(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 등록특허공보(B1)
(45) 공고일자 2015년11월25일
(11) 등록번호 10-1571684
(24) 등록일자 2015년11월19일
(51) 국제특허분류(Int. Cl.)
H02K 55/00 (2006.01) H02K 3/46 (2014.01)
(21) 출원번호 10-2013-7027197
(22) 출원일자(국제) 2012년03월14일
심사청구일자 2013년10월15일
(85) 번역문제출일자 2013년10월15일
(65) 공개번호 10-2013-0136538
(43) 공개일자 2013년12월12일
(86) 국제출원번호 PCT/US2012/028972
(87) 국제공개번호 WO 2012/125664
국제공개일자 2012년09월20일
(30) 우선권주장
13/418,624 2012년03월13일 미국(US)
61/452,726 2011년03월15일 미국(US)
(56) 선행기술조사문헌
US20080079323 A1*
US06597082 B1*
US05548168 A*
*는 심사관에 의하여 인용된 문헌
(73) 특허권자
지멘스 에너지, 인코포레이티드
미국 플로리다주 올랜도 알라파야 트레일 4400 (
우: 32826-2399)
(72) 발명자
리코, 라울 알.
미국 32765 플로리다 오비에도 컨트리 썬 씨브이.
300
머피, 로버트 엘.
미국 32779 플로리다 롱우드 쉴리 코트 105
(74) 대리인
특허법인 남앤드남, 정현주, 이시용
전체 청구항 수 : 총 25 항 심사관 : 임영훈
(54) 발명의 명칭 전동 머신의 회전자 내의 초전도 권선들을 지지하기 위한 장치
(57) 요 약
전동 머신의 초전도 권선(61)을 지지하기 위한 장치(구조물)가 제공된다. 길쭉한 루프(74)가 권선에 방사상 지
지부를 제공한다. 베이스 어셈블리(84)는, 관형 결합부(86)를 통해 길쭉한 루프의 근단부(76)에서 루프를 고정
시키도록 배열된 베이스 모듈(89)을 포함할 수 있다. 관형 결합부는, 축방향으로-인접한 베이스 모듈에 대해 기
계적 연결부를 더 제공할 수 있다. 브라켓 어셈블리(100)는, 권선의 일부분을 수용하고 그리고 지지부(80)를 통
해서와 같이 길쭉한 루프의 원단부(78)에서 길쭉한 루프를 지지하기 위한 내부 리세스를 정의할 수 있다. 측방
향으로-연장되는 루프(106)는, 권선에 의해 경험될 수 있는 회전자 코어 측방향 부하들에 전달하기 위해, 브라켓
어셈블리(100)에 연결된 제1 단부 및 베이스 모듈(89)에 연결된 제2 단부를 가질 수 있다.
등록특허 10-1571684
- 1 -
대 표 도 - 도2
등록특허 10-1571684
- 2 -
명 세 서
청구범위
청구항 1
전동 머신(electromotive machine)의 회전자 코어(rotor core)로부터 이격된 관계에 있는 적어도 하나의 초전도
체 권선을 지지하기 위한 장치로서,
상기 적어도 하나의 초전도 권선에 방사상 지지부(radial support)를 제공하도록 배열된 적어도 하나의 길쭉한
루프(loop) ― 상기 길쭉한 루프는 열 유동에 실질적으로 저항적인 물질을 포함함 ―;
상기 길쭉한 루프의 근단부(proximate end)에서 상기 회전자 코어에 대해 상기 적어도 하나의 루프를 고정
(anchor)시키도록 배열된 축방향으로-연장되는 베이스 어셈블리(base assembly); 및
상기 적어도 하나의 초전도체 권선의 적어도 일부분을 수용하는 내부 리세스(interior recess)를 정의하고 그리
고 상기 길쭉한 루프의 원단부(distal end)에서 상기 길쭉한 루프를 지지하기 위한 내부 리세스(interior
recess)를 정의하도록 구성된 브라켓 어셈블리(bracket assembly)
를 포함하고,
상기 축방향으로-연장되는 베이스 어셈블리는 상기 회전자 코어의 공동(cavity) 내에 배치된 적어도 하나의 베
이스 모듈(base module)을 포함하는 모듈식 어셈블리(modular assembly)를 포함하고,
상기 회전자 코어의 공동은 상기 공동 내에 상기 베이스 어셈블리를 유지시키도록 배열된 서로 대향하는 숄더
(shoulder)들을 정의하도록 구성된,
전동 머신의 회전자 코어로부터 이격된 관계에 있는 적어도 하나의 초전도체 권선을 지지하기 위한 장치.
청구항 2
삭제
청구항 3
삭제
청구항 4
제 1 항에 있어서,
상기 서로 대향하는 숄더들에 의해 상기 회전자 코어의 공동 내에 유지되는 크라이오스탯(cryostat)을 더 포함
하고,
상기 크라이오스탯은, 상기 베이스 어셈블리를 에워싸도록 적어도 부분적으로 구성되고, 그리고 상기 적어도 하
나의 초전도체 권선 주위에 진공을 형성하기 위해 상기 공동 밖으로 연장되도록 추가로 구성되는,
전동 머신의 회전자 코어로부터 이격된 관계에 있는 적어도 하나의 초전도체 권선을 지지하기 위한 장치.
청구항 5
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 베이스 모듈은 관형 결합부(tublar coupling)를 통해 상기 회전자 코어에 대해 상기 적어도
하나의 루프의 상기 근단부를 고정시키도록 배열되는,
전동 머신의 회전자 코어로부터 이격된 관계에 있는 적어도 하나의 초전도체 권선을 지지하기 위한 장치.
청구항 6
제 5 항에 있어서,
등록특허 10-1571684
- 3 -
상기 관형 결합부는 축방향으로-인접한 베이스 모듈에 대해 축방향 기계적 연결을 제공하도록 추가로 배열되는,
전동 머신의 회전자 코어로부터 이격된 관계에 있는 적어도 하나의 초전도체 권선을 지지하기 위한 장치.
청구항 7
제 5 항에 있어서,
상기 관형 결합부는 각각의 결합기들을 통해 상호연결가능한 분절된(segmented) 관형 결합부를 포함하는,
전동 머신의 회전자 코어로부터 이격된 관계에 있는 적어도 하나의 초전도체 권선을 지지하기 위한 장치.
청구항 8
제 5 항에 있어서,
상기 관형 결합부는 축방향으로-연장되는 적어도 하나의 연속적인 막대(continuous rod)를 포함하는 연속적인
관형 결합부로서 배열되는,
전동 머신의 회전자 코어로부터 이격된 관계에 있는 적어도 하나의 초전도체 권선을 지지하기 위한 장치.
청구항 9
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 초전도 권선에 측면 지지부를 제공하도록 배열된 측방향으로-연장되는 루프 ― 상기 측방향
으로-연장되는 루프는 열 유동에 실질적으로 저항적인 물질을 포함함 ―
를 더 포함하는,
전동 머신의 회전자 코어로부터 이격된 관계에 있는 적어도 하나의 초전도체 권선을 지지하기 위한 장치.
청구항 10
제 9 항에 있어서,
상기 측면 지지부를 제공하도록 배열된 측방향으로-연장되는 루프는 상기 브라켓 어셈블리에 의해 기계적으로
지지되는 제1 단부를 갖고 그리고 상기 회전자 코어에 대한 앵커 지지부(anchor support)를 제공하기 위해 상기
베이스 어셈블리에 의해 기계적으로 지지되는 제2 단부를 갖는,
전동 머신의 회전자 코어로부터 이격된 관계에 있는 적어도 하나의 초전도체 권선을 지지하기 위한 장치.
청구항 11
제 9 항에 있어서,
상기 회전자 코어에 접선 부하를 대칭적으로 전달하도록 배열된 측방향으로-연장되는 루프들의 나란히 있는 쌍
들의 축방향 시퀀스(sequence)를 포함하는,
전동 머신의 회전자 코어로부터 이격된 관계에 있는 적어도 하나의 초전도체 권선을 지지하기 위한 장치.
청구항 12
제 9 항에 있어서,
측방향으로-연장되는 루프들의 축방향 시퀀스를 포함하고, 여기서 측방향으로-연장되는 루프들의 상기
시퀀스는, 상기 시퀀스 내의 제1의 측방향으로-연장되는 루프가 상기 어셈블리의 제1 측면 단부에 있는 대응하
는 브라켓 어셈블리에 의해 기계적으로 지지되는 자신의 제1 단부를 갖고 그리고 상기 시퀀스 내의 제2의 축방
향으로-인접한 측방향으로-연장되는 루프가 상기 어셈블리의 제2 측면 단부에 있는 대응하는 브라켓 어셈블리에
의해 기계적으로 지지되는 자신의 제1 단부를 갖도록 지향성으로 교번하도록 배열되고, 여기서 대응하는 어셈블
리들의 제1 단부 및 제2 단부는 서로 대향하는 측면 단부들을 포함하고, 이로써 측방향으로-연장되는 루프들의
상기 지향성으로 교번하는 시퀀스는 상기 회전자 코어에 접선 부하를 대칭적으로 전달하도록 배열되는,
전동 머신의 회전자 코어로부터 이격된 관계에 있는 적어도 하나의 초전도체 권선을 지지하기 위한 장치.
등록특허 10-1571684
- 4 -
청구항 13
제 1 항에 있어서,
상기 브라켓 어셈블리는 축방향으로-인접한 길쭉한 루프들의 각각의 쌍들의 대응하는 일부분들 사이에 개재
(interpose)되는,
전동 머신의 회전자 코어로부터 이격된 관계에 있는 적어도 하나의 초전도체 권선을 지지하기 위한 장치.
청구항 14
제 1 항에 있어서,
상기 브라켓 어셈블리는 세 개의 서브어셈블리(subassembly)들을 포함하고, 여기서 상기 세 개의 서브어셈블리
들 중 두 개는 측방향으로-인접한 초전도체 권선들의 각각의 쌍의 각각의 일부분들을 수용하도록 구성되고, 그
리고 제3 서브어셈블리는 아치(arch)-형상의 구조물들의 쌍을 통해 측방향으로-인접한 초전도체 권선들의 상기
각각의 쌍에 대해 길쭉한 루프들의 각각의 원단부들을 지지하도록 배열되는,
전동 머신의 회전자 코어로부터 이격된 관계에 있는 적어도 하나의 초전도체 권선을 지지하기 위한 장치.
청구항 15
제 14 항에 있어서,
상기 서브어셈블리들을 서로에 단단하게 상호연결되게 유지시키고 그리고 접선 부하에 의한 상기 서브어셈블리
들의 분리를 방지하기 위해 상기 세 개의 서브어셈블리들의 각각의 바깥 둘레 부분들 주위에 배열된 스트랩
(strap)
을 더 포함하는,
전동 머신의 회전자 코어로부터 이격된 관계에 있는 적어도 하나의 초전도체 권선을 지지하기 위한 장치.
청구항 16
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 길쭉한 루프는, 상기 적어도 하나의 초전도 권선의 측면 표면의 적어도 일부분에 대해 방사
상으로-연장되는 간극(gap)을 제공하도록 그리고 상기 길쭉한 루프의 원부 에지(distal edge)에서 상기 적어도
하나의 초전도 권선을 체결시키도록 배열되고, 이로써 상기 길쭉한 루프를 통해 초전도체 권선으로의 전도성 열
전달이 감소되는,
전동 머신의 회전자 코어로부터 이격된 관계에 있는 적어도 하나의 초전도체 권선을 지지하기 위한 장치.
청구항 17
장치로서,
적어도 하나의 초전도체 권선;
전동 머신의 회전자 코어로부터 이격된 관계에 있는 상기 적어도 하나의 초전도체 권선을 지지하기 위한 구조물
을 포함하고,
상기 구조물은,
상기 적어도 하나의 초전도 권선에 방사상 지지부를 제공하도록 배열된 적어도 하나의 길쭉한 루프 ―
상기 길쭉한 루프는 열 유동에 실질적으로 저항적인 물질을 포함함 ―;
상기 길쭉한 루프의 근단부에서 상기 회전자 코어에 대해 상기 적어도 하나의 루프를 고정시키도록 배
열된 축방향으로-연장되는 베이스 어셈블리; 및
상기 적어도 하나의 초전도체 권선의 적어도 일부분을 수용하는 내부 리세스를 정의하고 그리고 상기
길쭉한 루프의 원단부에서 상기 길쭉한 루프를 지지하도록 구성된 브라켓 어셈블리 ― 여기서, 상기 축방향으로
-연장되는 베이스 어셈블리는 상기 회전자 코어의 공동 내에 배치된 적어도 하나의 베이스 모듈을 포함하는 모
등록특허 10-1571684
- 5 -
듈식 어셈블리를 포함함 ―
를 포함하고,
상기 회전자 코어의 공동은 상기 공동 내에 상기 베이스 어셈블리를 유지시키도록 배열된 서로 대향하는 숄더들
을 정의하도록 구성된,
장치.
청구항 18
삭제
청구항 19
제 17 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 베이스 모듈은 관형 결합부를 통해 상기 회전자 코어에 대해 상기 적어도 하나의 루프의 상
기 근단부를 고정시키도록 배열되고, 여기서 상기 관형 결합부는 축방향으로-인접한 베이스 모듈에 대해 축방향
기계적 연결을 제공하도록 추가로 배열되는,
장치.
청구항 20
제 19 항에 있어서,
상기 관형 결합부는 각각의 결합기들을 통해 상호연결가능한 분절된 관형 결합부를 포함하는,
장치.
청구항 21
제 19 항에 있어서,
상기 관형 결합부는 적어도 하나의 축방향으로-연장되는 연속적인 막대를 포함하는 연속 관형 결합부로서 배열
되는,
장치.
청구항 22
제 17 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 초전도 권선에 측면 지지부를 제공하도록 배열된 측방향으로-연장되는 루프 ― 상기 측방향
으로-연장되는 루프는 열 유동에 실질적으로 저항적인 물질을 포함함 ―
를 더 포함하는,
장치.
청구항 23
제 22 항에 있어서,
상기 측면 지지부를 제공하도록 배열된 측방향으로-연장되는 루프는, 상기 브라켓 어셈블리에 의해 기계적으로
지지되는 제1 단부를 갖고 그리고 상기 회전자 코어에 대한 앵커 지지부를 제공하기 위해 상기 베이스 어셈블리
에 의해 기계적으로 지지되는 제2 단부를 갖는,
장치.
청구항 24
제 22 항에 있어서,
상기 회전자 코어에 접선 부하를 대칭적으로 전달하도록 배열된 측방향으로-연장되는 루프들의 나란히 있는 쌍
등록특허 10-1571684
- 6 -
들의 축방향 시퀀스를 포함하는,
장치.
청구항 25
제 22 항에 있어서,
측방향으로-연장되는 루프들의 축방향 시퀀스를 포함하고, 여기서 측방향으로-연장되는 루프들의 상기
시퀀스는, 상기 시퀀스 내의 제1의 측방향으로-연장되는 루프가 상기 어셈블리의 제1 측면 단부에 있는 대응하
는 브라켓 어셈블리에 의해 기계적으로 지지되는 자신의 제1 단부를 갖고 그리고 상기 시퀀스 내의 제2의 축방
향으로-인접한 측방향으로-연장되는 루프가 상기 어셈블리의 제2 측면 단부에 있는 대응하는 브라켓 어셈블리에
의해 기계적으로 지지되는 자신의 제1 단부를 갖도록 지향성으로 교번하도록 배열되고, 여기서 대응하는 어셈블
리들의 제1 단부 및 제2 단부는 서로 대향하는 측면 단부들을 포함하고, 이로써 측방향으로-연장되는 루프들의
상기 지향성으로 교번하는 시퀀스는 상기 회전자 코어에 접선 부하를 대칭적으로 전달하도록 배열되는,
장치.
청구항 26
제 25 항에 있어서,
상기 브라켓 어셈블리는 세 개의 서브어셈블리들을 포함하고, 여기서 상기 세 개의 서브어셈블리들 중 두 개는
측방향으로-인접한 초전도체 권선들의 각각의 쌍의 각각의 일부분들을 수용하도록 구성되고, 그리고 제3 서브어
셈블리는 아치-형상의 구조물들의 쌍을 통해 측방향으로-인접한 초전도체 권선들의 상기 각각의 쌍에 대해 길쭉
한 루프들의 각각의 원단부들을 지지하도록 배열되는,
장치.
청구항 27
제 26 항에 있어서,
상기 서브어셈블리들을 서로에 단단하게 상호연결되게 유지시키고 그리고 접선 부하에 의한 상기 서브어셈블리
들의 분리를 방지하기 위해 상기 세 개의 서브어셈블리들의 각각의 바깥 둘레 부분들 주위에 배열된 스트랩
을 더 포함하는,
장치.
청구항 28
제 17 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 길쭉한 루프는, 상기 적어도 하나의 초전도 권선의 측면 표면의 적어도 일부분에 대해 방사
상으로-연장되는 간극을 제공하도록 그리고 상기 길쭉한 루프의 원부 에지 근처에서 상기 적어도 하나의 초전도
권선을 체결시키도록 배열되고, 이로써 상기 길쭉한 루프를 통해 초전도체 권선으로의 전도성 열 전달이 감소되
는,
장치.
발명의 설명
기 술 분 야
이 출원은 US 특허 출원 61/452,726의 2011년 3월 15일 출원일의 이득을 청구하고, 상기 US 특허 출원은 인용에[0001]
의해 본 명세서에 그 전체가 포함된다.
본 발명은 일반적으로 전기 발전기들, 모터(motor)들과 같은 전동 머신(electromotive machine)들에 관한 것이[0002]
고, 그리고 더욱 특히, 머신의 회전자 내의 초전도 회전자 권선들을 지지하고 열적으로 격리시키도록 배열된 장
치(예컨대, 기계적 구조물들)에 관한 것이다.
등록특허 10-1571684
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배 경 기 술
출력 및 효율성을 증가시키고 그리고 머신 크기 및 무게를 감소시키기 위해, 가상으로 전기 저항이 없는 초전도[0003]
회전자 권선들이 개발되었다. 이들 권선은 고온 초전도(HTS) 권선들(더 낮은 온도에서 초전도 상태를 달성하는
저온 초전도 물질들과 구별됨)로서 보통 지칭된다. 고온 초전도 물질들의 냉각 요건들이 덜 엄격하기 때문에,
고온 초전도 물질들을 사용하는 것이 선호된다.
HTS 회전자 권선들(코일들)이 전기 전류 흐름에 비교적 낮은 저항을 나타내지만, HTS 회전자 권선들(코일들)은[0004]
조기 열화 및 권선 고장(예컨대, 전기적 오픈 회로)을 유발할 수 있는 인장 응력(tensile stress)들 및 기계적
만곡(bending)에 민감하다. 예컨대, 코어(core)를 에두르는 HTS 회전자 권선들 내에 만곡부들을 형성할 필요가
있다. 응력들이 이들 만곡부들에서 유도된다. 정상적 회전자 토크, 일시적 장애 조건 토크들 및 일시적 자기
장들은 회전자 권선들 내에서 부가의 응력 힘들을 유도한다. 또한, HTS 회전자 권선은, 주위 온도에서 회전자
밸런싱(rotor balancing) 절차들 동안 과속력(overspeed force)들, 그리고 발전 동작 동안 초전도 온도들에서
우발성 과속 조건들에 종속될 수 있다. 이들 과속 및 결함 조건들은 정상 동작 조건들 동안에 경험되는 부하들
을 초과하여 회전자 권선들 상의 원심력 부하들을 실질상 증가시킨다. 이들 동작 조건들은 HTS 회전자 권선들
및 연관된 지지 구조물들의 설계에서 고려되어야 한다.
초전도 전도체들을 상기 초전도 전도체들의 임계 온도로 또는 그 미만으로 유지시키기 위해, 극저온 냉각기로부[0005]
터 공급되는 냉각제를 운반하는 냉각제 유동 경로들이 권선들에 인접하게 또는 권선들에 가장 가까이 배치된다.
통상적 냉각제들은 액체 헬륨, 액체 질소 또는 액체 네온을 포함할 수 있다. 초전도 회전자 권선들 및 연관된
지지 구조물의 구조적 무결성을 정적 및 동적 부하들에 대비하여 유지시키는 것은, 고온 초전도 전동 머신의 개
발에 실질상 도전을 제시한다.
전술된 고려사항들을 고려하여, 위에서 설명된 정상 및 결함 조건 동작의 힘들, 응력들, 스트레인(strain)들 및[0006]
순환 부하들을 견디도록 설계된 권선 지지 시스템에 의해 HTS 회전자 권선들이 적절하게 지지되는 것이 원해질
수 있다. 또한, 지지 시스템은, 권선들이 조기에 갈라지거나, 피로해지거나 또는 파손되지 않음을 보장해야 한
다. 권선들을 상기 권선들의 임계 온도로 또는 그 미만으로 유지시키기 위해 권선 지지 구조물이 (실온에서 통
상 동작하는) "따뜻한" 회전자를 극저온으로-냉각된 HTS 초전도 권선들로부터 적절하게 격리하는 것이 추가로
원해질 수 있다.
선행기술문헌
특허문헌
(특허문헌 0001) 미국 특허공보 7,825,551호(2010.11.02. 공개)
(특허문헌 0002) 미국 특허공보 7,633,192호(2009.12.15. 공개)
(특허문헌 0003) 미국 특허공보 7,795,764호(2010.09.14. 공개)
발명의 내용
도면의 간단한 설명
본 발명이 도면들을 고려하여 아래의 설명에서 설명된다.[0007]
도 1은 본 발명의 양상들을 구현하는 초전도 전동 머신 내에서 사용될 수 있는 바와 같은 예시적 회전자의 개략
도이다.
도 2-도 4는 도 1의 평면(3-3)을 따르는 각각의 단면도들이다.
도 5는 부가의 베이스 모듈들과 결합하여, 축방향으로-연장되는 앵커링 빔을 형성하도록 배열될 수 있는 예시적
베이스 모듈의 단편적 등각도이고, 일 예시적 실시예에서 상기 축방향으로-연장되는 앵커링 빔은 분절된 관형
결합 어레인지먼트를 통해 상호 연결될 수 있다.
등록특허 10-1571684
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도 6은 관형 결합기들을 통해 축방향으로 서로 상호연결될 수 있는 바와 같은 두 개의 베이스 모듈들의 단편적
분해도이다.
도 7은 방사상 지지부를 제공하도록 배열된 각각의 루프들을 포함하는 두 개의 상호연결된 베이스 모듈들의 예
시적 축방향 어셈블리를 예시하는 단편적 컷-어웨이 뷰이다.
도 8은 전술된 분절된 결합 어레인지먼트 대신에, 자신의 각각의 근단부에서 각각의 루프를 고정시키기 위해 사
용될 수 있는 바와 같은 연속적인 막대들의 등각도이다.
도 9 및 도 10은 베이스 어셈블리의 예시적 실시예의 각각의 등각도들을 예시하고, 여기서 루프-앵커링 구조물
들은 머신의 회전자 코어와 일체화된다.
도 11은 원심력들을 시각화하기 위해 도움이 될 수 있는 다이어그램이고, 상기 원심력들은, 예컨대 회전자 동작
동안 머신의 초전도 블록들(예컨대, 권선들)에 의해 경험될 수 있는 방사상 부하 컴포넌트 및 접선 부하 컴포넌
트(예컨대, 측방향 컴포넌트) 둘 다를 생성할 수 있다.
도 12는 측방향으로-인접한 초전도 권선들의 적어도 일부분을 수용하도록 구성된 각각의 내부 리세스들을 정의
하는 브라켓 어셈블리의 등각도이다.
도 13은 초전도 권선들 및 각각의 아치-형상의 지지부들을 도시하는, 도 12의 브라켓 어셈블리의 등각도이다.
브라켓 어셈블리는, 초전도 권선들에 의해 경험될 수 있는 측면 부하들을 전달하도록 배열된 측방향으로-연장되
는 루프의 하나의 단부를 지지하도록 배열될 수 있다.
도 14는 결합하여, 축방향으로-연장되는 권선 세그먼트들에 대해 모듈식 브라켓 어셈블리를 만드는 각각의 브라
켓 어셈블리들을 포함하는 두 개의 예시적 베이스 모듈들의 축방향 어셈블리를 예시하는 단편적 컷-어웨이 뷰이
다.
도 15는 측방향으로-연장되는 루프들의 배향이 측방향 부하들에 대칭적 전달을 초래하도록 교번될 수 있음을 시
각화하기 위해 도움이 될 수 있는 단편적 등각도이다.
도 16은 선행하는 도면들 중 몇몇에서 예시된 다양한 컴포넌트들 중 적어도 몇몇의 어셈블리를 예시하는 등각도
이고, 상기 어셈블리는, 결합하여, 본 발명의 양상들을 구현하는, 예컨대 머신의 정상 및/또는 결함 조건들 동
안 발달할 수 있는 힘들, 응력들, 스트레인들 및 순환 부하들을 기계적으로 견디면서, "따뜻한" 회전자 코어로
부터 초전도 권선들로의 열 전달을 실질상 감소시키는데 효과가 있을 수 있는 권선 지지 장치를 형성한다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
본 발명의 양상들을 구현하는 초전도 회전자(50)가 도 1에서 도시된다. 초전도 회전자(50)는 길이방향으로-연[0008]
장되는 축(52)(예컨대, 축방향)을 정의하고, 그리고 일반적으로 원통-형상의 코어(54) 및 상기 코어(54)의 단부
표면에 각각 부착된 동축으로 정렬된 회전자 단부 섹션들(55 및 57)을 포함한다. 코어(54)의 물질은 높은 투자
율, 예컨대 철과 같은 강자성 물질을 나타낸다.
초전도 회전자(50)는 일반적으로 길이방향으로-연장되는, 경주트랙(racetrack)-형상의 초전도 코일 또는 권선[0009]
(60)을 더 포함할 수 있고, 상기 초전도 코일 또는 권선(60)은, 회전자(50)의 각각의 단부 섹션들(55 및 57)에
배치된 각각의 스페이서(spacer)들(55A 및 57A)을 통과해 연장될 수 있는 바와 같이, 방사상으로-연장되는 권선
세그먼트들(winding segment, 60B)(예컨대, 방사상 방향)에 의해 연결된 일반적으로 선형의 축방향으로-연장되
는 권선 세그먼트들(60A)을 포함한다.
일 예시적 실시예에서, 초전도 회전자(50)는 전기 발전기의 회전자로서 배열될 수 있고, 그리고 초전도 권선[0010]
(60)은 전기 발전기 필드 (회전자) 권선으로서 배열될 수 있다. 단부 섹션들 중 하나의 단부 섹션(55 또는 5
7)은 고정자에서 전기를 발전시키기 위해 회전 에너지를 초전도 회전자(50)에 공급하기 위한 원동기에 회전자
(50)를 연결시키기 위한 터빈 결합부(turbine coupling)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 초전도 회전자
(50)는 주변 고정자 권선에서 생성된 전기장에 응답하여 회전 에너지를 생성하기 위한 모터의 회전자로서 배열
될 수 있다.
일 예시적 실시예에서, 단부 섹션(57)은 극저온 전달 결합부(68)를 포함할 수 있다. 다이나모일렉트릭[0011]
(dynamoelectric) 머신의 동작 동안 초전도 회전자(50)가 회전하고 있을 때, 고정 일부분 및 회전 일부분(도 1
에 개별 일부분들은 예시되지 않음)을 포함할 수 있는 극저온 전달 결합부(68)는, 초전도 권선(60)을 상기 초전
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도 권선(60)의 임계 온도로 또는 그 미만으로 유지시키기 위해, 극저온 냉각기(미도시)로부터 초전도 권선(60)
내의 닫힌 냉각제 유동 경로들 또는 채널들로 냉각 유체(예컨대, 극저온 유체)를 공급한다. 냉각제는, 냉각제
채널들을 통과해 유동하고, 냉각제 온도가 감소되는 극저온 냉각기로 다시 순환하며, 그리고 냉각제 채널들로
되돌아간다.
극저온 냉각기의 요구되는 냉각 용량은 초전도 발전기의 동작 동안 "따뜻한" 회전자 코어(54)로부터 초전도 권[0012]
선(60)으로 전달되는 열에 직접 관련된다. 본 발명의 발명자들은, 예컨대 권선 지지 구조물이 극저온 유체를
냉각시키기 위해 냉각기에 의해 소비되는 에너지 및 요구되는 냉각기 용량을 감소시킬 수 있도록, 정상 및 일시
적 동작 조건들 동안 그러한 열 전달을 실질상 감소시키도록 배열된 상기 권선 지지 구조물을 제안한다.
도 2-도 4는 도 1의 평면 3-3을 따르는 각각의 단면도들이다. 포함되는 다양한 컴포넌트들 때문에, 이들 도면[0013]
들은 본 발명의 양상들을 구현하는 권선 지지 장치의 예시적 실시예의 컴포넌트들을 점진적으로 도입하기 위해
사용될 것이다. 아이디어는, 독자를 압도하는 것을 피하기 위해, 권선 지지 장치를 형성하는 컴포넌트들을 점
진적으로 도입하는 것이다.
도 2는 회전자 코어(54) 내에서 구성될 수 있는 바와 같은 공동(70)을 예시한다. 공동(70)은 회전자 코어(54)[0014]
로부터 초전도 블록들(예컨대, 권선들)(61A 및 61B)로의 방사성 열 전달을 제한하기 위한 진공을 제공하기 위해
사용될 수 있는 바와 같은 크라이오스탯(cryostat, 72)을 수용하도록 구성될 수 있고, 상기 초전도 블록들(예컨
대, 권선들)(61A 및 61B)은 이 예시적 실시예에서 초전도 권선(60)을 만든다. 하나의 예시적 실시예에서, 크라
이오스탯(72)은 비-자기 금속 또는 비-자기 스틸(steel)과 같은 금속 합금으로 만들어질 수 있다.
공동(70)은, 회전자 동작 동안 발달하는 원심력들 하에서 크라이오스탯(72)을 공동(70) 내에서 유지시키기 위해[0015]
크라이오스탯(72)의 대응하는 표면과 맞물리도록 구성된 숄더(shoulder)들(73)(예컨대, 돌출부들)과 같은 적절
하게 성형된 제한 구조물들을 정의하도록 구성될 수 있다. 두 개의 초전도 블록들이 도면들에서 예시되지만,
다른 예시적 실시예들이 두 개의 초전도 블록들보다 더 많거나 또는 더 적은 초전도 블록들을 가질 수
있으므로, 본 발명의 양상들이 임의의 특정 개수의 초전도 블록들로 제한되지 않는다는 것이 인정될 것이다.
초전도 권선들(61A 및 61B) 각각은 알려진 초전도 HTS 물질로 형성된 복수의 초전도 테이프(superconducting[0016]
tape)들로 구성된다. 기술분야의 당업자에 의해 이해될 바와 같이, 테이프들을 원하는 구성으로 어셈블링하고
유지시키기 위해 적절한 접착제들 및 기술들이 사용될 수 있다. 아래의 설명은, "따뜻한" 회전자 코어(54)로부
터 초전도 권선들(61A 및 61B)로의 열 전달을 실질상 감소시키면서, 초전도 권선들(61A 및 61B)을 기계적으로
지지하기 위한 예시적 컴포넌트들을 도입하도록 진행된다.
도 3은, 섬유-강화 플라스틱(FRP) 물질과 같이, 높은 열적 저항률(즉, 낮은 열적 전도율)을 갖고 그리고 저온들[0017]
에서 비교적 높은 인장 강도를 갖는 물질로 형성될 수 있는 바와 같은 한 쌍의 길쭉한 루프(loop)들(74)을 예시
한다. 예로서 그리고 제한은 아닌 것으로서, 특정 예시적 FRP 물질들은 대략 1000 Mpa 또는 그 초과의 인장 강
도, 그리고 (대략 0.65 W/mK 또는 그 초과의 열적 전도율을 나타낼 수 있는 스테인리스 스틸과 비교할 때) 77°
K에서 또는 대략 0.37 W/mK(미터 길이-켈빈 온도당 와트) 또는 그 미만의 열적 전도율을 나타낼 수 있다. 따라
서, FRP 물질은 열 유동에 실질상 저항적인 물질의 하나의 예이다.
각각의 루프(74)는, 초전도 권선들(61A 및 61B)에 방사상 지지부를 제공하기 위해 근단부(proximate end, 76)로[0018]
부터 원단부(distal end, 78)로 연장된다. 이 예에서, 원단부(78)는 회전자 축(52)(도 1)에 대해 방사상 원단
부를 구성한다. 루프들(74)의 FRP 물질은 따뜻한 회전자 코어(54)로부터 초전도 권선들(61A 및 61B)로의 열 유
동에 실질상 저항한다. 루프들(74)과 초전도 권선들(61A 및 61B) 사이의 전도성 열적 결합부를 감소시키기 위
해, 각각의 루프(74)와 초전도 권선들(61A 및 61B)의 대응하는 측면 표면 사이에 간극(gap, 75)(예컨대, 방사상
으로-연장되는 간극)이 제공될 수 있다. 초전도 권선들(61A 및 61B)의 원부 에지(distal edge, 79)(예컨대, 상
부 측면 에지)에서 루프들(74)과 초전도 권선들(61A 및 61B) 사이에 접촉이 제공될 수 있다.
이어지는 설명으로부터 인정되어야 하는 바와 같이, 각각의 루프(74)는 초전도 권선들(61A 및 61B) 상에 가해지[0019]
는 원심 부하들을 회전자 코어(54)로 효과적으로 전달시키도록 배열될 수 있다. 도 3은 한 쌍의 지지부들(80)
(예컨대, 아치(arch)-형상의 지지부들)의 예시적 실시예를 추가로 도시하고, 상기 한 쌍의 지지부들(80)
각각은, 루프들(74)의 각각의 원단부(78)와 초전도 권선들(61A 및 61B)의 대응하는 표면(예컨대, 상단 표면) 사
이에 각각 배치된다. 아치-형상의 지지부들(80)은 알루미늄 합금, 구리, 또는 다른 적절한, 비교적 가벼운-무
게의 비-자기 물질로 만들어질 수 있다. 아래의 설명은, "따뜻한" 회전자 코어(54)로부터 초전도 권선들(61A
및 61B)로의 열 전달을 실질상 감소시키면서, 초전도 권선들(61A 및 61B)을 기계적으로 지지하기 위한 추가의
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컴포넌트들을 도입하도록 진행된다.
도 4는 회전자 코어에 대해 각각의 루프(74)를 상기 각각의 루프의 각각의 근단부(76)에서 고정(anchor)시키도[0020]
록 구성된 복수의 베이스 모듈(base module)들(89)(예컨대, 도 6-도 8)을 포함하는 베이스 어셈블리(base
assembly, 84)를 도시한다. 하나의 예시적 실시예에서, 베이스 모듈들(89)은 축방향으로-연장되는 앵커링 빔
(anchoring beam)을 형성하도록 배열될 수 있고, 그리고 그러한 모듈들은 레고(Lego)-형 인터록킹 빌딩 블록
(interlocking building block)들과 개념적으로 유사할 수 있다. 베이스 어셈블리(84)의 모듈식 양상들이 초전
도 권선들(61A 및 61B)의 축방향으로-연장되는 권선 세그먼트들(60A)(도 1)의 라우팅을 용이하게 실행한다는 것
이 인정될 것이다.
베이스 어셈블리(84)는 스틸로 만들어질 수 있고 그리고 크라이오스탯(72)에 의해 에워싸이도록 구성될 수[0021]
있고, 여기서 베이스 어셈블리(84)는 회전자 동작 동안 발달하는 원심력들 하에서 숄더들(73)(도 2)에 의해 크
라이오스탯(72)과 함께 공동(70) 내에서 유지된다. 하나의 예시적 실시예에서, 크라이오스탯(72)은 베이스 어
셈블리(84)를 에워싸도록 부분적으로 구성될 수 있고, 그리고 권선 지지 장치 및 초전도체 권선들 주위에 진공
을 형성하기 위해 공동(70) 밖으로 연장되도록 추가로 구성될 수 있다.
하나의 예시적 실시예에서, 베이스 어셈블리(84)는, 각각의 루프(74)의 각각의 근단부(76)를 수용하도록 그리고[0022]
인접한 베이스 모듈에 기계적 연결부(예컨대, 축방향 연결부)를 제공하도록 구성된 관형 결합부(tublar
coupling, 86)를 포함할 수 있다. 도 4는 전자기 차폐물(82)을 추가로 예시하고, 상기 전자기 차폐물(82)은 일
시적 전자기장들로부터 초전도 권선들(61A 및 61B)을 차폐시키기 위해 회전자(50)에 연결될 수 있다. 차폐물
(82)은 알루미늄 또는 구리와 같은 전기 전도성 및 비-자기 물질로 만들어질 수 있다.
도 5는, 부가의 베이스 모듈들과 결합하여, 베이스 어셈블리(84)(도 4)를 형성할 수 있는 예시적 베이스 모듈[0023]
(89)의 단편적 등각도이다. 하나의 예시적 실시예에서, 각각의 베이스 모듈(89)은 암결합기(female
coupler)(90)의 적어도 일부분을 수용하도록 구성된 수결합기(male coupler)(88)를 포함할 수 있고, 상기 각각
의 베이스 모듈(89)은, 자신의 외부 지름의 일부분 위에서, 대응하는 루프(74)의 근단부를 수용한다. 암결합기
(90)의 축방향 치수는 수결합기(88)의 축방향 치수에 대해 충분히 길 수 있어, 암결합기가 축방향으로 인접한
베이스 모듈의 수결합기에 의해 또한 수용될 수 있다.
도 6은 두 개의 베이스 모듈들(891 및 892)의 단편적 분해도이고, 상기 두 개의 베이스 모듈들(891 및 892) 각각[0024]
은 각각의 암결합기들(90)을 통해 축방향으로 서로 상호연결될 수 있는 바와 같은 각각의 수결합기들(881 및
882)을 갖는다. 예시의 간략성을 위해, 단 한 개의 암결합기(90)가 도 6에 도시된다. 베이스 모듈들(891 및
892)의 나머지 수결합기들을 상호연결시키기 위해 부가의 암결합기(90)가 사용될 것이다.
도 7은 각각의 길쭉한 루프들(74)을 포함하는 두 개의 예시적 베이스 모듈들(891 및 892)의 축방향 어셈블리를[0025]
예시하는 단편적 컷-어웨이 뷰이다. 도 3-도 7의 맥락에서 설명된 관형 결합부가 분절된(segmented) 관형 결합
부 어레인지먼트의 예임이 인정될 것이다. 본 발명의 양상들이 분절된 관형 결합부 어레인지먼트로 제한되지
않음이 이해될 것이다. 예컨대, 당업자는 연속 관형 결합부 어레인지먼트를 사용할 수 있다. 예컨대, 도 8에
도시된 바와 같이, 전술된 분절된 결합부 어레인지먼트 대신에, 각각의 루프(74)를 상기 각각의 루프(74)의 각
각의 근단부(76)에서 고정시키기 위해 하나 또는 그 초과의 연속적인 막대(continuous rod)들(92)이 사용될 수
있다.
본 발명의 양상들이 회전자 공동 내의 크라이오스탯 내에 배치된 베이스 어셈블리(84)로 제한되지 않음이 인정[0026]
될 것이다. 예컨대, 회전자 공동 내에 수용된 베이스 어셈블리(84)(및 연관된 관형 결합부 구조물들) 대신에,
당업자는 루프들(74)을 위한 앵커링 구조물들(93) ― 그러한 앵커링 구조물들은 도 9 및 도 10에 도시된 바와
같이 머신의 회전자 코어와 일체화됨 ― 을 구성할 수 있다는 것이 고려된다. 이 예시적 실시예에서, 크라이오
스탯은, 원통형 구조물인 회전자 코어에 대해 외부적으로 배치될 수 있고, 그리고 권선 지지 장치 및 초전도체
권선들 주위에 진공을 형성하기 위해 회전자 코어(54)를 둘러싸도록 부착 및 배열될 수 있다.
도 11은 초전도 권선들(61A 및 61B)의 포지셔닝이 방사상 방향과 일치하지 않을 수 있음을 시각적으로 인정하기[0027]
위해 사용된다. 그러므로, 회전자 동작 동안, 원심력들은 초전도 권선들(61A 및 61B)에 의해 경험될 방사상 부
하 컴포넌트(96) 및 접선 부하 컴포넌트(94)(예컨대, 측방향 컴포넌트) 둘 다를 생성할 수 있다. 아래의 설명
은 그러한 접선 및 방사상 부하 컴포넌트들의 존재를 고려하여, 초전도 권선들(61A 및 61B)을 기계적으로 지지
하기 위해 사용되는 컴포넌트들을 도입하도록 진행된다.
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도 12는 도 13에 예시된 바와 같이, 초전도 권선들(61A 및 61B)(예컨대, 측방향으로-인접한 권선들)의 적어도[0028]
일부분 및 각각의 아치-형상의 지지부들(80)을 수용하도록 구성된 각각의 내부 리세스들(101)을 정의하는 브라
켓 어셈블리(100)의 등각도이다. 하나의 예시적 실시예에서, 브라켓 어셈블리(100)는 브라켓 서브어셈블리
(subassembly)들(1001, 1002, 및 1003)과 같이 세 개의 서브어셈블리들로 구성될 수 있다.
이 예시적 실시예에서, 서브어셈블리(1001)는 뒤집어진 숫자 "3" 구조물로서 형상화될 수 있고, 그리고 서브어[0029]
셈블리들(1002 및 1003)은 서로 마주보는 "L" 형상의 구조물들로서 형상화될 수 있다. 서브어셈블리들(1001,
1002, 및 1003)의 주변부의 각각의 일부분들은 티타늄 또는 높은-인장 강도의 다른 금속으로 만들어질 수 있는
바와 같은 스트랩(strap)(103)에 의해 스트랩핑될 수 있다. 하나의 예시적 실시예에서, 스트랩(103)은, 서브어
셈블리들(1001, 1002, 및 1003)을 서로에 단단하게 상호연결되게 유지시키도록 그리고 접선 부하에 의한 그러한
서브어셈블리들의 분리(예컨대, 서브어셈블리들(1002 및 1003)의 오프닝 분리)를 방지하도록 효과적으로 배열될
수 있다.
브라켓 서브어셈블리들(1002 또는 1003)은 측방향으로-연장되는 루프(106)의 하나의 단부를 지지하도록 배열된[0030]
제1 핀(104)(도 13)을 수용하기 위한 각각의 오프닝들(102)을 포함할 수 있고, 상기 루프(106)는 (방사상-지지
부 루프(74)처럼) 열 유동에 실질상 저항적인 물질(예컨대, FRP 물질 등등)로 또한 만들어질 수 있다. 측방향
으로-연장되는 루프(106)의 다른 단부는, 각각의 베이스 모듈의 중심 일부분(109)에 연결될 수 있는 바와 같이
제2 핀(앵커 핀)(108)에 의해 지지될 수 있다. 즉, 베이스 어셈블리의 일부분(109)과 결합하여, 앵커 핀(108)
은, 초전도 권선들(61A 및 61B)에 의해 경험되는 측방향 부하들을 측방향으로-연장되는 루프(106)를 통해 회전
자 코어(54)로 전달하기 위한 앵커 지점을 포함한다.
도 14는 결합하여, 축방향으로-연장되는 권선 세그먼트들(60A)(도 1)에 대해 모듈식 브라켓 어셈블리를 만드는[0031]
각각의 브라켓 어셈블리들(100)을 포함하는 두 개의 예시적 베이스 모듈들(891 및 892)의 축방향 어셈블리를 예
시하는 단편적 컷-어웨이 뷰이다. 도 15로부터 인정되어야 하는 바와 같이, 측방향 부하들에 대칭적 전달을 제
공하기 위해, 하나의 예시적 실시예에서, 측방향으로-연장되는 루프들(106)의 배향이 교번될 수 있다. 예컨대,
도 13에서, 핀(104)이 앵커 핀(108)의 우측에 대해 위치됨이 인정될 수 있는 반면에, 도 15에서, 다음 차례의
축방향으로-인접한 브라켓 어셈블리 내의 핀(104)이 앵커 핀(108)의 좌측에 대해 위치됨이 인정될 수 있다.
따라서, 하나의 예시적 실시예에서, 측방향으로-연장되는 루프들(106)은 지향성으로 교번하도록 배열된 측방향[0032]
으로-연장되는 루프들의 축방향 시퀀스(sequence)를 형성하여, 시퀀스 내의 제1의 측방향으로-연장되는 루프(예
컨대, 도 13에서, 측면 루프(106))는 어셈블리의 제1 측면 단부에 있는 대응하는 브라켓 어셈블리에 의해 기계
적으로 지지되는 자신의 제1 단부를 가질 수 있다(예컨대, 도 13에서 도시된 바와 같이, 루프(106)는 핀(104)에
의해 지지될 수 있고, 이 예시적 경우 상기 핀(104)은 앵커 핀(108)의 우측에 대해 위치됨). 시퀀스 내의 제2
의 축방향으로-인접한 측방향으로 연장되는 루프(예컨대, 도 15에서, 측면 루프(106))는 어셈블리의 제2 측면
단부에 있는 대응하는 브라켓 어셈블리에 의해 기계적으로 지지되는 자신의 제1 단부를 가질 수 있다(예컨대,
도 15에 도시된 바와 같이, 루프(106)는 핀(104)에 의해 지지될 수 있고, 이 경우 상기 핀(104)은 앵커 핀(10
8)의 좌측에 대해 위치됨). 이 예시적 실시예에서, 대응하는 어셈블리들의 제1 단부 및 제2 단부는 서로 대향
하는 측면 단부들에 대응할 수 있고, 그리고 따라서 측방향으로-연장되는 루프들의 지향성으로 교번하는 시퀀스
는 접선 부하를 회전자 코어에 대칭적으로 전달하도록 축방향을 따라서 효과적으로 배열될 수 있다.
접선 부하를 회전자 코어에 대칭적으로 전달하기 위하여 본 발명의 양상들이 측방향으로-연장되는 루프들의 지[0033]
향성으로 교번하는 시퀀스로 제한되지 않는다는 것이 인정될 것이다. 예컨대, 당업자는, 측방향으로-연장되는
루프들의 측방향으로 인접한(나란히 있는) 쌍들을, 그러한 루프들의 각각의 제1 단부들이 주어진 브라켓 어셈블
리의 서로 대향하는 측면 단부들에 각각 연결될 수 있고 그리고 그러한 루프들의 각각의 제2 단부들이 각각의
베이스 모듈의 중심 일부분(109)에 앵커링(예컨대, 공동으로 앵커링)될 수 있도록, 배열할 수 있다.
도 14에서, 브라켓 어셈블리(100)(예컨대, 베이스 모듈들(891 및 892)에 의해 공유되는 중간 브라켓 어셈블리[0034]
(100))가 축방향으로-인접한 길쭉한 루프들(74)의 각각의 쌍들의 대응하는 일부분들 사이에 개재(interpose)될
수 있음이 인정될 수 있다.
도 16은 선행하는 설명에서 설명된 다양한 컴포넌트들 중 적어도 몇몇의 어셈블리를 예시하는 등각도이고, 상기[0035]
어셈블리는, 결합하여, 본 발명의 양상들을 구현하는, 예컨대 머신의 정상 및/또는 결함 조건들 동안 발달할 수
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있는 힘들, 응력들, 스트레인들 및 순환 부하들을 기계적으로 견디면서, "따뜻한" 회전자 코어로부터 초전도 권
선들로의 열 전달을 실질상 감소시키는데 효과가 있을 수 있는 권선 지지 장치를 형성한다.
본 발명의 다양한 실시예들이 본 명세서에서 설명되었고 도시되었지만, 그러한 실시예들이 예로서만 제공됨이[0036]
명백할 것이다. 다수의 변이들, 변경들 및 치환들이 본 명세서의 본 발명으로부터 벗어남 없이 이루어질 수 있
다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항들의 사상 및 범위에 의해서만 제한되는 것이 의도된다.
도면
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