WO2024053809A1 - 장기 운전 및 유지보수 신뢰성 향상을 위한 고체냉매 냉각 배터리기반의 극저온 냉각 모듈 구조가 구비된 고온초전도 회전기 - Google Patents

장기 운전 및 유지보수 신뢰성 향상을 위한 고체냉매 냉각 배터리기반의 극저온 냉각 모듈 구조가 구비된 고온초전도 회전기 Download PDF

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WO2024053809A1
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temperature superconducting
cooling
field
rotor
module
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김호민
김지형
이성훈
채윤석
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제주대학교 산학협력단
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/06—Coils, e.g. winding, insulating, terminating or casing arrangements therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K55/00—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures
    • H02K55/02—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type
    • H02K55/04—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type with rotating field windings
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the present invention enables stable operation for a short time/without power by using a solid refrigerant cooling battery in the event of emergency maintenance of the cooling system and external power cutoff during operation of the high-temperature superconducting rotor, but the fixed high-temperature superconducting field magnetic field structure is modularized. Thermal and electrical operation stability is ensured by using a solid refrigerant cooling battery, which not only enables rapid replacement of field magnetic poles but also improves the reliability and economic efficiency of the application system by shortening the time required for fault recovery. It relates to a high-temperature superconducting rotor with a secured cryogenic cooling module.
  • high-temperature superconducting rotors have a structure in which high-temperature superconductors cooled to extremely low temperatures are used in the field of a synchronous rotor and rotate inside the rotor, and copper conductors cooled to room temperature are used in the armature and fixed to the outside of the rotor.
  • the high-temperature superconducting field adopts an internal electrostatic rotating field synchronous rotor structure in which the rotor and the copper armature are located on the stator.
  • a special cooling structure and device is required to cool the high-temperature superconducting field rotating inside the rotor to cryogenic temperatures. Must be equipped.
  • thermosyphon and forced circulation method using liquid refrigerant is a vacuum insulated pipe that penetrates the long axis of rotation in order to supply refrigerants such as helium, hydrogen, neon, and nitrogen in a liquefied state to the high-temperature superconducting field located inside the rotor.
  • refrigerants such as helium, hydrogen, neon, and nitrogen
  • devices such as cryogenic blowers and pumps for refrigerant circulation are required.
  • cryogenic cooling device is required to re-condense the cryogenic refrigerant outside the rotor in order to reuse the cryogenic refrigerant.
  • the conduction cooling method which cools the cryogenic refrigerator by directly connecting it to a high-temperature superconducting field
  • helium supply from a helium compressor is required to operate the cryogenic refrigerator located in the rotating part, and in this case, as with the liquid refrigerant method, high pressure-rotation coupling is used. This is definitely required.
  • both of the two representative cooling methods for cryogenic cooling of rotating field-type high-temperature superconducting synchronous rotors require regular maintenance due to the use of special cooling structures and separate devices, and require replacement and inspection in case of sudden failure of the special device. Reduces the operation rate of the rotating machine.
  • a long inspection time is required due to extremely high vacuum for vacuum insulation, normalization of cryogenic temperature, high magnetic field discharge for a long period of time, etc., and the operation rate of the rotary machine may be extremely reduced.
  • a plurality of high-temperature superconducting field poles which can be said to be key components in the structure of a synchronous rotor with a high-temperature superconducting magnet used as a field winding and located inside the rotor, are electrically connected in series or parallel to generate a single electric field. It is composed of a circuit, and is mechanically structured to be included in a single cooling tank for vacuum insulation and cryogenic cooling.
  • offshore wind power generation which can be said to be a representative application field of high-temperature superconducting rotors, has technical and economic difficulties in maintaining wind turbines compared to onshore wind power due to bad weather conditions and difficulty in geographical accessibility compared to onshore wind power generation.
  • a rotating field-type superconducting synchronous generator the technical reliability of the cryogenic cooling structure and devices described above can be further aggravated and the operation rate can be significantly lowered compared to a normal conduction wind turbine, which can lead to the commercialization of superconducting offshore wind turbines. can make it more difficult.
  • the propulsion motor rotates at a minimum of thousands to a maximum of tens of thousands of revolutions per minute, so the special rotation coupling device related to cryogenic cooling required in the rotating field-type superconducting synchronous motor structure is used to ensure reliability at high speeds.
  • the special rotation coupling device related to cryogenic cooling required in the rotating field-type superconducting synchronous motor structure is used to ensure reliability at high speeds.
  • expensive devices are required, initial investment and maintenance costs inevitably increase.
  • the cooling method of the high-temperature superconducting field using a cryogenic refrigerator allows variable control of the cooling temperature, which not only makes it easy to control the output of the high-temperature superconducting field by changing the operating temperature according to the operating environment of the high-temperature superconducting rotor, but also makes the cooling system compact and compact. It has the advantage of being lightweight.
  • cooling performance becomes weaker due to problems such as heat shrinkage, poor contact, and slow heat diffusion compared to the method of direct immersion in refrigerant. This makes it difficult to secure thermal stability of the high-temperature superconducting field, making it difficult to operate the application device. It reduces reliability.
  • cryogenic refrigerator such as a power cut, failure, or maintenance
  • cryogenic cooling of the high-temperature superconducting rotor is impossible, so operation of the application equipment must be stopped.
  • the present invention is intended to solve the above-mentioned problems, and its technical gist is to provide emergency maintenance and external maintenance of the cooling system during operation of a high-temperature superconducting rotor using a solid refrigerant with a much higher density and greater heat capacity than the gas and liquid phases of the same material.
  • the purpose is to provide a high-temperature superconducting rotor with a fault tolerant cooling structure based on a cryogenic cooling battery that can stably maintain the target operating temperature without power supply for the minimum time required for fault recovery in the event of an emergency due to power cutoff.
  • a rotating armature-type high-temperature superconducting synchronous rotor based on a modularized fixed high-temperature superconducting field pole structure enables rapid replacement of field poles, shortening the failure recovery time of the high-temperature superconducting rotor, thereby improving the reliability and economic feasibility of application devices.
  • the purpose is to provide something.
  • the present invention has a power slip ring 120 including a brush mounted on one end of the rotor shaft 110 provided at the center of the axis, and the other end of the rotor shaft 110 for wind power generation. Blades or a propeller 130 for ship and aircraft propulsion are mounted, and a rotor core 140 and a copper armature winding 150 are provided on the circumferential outer surface of the rotor shaft 110 to rotate the shaft.
  • an electronic module 100 It is disposed on the outside of the air core rotor module 100 (arranged to be spaced apart from the air core rotor module with a close gap) to partition the inner space on the armature rotation side and the outer portion on the field fixation side, and the longitudinal cross-sectional shape is a hexagonal outer peripheral surface.
  • a vacuum chamber 310 for the field stimulation module is installed on each side of the hexagonal outer peripheral surface 210 of the conduction cooling block structure 200 and is individually detachable.
  • a stationary high-temperature superconducting field winding 320 connected to a separate power introduction line 321 inside, and a conductor plate 330 for conduction cooling is coupled to one side of the stationary high-temperature superconducting field winding 320.
  • One side of the conductor plate 330 for conduction cooling is formed to conduction cooling the stationary high-temperature superconducting field winding 320 by contacting the cold head 342 of the cryogenic refrigerator 340, and a vacuum chamber 310 for the field stimulation module.
  • a port 350 for introducing liquid refrigerant is provided on one side of the outer circumferential surface to allow liquid refrigerant to flow into the vacuum chamber 310 for the field stimulation module, and the liquid refrigerant is stored in the vacuum chamber 310 for the field stimulation module.
  • a high-temperature superconducting field stimulation module 300 that causes the 340 to cool to a set temperature and solidify into a solid refrigerant; It is composed and accomplished.
  • the vacuum chamber 310 for the field stimulation module is provided with a mounting rib 311 on one surface corresponding to each side of the hexagonal outer peripheral surface 210 of the conduction cooling block structure 200, and the hexagonal external peripheral surface ( A slit groove 211 is formed in 210 so that the mounting rib 311 can be attached and detached (a type of dovetail structure) while corresponding to the slit groove 211.
  • the field stimulation module vacuum chamber 310 is formed in a trapezoidal cross-sectional shape, so that when continuously combined with neighboring field stimulation module vacuum chambers along the circumferential direction, the overall combined cross-sectional shape is in the form of a double regular hexagonal box. As it is partitioned, it is formed to form a three-dimensional large-area cooling structure (cross-sectional shape with the inside and outside closed) for the air-core rotor module 100.
  • the high-temperature superconducting field stimulation module 300 is equipped with a magnetic shielding iron core 360 on one side of the conductor plate 330 for conduction cooling to shield the high magnetic field generated from the high-temperature superconducting field stimulation module 300.
  • a heat shielding support 370 is installed between the magnetic shielding iron core 360 and the surface of the stationary high-temperature superconducting field winding 320, which faces the inner peripheral surface of the field stimulation module vacuum chamber 310, to prevent conduction heat. It is formed so that shielding is achieved.
  • the high-temperature superconducting rotator is provided with an enclosure tank 500 outside the high-temperature superconducting field stimulation module 300, and the enclosure tank 500 is equipped with an opening and closing cover 510 having through holes at both ends in the longitudinal direction. It is formed to be detachable, and a mounting tube 530 having an assembly flange 520 is formed on one side of the circumferential surface of the enclosure tank 500 to accommodate the refrigerant pipe 341 of the cryogenic refrigerator 340.
  • the cryogenic freezer 340 uses a cold head 342 having one or two stages depending on the case, and the conduction cooling plate 610 attached to the end of the cold head 341 is a flexible, oxygen-free heat transfer device. It is formed to be connected to the opening and closing part 630 of the heat load circuit breaker 600 through a copper braided line or laminated sheet 620, and the opening and closing part 630 is composed of an oxygen-free copper cooling fin 631 and an oxygen-free copper socket 632. One side of the pipe is separated at a predetermined interval and the pipe is connected or opened and closed according to the up and down movement of the up and down shaft 634 of the heat load circuit breaker 600.
  • the oxygen-free copper cooling fin 631 is disconnected from the oxygen-free copper socket 632 by the up-down shaft 634, and the up-down shaft 634 rotates when the drive motor 640 rotates. It is formed to control the up and down of the oxygen-free copper cooling fin 631 by going up and down by the bellows pipe 636 connected thereto.
  • the bellows pipe 636 has a support bracket 637 formed on one side, and the support bracket 637 is assembled with a mechanical combination in the form of a drive shaft 635 and a rack pinion or bevel gear to enable raising and lowering. It is connected, and when the drive shaft 635 rotates, the raised support bracket 637 moves up and down, and the bellows pipe 636 combined with the support bracket 637 expands upward and downward, and the up-down shaft 634 connected to it moves up and down. It is formed to raise and lower (631).
  • the oxygen-free copper cooling fin 631 is formed to be in close contact with the segmented oxygen-free copper socket 632 when lowered.
  • the thermal load breaker 600 is operated through expansion and contraction of the oxygen-free copper braided line or laminated sheet 620, from cold head 342 to conduction cooling plate 610 to oxygen-free copper braided line or laminated sheet 620 to oxygen-free copper braided line or laminated sheet 620.
  • Copper connector (633) -> oxygen-free copper cooling fin (631) -> oxygen-free copper socket (632) is connected (contact/adhered) in this order to perform conduction cooling.
  • the oxygen-free copper cooling fin 631 is spaced upward in the opposite direction and is separated from the oxygen-free copper socket 632. This minimizes conduction heat intruding from room temperature and creates a vacuum for the field stimulation module. It is formed to ensure maximum maintenance of cooling to the target operating temperature within the tank.
  • a direct current rectifier is additionally installed at the end of the armature winding located in the rotor of the structure, a high-temperature superconducting direct current rotor can be configured.
  • the present invention has the following effects.
  • Solid refrigerant which is an auxiliary cooling source, has the effect of increasing the heat capacity of the high-temperature superconducting field and improving cooling uniformity, thereby improving cooling stability during thermal transients.
  • the fixed field magnetic pole structure does not require a rotational coupling for cooling, which has the effect of improving maintenance economy and technical reliability.
  • the field magnetic pole structure fixed to the outside of the rotor is easy to vacuum, cool, and maintain, providing convenience in the design, production, and operation of application devices.
  • the fixed field magnetic pole structure enables monitoring and control of high-temperature superconducting fields in a stationary state, eliminating the need for expensive signal slip rings, which not only improves economic efficiency through maintenance, but also enables more detailed and diverse signal measurement in a stationary state. This has the effect of enabling more stable surveillance and protection.
  • the electrically and thermally modularized structure between multiple field poles can improve the operation rate of applied devices because the time required for disassembly, assembly, vacuum, cooling, and recharging in the event of a failure is reduced compared to the conventional integrated structure. It works.
  • FIG. 1 is an exemplary longitudinal cross-section showing a wind turbine to which the solid refrigerant cooling battery of the present invention is applied;
  • Figure 2 is an example cross-section of Figure 1;
  • Figures 3 to 8 are illustrations of main parts showing an air core rotor module, a block structure for conduction cooling, a high-temperature superconducting field stimulation module, a cryogenic refrigerator, and a heat load breaker according to the present invention
  • Figure 9 is an exploded perspective view of Figure 3.
  • High-temperature superconducting field stimulation module 310 ... Vacuum tank for field stimulation module
  • thermal load breaker 610 conduction cold plate
  • opening/closing part 631 oxygen-free copper cooling fin
  • Oxygen-free copper socket 633 Oxygen-free copper connector
  • a power slip ring 120 including a brush is mounted on one end of the rotor shaft 110 provided at the center of the axis, and the other end of the rotor shaft 110 is used for wind power generation.
  • Blades or a propeller 130 for ship and aircraft propulsion are mounted, and a rotor core 140 and a copper armature winding 150 are provided on the circumferential outer surface of the rotor shaft 110 to rotate the shaft.
  • an electronic module 100 It is disposed on the outside of the air core rotor module 100 (arranged to be spaced apart from the air core rotor module with a close gap) to partition the inner space on the armature rotation side and the outer portion on the field fixation side, and the longitudinal cross-sectional shape is a hexagonal outer peripheral surface.
  • a vacuum chamber 310 for the field stimulation module is installed on each side of the hexagonal outer peripheral surface 210 of the conduction cooling block structure 200 and is individually detachable.
  • a stationary high-temperature superconducting field winding 320 connected to a separate power introduction line 321 inside, and a conductor plate 330 for conduction cooling is coupled to one side of the stationary high-temperature superconducting field winding 320.
  • One side of the conductor plate 330 for conduction cooling is formed to conduction cooling the stationary high-temperature superconducting field winding 320 by contacting the cold head 342 of the cryogenic refrigerator 340, and a vacuum chamber 310 for the field stimulation module.
  • a port 350 for introducing liquid refrigerant is provided on one side of the outer circumferential surface to allow liquid refrigerant to flow into the vacuum chamber 310 for the field stimulation module, and the liquid refrigerant is stored in the vacuum chamber 310 for the field stimulation module.
  • a high-temperature superconducting field stimulation module 300 that causes the 340 to cool to a set temperature and solidify into a solid refrigerant; It is composed and made.
  • the high-temperature superconducting field which is the core technology of the present invention, is located outside the generator or electric motor and is mechanically fixed.
  • a cryogenic refrigerator is used as the main cooling source and at the same time, a solid refrigerant is used. It has a cooling structure that generates and uses it as an auxiliary cooling source.
  • the rotor containing the copper armature In the case of a wind turbine, the rotor containing the copper armature is located on the inside, receives mechanical rotational force from the wind turbine blades, rotates and produces power at the same time, transmits power to an external load through a power slip ring, and is an electric propulsion motor. In this case, it is located inside, and a propeller and power slip ring are attached to both ends of the rotor shaft, and a mechanical rotational force is generated from an external power source and power is transmitted to the propeller.
  • This can be referred to as a rotating armature resistance-type high-temperature superconducting synchronous rotor structure.
  • a rotating armature abduction type high-temperature superconducting synchronous rotor structure is formed.
  • the auxiliary cooling source using solid refrigerant covers the entire area of the high-temperature superconducting field to increase cooling uniformity and can improve thermal stability by quickly absorbing internal heat when a disturbance occurs.
  • the solid refrigerant operates as a cooling battery during the return to normal operation time, making it a fault tolerant cooling technology that enables stable operation of a superconducting generator or electric motor for a short period of time or without power.
  • the heat load blocking technology using a cryogenic refrigerator that can turn on and off physical contact and a current power supply line is combined to extend the non-power cooling time of the solid refrigerant cooling battery, which can be used for wind power generators, ships and Downtime of aviation propulsion motors can be minimized.
  • the performance of the cooling battery can be improved when a hybrid refrigerant using a mixture of a solid refrigerant and a small amount of liquid refrigerant is applied in addition to the solid refrigerant.
  • Figure 2 shows a rotating armature type high-temperature superconducting synchronous rotor with a solid refrigerant cooling battery and a modular high-temperature superconducting field magnetic pole structure applied.
  • the high-temperature superconducting field is located outside the generator and is mechanically fixed, and has a cooling structure that uses a cryogenic refrigerator as the main cooling source when cooling to the operating temperature and simultaneously generates a solid refrigerant and uses it as an auxiliary cooling source.
  • one field pole is composed of single or multiple racetrack-shaped high-temperature superconducting coils, and in the case of multiple coils, they are electrically joined to generate a magnetic field of the same polarity.
  • one field pole is a modular single field pole that arranges the cryogenic refrigerator and the field power supply unit on a one-to-one basis based on one cooling tank. Take structure.
  • a plurality of modular field poles are excited by a field power supply so that the polarity is crossed to generate a direct current alternating magnetic field (N pole - S pole), and are operated and controlled by individual power devices within the modular field pole, so the modular field pole It is a structure in which there is no electrical connection between them.
  • the modular field pole structure is used for detailed individual field poles. Based on control, a balanced direct current alternating magnetic field can be generated.
  • the best operating environment for the high-temperature superconducting field magnet can be created by optimizing cooling and excitation control conditions based on the manufacturing parameters of each high-temperature superconducting field magnet.
  • the solid refrigerant operates as a cooling battery for the minimum time to return to normal operation, enabling stable operation of the high-temperature superconducting rotor for a short time/without power. .
  • high-temperature superconductivity can be achieved by simply removing the faulty modular field pole and replacing it with a new field pole.
  • the rotor can be immediately put into normal operation, maximizing the operation rate of the application equipment.
  • the present invention is largely comprised of an air-core rotor module (100), a block structure for conduction cooling (200), and a high-temperature superconducting field stimulation module (300).
  • the air core rotor module 100 is equipped with a power slip ring 120 including a brush on one end of the rotor shaft 110 provided at the center of the axis, and a power slip ring 120 including a brush is installed on the other end of the rotor shaft 110. It is formed to be equipped with a blade for power generation or a propeller 130 for propulsion of ships and aircraft.
  • a rotor core 140 and a copper armature winding 150 are provided on the circumferential outer peripheral surface of the rotor shaft 110 and are formed to rotate about the axis.
  • the conduction cooling block structure 200 is disposed on the outside of the air core rotor module 100 (arranged to be spaced apart from the air core rotor module with a gap close to it) to form an inner space on the armature rotation side and an outer space on the field stationary side.
  • the parts are divided into sections, but the longitudinal cross-sectional shape is formed to be provided with a hexagonal outer peripheral surface 210.
  • the high-temperature superconducting field stimulation module 300 is mounted on each side of the hexagonal outer peripheral surface 210 of the conduction cooling block structure 200 and is provided with a vacuum chamber 310 for the field stimulation module so that it can be individually attached and detached. do.
  • the vacuum chamber 310 for the field stimulation module is equipped with a stationary high-temperature superconducting field winding 320 connected to a separate power inlet line 321, and one surface of the stationary high-temperature superconducting field winding 320 is used for conduction cooling.
  • the conductor plate 330 is formed to be coupled.
  • the cold head 342 of the cryogenic refrigerator 340 is in contact with one side of the conductor plate 330 for conduction cooling, thereby cooling the stationary high-temperature superconducting field winding 320 by conduction.
  • the vacuum tank 310 for the field stimulation module is provided with a port 350 for introducing liquid refrigerant on one side of the outer peripheral surface so that the liquid refrigerant flows into the vacuum tank 310 for the field stimulation module.
  • the liquid refrigerant is formed to solidify (solidify) into a solid refrigerant while being cooled to a set temperature by the cryogenic refrigerator 340 in the vacuum chamber 310 for the field stimulation module.
  • the vacuum chamber 310 for the field stimulation module is formed so that a mounting rib 311 is provided on one side corresponding to each side of the hexagonal outer peripheral surface 210 of the conduction cooling block structure 200.
  • a slit groove 211 is formed on the hexagonal outer peripheral surface 210 so that the mounting rib 311 can be attached and detached (a type of dovetail structure) while corresponding to the slit groove 211.
  • the field stimulation module vacuum chamber 310 is formed in a trapezoidal cross-sectional shape, so that when continuously combined with neighboring field stimulation module vacuum chambers along the circumferential direction, the overall combined cross-sectional shape is in the form of a double regular hexagonal box. As it is partitioned, it is formed to form a three-dimensional large-area cooling structure (cross-sectional shape with the inside and outside closed) for the air-core rotor module 100.
  • the high-temperature superconducting field stimulation module 300 is equipped with a magnetic shielding iron core 360 on one side of the conductor plate 330 for conduction cooling to shield the high magnetic field generated from the high-temperature superconducting field stimulation module 300. do.
  • a heat shielding support 370 is installed between the magnetic shielding iron core 360 and the surface of the stationary high-temperature superconducting field winding 320, which faces the inner peripheral surface of the field stimulation module vacuum chamber 310, to prevent conduction heat. It is formed so that shielding is achieved.
  • the high-temperature superconducting rotator is provided with an enclosure tank 500 outside the high-temperature superconducting field stimulation module 300, and the enclosure tank 500 is provided with an opening/closing cover 510 having through holes at both ends in the longitudinal direction. It is formed to be detachable, and a mounting tube 530 having an assembly flange 520 is formed on one side of the circumferential surface of the enclosure tank 500 to accommodate the refrigerant pipe 341 of the cryogenic refrigerator 340.
  • cryogenic freezer 340 uses a cold head 342 having one or two stages depending on the case, and the conduction cooling plate 610 attached to the end of the cold head 341 is a flexible, oxygen-free heat transfer device. It is formed to be connected to the opening and closing portion 630 of the heat load circuit breaker 600 through the copper braided line or laminated sheet 620.
  • the opening and closing part 630 is composed of an oxygen-free copper cooling fin 631 and an oxygen-free copper socket 632, so that one side of the pipe is separated at a predetermined interval according to the up and down movement of the up and down shaft 634 of the heat load circuit breaker 600.
  • Pipes are formed to be connected or opened and closed.
  • the oxygen-free copper cooling fin 631 is disconnected from the oxygen-free copper socket 632 by the up-down shaft 634, and the up-down shaft 634 rotates when the drive motor 640 rotates. It is formed to control the up and down of the oxygen-free copper cooling fin 631 by going up and down by the bellows pipe 636 connected thereto.
  • the bellows pipe 636 has a support bracket 637 formed on one side, and the support bracket 637 is assembled with a mechanical combination in the form of a drive shaft 635 and a rack pinion or bevel gear to enable raising and lowering. connected.
  • the oxygen-free copper cooling fin 631 is formed to be in close contact with the segmented oxygen-free copper socket 632 when lowered.
  • the heat load breaker 600 is operated through expansion and contraction of the oxygen-free copper braided line or laminated sheet 620, from cold head 342 to conduction cooling plate 610 to oxygen-free copper braided line or laminated sheet 620 to oxygen-free copper braided line or laminated sheet 620.
  • Copper connector (633) -> oxygen-free copper cooling fin (631) -> oxygen-free copper socket (632) is connected (contact/adhered) in this order to perform conduction cooling.
  • the oxygen-free copper cooling fin 631 is spaced upward in the opposite direction and is separated from the oxygen-free copper socket 632. This minimizes conduction heat intruding from room temperature and creates a vacuum for the field stimulation module. It is formed to ensure maximum maintenance of cooling to the target operating temperature within the tank.
  • a direct current rectifier is additionally installed at the end of the armature winding located in the rotor of the structure, a high-temperature superconducting direct current rotor can be configured.
  • the present invention enables stable operation for a short time/without power by using a solid refrigerant cooling battery in the event of emergency maintenance of the cooling system and external power cutoff during operation of the high-temperature superconducting rotor, but the fixed high-temperature superconducting field magnetic field structure is modularized. It can be used industrially by not only enabling rapid replacement of field poles, but also shortening the time required for fault recovery to improve the reliability and economic efficiency of the application system.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

본 발명은 장기 운전 및 유지보수 신뢰성 향상을 위한 고체냉매 냉각 배터리기반의 극저온 냉각 모듈 구조가 구비된 고온초전도 회전기에 관한 것이다. 이에 본 발명의 기술적 요지는 고온초전도 회전기 운전 중 냉각 시스템의 긴급 유지보수 및 외부 전원 차단으로 인한 비상 상황 발생 시 고체냉매 냉각 배터리를 이용하여 단시간/무전원으로 안정적인 운전이 가능할 뿐 아니라 모듈화된 고정형 고온초전도 계자극 구조를 적용하여 계자극의 신속한 교체가 가능하도록 함은 물론 고장복구 시간을 단축시켜 응용시스템의 신뢰성, 경제성을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

장기 운전 및 유지보수 신뢰성 향상을 위한 고체냉매 냉각 배터리기반의 극저온 냉각 모듈 구조가 구비된 고온초전도 회전기
본 발명은 고온초전도 회전기 운전 중 냉각 시스템의 긴급 유지보수 및 외부 전원 차단으로 인한 비상 상황 발생 시 고체냉매 냉각 배터리를 이용하여 단시간/무전원으로 안정적인 운전이 가능하도록 하되, 고정형 고온초전도 계자극 구조는 모듈화되어 계자극의 신속한 교체가 가능하도록 함은 물론 고장복구시 소요시간을 단축시켜 응용시스템의 신뢰성, 경제성을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 고체냉매 냉각 배터리를 이용하여 열적, 전기적인 운전 안정성을 확보한 극저온 냉각 모듈을 갖는 고온초전도 회전기에 관한 것이다.
일반적으로 고온초전도 회전기는 극저온으로 냉각되는 고온초전도체가 동기 회전기의 계자에 사용되어 회전기 내측에서 회전하고 상온으로 냉각되는 구리도체가 전기자에 사용되어 회전기 외측에 고정되는 구조를 취한다.
고온초전도 계자는 회전자에 구리 전기자가 고정자에 위치하는 내전형 회전 계자 동기 회전기 구조를 취하고 있으며 종래 구조에 있어 회전기 내측에 위치하여 회전하는 고온초전도 계자를 극저온으로 냉각하기 위해서는 특수한 냉각 구조 및 장치를 구비해야 한다.
이에 액체냉매를 사용하는 써모싸이펀 및 강제순환 방식은 액화 상태의 헬륨, 수소, 네온, 질소 등의 냉매를 회전자 내측에 위치하는 고온초전도 계자에 공급하기 위하여 장축의 회전축을 관통하는 진공단열 배관과 자성유체씰과 같은 특수 회전커플링이 필수적으로 구비되어야 할 뿐 아니라 강제순환 방식인 경우 냉매 순환을 위한 극저온 블로어 및 펌프와 같은 장치가 필요하게 된다.
또한 두 경우 모두 극저온 냉매의 재사용을 위해 회전기 외부에 극저온 냉매를 재응축하기 위한 별도의 극저온 냉각 장치가 요구된다.
그리고 극저온 냉동기를 고온초전도 계자에 직결하여 냉각하는 전도냉각 방식에 있어 회전부에 위치하는 극저온 냉동기의 동작을 위해서는 헬륨 압축기로부터의 헬륨공급이 요구되며 이 경우도 앞서 액체냉매 방식과 마찬가지로 고압-회전커플링이 필히 요구된다.
전술한 바와 같이, 회전 계자형 고온초전도 동기 회전기의 극저온 냉각을 위한 대표적인 두 가지 냉각방식 모두 특수한 냉각 구조와 별도의 장치 사용에 따른 정기적인 유지보수가 필요하고 특수 장치의 갑작스런 고장 발생시 교체점검에 따른 회전기의 가동률을 저하시킨다.
경우에 따라 극단적으로 진공단열을 위한 고진공의 상압화, 극저온 온도의 상온화, 장시간동안의 고자기장 방전 등에 따라 장시간의 점검시간이 요구되어 회전기의 가동률은 극단적으로 저하될 수 있다.
또한 고온초전도 마그넷이 계자권선으로 사용되어 회전자의 내측에 위치하는 내전형 회전계자 동기회전기 구조에 있어 핵심부품이라 할 수 있는 복수의 고온초전도 계자극들은 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결되면서 하나의 전기회로로 구성되며, 기계 구조적으로 진공단열과 극저온냉각을 위한 하나의 냉각조에 포함되는 구조를 취하게 된다.
이 경우 상술한 냉각 구조 및 장치의 고장 이외에 단수 또는 복수의 고온초전도 계자의 자체적인 고장 발생시 회전 운전을 중단하는 것은 당연시 되고 유지보수를 위해서는 일시에 복수의 계자를 포함하는 회전자를 탈거, 전류 방전, 상압화, 상온화하는 등의 장시간의 복잡한 작업이 필요하게 되며 이는 회전기의 크기에 비례하여 유지보수 난이도와 시간이 소요되어 회전기의 가동률을 현저히 저하시키게 된다.
한편, 고온초전도 회전기의 대표적인 응용분야라 할 수 있는 해상풍력발전은 육상풍력발전 대비 악천후의 기상 조건과 지리적 접근성의 어려움으로 인하여 풍력터빈 유지보수가 육상풍력대비 기술적, 경제적인 어려움이 따르며 해상풍력발전을 위해 회전계자형 초전도 동기발전기를 적용할 경우 상술한 극저온 냉각 구조와 장치들의 기술적 신뢰성 저하는 상술한 어려움을 더욱 가중시켜 상전도 풍력발전기 대비 오히려 가동률이 현저히 저하시킬 수 있어 이는 초전도 해상풍력발전기의 상용화를 더욱 어렵게 할 수 있다.
또한, 전기추진 선박 응용에 회전계자형 초전도 동기전동기를 적용하기 위해서는 원거리 해상을 운행 중 고온초전도 계자와 극저온 냉각 장치의 비상상황 발생시에도 육상으로 이동하는 최소한의 시간동안 초전도 전동기의 지속적인 운전이 반드시 가능해야 할 뿐 아니라 고장에 의한 긴급 정박시에도 가능한 신속히 고장을 복구하고 선박운행에 즉각적으로 투입할 수 있을 정도의 높은 운전 신뢰성을 보장하는 고온초전도 전동기가 반드시 요구된다.
또한, 전기 추진 항공 응용에 있어 추진 전동기는 최소 수천에서 최대 수만의 분당 회전수로 회전하게 되어 회전계자형 초전도 동기 전동기 구조에 있어 요구되는 극저온 냉각 관련 특수 회전커플링 장치는 고속에서의 신뢰성 확보를 위해 고가의 장치가 요구되어 초기 투자 및 유지보수 비용의 증가가 불가피하게 된다.
따라서, 풍력발전 및 전기선박 분야에 고온초전도 회전기 기술을 성공적인 상용화 기술로 사용하기 위해서는 고진공단열, 극저온 냉각 등의 특수한 운전환경을 고려하여 메뉴얼상의 정기적인 유지보수시에 신속한 점검 및 복구가 가능할 뿐 아니라 갑작스런 고장시에도 점검 시간 확보를 위한 최소한의 시간동안 지속적인 운전이 가능하도록 유지보수 편의성, 운전 신뢰성, 시스템 경제성 등을 확보가능한 고온초전도 회전기 기술이 요구된다.
부연하건데, 극저온 냉동기를 이용한 고온초전도 계자의 냉각 방식은 냉각온도의 가변 제어가 가능하여 고온초전도 회전기의 운전환경에 따라 운전온도를 변화시켜 고온초전도 계자 출력 제어가 용이할 뿐 아니라 냉각 시스템의 소형, 경량화가 가능하다는 장점을 갖고 있다.
그러나, 극저온 냉동기 단독으로 전도 냉각하는 경우 직접 냉매에 담그는 방식보다 열 수축, 접촉 불량 및 더딘 열확산 등의 문제로 인하여 냉각 성능이 취약해지며 이는 고온초전도 계자의 열적 안정도 확보를 어렵게 하여 응용기기의 운전 신뢰성을 저하시킨다.
또한, 전원 차단, 고장, 유지보수 등의 극저온 냉동기에 비상 상황 발생 시 고온초전도 회전기의 극저온 냉각이 불가능하여 응용기기의 운전을 중단해야 된다.
이는 풍력발전기 응용인 경우 풍력 터빈 가동률의 저하를 의미하며 극저온 냉각 특성상 상온으로의 warm-up과 재 투입에 필요한 진공 및 냉각에 장시간이 필요할 뿐 아니라 전기적 시정수가 매우 큰 초전도 특성상 전류 충방전에 장시간이 필요하여 가동률 저하를 더욱 가중시킨다.
또한, 선박 및 항공 추진 전동기 응용인 경우 원거리 운전 특성상 상술한 문제들로 인하여 고온초전도 전동기의 적용 자체가 불가능하게 되는 문제가 발생된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 기술적 요지는 동일한 물질의 기체와 액체상에 비하여 밀도가 월등히 높고 열용량이 큰 고체상의 냉매를 이용하여 고온초전도 회전기 운전 중 냉각 시스템의 긴급 유지보수 및 외부 전원 차단으로 인한 비상 상황 발생 시 고장복구에 필요한 최소시간동안 전원공급 없이도 안정적으로 목표 운전온도 유지가 가능한 극저온 냉각 배터리 기반의 Fault tolerant 냉각 구조를 적용한 고온초전도 회전기를 제공함에 그 목적이 있다.
이에, 모듈화된 고정형 고온초전도 계자극 구조 기반의 회전 전기자형 고온 초전도 동기회전기는 계자극의 신속한 교체가 가능하여 고온초전도 회전기의 고장복구 시간을 단축하여 응용기기의 신뢰성, 경제성을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 축선 중앙에 구비된 회전자 샤프트(110)의 일측 단부에 브러시를 포함한 전원 슬립링(120)이 장착되고, 회전자 샤프트(110)의 타측 단부에는 풍력 발전용 블레이드 또는 선박 및 항공 추진용 프로펠러(130)가 장착되도록 하되, 회전자 샤프트(110)의 원주방향 외주면에는 회전자 코어(140)와 구리 전기자 권선(150)이 구비되어 축회전하도록 하는 공심형 회전자 모듈(100)과; 상기 공심형 회전자 모듈(100) 외곽에 배치(공심형 회전자 모듈과 근접한 갭을 두면서 이격되도록 배치)되어 전기자 회전측 내부 공간과 계자 고정측 바깥부분을 구획하도록 하되, 종단면 형상이 육각형상 외주면(210)으로 구비되도록 하는 전도냉각용 블럭 구조체(200)와; 상기 전도냉각용 블럭 구조체(200)의 육각형상 외주면(210) 각 면상에 장착되어 개별적으로 탈부착 될 수 있도록 계자극 모듈용 진공조(310)가 구비되도록 하되, 상기 계자극 모듈용 진공조(310)는 내부에 분리형 전원도입선(321)과 연결된 정지형 고온초전도 계자 권선(320)이 구비되고, 상기 정지형 고온초전도 계자 권선(320)의 일면에는 전도냉각용 도체 플레이트(330)가 결합되도록 하되, 상기 전도냉각용 도체 플레이트(330)의 일측에는 극저온 냉동기(340)의 콜드헤드(342)가 접촉되면서 정지형 고온초전도 계자 권선(320)을 전도냉각 하도록 형성되며, 상기 계자극 모듈용 진공조(310)는 외주면 일측에 액체냉매 인입용 포트(350)가 구비되어 액체냉매가 계자극 모듈용 진공조(310) 내부로 유입되도록 하되, 상기 액체냉매는 계자극 모듈용 진공조(310) 내에서 극저온 냉동기(340)로 하여금 설정된 온도로 냉각되면서 고체냉매로 고화(응고)되도록 하는 고온초전도 계자극 모듈(300)이; 구성되어 이루어진다.
이에, 상기 계자극 모듈용 진공조(310)는 전도냉각용 블럭 구조체(200)의 육각형상 외주면(210) 각 면상과 대응되는 일면에 장착리브(311)가 구비되도록 하되, 상기 육각형상 외주면(210)에는 슬릿홈(211)이 형성되어 장착리브(311)가 슬릿홈(211)에 대응되면서 탈부착(일종의 도브테일 구조)될 수 있도록 형성된다.
이때, 상기 계자극 모듈용 진공조(310)는 종단면 형상이 사다리꼴 형태로 형성되어 이웃한 계자극 모듈형 진공조들과 원주방향을 따라 연속 결합시 전체 결합단면 형태가 2중 정육각 박스형태로 구획되면서 공심형 회전자 모듈(100)에 대한 입체형 대면적 냉각구조(내외부가 폐쇄된 단면형태)가 이루어지도록 형성된다.
이에, 상기 고온초전도 계자극 모듈(300)은 전도냉각용 도체 플레이트(330)의 일면에 자기차폐용 철심(360)이 장착되어 고온초전도 계자극 모듈(300)로부터 발생된 고자기장을 차폐하도록 형성되고, 상기 자기차폐용 철심(360)과 정지형 고온초전도 계자 권선(320)의 면상 중 계자극 모듈용 진공조(310)의 내주면을 향하는 면상 사이에는 열 차폐용 지지대(370)가 장착되어 전도열의 차폐가 이루어지도록 형성된다.
이때, 상기 고온초전도 회전기는 고온초전도 계자극 모듈(300)의 외곽에 외함 탱크(500)가 구비되도록 하되, 상기 외함 탱크(500)는 길이방향 양단에 관통공을 갖는 개폐커버(510)가 구비되어 탈부착되도록 형성되고, 외함 탱크(500)의 원주면 일측에는 조립플렌지(520)를 갖는 장착통(530)이 형성되어 극저온 냉동기(340)의 냉매관(341)이 수납되도록 형성된다.
또한, 상기 극저온 냉동기(340)는 경우에 따라 1단 혹은 2단부를 갖는 콜드헤드(342)가 사용되며, 콜드헤드(341) 단부에 부착된 전도 냉각판(610)은 유연성을 갖는 열전달용 무산소동 편조선 또는 적층시트(620)를 통해 열부하 차단기(600)의 개폐부(630)와 연결되도록 형성되고, 상기 개폐부(630)는 무산소동 냉각핀(631)과 무산소동 소켓(632)으로 구성되어 관로 상 일측이 소정 간격을 두고 분리되어 열부하 차단기(600)의 업다운샤프트(634) 상하운동에 따라 관로가 접속되거나 개폐되도록 형성된다.
이때, 무산소동 냉각핀(631)은 업다운샤프트(634)에 의해 무산소동 소켓(632)과 접속 해제되는 것으로, 상기 업다운샤프트(634)는 구동모터(640)의 회전시 구동축(635)이 회전하면 이와 연결된 벨로우즈 파이프(636)에 의해 승하강하면서 무산소동 냉각핀(631)의 업다운을 제어하도록 형성된다.
참고로, 벨로우즈 파이프(636)는 일측에 지지브라켓(637)이 형성되도록 하되, 상기 지지브라켓(637)은 구동축(635)과 랙 피니언 또는 베벨기어 형태의 기계적 조합으로 조립되어 승하강이 가능하도록 연결되며, 구동축(635)이 회전하면 연설된 지지브라켓(637)이 업다운되고, 지지브라켓(637)과 결합된 벨로우즈 파이프(636)는 상하향 신축되면서 이와 연결된 업다운샤프트(634)가 무산소동 냉각핀(631)을 승하강시키도록 형성된다.
이에, 상기 무산소동 냉각핀(631)은 하강시 분절된 무산소동 소켓(632)과 밀착되도록 형성된다.
따라서, 열부하 차단기(600)는 무산소동 편조선 또는 적층시트(620)의 신축을 통해 콜드헤드(342)->전도 냉각판(610)->무산소동 편조선 또는 적층시트(620)->무산소동 커넥터(633)->무산소동 냉각핀(631)->무산소동 소켓(632) 순으로 연결(접촉/밀착)되면서 전도냉각이 수행되도록 형성된다.
그리고, 극저온 냉동기의 이상 발생시에는 무산소동 냉각핀(631)이 반대로 상향 이격되면서 무산소동 소켓(632)과 탈락(이격)되도록 하는 바, 이는 상온으로부터의 침입하는 전도열을 최소화시키면서 계자극 모듈용 진공조 내에서 목표 운전온도로의 냉각유지가 최대한 보장되도록 형성된다.
이를 통하여, 고체냉매 냉각 배터리를 이용한 단시간/무전원 극저온 냉각의 성능을 극대화 할 수 있다.
또한, 고온초전도 계자권선에 전원 공급을 위한 직류 전원 도입선 구조에 있어 동일한 구조를 적용하고 계자권선을 초기에 충전 후에 영구전류 모드로 운전할 경우 상온으로부터의 열부하 차단 성능을 높여 고체냉매 냉각 배터리를 이용한 단시간/무전원 극저온 냉각의 성능을 극대화 할 수 있다.
해당 발명의 변형의 예로서 해당구조의 회전자에 위치하는 전기자 권선 말단에 직류 정류 장치를 추가적으로 장치할 경우 고온초전도 직류 회전기의 구성을 갖출 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 고체냉매 냉각 배터리를 이용하여 단시간/무전원으로 극저온 냉각이 가능하여 회전기의 지속적인 안정적 운전이 가능하고 모듈화된 고정형 고온초전도 계자극 구조는 계자극의 유지보수가 용이하여 응용시스템의 신뢰성, 가동률, 경제성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
(2) 보조 냉각원인 고체냉매는 고온초전도 계자의 열용량을 높이고 냉각 균일성을 높여 열적 과도시에 냉각 안정도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
(3) 고정형 계자극 구조는 냉각을 위한 회전커플링이 요구되지 않아 유지보수 경제성과 기술적 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
(4) 회전기 외측에 고정되는 계자극 구조는 진공, 냉각, 유지보수 등이 용이하여 응용기기의 설계, 제작, 운용상의 편의성을 제공하는 효과가 있다.
(5) 고정형 계자극 구조는 정지상태로 고온초전도 계자의 감시제어가 가능하여 고가의 신호용 슬립링이 필요하지 않아 유지보수에 의한 경제성이 향상될 뿐 아니라 정지상태에서 더 상세하고 다양한 신호 계측이 가능하여 더욱 안정적인 감시 보호가 가능한 효과가 있다.
(6) 복수의 계자극 사이에 전기적, 열적으로 모듈화된 구조는 고장발생시 분해조립, 진공 ,냉각, 재충전에 요구되는 시간이 종래의 통합된 구조보다 감소하기 때문에 응용 기기의 가동률을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
(7) 모듈형 고온초전도 계자극의 개별적인 여자제어를 통하여 세밀하고 균형적인 교번자계 발생 및 제어가 가능한 효과가 있다.
(8) 별도의 외부 냉각 장치가 필요하지 않아 풍력터빈 및 전기선박 응용의 공간 협소성 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 고체냉매 냉각 배터리가 적용된 풍력터빈을 나타낸 종단면 예시도,
도 2는 도 1의 횡단면 예시도,
도 3 내지 도 8은 본 발명에 따른 공심형 회전자 모듈과 전도냉각용 블럭 구조체 및 고온초전도 계자극 모듈 그리고 극저온 냉동기와 열부하 차단기를 나타낸 요부 예시도,
도 9는 도 3의 분해사시도이다.
[도면에 따른 부호의 설명]
100 ... 공심형 회전자 모듈 110 ... 회전자 샤프트
120 ... 전원 슬립링
130 ... 풍력 발전용 블레이드 또는 선박 및 항공 추진용 프로펠러
140 ... 회전자 코어 150 ... 구리 전기자 권선
200 ... 전도냉각용 블럭 구조체 210 ... 육각형상 외주면
211 ... 슬릿홈
300 ... 고온초전도 계자극 모듈 310 ... 계자극 모듈용 진공조
311 ... 장착리브
320 ... 고온초전도 계자 권선 321 ... 분리형 전원도입선
330 ... 전도냉각용 도체 플레이트 340 ... 극저온 냉동기
341 ... 냉매관 342 ... 콜드헤드
350 ... 액체냉매 인입용 포트
360 ... 자기차폐용 철심 370 ... 열 차폐용 지지대
500 ... 외함 탱크 510 ... 개폐커버
520 ... 조립플렌지 530 ... 장착통
600 ... 열부하 차단기 610 ... 전도 냉각판
620 ... 무산소동 편조선 또는 적층시트
630 ... 개폐부 631 ... 무산소동 냉각핀
632 ... 무산소동 소켓 633 ... 무산소동 커넥터
634 ... 업다운샤프트
635 ... 구동축 636 ... 벨로우즈 파이프
637 ... 지지브라켓 640 ... 구동모터
이러한 본 발명의 최선의 실시 형태는 축선 중앙에 구비된 회전자 샤프트(110)의 일측 단부에 브러시를 포함한 전원 슬립링(120)이 장착되고, 회전자 샤프트(110)의 타측 단부에는 풍력 발전용 블레이드 또는 선박 및 항공 추진용 프로펠러(130)가 장착되도록 하되, 회전자 샤프트(110)의 원주방향 외주면에는 회전자 코어(140)와 구리 전기자 권선(150)이 구비되어 축회전하도록 하는 공심형 회전자 모듈(100)과; 상기 공심형 회전자 모듈(100) 외곽에 배치(공심형 회전자 모듈과 근접한 갭을 두면서 이격되도록 배치)되어 전기자 회전측 내부 공간과 계자 고정측 바깥부분을 구획하도록 하되, 종단면 형상이 육각형상 외주면(210)으로 구비되도록 하는 전도냉각용 블럭 구조체(200)와; 상기 전도냉각용 블럭 구조체(200)의 육각형상 외주면(210) 각 면상에 장착되어 개별적으로 탈부착 될 수 있도록 계자극 모듈용 진공조(310)가 구비되도록 하되, 상기 계자극 모듈용 진공조(310)는 내부에 분리형 전원도입선(321)과 연결된 정지형 고온초전도 계자 권선(320)이 구비되고, 상기 정지형 고온초전도 계자 권선(320)의 일면에는 전도냉각용 도체 플레이트(330)가 결합되도록 하되, 상기 전도냉각용 도체 플레이트(330)의 일측에는 극저온 냉동기(340)의 콜드헤드(342)가 접촉되면서 정지형 고온초전도 계자 권선(320)을 전도냉각 하도록 형성되며, 상기 계자극 모듈용 진공조(310)는 외주면 일측에 액체냉매 인입용 포트(350)가 구비되어 액체냉매가 계자극 모듈용 진공조(310) 내부로 유입되도록 하되, 상기 액체냉매는 계자극 모듈용 진공조(310) 내에서 극저온 냉동기(340)로 하여금 설정된 온도로 냉각되면서 고체냉매로 고화(응고)되도록 하는 고온초전도 계자극 모듈(300)이; 구성되어 이루어진다.
다음은 첨부된 도면을 참조하며 본 발명을 보다 상세히 설명하겠다.
먼저 도 1 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 핵심 기술인 고온초전도 계자는 발전기 혹은 전동기 외측에 위치하여 기계적으로 고정되며 운전온도로 냉각함에 있어 극저온 냉동기를 주 냉각원으로 하고 동시에 고체냉매를 생성하여 보조 냉각원으로 사용하는 냉각 구조를 갖는다.
구리 전기자를 포함하는 회전자는 풍력발전기인 경우 내측에 위치하여 풍력터빈 블레이드로 부터 기계적인 회전력을 전달받아 회전함과 동시에 전력을 생산하고 전원슬립링을 통해 외부 부하로 전력을 전송하며, 전기추진 전동기인 경우 내측에 위치하고 회전자 축 양단에 각각 추진 프로펠러와 전원슬립링이 부착되며 외부전원으로부터 기계적인 회전력을 발생시켜 추진 프로펠러로 동력을 전달한다.
이를 회전 전기자 내전형 고온초전도 동기 회전기 구조로 명할 수 있다. 여기서, 회전 전기자가 내측에서 외측으로 변경될 경우 회전 전기자 외전형 고온초전도 동기 회전기 구조가 형성된다.
고온초전도 계자가 회전자 외주면에 고정되어 있기 때문에 종래 기술에 있어 극저온 냉동기 가동을 위한 회전커플링이 필요하지 않아 극저온 냉동기를 통한 전도냉각 방식으로 안정적인 냉각이 가능하다.
또한, 고체냉매를 이용한 보조 냉각원은 고온초전도 계자의 전체면적을 감싸 냉각의 균일도를 높이고 외란 발생 시 내부열을 신속하게 흡수하여 열적 안정도를 향상 시킬 수 있으며 주 냉각원인 극저온 냉동기에 비상 상황이 발생하여 가동이 불가능할 경우 정상운전으로의 복귀 시간 동안 고체냉매는 냉각 배터리로서 작동하여 단시간/무전원으로 초전도 발전기 혹은 전동기의 안정적 운전을 가능하게 하는 fault tolerant 냉각 기술이다.
이때, 유지보수에 필요한 시간을 충분히 확보하기 위해 물리적 접촉을 on-off 가능한 극저온 냉동기와 전류 전원 도입선을 이용한 열부하 차단 기술을 접목하여 고체냉매 냉각 배터리의 무전원 냉각 시간을 장시간화하여 풍력발전기 또는 선박 및 항공 추진 전동기의 가동 중단을 최소화할 수 있다.
또한, 본발명의 동일한 구조에 있어 고체냉매 외에도 고체냉매와 소량의 액체냉매를 혼합하여 사용하는 하이브리드 냉매를 적용할 경우 냉각 배터리의 성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 2는 고체냉매 냉각 베터리와 모듈형 고온초전도 계자극 구조가 적용된 회전 전기자형 고온초전도 동기회전기를 보여준다.
이에, 고온초전도 계자는 발전기 외측에 위치하여 기계적으로 고정되며 운전온도로 냉각함에 있어 극저온 냉동기를 주 냉각원으로 하고 동시에 고체냉매를 생성하여 보조 냉각원으로 사용하는 냉각 구조를 갖는다.
이때 하나의 계자극은 단수 혹은 복수의 레이스트렉 형상의 고온초전도 코일로 구성되며 복수인 경우 동일극성의 자기장을 생성하기 위해 전기적으로 접합된다.
본 발명에 있어 동기회전기의 교번자계 발생을 위한 짝수의 계자극 구조를 구성하기 위해 하나의 계자극은 하나의 냉각조를 기준으로 극저온 냉동기와 계자용 전원장치를 일대일로 배치하는 모듈형 단일 계자극 구조를 취한다.
복수의 모듈형 계자극은 직류 교번자계(N극-S극)를 발생하기 위해 극성이 교차되도록 계자용 전원장치로 여자되며 모듈형 계자극내의 개별적인 전원장치로 운전 및 제어되기 때문에 모듈형 계자극 사이에 전기적인 접합이 존재하지 않는 구조이다.
계자용 고온초전도 마그넷은 제작상의 문제로 인하여 인덕턴스, 임계전류, n-value, 중심자기장 등의 핵심 파라미터가 복수의 계자극간에 동일하지 않을 수 있기 때문에 본 발명에 있어 모듈형 계자극 구조는 세밀한 개별제어를 바탕으로 균형적인 직류 교번 자계를 발생할 수 있다.
다시말해, 개개의 고온초전도 계자 마그넷의 제작상의 파라미터를 기준으로 냉각 및 여자제어 조건을 최적화하여 고온초전도 계자를 위한 최상의 운전환경을 조성할 수 있다.
주 냉각원인 극저온 냉동기의 정기적인 유지보수 혹은 비상 상황이 발생하여 가동이 불가능할 경우 정상운전으로의 복귀하는 최소시간동안 고체냉매는 냉각 배터리로서 작동하여 단시간/무전원으로 고온초전도 회전기의 안정적 운전을 가능하다.
또한, 고온초전도 계자 자체의 고장이 발생하여 유지보수 혹은 교체가 요구될시 계자극간에 열적인 전기적인 연결구조가 존재 하지 않으므로 고장이 발생하지 않은 모듈형 계자극은 정상적으로 기존의 운전 환경을 그대로 유지하고 있고 유지보수가 필요한 모듈형 계자극만 점검이 진행되며 이러한 모듈형 계자극은 계자 고정 구조물과 체결함에 있어 슬라이딩 방식의 도브테일 방식을 취하여 조립분해를 통한 정상 계자극 교체를 용이하게 하며 이는 본 발명에서 계자가 정지하는 회전 전기자형 동기회전기 구조를 기준하고 있기 때문에 발명의 장점을 극대화 할 수 있다.
만약, 고온초전도 계자의 비상 고장을 대비하여 여분의 모듈형 계자극을 상시 냉각, 더 나아가 충전을 한 상태로 준비할 경우 고장이 발생한 모듈형 계자극의 탈거와 신규 계자극의 단순 교체만으로 고온초전도 회전기를 정상운전에 즉각적으로 투입할 수 있어 응용기기의 가동률을 극대화 할 수 있다.
이를 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 공심형 회전자 모듈(100)과 전도냉각용 블럭 구조체(200) 및 고온초전도 계자극 모듈(300)로 크게 구성된다.
이에, 공심형 회전자 모듈(100)은 축선 중앙에 구비된 회전자 샤프트(110)의 일측 단부에 브러시를 포함한 전원 슬립링(120)이 장착되고, 회전자 샤프트(110)의 타측 단부에는 풍력 발전용 블레이드 또는 선박 및 항공 추진용 프로펠러(130)가 장착되도록 형성된다.
이때, 회전자 샤프트(110)의 원주방향 외주면에는 회전자 코어(140)와 구리 전기자 권선(150)이 구비되어 축회전하도록 형성된다.
이에, 상기 전도냉각용 블럭 구조체(200)는 상기 공심형 회전자 모듈(100) 외곽에 배치(공심형 회전자 모듈과 근접한 갭을 두면서 이격되도록 배치)되어 전기자 회전측 내부 공간과 계자 고정측 바깥부분을 구획하도록 하되, 종단면 형상이 육각형상 외주면(210)으로 구비되도록 형성된다.
또한, 상기 고온초전도 계자극 모듈(300)은 상기 전도냉각용 블럭 구조체(200)의 육각형상 외주면(210) 각 면상에 장착되어 개별적으로 탈부착 될 수 있도록 계자극 모듈용 진공조(310)가 구비된다.
이에, 상기 계자극 모듈용 진공조(310)는 내부에 분리형 전원도입선(321)과 연결된 정지형 고온초전도 계자 권선(320)이 구비되고, 상기 정지형 고온초전도 계자 권선(320)의 일면에는 전도냉각용 도체 플레이트(330)가 결합되도록 형성된다.
이때, 상기 전도냉각용 도체 플레이트(330)의 일측에는 극저온 냉동기(340)의 콜드헤드(342)가 접촉되면서 정지형 고온초전도 계자 권선(320)을 전도냉각 하도록 형성된다.
이에, 상기 계자극 모듈용 진공조(310)는 외주면 일측에 액체냉매 인입용 포트(350)가 구비되어 액체냉매가 계자극 모듈용 진공조(310) 내부로 유입되도록 형성된다.
이때, 상기 액체냉매는 계자극 모듈용 진공조(310) 내에서 극저온 냉동기(340)로 하여금 설정된 온도로 냉각되면서 고체냉매로 고화(응고)되도록 형성된다.
이에, 상기 계자극 모듈용 진공조(310)는 전도냉각용 블럭 구조체(200)의 육각형상 외주면(210) 각 면상과 대응되는 일면에 장착리브(311)가 구비되도록 형성된다.
그리고, 상기 육각형상 외주면(210)에는 슬릿홈(211)이 형성되어 장착리브(311)가 슬릿홈(211)에 대응되면서 탈부착(일종의 도브테일 구조)될 수 있도록 형성된다.
이때, 상기 계자극 모듈용 진공조(310)는 종단면 형상이 사다리꼴 형태로 형성되어 이웃한 계자극 모듈형 진공조들과 원주방향을 따라 연속 결합시 전체 결합단면 형태가 2중 정육각 박스형태로 구획되면서 공심형 회전자 모듈(100)에 대한 입체형 대면적 냉각구조(내외부가 폐쇄된 단면형태)가 이루어지도록 형성된다.
이에, 상기 고온초전도 계자극 모듈(300)은 전도냉각용 도체 플레이트(330)의 일면에 자기차폐용 철심(360)이 장착되어 고온초전도 계자극 모듈(300)로부터 발생된 고자기장을 차폐하도록 형성된다.
이때, 상기 자기차폐용 철심(360)과 정지형 고온초전도 계자 권선(320)의 면상 중 계자극 모듈용 진공조(310)의 내주면을 향하는 면상 사이에는 열 차폐용 지지대(370)가 장착되어 전도열의 차폐가 이루어지도록 형성된다.
또한, 상기 고온초전도 회전기는 고온초전도 계자극 모듈(300)의 외곽에 외함 탱크(500)가 구비되도록 하되, 상기 외함 탱크(500)는 길이방향 양단에 관통공을 갖는 개폐커버(510)가 구비되어 탈부착되도록 형성되고, 외함 탱크(500)의 원주면 일측에는 조립플렌지(520)를 갖는 장착통(530)이 형성되어 극저온 냉동기(340)의 냉매관(341)이 수납되도록 형성된다.
한편, 상기 극저온 냉동기(340)는 경우에 따라 1단 혹은 2단부를 갖는 콜드헤드(342)가 사용되며, 콜드헤드(341) 단부에 부착된 전도 냉각판(610)은 유연성을 갖는 열전달용 무산소동 편조선 또는 적층시트(620)를 통해 열부하 차단기(600)의 개폐부(630)와 연결되도록 형성된다.
이에, 상기 개폐부(630)는 무산소동 냉각핀(631)과 무산소동 소켓(632)으로 구성되어 관로 상 일측이 소정 간격을 두고 분리되어 열부하 차단기(600)의 업다운샤프트(634) 상하운동에 따라 관로가 접속되거나 개폐되도록 형성된다.
이때, 무산소동 냉각핀(631)은 업다운샤프트(634)에 의해 무산소동 소켓(632)과 접속 해제되는 것으로, 상기 업다운샤프트(634)는 구동모터(640)의 회전시 구동축(635)이 회전하면 이와 연결된 벨로우즈 파이프(636)에 의해 승하강하면서 무산소동 냉각핀(631)의 업다운을 제어하도록 형성된다.
참고로, 벨로우즈 파이프(636)는 일측에 지지브라켓(637)이 형성되도록 하되, 상기 지지브라켓(637)은 구동축(635)과 랙 피니언 또는 베벨기어 형태의 기계적 조합으로 조립되어 승하강이 가능하도록 연결된다.
이때, 구동축(635)이 회전하면 연설된 지지브라켓(637)이 업다운되고, 지지브라켓(637)과 결합된 벨로우즈 파이프(636)는 상하향 신축되면서 이와 연결된 업다운샤프트(634)가 무산소동 냉각핀(631)을 승하강시키도록 형성된다.
이에, 상기 무산소동 냉각핀(631)은 하강시 분절된 무산소동 소켓(632)과 밀착되도록 형성된다.
따라서, 열부하 차단기(600)는 무산소동 편조선 또는 적층시트(620)의 신축을 통해 콜드헤드(342)->전도 냉각판(610)->무산소동 편조선 또는 적층시트(620)->무산소동 커넥터(633)->무산소동 냉각핀(631)->무산소동 소켓(632) 순으로 연결(접촉/밀착)되면서 전도냉각이 수행되도록 형성된다.
그리고, 극저온 냉동기의 이상 발생시에는 무산소동 냉각핀(631)이 반대로 상향 이격되면서 무산소동 소켓(632)과 탈락(이격)되도록 하는 바, 이는 상온으로부터의 침입하는 전도열을 최소화시키면서 계자극 모듈용 진공조 내에서 목표 운전온도로의 냉각유지가 최대한 보장되도록 형성된다.
이를 통하여, 고체냉매 냉각 배터리를 이용한 단시간/무전원 극저온 냉각의 성능을 극대화 할 수 있다.
또한, 고온초전도 계자권선에 전원 공급을 위한 직류 전원 도입선 구조에 있어 동일한 구조를 적용하고 계자권선을 초기에 충전 후에 영구전류 모드로 운전할 경우 상온으로부터의 열부하 차단 성능을 높여 고체냉매 냉각 배터리를 이용한 단시간/무전원 극저온 냉각의 성능을 극대화 할 수 있다.
해당 발명의 변형의 예로서 해당구조의 회전자에 위치하는 전기자 권선 말단에 직류 정류 장치를 추가적으로 장치할 경우 고온초전도 직류 회전기의 구성을 갖출 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
본 발명은 고온초전도 회전기 운전 중 냉각 시스템의 긴급 유지보수 및 외부 전원 차단으로 인한 비상 상황 발생 시 고체냉매 냉각 배터리를 이용하여 단시간/무전원으로 안정적인 운전이 가능하도록 하되, 고정형 고온초전도 계자극 구조는 모듈화되어 계자극의 신속한 교체가 가능하도록 함은 물론 고장복구시 소요시간을 단축시켜 응용시스템의 신뢰성, 경제성을 향상시킬 수 있도록 하는 것으로 산업상 이용 가능하다.

Claims (5)

  1. 축선 중앙에 구비된 회전자 샤프트(110)의 일측 단부에 브러시를 포함한 전원 슬립링(120)이 장착되고, 회전자 샤프트(110)의 타측 단부에는 풍력 발전용 블레이드 또는 선박 및 항공 추진용 프로펠러(130)가 장착되도록 하되, 회전자 샤프트(110)의 원주방향 외주면에는 회전자 코어(140)와 구리 전기자 권선(150)이 구비되어 축회전하도록 하는 공심형 회전자 모듈(100)과;
    상기 공심형 회전자 모듈(100) 외곽에 배치되어 전기자 회전측 내부 공간과 계자 고정측 바깥부분을 구획하도록 하되, 종단면 형상이 육각형상 외주면(210)으로 구비되도록 하는 전도냉각용 블럭 구조체(200)와;
    상기 전도냉각용 블럭 구조체(200)의 육각형상 외주면(210) 각 면상에 장착되어 개별적으로 탈부착 될 수 있도록 계자극 모듈용 진공조(310)가 구비되도록 하되, 상기 계자극 모듈용 진공조(310)는 내부에 분리형 전원도입선(321)과 연결된 정지형 고온초전도 계자 권선(320)이 구비되고, 상기 정지형 고온초전도 계자 권선(320)의 일면에는 전도냉각용 도체 플레이트(330)가 결합되도록 하되, 상기 전도냉각용 도체 플레이트(330)의 일측에는 극저온 냉동기(340)의 콜드헤드(342)가 접촉되면서 정지형 고온초전도 계자 권선(320)을 전도냉각 하도록 형성되며, 상기 계자극 모듈용 진공조(310)는 외주면 일측에 액체냉매 인입용 포트(350)가 구비되어 액체냉매가 계자극 모듈용 진공조(310) 내부로 유입되도록 하되, 상기 액체냉매는 계자극 모듈용 진공조(310) 내에서 극저온 냉동기(340)로 하여금 설정된 온도로 냉각되면서 고체냉매로 고화(응고)되도록 하는 고온초전도 계자극 모듈(300)이;
    구성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 장기 운전 및 유지보수 신뢰성 향상을 위한 고체냉매 냉각 배터리기반의 극저온 냉각 모듈 구조가 구비된 고온초전도 회전기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 계자극 모듈용 진공조(310)는
    전도냉각용 블럭 구조체(200)의 육각형상 외주면(210) 각 면상과 대응되는 일면에 장착리브(311)가 구비되도록 하되, 상기 육각형상 외주면(210)에는 슬릿홈(211)이 형성되어 장착리브(311)가 슬릿홈(211)에 대응되면서 탈부착될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 장기 운전 및 유지보수 신뢰성 향상을 위한 고체냉매 냉각 배터리기반의 극저온 냉각 모듈 구조가 구비된 고온초전도 회전기.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 계자극 모듈용 진공조(310)는
    종단면 형상이 사다리꼴 형태로 형성되어 이웃한 계자극 모듈형 진공조들과 원주방향을 따라 연속 결합시 전체 결합단면 형태가 2중 정육각 박스형태로 구획되면서 공심형 회전자 모듈(100)에 대한 입체형 대면적 냉각구조가 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 장기 운전 및 유지보수 신뢰성 향상을 위한 고체냉매 냉각 배터리기반의 극저온 냉각 모듈 구조가 구비된 고온초전도 회전기.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 고온초전도 계자극 모듈(300)은
    전도냉각용 도체 플레이트(330)의 일면에 자기차폐용 철심(360)이 장착되어 고온초전도 계자극 모듈(300)로부터 발생된 고자기장을 차폐하도록 형성되고, 상기 자기차폐용 철심(360)과 정지형 고온초전도 계자 권선(320)의 면상 중 계자극 모듈용 진공조(310)의 내주면을 향하는 면상 사이에는 열 차폐용 지지대(370)가 장착되어 전도열의 차폐가 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 장기 운전 및 유지보수 신뢰성 향상을 위한 고체냉매 냉각 배터리기반의 극저온 냉각 모듈 구조가 구비된 고온초전도 회전기.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 고온초전도 회전기는 고온초전도 계자극 모듈(300)의 외곽에 외함 탱크(500)가 구비되도록 하되, 상기 외함 탱크(500)는 길이방향 양단에 관통공을 갖는 개폐커버(510)가 구비되어 탈부착되도록 형성되고, 외함 탱크(500)의 원주면 일측에는 조립플렌지(520)를 갖는 장착통(530)이 형성되어 극저온 냉동기(340)의 냉매관(341)이 수납되도록 하는 것을 특징으로 하는 장기 운전 및 유지보수 신뢰성 향상을 위한 고체냉매 냉각 배터리기반의 극저온 냉각 모듈 구조가 구비된 고온초전도 회전기.
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