록, 개폐 장치(26)와 개폐 장치(28)는 좌현/우현 케이블(30)에 의해 서로 연결된다. 개폐 장치(26, 28)로부터의 각각의 케이블(32, 34)은, 종래의 전기 모터 또는 HTS 모터일 수도 있는, 전기 추진 모터(36)에 전력을 공급한다. 이러한 예에서, 가변 속도 전기 모터(36)에 입력되는 전압의 레벨은 2700 V에서 9상 AC이며, 따라서, 개폐 장치(26, 28)로부터의 전력은 적절한 전력 변환기 시스템(도시하지 않음)에 의해 변환되고 조절되어야 한다.
개폐 장치(26)로부터의 출력은 정류기(38)로 보내질 수도 있으며, 이후 DC가 인버터(40)에 의해 9상 AC로 변환될 수도 있다. 정류기(38) 및 인버터(40)는, 이들이 분리 캐비닛(disconnect cabinet)(42)에 의해 모터(36)에 연결되는 경우, 모터(36)의 입력 전류/회전 속도를 제어하기 위한 모터 구동부를 형성한다. 개폐 장치(28)로부터의 출력은 정류기(44)에 의해 DC로 변환될 수도 있으며, 이후 DC는 인버터(46)에 의해 9상 AC로 변환될 수도 있다. 정류기(44) 및 인버터(46)는, 이들이 분리 캐비닛(42)에 의해 모터(36)에 연결되는 경우, 모터(36)의 입력 전류/회전 속도를 제어하기 위한 모터 구동부를 형성한다. 전형적으로, 한번에 모터 구동부 중 하나만이 분리 캐비닛(42)을 통해 모터(36)에 연결되며, 다른 하나는, 예를 들어, 고장 또는 유지 관리의 경우 예비 공급원으로서 사용된다.
전력망(20)은 또한, 개폐 장치(26, 28)에 각각 연결된 케이블(47, 49)에 의해 전력을 공급받는 에너지 저장 개폐 장치(48)를 통해 펄스 전력 부하(도시하지 않음)에 전력을 공급하도록 구성된다. 또한, 개폐 장치(26)에 연결된 변압기(50)가 4160 V AC를 450 V AC로 변환하며, 선박 상의 다양한 시스템에 더 낮은 전압의 전력을 전달하기 위해 이러한 변환 전력을 배전 개폐 장치(도시하지 않음)로 공급한다.
펄스 전력 부하는, 에너지 저장 개폐 장치(48)를 통한 매우 높은 전력 소비(예를 들어, 10 MW 이상)가 발생하는 수 초(예를 들어, 5초)의 시간과, 이어지는 에너지 소비가 없는 일시 정지 시간(예를 들어, 1 초)으로 구성될 수도 있다. 시스템 설계는 이러한 사이클이 무한정 반복될 것이라는 가정을 전제 조건으로 한다. 전술한 바와 같이, 이러한 펄스 부하는 전력망(20)의 적절한 작동에 심각한 영향을 미칠 수 있다. 회전 속도가 떨어지면 터보-발전기로부터 출력되는 주파수, 전압 및 전력이 비례하여 떨어진다. 도 3에는, (터보-발전기 중 하나만 가동한다는 가정 하에) HTS 발전기를 갖는 터보-발전기(22/24)에 대해 이러한 펄스 부하가 회전 속도에 미치는 영향이 다수의 펄스 주기에 걸쳐 도시되어 있다.
파형(60)으로 도시된 바와 같이, 터보-발전기 rpm은 18 MW의 초기 펄스 부하 에 의해 수 초에 걸쳐 3400에서 대략 1400으로 감소된다. 주기적인 18 MW의 펄스가 계속됨에 따라, 터보-발전기의 회전 속도가 시간 경과에 따라 다소 회복되긴 하지만, 여전히 실질적으로 초기 3600 rpm의 회전 속도 아래로 유지된다. 이 경우, 발전기의 추정 회전 관성은, 29 MVA 터보-발전기에 대해 비용 최적화된 HTS 발전기의 사용을 기반으로, 대략 790 kg·m2이다. 이러한 예에서, EM 차폐부가 대략 10 cm(4 in)의 두께를 갖는 강 및 구리로 형성될 수도 있다. EM 차폐부에 알루미늄을 사용할 수도 있는 중량 최적화 설계에서의 회전 관성이 비용 최적화 설계에서의 회전 관성보다 현저히 낮을 수도 있다.
터보-발전기의 관성이 상대적으로 낮음으로 인해, 펄스 부하 동안 터보-발전기에 부과되는 토크가 회전 속도 감소에 더 큰 영향을 미친다. 파형(60)의 예에서, 이것은, 회전 속도가 거의 60% 강하하며 전력망(20)의 전압, 주파수 및 전력이 비례하여 강하하는 것으로 해석되며, 선박의 전력 시스템의 정상 작동을 상당히 방해할 수도 있다. 더욱이, 터보-발전기에 이러한 레벨의 부하가 주기적으로 인가되면, 터빈의 수명이 단축될 것이 확실하다.
회전 관성이 커질수록, 터보-발전기에 미치는 토크의 영향이 감소된다. 파형(62)은 18 MW의 주기적인 펄스 부하가 터보-발전기의 회전 속도에 미치는 영향(대략 30%의 초기 강하)을 보여준다. 이 경우, 사용된 HTS 발전기의 회전 관성이 증가하여, 대략 1496 kg·m2의 전체 터보-발전기 회전 관성이 초래된다. EM 차폐부가 대략 18 cm(7 in)의 두께를 갖는 강으로 형성될 수도 있다. 파형(62)으로부터 분명해지는 바와 같이, 파형(60)과 비교하여, 터보-발전기의 회전 관성이 1496 kg·m2으로 증가하면, 터보-발전기의 회전 속도에 대한 초기 펄스 부하 및 이후의 주기적인 펄스 부하의 영향뿐만 아니라 전력망(20)의 전압, 주파수 및 전력에 대한 영향이 실질적으로 감소된다. EM 차폐부에 텅스텐 합금을 추가하게 되면, 회전 관성이 대략 1817 kg·m2으로 더욱 증가한다. 도 4를 참조하면, 최소 크기 및 중량에 최적화된 설계의 종래 기술의 HTS 발전기(100)가 도시되어 있다. 도 3의 파형을 생성하는 회전 관성이 더 낮은 발전기에서와 마찬가지로, 이러한 예에서는, 터보-발전기의 전체 회전 관성도 대략 790 kg·m2가 되도록 회전 관성이 결정될 수도 있다.
HTS 발전기(100)는 고정자 코일 조립체(1041-n)를 갖는 고정자 조립체(102)를 포함한다. 당 업계에 잘 알려진 바와 같이, 고정자 조립체(102) 내부에 포함된 고정자 코일 조립체(1041-n)의 특정 개수는 기계가 단상 기계인지 다상 기계인지와 같은 다양한 설계 기준에 따라 변경된다. 예를 들어, 60 Hz에서 4160 V AC의 전력을 출력하는 것으로 본 명세서에서 설명되고 있는 하나의 29 MVA, 3상 HTS 발전기의 경우, 고정자 조립체(102)는 일흔 두 개(72개)의 고정자 코일 조립체(1041-n)를 포함할 수도 있다.
회전자 조립체(106)가 고정자 조립체(102)의 내부에서 회전한다. 고정자 조립체(102)와 마찬가지로, 회전자 조립체(106)는 회전자 권선 조립체(1081-n)를 포함한다. 동일한 29 MVA, 3상 HTS 발전기에서, 회전자 조립체(106)는 두 개의 회전자 권선 조립체(2극을 형성함)를 포함할 수도 있으며, 이러한 회전자 권선 조립체는 높은 rpm의 발전기 용례에 매우 적합함에 따라 안장 코일(saddle coil) 구성으로 형성될 수도 있다. 작동 중에 이러한 회전자 권선 조립체는 회전자 조립체(106)와 고정자 조립체(102)를 연동시키는 자속을 발생시킨다. 이러한 발전기가 2극 기계로 설계되어 있긴 하지만, 당 업계의 숙련자라면, 다양한 개수의 극(pole)을 갖는 기계가 사용될 수 있으며 특정 설계가 용례에 좌우됨을 이해할 것이다.
발전기(100)의 작동 중에, 고정자 코일 조립체(1041-n)에서 3상 전압이 발생되며, 이러한 3상 전압은, 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같은 선박의 전력망으로 출력된다. 고정자 코일 조립체(1041-n)의 이러한 3상 전압은, 회전자가 터보-발전기 샤프트(112)에 의해 구동 시에 회전함에 따라, 회전자 조립체(106)와 고정자 조립체(102)를 연동시키는 회전자 코일 조립체(1081-n)에 의해 발생된 회전자 권선 자속에 의해 생성된다.
회전자 권선 조립체(1081-n)는 토크 튜브(114)로부터의 토크를 전달하는 제 1 플랜지(109)에 연결된 지지 구조물(107)의 외부 표면에 장착될 수도 있다. 회전자 권선 조립체(1081-n)는, 대안으로서, 지지 구조물(107)의 내부 표면에 장착될 수도 있음에 유의하여야 한다. 토크 튜브(114)는 터보-발전기 샤프트(112)에 연결된 제 2 플랜지(113)에 연결된다. 이들 플랜지(109, 113)가 토크 튜브(114)에 통합될 수도 있으며, 또는 별개의 조립체로 형성될 수도 있다. 물론, 저온 공간에서 샤프트(112)로부터 회전자 조립체로 토크를 전달하기 위해 기타 다른 토크 튜브 설계가 사용될 수도 있다.
초전도 회전 기계(100)의 작동 중에, 예를 들어, DC 전류 공급원(도시하지 않음)으로부터의 자계 에너지(116)가 슬립 링/회전 디스크 조립체(118)를 통해 회전자 권선 조립체(1081-n)에 인가될 수도 있다. 회전자 권선 조립체(1081-n)는 회전자 조립체(106)와 고정자 조립체(102)를 연동시키는 데 필요한 자기장(및 자속)을 발생시키기 위해 DC 전류를 필요로 한다.
고정자 코일 조립체(1041-n)는, 예를 들어, 비초전도 구리 코일 조립체로 형성되는 반면, 회전자 권선 조립체(1081-n)는 HTS 권선을 포함하는 초전도 조립체이다. HTS 전도체의 예에는 탈륨-바륨-칼슘-구리-산화물, 비스무트-스트론튬-칼슘-구리-산화물, 수은-바륨-칼슘-구리-산화물, 그리고 이트륨-바륨-구리-산화물이 포함된다.
이러한 초전도 전도체는 저온에서 작동하는 경우에만 초전도 특성을 달성하므로, HTS 발전기(100)는 냉각 시스템(120)을 포함한다. 냉각 시스템(120)은 전형적으로, 극저온 냉각기의 형태로 형성된다. 극저온 냉각기는 전도체가 초전도 특성을 나타낼 수 있도록 하기에 충분할 정도로 낮은 작동 온도로 회전자 권선 조립체(1081-n)의 작동 온도를 유지한다. 회전자 권선 조립체(1081-n)가 냉각 시스템(120)에 의해 차갑게 유지되어야 하기 때문에, 토크 튜브(114)는 고강도의 낮은 열 전도성을 갖춘 금속성 재료(예를 들어, Inconel™) 또는 복합재 재료(예를 들어, G-10 페놀 또는 직조 유리 에폭시)로 구성될 수도 있다.
회전자 조립체(106)는 고정자 조립체(102)에서 생성된 고조파로부터 비동기 자계를 차폐 또는 필터링하기 위해 고정자 조립체(102)와 회전자 조립체(106) 사이에 위치한 전자기 차폐부(122)를 포함한다. 회전자 조립체(106)가 전형적으로 원통형이므로, 전자기 차폐부(122)도 전형적으로 원통형이다. 이러한 비동기 자계로부터 회전자 조립체(106)의 회전자 권선 조립체(1081-n)를 차폐하는 것이 바람직하다. 따라서, 회전자 조립체(106)에 끼워진 전자기 차폐부(122)는 비동기 자계로부터 회전자 권선 조립체(1081-n)를 보호하며(또는 차폐하며), 비자성 재료(예를 들어, 구리, 알루미늄 등)로 구성된다. 전자기 차폐부(122)는 회전자 권선 조립체(1081-n)를 완전히 덮어 차폐하기에 충분한 길이를 갖추어야 한다. 지금까지 고려한 사례에서는 강으로 형성되며, AC 자계를 차폐하며 결함 부하를 견딜 수 있도록 선택된 두께를 갖는 얇은 구리 오버코트(overcoat)를 갖는 차폐부가 다루어지고 있다. 해결 방안 중 알루미늄이 가장 가볍긴 하지만, 중량보다 비용을 우선시하는 경우에는 강이 선택될 수 있다. 차폐부는 또한, 진공 방지 역할을 하며, 강으로 형성되는 경우 용접을 이용한 더 간단한 밀봉 능력을 갖춘 해결 방법을 제시한다.
전자기 차폐부(122)는 한 쌍의 단부 플레이트(130, 132)를 통해 샤프트(112)에 견고하게 연결될 수도 있다. 이러한 견고한 연결은 용접부 또는 기계식 체결구 시스템(예를 들어, 볼트, 리벳, 스플라인, 키홈 등)의 형태로 형성될 수 있다. 차폐를 위해, 전자기 차폐부(122)의 두께가, 이러한 예에서 60 Hz인, 3상 AC 전력(110)의 주파수에 대하여 반비례하도록 변경된다. 극의 개수가 적은 설계의 경우에는 차폐부의 두께가 결함 부하 동안의 과도기적인 힘을 견디도록 선택될 수도 있다. 전술한 주파수의 경우, 전형적으로, 강 및 구리로 형성되는 전자기 차폐부(122)의 두께는 10 cm(4 in) 이하이다. 발전기의 크기 및 중량을 감소시키기 위하여, 전술한 바와 같은 종래 기술의 시스템에서는, 전자기 차폐부(122)의 두께가, 발전기의 중량과 크기를 최소화하도록, 비동기 자계를 필터링하며 차폐부 상의 결함 부하를 지지하기에 충분한 두께였지만 더 이상은 두껍지 않은 지점까지 최소화되었다.
도 4의 발전기(100)에는 도시되어 있지 않지만, 내부 강자성 코어(예를 들어, 철제 코어)가 회전자의 투자도를 증가시키기 위해 사용될 수도 있으며, 따라서, 주어진 자기장을 발생시키는 데 필요한 HTS 재료의 양이 감소될 수도 있다. 또한, 이러한 내부 강자성 코어는 발전기의 회전 관성을 상당히 증가시킨다. 도 5a에는 도 4에 도시된 유형의 HTS 발전기와 유사한 HTS 발전기(200)의 개략적인 단면도가 도시되어 있다. 이러한 단면도는 전자기 차폐부 두께 및 전자기 간극을 포함하는 발전기의 치수를 도시하기 위해 발전기의 폭을 가로질러 취한 단면도이다. 이러한 예에서, 2극 발전기로서 도시된 HTS 발전기(200)는 내부 철제 코어(204)를 갖는 회전자 조립체(202)를 포함한다. 회전자 권선(206a, 206b)은 안장 코일 권선의 형태로 형성되며, 각각, 단부가 안장 코일을 형성하도록 서로 연결되어 있는 두 개의 원호 섹션을 갖는 것으로 도시되어 있다.
HTS 발전기(200)의 설계에 있어서, HTS 안장 코일(206a/b)의 끝단 속도(tip speed)의 한계치를 고려하여야 한다. HTS 코일에 대한 원심 부하 인가는 초전도체 재료의 변형을 초래한다. 이러한 변형률은 코일의 끝단 속도의 제곱에 비례한다. 경험과 분석에 따르면, 이러한 코일에 허용되는 끝단 속도의 한계치는 150 m/sec이다. 해군에서 사용되는 발전기는 정격 속도의 125%까지의 과속 테스트를 필요로 할 수도 있다. 설계 속도가 3600 rpm인 경우, 과속 테스트는 4500 rpm의 속도에서 수행되며, 도 5a에 R1으로 도시된, 발전기의 종축선으로부터 코일(206a/b)의 중간면까지의 0.32 m 이하의 반경을 갖는 자계 권선을 필요로 한다. 안장 코일의 외측은 코일 지지 실린더(207)에 의해 지지된다.
발전기(200)의 비회전 부분은 발전기 종축선으로부터 고정자(208)의 내부 반경까지 연장되는 반경(R2)에서 시작되며, 고정자(208)와 철제 이면부(210)로 구성된다. 코일 지지 실린더(207)의 외부에 EM 차폐부(212)가 마련되며, EM 차폐부가 회전자 조립체(202)의 최외측 회전 부재이다. 전술한 바와 같이, EM 차폐부는 HTS 코일의 AC 손실을 감소시키기 위해 회전에 대하여 비동기식인 전자기장으로부터 회전자 조립체(202)를 차폐한다. 안장 코일(206a/b)에 의해 생성된 전계 강도는 각각의 코일의 암페어-턴(ampere-turn)에 비례하지만, 안장 코일과 고정자 사이의 전자기("EM") 간극(R2-R1)에 반비례한다. 따라서, EM 간극을 증가시키면 암페어-턴이 증가하며, 이에 따라, 주어진 전자기장을 발생시키는 데 필요한 HTS 와이어의 양이 증가한다.
EM 간극(R2-R1)의 대부분은 EM 차폐부(212)로 구성되며, 중량 또는 비용의 최적화 설계에서, EM 차폐부는 차폐 기능을 수행할 수 있을 정도로만 두껍게 형성되며, 차폐부의 중량/질량은 차폐 능력을 갖춘 저밀도 재료를 선택함으로써 최소화된다.
EM 차폐부(212)의 두께(t)는 일반적으로, R1/p의 40% 미만이며, 여기서 "p"는 설계 시의 극 쌍의 개수(2극 발전기의 경우 p=1)이다. 이러한 설계의 경우, 두께(t)는 10 cm(4 in)일 수도 있으며, EM 차폐부에 사용되는 재료는 강과 같은 적당한 밀도의 재료일 수도 있다.
EM 차폐부(212)의 회전 관성을 결정하기 위해, 내부 반경(Ri) 및 외부 반경(Ro) 그리고 질량(M)이 다음과 같이 계산된다.
Figure pct00001
이 경우, 회전 관성은 대략 560 kg·m2이다. 터보-발전기의 나머지 시스템 구성 요소의 회전 관성에 대한 EM 차폐부의 회전 관성은 아래와 같다.
회전 관성 - 비용 최적화 설계
EM 차폐부 560 kg·m2
내부 철제 및 샤프트 143 kg·m2
자계 및 지지부 87 kg·m2
발전기 회전자 총합 790 kg·m2
터빈 96 kg·m2
총합 886 kg·m2
이러한 예의 경우, 발전기의 회전 관성 총합에 대한 EM 차폐부의 회전 관성은 대략 칠십 퍼센트(70%)이다. 전형적인 비용/중량 최적화 설계의 경우, EM 차폐부의 회전 관성은 일반적으로, 전체 HTS 발전기의 회전 관성의 70% 이하이다.
회전 관성이 증가된 HTS 발전기가 HTS 발전기(200')로서 도 5b에 도시되어 있다. 모든 구성 요소는 본질적으로, 도 5a의 HTS 발전기(200)에서와 동일하지만, EM 차폐부(212')가 더 두껍게 구성됨으로써, 발전기의 회전 관성이 안장 코일(206a'/b')의 추가 암페어-턴을 희생하면서 증가될 수 있다. 다시 말해, EM 차폐부(212')의 두께 증가로 인해 HTS 발전기(200')의 EM 간극(R2'-R1')이 EM 간극(R2-R1)보다 크기 때문에, HTS 발전기(200)에서와 동일한 전자기장을 HTS 발전기(200')에 생성하기 위해서는 더 많은 양의 HTS 재료가 필요할 것이다.
증가된 회전 관성을 갖도록 설계된 HTS 발전기(200')의 경우, EM 차폐부(212')의 두께(t')가 R1/p의 50% 이상일 수도 있다. 이러한 설계의 경우, 두께(t')는 대략 18 cm(7 in)일 수도 있다. EM 차폐부의 두께를 증가시켜 회전 관성을 증가시키는 것 외에도, 더 높은 밀도의 재료가 사용될 수 있다. 이러한 재료의 예에는 구리(8.96 g/cm3), 강(7.84 g/cm3), 납(11.32 g/cm3), 금(19.282 g/cm3), 텅스텐(19.25 g/cm3) 그리고 폐우라늄(18.95 g/cm3)이 포함될 수도 있다. 이러한 재료 중 하나 이상이 EM 차폐부를 구성하도록 사용될 수도 있다.
EM 차폐부(212')의 적절한 두께 및 재료 조성을 선택함으로써, EM 차폐부의 회전 관성 증가량이 특정 터보 발전기의 원하는 작동 특성 및 예상 펄스 전력 부하 레벨 및 주파수를 획득하도록 맞춰질 수 있다.
EM 차폐부(212')의 회전 관성을 결정하기 위해, 내부 반경(Ri') 및 외부 반경(Ro') 그리고 질량(M')(예를 들어, 강 및 텅스텐 합금의 조합을 사용하는 경우)은 다음과 같이 계산된다.
Figure pct00002
이 경우, 회전 관성은 대략 1477 kg·m2이다. 터보 발전기의 나머지 시스템 구성 요소의 회전 관성에 대한 EM 차폐부의 회전 관성은 아래와 같다.
회전 관성 - 회전 관성 최적화 설계
EM 차폐부 1477 kg·m2
내부 철제 및 샤프트 151 kg·m2
자계 및 지지부 92 kg·m2
발전기 회전자 총합 1720 kg·m2
터빈 96 kg·m2
총합 1816 kg·m2
이러한 회전 관성 최적화 예의 경우, 발전기의 회전 관성 총합에 대한 EM 차폐부의 회전 관성은 대략 팔십오 퍼센트(85%)이다. 전형적인 회전 관성 최적화 설계의 경우, EM 차폐부의 회전 관성은 일반적으로, 전체 HTS 발전기의 회전 관성의 80% 이상일 수도 있다.
이러한 설계의 두꺼운 EM 차폐부가 스테인레스강만을 사용하여 구성된 경우, 발전기 회전 관성은 여전히 비용 및 중량의 최적화 설계의 회전 관성의 거의 190%인 1492 kg·m2일 것이다.
본 발명에 따른 설계의 HTS 발전기는 많은 중요한 장점을 갖는다. 즉, HTS 발전기의 축 방향 길이가 짧아지며, 고도의 펄스 용례에서 극의 미끄러짐을 방지하는 낮은 유도 저항을 나타내며, 회전 관성이 증가한다.
본 개시가 예시적인 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 당업계의 숙련자라면, 본 개시가 첨부된 청구 범위의 사상 및 범위 이내의 수정예로 실시될 수 있음을 인식할 것이다. 이들 예는 단지 예시적인 것이며, 본 개시의 모든 가능한 설계, 실시예, 응용 또는 수정을 포함하는 완전한 목록이어야 하는 것은 아니다. 특히, 높은 회전 관성 EM 차폐부를 허용하기 위해 강력한 HTS 권선을 사용하는 것은 두 개보다 많은 개수의 극이 사용되는 경우 효과적이다. HTS 자계 권선은 또한, 제한된 축방향 길이 범위 이내의 플라이휠을 추가할 수 있도록 기계의 길이를 단축하기에 효과적이다.

Claims (12)

  1. 종축선을 구비하며 제 1 회전 관성을 갖는 고온 초전도체(HTS) 회전 기계로서,
    상기 종축선을 중심으로 배치된 원통형 고정자 조립체,
    상기 고정자 조립체의 내부에 배치되며 상기 고정자 조립체의 내부에서 상기 종축선을 중심으로 회전하도록 구성된 원통형 회전자 조립체로서, 작동 시에 상기 고정자 조립체와 연동하는 자속을 발생시키는 적어도 하나의 HTS 권선 조립체; 상기 적어도 하나의 HTS 권선 조립체를 중심으로 배치되고 제 2 회전 관성을 갖는 원통형 전자기 차폐부를 포함하는 원통형 회전자 조립체, 및
    상기 회전자 조립체의 적어도 하나의 초전도 권선 조립체를 냉각하기 위한 극저온 냉각 시스템
    을 포함하며,
    상기 제 2 회전 관성은 상기 제 1 회전 관성의 적어도 팔십 퍼센트(80%)인 것인, 고온 초전도체(HTS) 회전 기계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 HTS 권선은 N극 쌍(p개)을 포함하는 것인, 고온 초전도체(HTS) 회전 기계.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 종축선으로부터 상기 적어도 하나의 HTS 권선까지의 반경(R1)을 갖는 것인, 고온 초전도체(HTS) 회전 기계.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 원통형 전자기 차폐부는 두께(t)를 가지며,
    상기 두께(t)는 R1/p의 50%를 초과하는 것인, 고온 초전도체(HTS) 회전 기계.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 원통형 전자기 차폐부는 금속을 포함하는 것인, 고온 초전도체(HTS) 회전 기계.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 금속은 구리, 강, 납, 금, 텅스텐 그리고 폐우라늄 중 하나 이상을 포함할 수 있는 것인, 고온 초전도체(HTS) 회전 기계.
  7. 터빈;
    제 1 단부에서 상기 터빈에 상호 연결된 샤프트;
    상기 샤프트의 제 2 단부에 연결되며, 종축선 및 제 1 회전 관성을 갖는 고온 초전도체(HTS) 회전 기계
    를 포함하는 터보-발전기로서,
    상기 HTS 회전 기계는,
    상기 종축선을 중심으로 배치된 원통형 고정자 조립체,
    상기 고정자 조립체의 내부에 배치되며, 상기 고정자 조립체의 내부에서 상기 종축선을 중심으로 회전하도록 구성되는 원통형 회전자 조립체로서, 작동 시에 상기 고정자 조립체와 연동하는 자속을 발생시키는 적어도 하나의 HTS 권선 조립체; 상기 적어도 하나의 HTS 권선 조립체를 중심으로 배치되고 제 2 회전 관성을 갖는 원통형 전자기 차폐부를 포함하는 회전자 조립체, 및
    상기 회전자 조립체의 적어도 하나의 초전도 권선 조립체를 냉각하기 위한 극저온 냉각 시스템
    을 포함하며,
    상기 제 2 회전 관성은 상기 제 1 회전 관성의 적어도 팔십 퍼센트(80%)인 것인, 터보-발전기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 HTS 권선은 N극 쌍(p개)을 포함하는 것인, 터보-발전기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 종축선으로부터 상기 적어도 하나의 HTS 권선까지의 반경(R1)을 갖는 터보-발전기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 원통형 전자기 차폐부는 두께(t)를 가지며,
    상기 두께는 R1/p의 50%를 초과하는 것인, 터보-발전기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 원통형 전자기 차폐부는 금속을 포함하는 것인, 터보-발전기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 금속은 구리, 강, 납, 금, 텅스텐 그리고 폐우라늄 중 하나 이상을 포함할 수 있는 것인, 터보-발전기.
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