KR20220011707A

KR20220011707A - 초전도 기계의 계자 코일 지지 구조체 및 모듈식 계자 코일 설계

Info

Publication number: KR20220011707A
Application number: KR1020217042061A
Authority: KR
Inventors: 에른스트 볼프강 슈타우트너
Original assignee: 제네럴 일렉트릭 컴퍼니
Priority date: 2019-05-24
Filing date: 2019-05-24
Publication date: 2022-01-28
Also published as: WO2020242445A1; US20220302815A1; CN113841321A; JP7437579B2; EP3977599A1; JP2022539294A

Abstract

전기 기계는 환형 전기자 조립체 및 이 전기자 조립체와 동축이며 전기자 조립체로부터 간극에 의해 분리되는 비회전 환형 계자 권선 조립체를 포함한다. 계자 권선 조립체는 계자 코일 지지 구조체를 구비하며, 계자 코일 지지 구조체는 내부에 형성된 환형 오목부 어레이를 구비하며 환형 오목부 어레이는 계자 코일 지지 구조체를 중심으로 연장된다. 계자 권선 조립체가 복수의 초전도 코일을 추가로 포함하며, 각각의 코일은 환형 오목부 어레이의 오목부에 배치된다. 발전기 및 전력을 생성하기 위한 방법이 개시된다.

Description

초전도 기계의 계자 코일 지지 구조체 및 모듈식 계자 코일 설계

본 발명은 발전기에 관한 것으로, 특히, 초전도 권선을 포함하며 초전도 자석의 냉각 동안 및 냉각 이후에 계자 코일과 전기자 권선 코일 사이의 자기 간극을 유지 및/또는 감소시키는 전기 기계에 관한 것이다.

일반적으로 설명하면, 모터 및 발전기와 같은 전형적인 전기 기계에는 계자 코일 및 전기자 권선 코일이 포함된다. 전압이 인가되면, 자기장에 의해 계자 코일과 전기자 권선 코일이 결합된다. 자기장의 크기는 계자 코일을 통과하는 전류의 양에 따라 달라진다. 전기 기계 내부의 자기 응력이 회전자의 회전을 초래하도록 토크로 변환된다. 자기장의 강도가 높을수록 전기자 권선 코일의 주어진 원주에 대한 회전당 토크가 커진다. 초전도 재료로 만든 계자 코일을 사용하면 초전도 재료로 인해 자기장의 강도가 높아져 전기 기계가 더 소형으로 되며 가볍고 효율적이 된다. 본 명세서에서 특히 흥미로운 주제는 계자 코일 내부(FCI: field coil inside) 구성으로서 설명되는 초전도 발전기이다.

전형적인 초전도 발전기에서, 계자 코일은 일반적으로 알루미늄으로 형성된 대형 메인 코일 성형기 구조 상에 형성된다. 실온으로부터 거의 절대 영도의 작동 온도까지 계자 코일을 냉각하는 동안, 반경 방향 및 축 방향으로 계자 코일 성형기 구조의 열 수축이 발생한다. 계자 코일 성형기 구조의 반경 방향 수축은 계자 코일과 전기자 권선 코일 사이의 자기 간극을 증가시킨다. 자기 간극의 이러한 증가는 초전도 발전기의 성능 및 그에 따른 효율의 저하를 초래한다. 설계에 따라, 예를 들어, 반경이 4 m 이상인 전형적인 계자 코일 성형기 구조의 경우 자기 간극이 최대 65 mm가 될 수 있다.

계자 코일과 전기자 권선 코일 사이에 최소 자기 간극을 유지하기 위한 수단을 포함하는, 멀티 메가 와트(MW), 예를 들어, 10 MW 내지 35 MW의 전력을 생성할 수 있는 초전도 발전기를 오래전부터 필요로 하였다. 필요로 하는 발전기는 신뢰성이 높아야 하며 경제적인 운송 및 설치가 가능하도록 합리적인 크기와 무게를 가져야 한다.

본 개시의 양태 및 이점이 이하의 설명에 기재되거나, 설명으로부터 명백할 수도 있거나, 본 개시의 실시를 통해 학습될 수도 있다.

일 실시예에 따르면, 전기 기계가 개시된다. 전기 기계는 환형 전기자 조립체 및 전기자 조립체와 동축이며 전기자 조립체로부터 간극에 의해 분리되는 비회전 환형 계자 권선 조립체를 포함한다. 비회전 환형 계자 권선 조립체는 계자 코일 지지 구조체 및 복수의 초전도 코일을 포함한다. 계자 코일 지지 구조체는 내부에 형성되며 계자 코일 지지 구조체 둘레에서 연장되는 환형 오목부 어레이를 포함한다. 복수의 초전도 코일 각각이 환형 오목부 어레이의 오목부에 배치된다.

다른 실시예에 따르면, 발전기가 개시된다. 발전기는 환형 전기자 조립체 및 전기자 조립체와 동축이며 전기자 조립체로부터 간극에 의해 분리되는 비회전 환형 계자 권선 조립체를 포함한다. 비회전 환형 계자 권선 조립체는 계자 코일 지지 구조체 및 복수의 초전도 코일을 포함한다. 계자 코일 지지 구조체가 무시할 수 있는 열 팽창 계수를 갖는 비수축성 재료로 형성된다. 복수의 초전도 코일 각각이 계자 코일 지지 구조체에 대해 배치된다.

또 다른 실시예에 따르면, 전력을 생성하기 위한 방법이 개시된다. 방법은 발전기의 비회전 환형 계자 권선 조립체에서 자기장을 생성하는 단계, 발전기의 전기자 조립체를 회전시키는 단계, 비회전 환형 계자 권선 조립체 주위에서의 전기자의 회전에 의해 전기자 조립체에서 전류를 생성하는 단계, 및 복수의 초전도 코일을 냉각시킴에 따라 적어도 부분적으로 기화되는 냉각 액체를 사용하여 상기 복수의 초전도 코일을 초전도 조건으로 냉각하는 단계를 포함한다. 계자 권선 조립체는 계자 코일 지지 구조체 및 복수의 초전도 코일을 포함한다. 계자 코일 지지 구조체는 내부에 형성되며 계자 코일 지지 구조체 둘레에서 연장되는 환형 오목부 어레이를 포함한다. 복수의 초전도 코일 각각이 환형 오목부 어레이의 오목부에 배치된다. 전기자 조립체는 비회전 환형 계자 권선 조립체에 동축으로 전자기적으로 결합되며, 비회전 환형 계자 권선 조립체가 전기자 조립체로부터 간극에 의해 분리된다. 계자 코일 지지 구조체는 복수의 초전도 코일을 초전도 조건으로 냉각하는 동안 비회전 환형 계자 권선 조립체와 전기자 조립체 사이의 간극의 치수를 유지하기 위해 열 팽창 계수가 낮은 재료로 구성된다.

본 개시의 이러한 그리고 기타 특징, 양태 및 장점이 다음의 설명 및 첨부된 청구범위를 참조하여 더 잘 이해될 것이다. 본 명세서에 포함되어 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 개시의 실시예를 예시하며, 설명과 함께 본 개시의 원리를 설명하는 역할을 한다.

당업자에 대한 최상의 모드를 포함하는 본 개시의 완전하고 가능한 개시가 첨부 도면의 참조를 포함하여 명세서의 나머지 부분에 보다 구체적으로 기재된다.
도 1은 본 개시의 하나 이상의 실시예에 따른, 비회전 또는 고정 계자 권선과 별개의 전기자 조립체를 예시하는 초전도 발전기의 개략도이다.
도 2는 본 개시의 하나 이상의 실시예에 따른, 계자 권선 주위에 배치되며 모듈식 계자 코일을 포함하는 전기자를 예시하는 초전도 발전기의 개략도이다.
도 3은 본 명세서에 제시된 하나 이상의 실시예에 따른, 환형 회전 전기자 및 전기자에 의해 둘러싸인 비회전 초전도 계자 권선을 구비한 초전도 발전기의 단면을 보여주는 개략도이다.
도 4는 본 명세서에 제시된 하나 이상의 실시예에 따른, 초전도 계자 권선의 복수의 모듈식 계자 코일을 포함하는 코일 성형기 구조의 사시도이다.
도 5는 본 명세서에 제시된 하나 이상의 실시예에 따른, 도 3의 선 5-5를 따라 취한 단면도이다.
대응하는 도면 부호는 여러 개의 도면 전체에 걸쳐 대응하는 부분을 나타낸다.

본 개시의 하나 이상의 특정 실시예가 이하에 설명될 것이다. 이들 실시예의 간결한 설명을 제공하기 위한 노력의 일환으로, 실제 구현의 모든 특징이 명세서에 설명되지 않을 수도 있다. 임의의 공학 또는 설계 프로젝트에서와 같이 임의의 이러한 실제 구현의 개발에 있어서, 시스템 관련 및 비즈니스 관련 제약 조건 준수와 같은, 구현마다 다를 수도 있는 개발자의 특정 목표를 달성하기 위해 수많은 구현-특정 결정을 내려야 한다는 점을 이해하여야 한다. 더욱이, 이러한 개발 노력은 복잡하고 시간이 많이 소요될 수도 있지만, 그럼에도 불구하고 본 개시의 이득을 취하는 통상의 기술자에게는 일상적인 설계, 제조 및 제조 사업일 것임을 이해하여야 한다.

본 발명의 다양한 실시예의 요소를 도입하는 경우, 단수 표현 및 "상기"는 요소가 하나 이상이라는 것을 의미하도록 의도된다. "포함하는(comprising)", "포함하는(including)" 및 "구비하는(having)"이라는 용어는 포함하는 것으로 의도되며 나열된 요소 이외의 추가의 요소가 있을 수도 있다는 것을 의미한다.

계자 코일 권선 주위에 배치된 전기자 권선을 포함하는 초전도 교류(AC) 발전기가 개발되었다.

도 1 및 도 2는 분해(도 1) 구성 및 조립(도 2) 구성의 본 개시의 일 실시예에 따른 초전도 발전기(100)의 개략도이다. 초전도 발전기(100)는, 예를 들어, 발전기가 가스 터빈에 의해 구동되는 용례에서 풍력 터빈, 모터 또는 발전기에 사용되는 초전도 발전기의 일 실시예를 나타낼 수도 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 초전도 발전기(100)는 자계 코일 내부(FCI) 설계를 갖도록 구성된 방사상 전기 기계이다. 도면 부호 110 및 112는 각각, 초전도 발전기(100)의 반경 방향 및 축 방향을 나타낸다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 초전도 발전기(100)는 하우징(106)에 배치된 비회전(본 명세서에서 고정으로도 지칭됨) 환형 계자 권선 조립체(102) 및 환형 회전 전기자 조립체(104)를 포함한다. 특히, 도 1에는 비회전 계자 권선 조립체(102) 및 환형 회전 전기자 조립체(104)를 별도로 보여주기 위해 초전도 발전기(100)의 분해도가 도시되어 있다.

비회전 계자 권선 조립체(102)가 환형 회전 전기자 조립체(104)에 인접하게 배치된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 비회전 계자 권선 조립체(102) 및 환형 회전 전기자 조립체(104)의 위치 결정과 관련하여 "~에 인접하게 배치된"이라는 용어는, 일 실시예에서, 비회전 계자 권선 조립체(102)가 환형 회전 전기자 조립체(104)에 의해 둘러싸이는 방식(도 2에 도시된 바와 같은)의 비회전 계자 권선 조립체(102) 및 환형 회전 전기자 조립체(104)의 상대적인 위치 결정을 지칭한다.

또한, 비회전 계자 권선 조립체(102)는 초전도 계자 권선(108)을 포함한다. 초전도 계자 권선은 충분히 낮은 온도에서 초전도 상태로 전이하는 전기 전도성 재료를 사용하여 제조된 하나 이상의 모듈식 계자 코일(도시하지 않음)을 포함할 수도 있다. 이러한 재료는 니오븀 주석 합금, 니오븀 티타늄 합금, 이붕화마그네슘 합금, 초전도 특성을 나타낸 다수의 세라믹 재료 중 어느 하나, 또는 이들의 조합을 포함한다. 구리, 알루미늄, 양극산화 알루미늄, 은, 금 또는 이들의 조합을 포함하지만 이것으로 제한되지 않는 전기 전도성 재료가 개선된 기계적 특성을 위해 초전도 합금과 조합하여 사용되는 경우가 많다. 특정 실시예에서, 초전도 발생기(100)의 전력 밀도를 증가시키거나 적어도 유지하기 위해 저중량 전기 전도성 재료가 사용될 수도 있다. 일부 실시예에서, 초전도 발전기(100)는 또한, 초전도 계자 권선을 극저온으로 냉각하기 위한 적절한 장치(도시하지 않음)를 포함할 수도 있다. 일 실시예에서, 회전 전기자 조립체(104)가 초전도성일 수도 있다.

예시로서, 일부 실시예에서, 초전도 발전기(100)가 풍력 터빈에 초전도 발전기로서 배치되는 경우, 환형 회전 전기자 조립체(104)가 풍력 터빈의 회전자에 결합될 수도 있다. 결과적으로, 환형 회전 전기자 조립체(104)가 풍력 에너지로 인한 로터의 회전으로 인해 회전될 수도 있다. 환형 회전 전기자 조립체(104)의 회전으로 인해, 초전도 계자 권선(108)에 의해 구축된 자기장을 지나쳐 이동함에 따라 초전도 발전기(100)가 전기자 권선에서 유도된 전압 덕택으로 전력을 생성할 수도 있다.

이제 도 3을 참조하면, 환형 회전 전기자 조립체(104)에 의해 둘러싸인 비회전 초전도 계자 권선 조립체(102)를 구비한 초전도 발전기(100)가 개략적인 단면도로 도시되어 있다. 회전 전기자 조립체(104)가 계자 권선 조립체(102) 주위의 외부 환형 링으로서 구성된다. 전기자 조립체(104)는 통상적인 방식으로 형성되며, 전기자 조립체(104)의 길이를 따라 그리고 전기자 조립체(104)의 내부 원통형 표면 상에 종방향으로 배열된 전도성 권선(114), 예를 들어, 코일 또는 바를 포함할 수도 있다. 예시로서, 전기자 권선(114)의 종방향 섹션의 길이가 29 인치 내지 30 인치일 수도 있으며, 두께가 4 인치 내지 5 인치일 수도 있으며, 내경이 135 인치 내지 136 인치일 수도 있다. 코일 또는 바가 양 단부에서 서로 전도성 단부 턴(turn)(116)에 의해 연결될 수도 있다. 종방향 코일 또는 바 사이의 단부 턴(116)의 연결 개소는 그 개수와 배열 및 전기자 권선(114)에서 생성될 전기의 위상에 의존한다. 전기자 권선(114)의 내부 원통형 표면이 비회전 계자 권선 조립체의 외부 표면으로부터 좁은 공기 간극(120), 예를 들어, 약 1 인치 내지 2 인치의 간극에 의해 분리된다.

전기자 조립체(104)가 전도성 권선(114)을 지지하는 원통형 요크(122)를 포함한다. 요크(122)의 외부 표면이 전기자 조립체(104)와 함께 회전하는 원통형 하우징(106)에 고정된다. 하우징(106)의 직경이, 예를 들어, 147 인치 내지 148 인치일 수도 있으며, 길이가 58 인치일 수도 있다. 하우징이 하우징(106) 및 환형 회전 전기자 조립체(104)를 지지하는 원형 디스크(124)에 끼워진다.

회전 원통형 지지 관(126)이 전기자 권선(114)의 반경 방향 내측에 위치된다. 한 쌍의 환형 베어링(128)이 비회전 기부 관(130)의 대향 단부를 향해 배열되어, 비회전 계자 권선 조립체(102)를 중심으로 한 전기자 조립체(104)의 회전을 가능하게 한다.

비회전 기부 관(130)이 비회전 계자 권선 조립체(102)가 장착되는 계자 권선 지지 디스크(132)를 지지한다. 계자 권선 지지 디스크(132)가 중량을 줄이기 위해 절개부 또는 홀(도시하지 않음)을 가질 수도 있다. 계자 권선 지지 디스크(132)가 초전도 계자 권선(108)의 초전도 코일(현재 설명됨)을 내포하는 저온 유지 장치 하우징(134)의 단부에 부착된다. 저온 유지 장치 하우징(134) 및 그 냉각 구성 요소가 초전도 계자 권선(108)의 초전도 코일을 냉각하는 저온 유지 장치(136)를 형성한다. 저온 유지 장치 하우징(134)의 단면이 환형의 직사각형일 수도 있으며, 외경이 134 인치 내지 135 인치이며 길이가 49 인치일 수도 있다. 저온 유지 장치 하우징(134) 및 발전기의 다른 구성 요소의 치수는 설계 선택의 문제이며, 발전기의 설계에 따라 달라질 수도 있다.

저온 유지 장치(136)가 비회전 계자 권선(108)의 초전도 코일을 절연시켜, 초전도 코일이 절대 영도, 예를 들어, 10 켈빈(K), 바람직하게는 4K로 냉각될 수도 있다. 초전도 코일을 냉각하기 위해, 저온 유지 장치 하우징(134)이 액체 헬륨(He) 또는 다른 유사한 극저온 액체(한제라고 함)를 수용하기 위한 절연 도관(138)을 포함한다. 종래의 2단 재응축기(140)가 중력을 이용한 공급부를 사용하여 한제, 예를 들어, 액체 He를 제공한다. 한제가 비회전 계자 권선(102)의 초전도 코일 주위에서 유동하며 코일을 냉각시켜 초전도 조건을 달성한다. 코일은 He가 적어도 부분적으로 기화함에 따라, 예를 들어, 4°K로 냉각된다. He 증기가 도관(138) 중 하나를 통해 재응축기(140)로 유동하며, 여기서 He가 냉각 및 액화되어 도관(138)을 통해 코일로 복귀된다. 초전도 코일용 전력 전도체가 또한, 헬륨용 절연 도관(138)과 함께 저온 유지 장치 하우징(134)을 통과한다.

제 2 재응축기(142)가 초전도 권선(108)용의 저온 유지 장치 하우징(134)의 내부 열 차폐부(144)에 제 2 냉각 액체, 예를 들어, 액체 질소 또는 네온을 제공한다. 제 2 냉각 액체가 초전도 코일용 열 차폐부(144)를 약 30°K 내지 80°K로 냉각한다. 열 차폐부(144)의 냉각은 헬륨에 의해 흡수되는 복사 열을 감소시킴으로써 초전도 권선(108)의 과냉각을 돕는다. 제 2 재응축기(142)가 열 차폐부(144)로부터 기화된 액체 질소 또는 네온을 수용하며, 질소 또는 네온을 액화하며, 절연 도관(146)을 통해 열 차폐부(144)에 액체 질소 또는 네온을 제공한다.

비회전 계자 권선 조립체(102) 주위에서 환형 회전 전기자 조립체(104)를 회전시키기 위해 토크가 인가된다. 전자기력(EMF) 결합으로 인해 환형 회전 전기자 조립체(104)에 의해 비회전 계자 권선 조립체(102)에 토크가 인가된다.

이제 도 4 및 도 5를 참조하면, 비회전 계자 권선 조립체(102) 및, 보다 구체적으로, 코일 성형기 또는 지지 구조체(150)의 일부의 단순화된 등각도(도 4) 및 도 3의 선 5-5를 따라 취한 도 3의 초전도체 발전기의 일부의 개략적인 단면도(도 5)가 도시되어 있다. 복수의 초전도 코일(152)용의 계자 코일 지지 구조체(150)를 포함하는 비회전 계자 조립체(102)가 도시되어 있다. 일 실시예에서, 복수의 초전도 코일(152)이 일반적으로, 레이스트랙(race-track) 형상이다. 보다 구체적으로, 각각의 초전도 코일(152)이 레이스트랙 형상으로 형성된 일 그룹의 와이어로 구성된다. 코일(152)이 레이스트랙 형상을 유지하도록 포팅된다. 각각의 레이스트랙이, 예를 들어, 길이가 29 인치 내지 30 인치이며 폭이 10 인치인 2 개의 평행한 섹션으로 이루어진 종방향 섹션을 가질 수도 있다. 계자 코일 지지 구조체(150)가 복수의 초전도 계자 코일(152)을 유지하기 위한 지지부를 형성한다.

본 명세서에서 특히 중요한 관심사는 초전도 계자 코일(152)의 냉각 동안 및 냉각 후에 반경 방향(110)(도 2)으로의 계자 코일 지지 구조체(150)의 수축이다. 이러한 계자 코일 지지 구조체(150)의 수축을 제거하지는 않지만 최소화하기 위해, 본 명세서에 개시된 계자 코일 지지 구조체(150)가 냉각 동안 구조체의 수축을 제거하지는 않지만 최소화하는 경량 재료로 형성된다. 일 실시예에서, 계자 코일 지지 구조체(150)는 온도 변화에 따른 팽창 또는 수축이 상대적으로 적은 것으로 알려진 임의의 재료로 형성된다. 일 실시예에서, 계자 코일 지지 구조체(150)는 코바(Kovar) 또는 인바(Invar)와 같은 니켈-코발트 철을 함유한 합금, 보다 구체적으로, 정밀하고 균일한 열 팽창 특성을 제공하기 위해 좁은 한계 이내에 유지되는 화학 조성을 갖는 제어 팽창 합금으로 형성된다. 이들 니켈-코발트 철을 함유한 합금 재료는 고유한 낮은 열 팽창 계수를 갖는 것으로 알려져 있다. 다른 실시예에서, 계자 코일 지지 구조체(150)는 복합 섬유 권선 각도에 따라 냉각 동안 또는 냉각 후에 수축하지 않거나 최소한도로만 팽창하도록 설계된 강화 폴리머와 같은 복합 재료로 형성된다.

계자 코일 지지 구조체(150)는 중공 오목부(154)의 환형 어레이를 포함하며, 각각의 오목부가 복수의 레이스트랙 형상의 초전도 코일(152) 중 하나를 수용하도록 구성된다. 각각의 초전도 코일(152)이 계자 코일 지지 구조체(150)의 둘레에서 연장되는 환형 어레이의 오목부(154)에 지지되며 헬륨 배스(bath)에 의해 극저온으로 냉각된다. 예를 들어, 서른 여섯(36)개의 코일(152)이 발전기용의 고정자 계자 권선의 역할을 하는 계자 권선의 환형 어레이를 형성할 수도 있다. 초전도 코일(152)이 각각, 헬륨용 냉각 도관을 포함할 수도 있는 레이스트랙 형태의 주위에 나선형으로 감긴 (NbTi) 와이어로 형성될 수도 있다.

보다 구체적으로, 복수의 레이스트랙 형상의 초전도 코일(152)이 각각, 코일(152)을 오목부(154)에 고정하기 위한 스냅-끼워 맞춤 설계(통합 부착)에 의해 개개의 오목부(154)에 안착된다. 따라서, 복수의 레이스트랙 형상의 초전도 코일(152)이 각각 개개의 오목부(154)에 대해 위치되어 맞물림 연결부를 형성한다. 초전도 코일(152)은 전기자 코일을 향해 반경 방향으로 자기력에 의해 이동하는 경향이 있다. 초전도 코일(152)을 계자 코일 지지 구조체(150)에 스냅 끼워 맞춤함으로써, 초전도 코일(152)이 계자 코일 지지 구조체(150)에 형성된 오목부(154) 내부에 잠금 및 유지된다.

보다 구체적으로 도 5를 참조하면, 일 실시예에서, 내부 열 차폐부(158) 및 외부 열 차폐부(160)가 계자 코일 지지 구조체(150)를 중심으로 배치된다. 열 차폐부(158, 160)가 각각, 관형 원통형 구조체로서 구성된다. 관심사는 초전도 계자 코일(152)의 냉각 동안 및 냉각 후에 반경 방향(110)(도 2)으로의 외부 열 차폐부(160)의 수축이다. 본 명세서에 개시된 바와 같은 계자 코일 지지 구조체(150)의 수축 부족으로 인해, 반경 방향(110)으로의 외부 열 차폐부(160)의 수축에 의해 외부 열 차폐부(160)가 계자 코일 지지 구조체(150)에 닿게 되어, 높은 열 부하로 인한 계자 코일(152)의 작동 불능을 초래할 것이다.

이러한 외부 열 차폐부(160)의 수축을 제거하지는 않지만 최소화하기 위해, 외부 열 차폐부가 복수의 반경 방향으로 분할된 알루미늄 차폐부(162)로 구성된다. 일 실시예에서, 내부 열 차폐부(158)가 추가적으로, 복수의 반경 방향으로 분할된 알루미늄 차폐부(162)로 구성되어, 진공 덮개(envelope)가 가능한 한 작고 단단하게 유지되도록 할 수도 있다. 외부 열 차폐부(160)를 반경 방향으로 분할된 구조체(162)로 형성함으로써, 반경 방향(110)의 임의의 수축 또는 직경 방향 수축이 "파괴"되며, 외부 열 차폐부(160)의 각각의 세그먼트(162)는 각각의 세그먼트(162)의 두께에 대한 수축에만 민감하게 될 것이다. 일 실시예에서, 외부 열 차폐부(160)의 각각의 열 차폐부 세그먼트(162)는 대략 5 mm 내지 10 mm이다. 차폐부가 이러한 최소 치수의 두께를 갖는 경우, 냉각 후 수축이 1 밀리미터당 4.3이 될 것이며, 이것은 5 mm의 벽 두께에 대해 0.0215 mm 수축된다는 것을 의미한다.

도 5에 가장 잘 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 복수의 짧고 열 전도도가 낮은 지지 기둥(156)이 계자 코일 지지 구조체(150)에 대해 외부 열 차폐부(160)의 분할된 열 차폐 구조체(162)를 지지하고 안정화하기 위해 배치된다. 복수의 지지 기둥(156)이 각각, 개개의 분할된 열 차폐 구조체(162)의 중량을 지탱하는 열 지지 칼럼의 역할을 한다. 각각의 지지 기둥(156)은 저온 유지 장치 설계에 따라 수축하기보다는 팽창하도록 설계될 수도 있다. 일 실시예에서, 이러한 지지부를 제공할 수 있는 지지 기둥이 일반적으로 하임 칼럼(Heim column)으로 지칭된다.

전력을 생성하는 과정에서 비회전 환형 계자 권선 조립체에서 자기장이 생성된다. 전기자 조립체가 전기자 조립체에 전류를 생성하기 위해 비회전 환형 계자 권선 조립체를 중심으로 회전한다. 비회전 환형 계자 권선 조립체의 복수의 초전도 코일이 복수의 초전도 코일을 냉각함에 따라 적어도 부분적으로 기화되는 냉각 액체를 사용하여 초전도 조건으로 냉각된다. 비회전 환형 계자 권선 조립체의 계자 코일 지지 구조체는 복수의 초전도 코일을 초전도 조건으로 냉각하는 동안 비회전 환형 계자 권선 조립체와 전기자 조립체 사이의 자기 간극의 치수를 유지하기 위해 열 팽창 계수가 낮은 재료로 구성된다.

복수의 모듈식 반도체 계자 코일, 계자 코일 지지 구조체, 및 외부 전기자를 포함하는 초전도 계자 권선 조립체 및 전술한 바와 같은 작동 방법을 갖는 발전기는 높은 토크 밀도를 가지며 상대적으로 경량일 것이다. 발전기가 10 MW 이상의 전력 출력을 달성하며 경량일 수도 있다. 일 실시예에서, 초전도 발전기는 풍력 용례에서와 같이 멀티 메가 와트(MW), 예를 들어, 10 MW 내지 35 MW의 전력을 생성할 수 있다. 다른 실시예에서는, 초전도 발전기가 초전도 선박 추진 시스템에서와 같이 멀티 MW, 예를 들어, 100 MW 이상의 전력을 생성할 수 있다.

초전도 계자 권선 조립체는 초전도 자석의 냉각 동안 및 냉각 이후에 반도체 조립체와 전기자 조립체 사이에 형성된 자기 간극의 수축을 제거하지는 않더라도 최소화한다. 자기 간극이 넓어지지 않도록 자기 간극을 유지함으로써, 자기 간극으로 자기장이 확장되는 초전도 계자 권선의 이점이 유지되며, 더 높은 자속 밀도가 획득되어, 결과적으로 비용상 이점이 초래된다. 또한, 추가적인 비용상 혜택으로서, 초전도 시스템의 초전도 와이어의 비용이 일정 비율 절감될 수도 있다. 자기 간극이 유지되지 않고 간극 크기가 커지면, 초전도 발전기의 성능 및 효율이 크게 저하될 수도 있다.

본 발명이 현재 가장 실용적이고 바람직한 실시예로 간주되는 것과 관련하여 설명되었지만, 본 발명이 개시된 실시예로 제한되지 않으며, 반대로 첨부된 청구범위의 정신 및 범위 내에 포함된 다양한 변형예 및 등가의 장치를 포함하도록 의도된다는 것을 이해하여야 한다.

Claims

전기 기계로서,
환형 전기자 조립체;
전기자 조립체와 동축이며, 전기자 조립체로부터 간극에 의해 분리되는 비회전 환형 계자 권선 조립체
를 포함하며,
계자 권선 조립체는,
내부에 형성된 환형 오목부(recess) 어레이를 구비한 계자 코일 지지 구조체로서, 환형 오목부 어레이는 계자 코일 지지 구조체의 둘레에서 연장되는 것인 계자 코일 지지 구조체;
환형 오목부 어레이의 오목부에 각각 배치되는 복수의 초전도 코일
을 포함하는 것인 전기 기계.
제 1 항에 있어서,
전기자 조립체는 계자 코일 내부(FCI; field coil inside) 구성을 획정하기 위해 비회전 환형 계자 권선 조립체의 주위에 형성되는 것인 전기 기계.
제 1 항에 있어서,
복수의 초전도 코일 각각은 레이스트랙(racetrack) 형상의 초전도 코일인 것인 전기 기계.
제 1 항에 있어서,
복수의 초전도 코일 각각은 환형 오목부 어레이의 해당 오목부 내부에서 스냅-끼워 맞춤 연결부를 형성하는 것인 전기 기계.
제 1 항에 있어서,
계자 코일 지지 구조체는 열 팽창 계수가 낮은 재료로 형성되는 것인 전기 기계.
제 5 항에 있어서,
계자 코일 지지 구조체는 인바(Invar)로 형성되는 것인 전기 기계.
제 5 항에 있어서,
계자 코일 지지 구조체는 코바(Kovar)로 형성되는 것인 전기 기계.
제 1 항에 있어서,
복수의 초전도 코일을 중심으로 배치된 적어도 하나의 분할된(segmented) 열 차폐부;
복수의 초전도 코일에 대해 적어도 하나의 분할된 열 차폐부를 지지하도록 배치된 하나 이상의 지지 기둥
을 추가로 포함하는 전기 기계.
발전기로서,
환형 전기자 조립체;
전기자 조립체와 동축이며, 전기자 조립체로부터 간극에 의해 분리되는 비회전 환형 계자 권선 조립체
를 포함하며,
계자 권선 조립체는,
무시할 수 있는 열 팽창 계수를 갖는 비수축성 재료로 형성된 계자 코일 지지 구조체;
계자 코일 지지 구조체에 대해 각각 배치된 복수의 초전도 코일
을 포함하는 것인 발전기.
제 9 항에 있어서,
전기자 조립체는 계자 코일 내부(FCI) 구성을 획정하기 위해 비회전 환형 계자 권선 조립체의 주위에 형성되는 것인 발전기.
제 9 항에 있어서,
복수의 초전도 코일 각각은 레이스트랙 형상의 초전도 코일인 것인 발전기.
제 9 항에 있어서,
복수의 초전도 코일 각각은 계자 코일 지지 구조체에 결합되는 것인 발전기.
제 9 항에 있어서,
계자 코일 지지 구조체는, 내부에 형성되며 계자 코일 지지 구조체의 둘레에서 연장되는 환형 오목부 어레이를 포함하는 것인 발전기.
제 13 항에 있어서,
복수의 초전도 코일 각각은 환형 오목부 어레이의 오목부에 배치되는 것인 발전기.
제 14 항에 있어서,
복수의 초전도 코일 각각은 환형 오목부 어레이의 해당 오목부 내부에서 스냅-끼워 맞춤 연결부를 형성하는 것인 발전기.
제 14 항에 있어서,
복수의 초전도 코일 주위에 배치된 적어도 하나의 분할된 열 차폐부;
복수의 초전도 코일에 대해 적어도 하나의 분할된 열 차폐부 각각을 지지하도록 배치된 하나 이상의 지지 기둥
을 추가로 포함하는 발전기.
제 9 항에 있어서,
계자 코일 지지 구조체는 인바(Invar)로 형성되는 것인 발전기.
제 9 항에 있어서,
계자 코일 지지 구조체는 코바(Kovar)로 형성되는 것인 발전기.
제 9 항에 있어서,
10 MW 이상의 전력 출력을 달성하는 발전기.
전력을 생성하기 위한 방법으로서,
발전기의 비회전 환형 계자 권선 조립체에서 자기장을 생성하는 단계로서,
비회전 환형 계자 권선 조립체는,
내부에 형성된 환형 오목부 어레이를 구비한 계자 코일 지지 구조체로서, 환형 오목부 어레이는 계자 코일 지지 구조체의 둘레에서 연장되는 것인 계자 코일 지지 구조체;
환형 오목부 어레이의 오목부에 각각 배치되는 복수의 초전도 코일
을 포함하는 것인, 단계;
발전기의 전기자 조립체를 회전시키는 단계로서, 전기자 조립체는 비회전 환형 계자 권선 조립체에 동축으로 전자기적으로 결합되며, 비회전 환형 계자 권선 조립체는 전기자 조립체로부터 간극에 의해 분리되는 것인, 단계;
비회전 환형 계자 권선 조립체 주위에서의 전기자 조립체의 회전에 의해 전기자 조립체에 전류를 생성하는 단계;
복수의 초전도 코일을 냉각시킴에 따라 적어도 부분적으로 기화되는 냉각 액체를 사용하여 복수의 초전도 코일을 초전도 조건으로 냉각하는 단계
를 포함하며,
계자 코일 지지 구조체는, 복수의 초전도 코일을 초전도 조건으로 냉각하는 동안 비회전 환형 계자 권선 조립체와 전기자 조립체 사이의 간극의 치수를 유지하기 위해 열 팽창 계수가 낮은 재료로 구성되는 것인, 전력을 생성하기 위한 방법.