KR100901461B1 - Superconducting synchronous machine - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초전도 동기 전동기에 관한 것으로서, 특히 초전도 선재가 권선된 싱글 팬케이크코일 또는 더블 팬케이크코일로 이루어져 직류전원을 여자시키는 초전도 계자코일과; 상기 팬케이크코일 양단에 각각 위치되고, 자성재질로 이루어진 철심형의 유도자와, 상기 초전도 계자코일 중심부에 결합되는 계자코아로 구성된 회전자와; 상기 회전자 외측에 형성된 철심형의 고정자와; 상기 고정자 내측 표면에 형성되어 3상으로 여자되는 공심형의 전기자권선과; 상기 초전도 계자코일을 에워싸도록 형성되어 상기 회전자로부터의 복사열과 상기 전기자권선에서 발생되는 교류자장을 차단시키는 댐퍼;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도 동기 전동기 및 초전도 동기 전동기의 설계인자를 고려한 초전도 동기 전동기를 제작하는 방법을 기술적 요지로 한다. 이에 따라 운전 중에 초전도 계자코일이 회전하지 않으므로 회전 계자형 초전도 동기 전동기에 비해 전동기의 신뢰성과 안정성에 유리하며, 회전자는 자성재질인 철심형이므로 공심형에 비해 초전도 선재량을 최소화하면서 전동기의 대용량화가 가능하므로 경제성이 높고 안정성이 증가하는 이점이 있다.The present invention relates to a superconducting synchronous motor, and in particular, a superconducting field coil configured to excite a DC power source consisting of a single pancake coil or a double pancake coil wound with a superconducting wire; Rotors positioned at both ends of the pancake coil and composed of a magnetic core inductor made of a magnetic material and a field core coupled to a central portion of the superconducting field coil; An iron core stator formed outside the rotor; An air core type armature winding formed on the stator inner surface and excited in three phases; And a damper formed to surround the superconducting field coil and blocking the radiant heat from the rotor and the alternating magnetic field generated in the armature winding. The design factors of the superconducting synchronous motor and the superconducting synchronous motor are characterized in that it comprises a. The technical gist of the method of manufacturing the superconducting synchronous motor in consideration is considered. Accordingly, the superconducting field coil does not rotate during operation, which is advantageous for the reliability and stability of the motor compared to the rotating field type superconducting synchronous motor.The rotor has a magnetic core, so the capacity of the motor is increased while minimizing the amount of superconducting wire. Since it is possible, there is an advantage of high economical efficiency and stability.
단극형 초전도 동기 전동기 Unipolar Superconducting Synchronous Motor
Description
본 발명은 초전도 동기 전동기에 관한 것으로서, 특히 회전자가 자성재질로 이루어진 철심형이고 초전도 계자코일은 운전중에 회전하지 않으며, 고정자 철심 표면에는 전기자권선이 공심형으로 배치되어, 회전 계자형 초전도 동기 전동기에 비해 초전도 선재량 감소에 따른 제작비용을 절감시킬 수 있고 전체적인 무게를 줄일 수 있는 초전도 동기 전동기에 관한 것이다.The present invention relates to a superconducting synchronous motor, and in particular, the rotor is made of a magnetic core material and the superconducting field coil does not rotate during operation, the magnetic field winding is arranged concentrically on the surface of the stator core, the rotating field superconducting synchronous motor Compared to the superconducting synchronous motor that can reduce the manufacturing cost and reduce the overall weight due to the reduction of the superconducting wire quantity.
일반적으로, 기존의 상전도 전동기의 경우는 회전자의 무게를 대부분 적층된 규소강판과 같은 자성재료로 이루어진 철심이 차지하며 계자와 전기자코일은 철심으로 이루어진 슬롯 속에 삽입되어 그 구조가 형성된다. 반면에, 초전도 전동기의 경우는 강자장을 발생시키는 초전도 계자권선(Superconducting Field Winding)을 이용하여 기기 내부의 철심을 사용하지 않고도 기존 상전도 전동기의 1/2 ~ 1/3 크기에서 동일한 출력을 발생시킬 수 있다.In general, in the case of a conventional phase-conduction motor, the weight of the rotor is mostly occupied by an iron core made of a magnetic material such as a laminated silicon steel sheet, and the field and the armature coil are inserted into a slot made of the iron core to form a structure thereof. On the other hand, in the case of superconducting motors, superconducting field windings, which generate strong magnetic fields, generate the same output at 1/2 to 1/3 of conventional phase-conduction motors without using iron cores inside the device. You can.
이러한 철심을 사용하지 않는 공심형의 구조에서 목표출력을 얻기 위해서 회전하는 극저온 용기(Cryostat) 내에 계자코일을 배치시켜 초전도상태로 만든 후 강자장이 발생되도록 한다. 따라서 초전도코일을 냉각시키기 위한 장치들이 전기적인 코일의 배치와 함께 이루어져야 하며, 기존의 회전기 기술에서는 발견할 수 없는 극저온분야의 기술들로 특수한 제작과정이 수반되게 된다.In order to obtain the target output in the concentric type structure without using the iron core, the field coil is placed in the rotating cryogenic container (Cryostat) to make a superconducting state, and then a strong magnetic field is generated. Therefore, the devices for cooling the superconducting coil should be made with the arrangement of the electric coil, and the special manufacturing process will be accompanied by techniques in the cryogenic field which cannot be found in the existing rotor technology.
이렇게 회전하는 극저온 초전도 계자코일은 일반적으로 직류자장을 발생하도록 되어 있으므로 대부분 동기기나 직류기의 계자코일에 사용이 되며, 교류자장이 발생되는 전기자권선(Armature Winding)에는 기존의 전동기에서와 같은 상전도 구리 코일이 사용된다.The rotating cryogenic superconducting field coil is generally used to generate a DC magnetic field, so it is mostly used for field coils of synchronous motors and DC motors, and the phase-conducting copper as in conventional motors is used in armature windings where alternating magnetic fields are generated. Coils are used.
초기에 초전도 전동기를 개발할 때에는 복잡한 냉매 공급장치 등이 개발되지 않아서 초전도 계자코일은 정지 상태에서 직류자장만을 공급해주도록 설계가 되었으나, 이러한 방법은 전기자권선이 회전해야하므로 3상의 코일을 회전자에 권선하기가 어렵고, 또한 코일에 전류를 공급하거나 빼내는데 복잡한 슬립링들이 배치되어야 하므로 회전하는 초전도코일의 형태로 기계를 설계 및 제작하게 되었다.When developing superconducting motors in the early stages, no complicated refrigerant supply device was developed, so the superconducting field coils were designed to supply only the DC magnetic field in a stationary state.However, since the armature winding needs to rotate, the three-phase coil is wound on the rotor. It is difficult to design and complex slip rings have to be arranged to supply or draw current to the coil, thus designing and manufacturing the machine in the form of a rotating superconducting coil.
또한, 이러한 방법은 초전도 계자코일이 기기의 외측에 분포가 되어 발전기의 경우는 유기되는 전압의 파형이 정현파에서 왜곡될 수가 있고 기계의 가장 외측에 배치가 되는 자장차폐실드(Machine Shield)가 강자장을 발생하는 초전도 계자코일에 매우 근접해 있기 때문에 유일하게 자성재료가 들어가는 차폐실드에 높은 자장이 분포하게 되고 이는 기기의 크기를 증가시키는 결과를 초래하므로 초전도회전기의 장점인 기계 체적의 축소 측면에서 상당한 단점으로 작용하게 된다.In addition, in this method, the superconducting field coil is distributed outside of the device, and in the case of a generator, the waveform of induced voltage can be distorted in the sine wave, and the magnetic shield placed in the outermost part of the machine has a strong magnetic field. Because it is very close to the superconducting field coils that generate the high magnetic field, the magnetic field is distributed in the shielding shield containing only magnetic materials, which increases the size of the device, which is a significant disadvantage in terms of reducing the mechanical volume, which is an advantage of the superconducting rotor. Will act as.
따라서 현재 개발되고 있는 대부분의 초전도 전동기는 자장차폐실드가 기계의 최외층에 원통형으로 기존의 회전기에서 채용되는 강자성체를 적층하여 사용하고 기계실드 바로 안쪽에 3상의 상전도 코일이 배치되게 된다. 물론 전동기의 효율을 더욱더 증가시키기 위하여 초전도 코일로 전기자를 구성할 수도 있으나 이는 더 복잡한 기계적 구조를 요구하게 되고 교류자장 하에서 손실을 일으키는 초전도체의 단점 때문에 연구단계에서 개발이 보류된 상태이다.Therefore, most of the superconducting motors currently being developed use a magnetic shield shield in a cylindrical shape on the outermost layer of the machine and use a ferromagnetic material laminated in a conventional rotor, and a three-phase phase conducting coil is disposed right inside the machine shield. Of course, it is possible to construct an armature with a superconducting coil to further increase the efficiency of the motor, but this requires development of a more complicated mechanical structure and development is suspended in the research phase due to the disadvantage of the superconductor causing loss under the alternating magnetic field.
이렇게 배치된 전기자권선과 초전도 계자코일 사이에는 구리원통으로 제작되는 댐퍼(Damper)가 설치되며 기존의 동기 전동기가 탈조하였을 경우에 유도전류를 흘려서 다시 동기속도로 회복하는 것을 돕는다. 또한 전기자권선에서 발생하는 교류자장이 직류자장을 발생시키는 초전도 계자코일에 영향을 미치는 것을 막아주는 역할을 하며, 극저온용기와 초전도 계자코일 사이에 배치되는 댐퍼의 경우는 회전자 외통으로부터 유입되는 복사열을 차폐시켜주는 역할도 동시에 수행하게 된다.A damper made of a copper cylinder is installed between the armature windings and the superconducting field coils arranged in this way, and when the existing synchronous motor is out of order, it helps to recover the synchronous speed by flowing an induced current. It also prevents the alternating magnetic field from the armature winding affecting the superconducting field coils that produce the DC field. In the case of the damper disposed between the cryogenic container and the superconducting field coil, the radiant heat from the rotor outer cylinder is prevented. It also plays a role of shielding at the same time.
그러나 이러한 형태의 댐퍼는 전기자권선과 초전도 계자코일 사이 및 극저온용기와 초전도 계자코일 사이에 각각 댐퍼를 설치해주어야 하므로 동기 전동기의 설계의 복잡화 및 부피가 커지는 단점이 있으며, 초전도 동기 전동기를 활용하게 되는 선박 등의 적용 시스템의 무게 및 부피가 커지는 단점이 있다.However, this type of damper has a disadvantage in that the design of the synchronous motor is complicated and bulky because dampers must be installed between the armature winding and the superconducting field coil, and between the cryogenic container and the superconducting field coil, respectively. There is a disadvantage in that the weight and volume of the application system of the back is increased.
따라서, 회전자가 자성재질로 이루어진 철심형이고 초전도 계자코일은 운전중에 회전하지 않으며, 고정자 철심 표면에는 전기자권선이 공심형으로 배치되어, 회전 계자형 초전도 동기 전동기에 비해 초전도 선재량 감소에 따른 제작비용을 절감시킬 수 있고 전체적인 무게를 줄일 수 있는 초전도 동기 전동기를 그 해결 과제로 한다.Therefore, the rotor is made of magnetic material and the superconducting field coil does not rotate during operation, and the armature winding is arranged concentrically on the surface of the stator core. A superconducting synchronous motor that can reduce the weight and reduce the overall weight is a challenge.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 것으로서, 초전도 선재가 권선된 싱글 팬케이크코일 또는 더블 팬케이크코일로 이루어져 직류전원을 여자시키는 초전도 계자코일과; 상기 팬케이크코일 양단에 각각 위치되고, 자성재질로 이루어진 철심형의 유도자와, 상기 초전도 계자코일 중심부에 결합되는 계자코아로 구성된 회전자와; 상기 회전자 외측에 형성된 철심형의 고정자와; 상기 고정자 내측 표면에 형성되어 3상으로 여자되는 공심형의 전기자권선과; 상기 초전도 계자코일을 에워싸도록 형성되어 상기 회전자로부터의 복사열과 상기 전기자권선에서 발생되는 교류자장을 차단시키는 댐퍼;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초전도 동기 전동기를 기술적 요지로 한다.The present invention is to solve the above problems, consisting of a single pancake coil or double pancake coil wound with a superconducting wire superconducting field coil to excite the DC power; Rotors positioned at both ends of the pancake coil and composed of a magnetic core inductor made of a magnetic material and a field core coupled to a central portion of the superconducting field coil; An iron core stator formed outside the rotor; An air core type armature winding formed on the stator inner surface and excited in three phases; The superconducting synchronous motor is configured to surround the superconducting field coil to block the radiant heat from the rotor and the alternating magnetic field generated in the armature winding.
또한, 상기 회전자는, 계자코아와; 상기 계자코아와 일체로 형성되며 상기 계자코아 일단부에서 지름방향으로 돌출되게 세개의 돌극부가 형성된 제1유도자와, 상기 제1유도자에 대향되어 세개의 돌극부가 형성된 제2유도자로 이루어진 유도자와; 상기 계자코아 및 유도자에 동축결합되어 상기 회전자를 축회전시키는 샤프트;로 구성되는 것이 바람직하다.In addition, the rotor, the field core; An inductor formed integrally with the field core and having a first inductor having three protrusions formed to protrude radially from one end of the field core, and a second inductor having three protrusions opposed to the first inductor; It is preferable that the shaft is coaxially coupled to the field core and the inductor to axially rotate the rotor.
또한, 상기 초전도 계자코일은, 상기 제1유도자와 제2유도자의 돌극부 사이에 형성되는 것이 바람직하다.In addition, the superconducting field coil is preferably formed between the protruding portions of the first and second inductors.
여기에서, 상기 댐퍼는, 상기 초전도 계자코일을 에워싸도록 형성되되, 제1유도자 및 제2유도자의 돌극부 끝단부로부터 내측에 위치되는 것이 바람직하다.Here, the damper is formed so as to surround the superconducting field coil, it is preferable that the damper is located inward from the end of the protruding end of the first guide and the second guide.
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상기 과제 해결 수단에 의해 본 발명은, 운전중에 초전도 계자코일이 회전하지 않으므로 회전 계자형 초전도 동기 전동기에 비해 초전도 계자코일의 냉각을 위한 냉각시스템의 설계가 용이하고 단순해져 전동기의 신뢰성과 안정성을 향상시키고, 전체 시스템의 부피를 감소시키는 효과가 있다.According to the above-mentioned problem solving means, the present invention, since the superconducting field coil does not rotate during operation, it is easier and simpler to design a cooling system for cooling the superconducting field coil compared to the rotating field type superconducting synchronous motor, thereby improving the reliability and stability of the motor. And reduce the volume of the entire system.
또한, 댐퍼가 두 개의 유도자 사이에 설치되므로 유효 공극이 감소하고, 회전자가 자성재질로 이루어져 있어서, 기자력 손실이 저감되어 초전도 선재량을 감소시킬 수 있으며 계자코아에 의해 발생된 자속의 경로가 되므로 초전도 계자코일에 미치는 자장의 영향이 저감되어 초전도 계자코일에서 발생할 수 있는 자계에 의한 초전도 깨짐(quench)의 영향을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, since the damper is installed between the two inductors, the effective void is reduced, and the rotor is made of magnetic material, so that the loss of magnetic force can be reduced to reduce the amount of superconducting wire, and the superconductivity is generated because it is the path of the magnetic flux generated by the field core. The influence of the magnetic field on the field coil is reduced, thereby reducing the effect of superconducting quench due to the magnetic field that may occur in the superconducting field coil.
또한, 공극자속밀도가 교번하지 않아 전동기 부피는 증가하지만 냉각 시스템이 단순해짐에 따라 전체 시스템의 부피가 감소하게 되며, 유도자 수 변화를 통하여 전동기의 다극화가 가능하며, 초전도 계자코일이 싱글 팬케이크코일 혹은 더블 팬케이크코일 형태이어서 권선 작업이 용이한 효과가 있다.In addition, since the pore flux density is not altered, the motor volume increases, but as the cooling system becomes simpler, the volume of the entire system decreases. It is possible to multipolarize the motor by changing the number of inductors, and the superconducting field coil has a single pancake coil Double pancake coil type makes winding work easy.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in detail.
본 발명의 바람직한 실시예로써, 회전자(200) 극수가 6이고 전기자권선(400)의 권선방식이 공심형인 단극(Homopolar)형 초전도 동기 전동기 및 그 제작방법에 관한 것이다. 일반적으로, 단극(Homopolar)형 초전도 동기 전동기는 전동기의 극수와 운전주파수에 대한 동기속도(synchronous speed)로 회전하는 동기기(synchronous machine)로서 운전속도는 부하 변동에 영향을 받지 않는 것을 말한다. 본 발명에 따른 초전도 동기 전동기의 주요부에 대한 구조 및 형상은 도 1 (a), (b)에 도시되어 있으며, 도 2는 본 발명에 따른 초전도 동기 전동기에서 초전도 계자코일과 유도자에 대한 결합 사시도를 나타낸 것이다.As a preferred embodiment of the present invention, the number of poles of the rotor 200 is 6 and the winding method of the armature winding 400 is a concentric monopolar (Homopolar) type superconducting synchronous motor and a method of manufacturing the same. In general, a homopolar superconducting synchronous motor is a synchronous machine that rotates at a synchronous speed with respect to the number of poles of the motor and the operating frequency, and the driving speed is not affected by load fluctuations. Structure and shape of the main portion of the superconducting synchronous motor according to the present invention is shown in Figure 1 (a), (b), Figure 2 is a perspective view of the coupling of the superconducting field coil and inductor in the superconducting synchronous motor according to the present invention It is shown.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 초전도 동기 전동기는 크게 초전도 계자코일(100), 회전자(200), 고정자(stator)(300), 전기자권선(armature winding)(400) 및 댐퍼(500)로 구성된다.As shown, the superconducting synchronous motor according to the present invention is largely composed of a
상기 초전도 계자코일(100)은 테이프 형상을 하고 있는 초전도 선재가 권선된 싱글 팬케이크코일 또는 더블 팬케이크코일의 형태로 권선되어 형성되며, 원하는 자장 및 세기를 얻기 위해 상기 싱글 팬케이크코일 또는 더블 팬케이크 코일을 단일개 또는 다수개로 적층하여 형성시킨다. 이러한 싱글 팬케이크코일 또는 더블 팬케이크코일을 계자코아(220)와 동축결합시킨다. 여기에서, 상기 초전도 선재는 Bi-2223 혹은 2세대 선재인 YBCO 고온초전도 선재를 사용한다.The
상기 초전도 계자코일(100)은 자성재질로 형성된 철심형의 두 개의 유도자(210) 사이에 위치하게 되며, 한개의 유도자(210)와 일체로 형성된 계자코아(220)에 동축결합되게 되는 것이다. 상기 초전도 계자코일(100)에 직류전원을 인가하여 초전도 계자코일(100)은 직류전원으로 여자되어 두 개의 유도자(210) 중에서 한쪽은 N극, 다른 쪽은 S극이 된다.The
상기 유도자(210)는 계자코아(220)와 일체로 형성된 제1유도자(211)와, 상기 제1유도자(211)에 대해 대향되게 형성된 제2유도자(212)로 구성되며, 상기 제1유도자(211)는 계자코아(220) 일단부에서 지름방향으로 돌출되게 세개의 돌극부(213)가 형성되어 있으며, 상기 제2유도자(212)도 이에 대응되게 세개의 돌극부(213)가 형성되어 회전자(200) 극수가 6개로 이루어져 있다.The
그리고, 고정자(300) 철심 표면에는 공심형으로 배치되어 3상(3phase)으로 여자되는 전기자권선(armature winding)(400)이 형성되어, 상기 초전도 계자코일(100)은 회전하지 않은 상태에서 상기 유도자(210)와 계자코아(220)로 구성된 회전자(200)만 회전하여, 회전자계가 발생하게 되는 것이다.In addition, an armature winding 400 is formed on the iron core surface of the
이에 의해 회전 계자형 초전도 동기 전동기에 비해 초전도 선재량 감소에 따른 초전도 동기 전동기의 제작비용을 절감시킬 수 있고 선박 등 초전도 동기 전동기의 적용 시스템의 전체적인 무게를 줄일 수 있는 것이다. 여기에서 상기 회전자(200)는 샤프트(230)와 동축결합되어 회전자(200)의 위치변위를 최소화하고, 고정시키게 된다.As a result, it is possible to reduce the manufacturing cost of the superconducting synchronous motor according to the reduction of the superconducting wire amount, and to reduce the overall weight of the superconducting synchronous motor such as a ship. Here, the rotor 200 is coaxially coupled with the
그리고, 상기 초전도 계자코일(100)을 에워싸도록 댐퍼(500)가 형성되어, 상기 회전자(200)로부터의 복사열과, 상기 전기자권선(400)에서 발생하는 교류자장을 차단시키게 된다. 즉, 상기 댐퍼(500)가 초전도 계자코일(100)을 에워싸도록 형성되어, 상기 회전자(200) 및 전기자권선(400)의 영향을 동시에 차단시키게 되어, 초전도 동기 전동기의 설계 및 제작을 용이하게 하고, 비용을 절감시킬 수 있도록 한 것이다.A
도 3은 초전도 계자코일만 여자시켰을 때 자속흐름 선도를 횡단면도로 나타낸 것과 3차원 자계해석을 통한 자속분포 및 유도자 중심부에서의 공극자속밀도를 나타낸 것이다.Figure 3 shows the cross-sectional view of the flux flow diagram when only the superconducting field coil is excited and the magnetic flux distribution through the three-dimensional magnetic field analysis and the pore flux density at the center of the inductor.
상기 유도자의 돌극부(凸)가 전기자권선의 중앙에 왔을 때 전기자권선에 쇄교하는 자속은 최대가 되고, 비돌극부(凹)가 중앙에 왔을 때 전기자권선에 쇄교하는 자속은 최소가 되므로 도 3과 같이 단극형 초전도 동기 전동기의 공극자속밀도 분포는 일반 전동기와는 달리 교번하지 않는다. 따라서 유도자가 한 상의 전기자권선을 한 번 지나갈 때마다 주파수는 1 Hz가 되므로 유도자 수가 P, 매분 회전수가 N일 때 Homopolar형 초전도 동기 전동기의 운전 주파수는 다음 수학식 1과 같다.The magnetic flux linking to the armature winding becomes the maximum when the protrusion pole of the inductor is in the center of the armature winding, and the magnetic flux that links to the armature winding when the non-pole pole comes to the center is minimum. As shown in Fig. 3, the pore flux density distribution of a monopole superconducting synchronous motor is not alternated with a general motor. Therefore, each time the inductor passes through the armature winding of one phase, the frequency becomes 1 Hz. Therefore, when the number of inductors is P and the number of revolutions per minute is N, the operating frequency of the Homopolar superconducting synchronous motor is expressed by Equation 1 below.
단극형 초전도 동기 전동기의 전기자권선 배치는 회전자를 동일한 방향으로 회전시키기 위하여 유도자 N극과 S극에서 한 상에 대한 전기자권선은 전기적으로 180° 위상차를 가지면서 3상 전기자권선 배치는 반대방향으로 한다. 도 4는 회전자 극수가 6이고 전기자 슬롯수가 9일 때 전기자권선 배치도를 나타낸 것이며 이 때 전기자권선 방식은 집중권이다.The armature winding arrangement of the unipolar superconducting synchronous motor is designed to rotate the rotor in the same direction so that the armature windings of one phase in the N and S poles of the inductor are electrically 180 ° out of phase, while the three-phase armature winding arrangement is reversed. do. 4 shows an arrangement of armature windings when the number of rotor poles is 6 and the number of armature slots is 9, in which case the armature winding method is a concentrated winding.
도 4(a)에서와 같이 A view에서 전동기를 바라볼 때 회전자가 시계방향(C.W)으로 회전한다고 가정하면, 유도자 N극에서의 전기자권선 배치(도 4(b))가 시계방향으로 3상 권선배치를 하게 된다. 반면 B view에서 유도자 S극을 바라볼 때 회전자는 반시계방향(C.C.W)으로 회전하므로 전기자권선 배치(도 4(c))는 반시계방향으로 이루어지게 되면서 전기자권선이 감기는 방향은 유도자 N극과 반대로 되게 된다.Assuming that the rotor rotates clockwise (CW) when looking at the motor in A view as shown in FIG. 4 (a), the armature winding arrangement (FIG. 4 (b)) in the inductor N pole is three-phase clockwise. The winding arrangement is performed. On the other hand, when looking at the inductor S pole in B view, the rotor rotates in a counterclockwise direction (CCW), so the armature winding arrangement (Fig. 4 (c)) is made counterclockwise while the armature winding is wound in the inductance N pole. Will be reversed.
이에 따라 넓은 운전속도 범위에 대하여 고토크 및 정토크 출력특성 만족이 용이한 단극형 초전도 동기 전동기의 특징을 회전 계자형 초전도 전동기와 비교하면, 계자코일이 고정되어 있어 운전 중에 계자코일이 회전하지 않아 계자코일을 냉 각시키기 위한 냉각이 용이하고 단순해지며, 댐퍼가 두 개의 유도자 사이에 설치되므로 유효 공극이 감소하고, 회전자가 자성재질로 이루어져 있어서 기자력 손실이 저감되어 초전도 선재량이 감소하고 계자코아는 계자코일에 의해 발생된 자속의 경로가 되므로 계자코일에 미치는 자장의 영향이 저감되어 계자코일에서 발생 할 수 있는 자계에 의한 초전도 깨짐(quench)의 영향이 저감되며, 공극자속밀도가 교번하지 않아 전동기 부피는 증가하지만 냉각 시스템이 단순해지고 전체 시스템의 부피는 감소하며, 회전자가 자성재질을 이용하는 철심형이므로 기구적 안정성이 증가하고, 유도자 수 변화를 통하여 전동기의 다극화가 가능하며, 계자 권선이 싱글 팬케이크 혹은 더블 팬케이크 형태이어서 권선 작업이 용이해지는 장점을 가지게 되는 것이다.Accordingly, the characteristics of the single-pole superconducting synchronous motors, which can easily satisfy high torque and constant torque output characteristics over a wide range of operating speeds, are compared to those of the rotating field superconducting motors. Cooling for cooling field coils is easy and simple, and dampers are installed between two inductors to reduce effective voids, and rotors are made of magnetic material to reduce magnetic field losses, resulting in a reduction of superconducting wires. Since it becomes the path of the magnetic flux generated by the field coil, the influence of the magnetic field on the field coil is reduced, and the influence of superconducting quench due to the magnetic field that may occur in the field coil is reduced, and the pore magnetic flux density is not alternated. Increases in volume, but simplifies the cooling system, reduces the volume of the entire system, Self-type iron core is increased because mechanical stability using a magnetic material, and a multipolar motor from, via the inductance can change the field winding single pancake or double pancake shape in turn, it will have the advantage that the winding work becomes easy.
이러한 단극형 초전도 동기 전동기를 설계하는데 있어 필요한 목적함수, 전기자권선 방식, 설계인자 그리고 제작과정은 다음과 같다.The objective function, armature winding method, design factors and manufacturing process necessary for designing such a monopole superconducting synchronous motor are as follows.
단극형 초전도 동기 전동기의 설계 목적함수는 극당 자속량(flux linkage per pole)이며 산정 순서 및 관련 수식은 다음과 같다.The design objective function of the unipolar superconducting synchronous motor is flux linkage per pole and the order of calculation and related equations are as follows.
1.유도자 중심부에서 공극자속밀도 분포 산정1. Estimation of Pore Magnetic Flux Density Distribution in the Induction Center
2.주파수 분석(fast fourier transform, 이하 FFT)2.Frequency analysis (fast fourier transform)
3.공극자속밀도 분포의 왜형율(total harmonic distortion, 이하 THD) 및 기본파 성분 산정3.Calculation of total harmonic distortion (THD) and fundamental wave components of the pore flux density distribution
4.기본파 성분만을 이용한 극당 자속량 산정4.Calculation of magnetic flux per pole using only fundamental wave components
여기서 kw는 권선계수(winding factor), kp는 단절계수(short pitch factor), kd는 분포계수(distribution factor), e는 상역기전력 순시치, Nph는 상당 직렬 턴 수, f는 전동기 운전주파수 그리고 Φ는 극당 자속량이다.Where k w is the winding factor, k p is the short pitch factor, k d is the distribution factor, e is the instantaneous EMF, N ph is the equivalent series turn, f is the motor The operating frequency and Φ are the flux per pole.
전기자권선 방식은 무부하시 단극형 초전도 동기 전동기의 공극자속밀도 분포가 정현적(sinusoidal)으로 변화하므로 전기자권선에 유기되는 역기전력이 정현적이면서 권선계수를 높일 수 있는 분포권의 전절권이며 이때 권선 계수는 1이다.In the armature winding method, the pore magnetic flux density distribution of unipolar superconducting synchronous motors is sinusoidal at no load. 1
단극형 초전도 동기 전동기의 설계인자들 중에서 목적함수에 영향을 미치는 설계인자들은 도 5와 같으며 이 외에 계자코아의 재질과 초전도 계자코일에서 발생하는 초전도 깨짐(quench)을 고려해주기 위한 초전도 계자코일의 형상 등이 있다.Among the design factors of the unipolar superconducting synchronous motor, the design factors affecting the objective function are as shown in FIG. 5. In addition, the superconducting field coil for considering the material of the field core and the superconducting quench generated in the superconducting field coil Shape and the like.
상기 초전도 동기 전동기의 설계인자를 고려하여, 초전도 동기 전동기의 제작과정은 도 6과 같으며, 각 단계별 세부적인 내용은 다음과 같다.Considering the design factors of the superconducting synchronous motor, the manufacturing process of the superconducting synchronous motor is shown in FIG. 6, and the details of each step are as follows.
먼저, 설계된 회전 계자형 초전도 전동기의 부피와 동일한 조건으로 단극형 초전도 전동기의 초기형상을 결정한다. 단, 고정자의 두께는 회전 계자형 초전도 전동기와 동일하다.First, the initial shape of the monopole superconducting motor is determined under the same conditions as the volume of the designed rotating field superconducting motor. However, the thickness of the stator is the same as that of the rotating field type superconducting motor.
그리고, 설계된 초기형상을 이용하여 초전도 계자코일의 턴 수가 일정한 상태에서 초전도 계자코일의 외경과 계자코아 형상 변화에 따라 극당 자속량을 최대로 산정할 수 있는 초전도 계자코일의 외경과 계자코아의 형상을 결정한다.In addition, by using the designed initial shape, the outer diameter of the superconducting field coil and the shape of the field core can be calculated to maximize the magnetic flux per pole according to the change of the outer diameter of the superconducting field coil and the shape of the field core with a constant number of turns of the superconducting field coil. Decide
그 다음, 자기회로가 동일한 상태에서 계자코아의 자성재질과 초전도 계자코일 턴 수를 변화시키면서 극당 자속량을 최대로 산정할 수 있는 자성재질과 초전도 계자코일의 턴 수를 결정한다.Then, while the magnetic circuit is the same, the magnetic material and the superconducting field coil which can maximize the magnetic flux per pole while changing the magnetic material and the superconducting field coil turn number of the field core are determined.
그리고, 공극 길이를 일정하게 유지한 상태에서 유도자 외경이 변화할 때 초전도 계자코일의 턴 수와 유도자 높이 변화에 따라 극당 자속량의 목표치를 만족시키는 자기회로의 형상을 결정한다. The shape of the magnetic circuit that satisfies the target value of magnetic flux per pole is determined according to the number of turns of the superconducting field coil and the change of the inductor height when the outer diameter of the inductor changes while the pore length is kept constant.
최종적으로 고정자의 두께를 변화시키면서 고정자의 자기포화 정도를 낮추는 과정에 의해 초전도 동기 전동기의 형상이 결정되게 되며, 이러한 설계인자를 고려하여 본 발명에 따른 초전도 동기 전동기가 완성되게 된다.Finally, the shape of the superconducting synchronous motor is determined by changing the thickness of the stator and lowering the magnetic saturation degree of the stator. The superconducting synchronous motor according to the present invention is completed in consideration of such design factors.
도 1 - 본 발명에 따른 초전도 동기 전동기의 주요부에 대한 종단면도(a) 및 횡단면도(b).1-longitudinal sectional view (a) and cross sectional view (b) of the main part of a superconducting synchronous motor according to the invention;
도 2 - 본 발명에 따른 초전도 동기 전동기의 초전도 계자코일과 유도자에 대한 결합사시도.Figure 2-Combined perspective view of the superconducting field coil and inductance of the superconducting synchronous motor according to the present invention.
도 3 - 본 발명에 따른 초전도 동기 전동기에서 초전도 계자코일만 여자시 자속흐름 선도(a), 3차원 자속분포(b) 및 이에 따른 공극자속밀도(c)를 나타낸 도.3 is a diagram illustrating a magnetic flux flow diagram (a), a three-dimensional magnetic flux distribution (b), and a pore magnetic flux density (c) when only a superconducting field coil is excited in a superconducting synchronous motor according to the present invention.
도 4 - 본 발명에 따른 초전도 동기 전동기의 전기자권선 배치를 나타낸 도.4-an arrangement of an armature winding of a superconducting synchronous motor according to the present invention.
도 5 - 본 발명에 따른 초전도 동기 전동기의 목적함수에 대한 설계인자를 나타낸 도.5 is a view showing a design factor for the objective function of the superconducting synchronous motor according to the present invention.
도 6 - 본 발명에 따른 초전도 동기 전동기의 제작과정을 나타낸 블럭도.6-a block diagram showing a manufacturing process of the superconducting synchronous motor according to the present invention.
<도면에 사용된 주요부호에 대한 설명><Description of Major Symbols Used in Drawings>
100 : 초전도 계자코일 200 : 회전자100: superconducting field coil 200: rotor
210 : 유도자 211 : 제1유도자210: inductor 211: first inducer
212 : 제2유도자 213 : 돌극부212: the second guide 213: the pole
220 : 계자코아 230 : 샤프트220: field core 230: shaft
300 : 고정자 400 : 전기자권선300: stator 400: armature winding
500 : 댐퍼500: damper
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