KR20140122228A - 고속 터빈 - Google Patents
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Abstract
고속 전자기 터빈(1300)의 다수의 구성이 논의된다. 터빈(1300)은 하우징(1301)을 포함하고, 상기 하우징은 자기장 발생을 위해 적어도 초전도 코일(1307)을 포함하며, 상기 코일은 극저온 몸체(1306)의 극저온 인벨롭 내에 유지된다. 터빈(1300)은 샤프트(1310) 상에 위치되는 하나 이상의 로터(13091, 13092, 13093, 13094, 13095 및 13096)를 포함하는 로터 조립체를 더 포함한다. 상기 로터는 자기장에 속하도록 상기 몸체(1306)의 내부 벽들 사이에 형성되는 보어(1308) 내에 수용된다. 전류가 로터 조립체를 통해 흐를 때, 자기와의 전류의 상호작용에 의해 유발된 힘이 샤프트(1310) 상의 토크로 변환된다.
Description
본 발명은 일반적으로 전자 기계적 일의 생성을 위한 장치에 관한 것이다. 특히, 전적인 것은 아니지만, 본 발명은 고속 전자기 터빈에 관한 것이다.
물리학의 근본 원칙들 중 하나는 전기와 자기 사이의 관계이다. 이러한 관계는 전류 흐름에 직교하는 외부 자기장에 놓여 있는 단순 바아 도체를 통해 흐르는 전류가 토크를 유발한다는 사실이 알려진 1800년대 중반에 처음 알려지게 되었다. 이는 전류를 포함하는 이동 전하의 각각으로서 유도 자기장에 따른 힘을 겪게 된다. 이동 전하 각각에 작용하는 힘은 자기장에 비례하여 도체에 토크를 발생시킨다.
전술한 전기장과 자기장 사이의 기본적인 상호작용은 전동기 및 발전기를 뒷받침하는 기본적인 과학 원리이다. 발전기의 가장 단순한 형태 중 하나가 마이클 페러데이에 의해 최초로 예시되었는데, 그는 오늘날 페러데이 디스크로 알려져 있는 장치를 사용하였다. 페러데이의 장치는 영구 자석의 극들 사이에서 회전하는 구리 디스크로 구성되었다. 이는 자기장의 강도 및 회전 속도에 비례하여 전류를 발생시켰다. 페러데이 디스크는 본질적으로 최초 단극 발전기였다. 그러나, 페러데이의 발전기는 픽업 와이어로의 파워 출력을 제한한 전류의 역류, 및 구리 디스크 상의 기생 열의 효과로 인해 상당히 비효율적이었다.
페러데이의 본래의 논증 이후 설계 및 재료에 있어서의 다양한 진보에도 불구하고, 오랫동안 단극 발전기는 대체로 매우 비효율적인 것으로 간주되어 왔다. 그럼에도, 단극 발전기는 이 단극 발전기를 특정 응용에 바람직하게끔 하는 몇몇 독특한 물리적 특성을 갖는다. 먼저, 단극 발전기는 진정한 DC 출력을 생산하는 유일한 발전기이다. 대부분의 다-극 발전기는 DC 출력을 얻기 위해, AC 권선으로 선택적으로 전환하거나 정류할 필요가 있다. 이에 더해, 단극 발전기는 전형적으로 저전압 및 고전류를 생산한다.
유사하게, 단극 모터는 비교적 저전압 전원의 인가를 통해 모터로부터 고전력 레벨이 취득될 수 있도록 한다. 다수의 응용, 예를 들어 전기 자동차에 있어서 단극 모터에 훨씬 관심을 보이고 있다는 것이 사실이다. 텍사스 대학교에서 개발중인 이러한 모터의 일 예는 4-패스 전기자를 사용하고, 48V 전지 팩으로부터 5.000A의 최대 순간 전류로 작동한다. 전출력 효율은 현재 87%이며, 손실의 대부분은 브러시에 기인한다. 사실, 단극 모터 설계에 있어서의 주요 제한들 중 하나는 통상의 브러시를 통한 전력 전달과 관련된 손실이다. 특히, 브러시가 전기자와 접촉하는 빈도가 높은 고속 응용에 있어서, 브러시 마모 역시 하나의 요인이다.
단극 모터의 효율에 영향을 미치는 다른 요인에는 로터 내에서 발생되는 와전류에 의한 항력(drag)의 생성이 있다. 와전류는 자기장에 있어서의 시간적 변동, 전도체를 통과하는 자기장에 있어서의 변경 또는 전도성 재료 및 자기장의 소스의 상대적 이동에 기인한 변경이 존재하는 경우에 발생한다. 와전류는 고속 로터 및 대형 자기장이 사용되는 응용에서 특히 영향을 미친다.
전형적인 단극 모터는 요구되는 자기장을 생성하기 위해 비교적 대형인 자석 또는 복수의 자석을 필요로 하고, 자석의 크기 및 개수는 다시 시스템의 전체 크기 및 중량을 증가시킨다. 모터의 크기 및 중량 둘 모두는 전기 추진 시스템과 같은 응용에 있어 중요한 설계적 고려사항이다.
단극 시스템(즉, 단일의 단방향 자기장을 사용하는 시스템)의 이점을 고려해 볼 때, 전술한 종래 기술의 결점들 중 적어도 일부를 개선하는 단극 시스템을 제공하는 것이 유리할 것이다.
본 명세서 전반에 걸쳐, 용어 "터빈"은 실질적으로 균일한 자기장에의 노출에 반응하여 기계적 일을 생산하는 하나 이상의 로터를 포함하는 구조체를 지칭하는데 사용된다는 것이 이해되어야 한다.
따라서, 본 발명의 일 태양에서, 터빈이 제공되며, 상기 터빈은,
자기장의 발생을 위한 적어도 하나의 초전도 코일;
상기 초전도 코일 내에 위치되는 샤프트에 장착되는 적어도 하나의 로터를 포함하고,
상기 터빈을 통해 전류를 인가함으로써, 샤프트 및 로터가 기계적 일을 생산하게 된다.
본 발명의 다른 태양에서, 터빈이 제공되며, 상기 터빈은,
자기장의 발생을 위한 복수의 초전도 코일을 포함하는 몸체;
상기 몸체 내에 위치되고, 적어도 하나의 로터가 장착되는 제 1 샤프트;
상기 복수의 초전도 코일에 인접하여 위치되고, 상기 적어도 하나의 로터에 전기적으로 결합되어 상기 터빈에 걸쳐 직렬 회로를 형성하는 제 2 샤프트를 포함하고,
상기 초전도 코일에 의해 생성된 자기장은 실질적으로 상기 몸체 내로 제한되고, 상기 몸체에 축선방향으로 지향되며, 상기 직렬 회로를 통해 전류를 인가함으로써, 제 1 샤프트 및 로터가 기계적 일을 생산하게 된다.
본 발명의 추가적인 태양에서, 터빈이 제공되며, 상기 터빈은,
제 1 자기장의 발생을 위한 제 1 일련의 초전도 코일;
상기 일련의 초전도 코일 내에 위치되고, 제 1 일련의 로터가 장착되는 제 1 샤프트;
상기 제 1 일련의 코일에 인접하여 위치되는, 제 2 자기장의 발생을 위한 제 2 일련의 초전도 코일;
상기 일련의 초전도 코일 내에 위치되고, 상기 제 1 일련의 로터에 전기적으로 결합되는 제 2 일련의 로터가 장착되어 상기 터빈에 걸쳐 직렬 회로를 제공하는 제 2 샤프트를 포함하고,
상기 직렬 회로를 통해 전류를 인가함으로써, 상기 샤프트들 및 이들 각각의 일련의 로터가 기계적 일을 생산하게 된다.
본 발명의 다른 태양에서, 터빈이 제공되며, 상기 터빈은,
자기장의 발생을 위한 제 1 일련의 초전도 코일;
상기 제 1 일련의 코일 내에 위치되고, 제 1 일련의 로터가 장착되는 제 1 샤프트;
상기 일련의 초전도 코일 내에 위치되고, 상기 제 1 일련의 로터에 전기적으로 결합되는 제 2 일련의 로터가 장착되어 상기 터빈에 걸쳐 직렬 회로를 제공하는 제 2 샤프트를 포함하고,
상기 직렬 회로를 통해 전류를 인가함으로써, 상기 샤프트들 및 이들 각각의 일련의 로터가 기계적 일을 생산하게 된다.
본 발명의 다른 태양에서, 모터가 제공되며, 상기 모터는,
하우징;
상기 하우징 내에 장착되는 구동 조립체로서, 상기 구동 조립체는,
극저온 인벨롭(cryogenic envelope)이 내부에 배치되어 있는 극저온 몸체;
상기 극저온 몸체 내에서 상기 극저온 인벨롭 외부에 위치되고, 구동 샤프트 상에 배치되는 하나 이상의 로터를 포함하는 로터 조립체로서, 상기 하나 이상의 로터는 상기 로터 조립체에 걸쳐 직렬 회로를 형성하도록 배열되는, 로터 조립체;
상기 극저온 인벨롭 내에 유지되는, 자기장의 생성을 위한 초전도 코일을 포함하는, 구동 조립체를 포함하고,
상기 직렬 회로를 통해 전류를 인가함으로써, 상기 하나 이상의 로터 및 샤프트가 기계적 일을 생산하게 된다.
적절하게는, 각각의 로터는 일련의 아암을 거쳐 림에 연결되는 허브를 포함하고, 상기 일련의 아암은 허브를 중심으로 반경방향으로 이격되어 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 로터는 구리로 형성될 수 있으며, 이어서 니켈, 은 또는 다른 고전도성 금속으로 전기도금된다. 대안적으로, 로터는 티타늄, 섬유 복합물 또는 다른 고저항성 또는 비전도성 재료로 형성될 수 있다.
바람직하게는, 인접한 일련의 로터에 있어서의 로터 또는 제 2 샤프트에 대한 로터의 전기적 결합은 경우에 따라, 인접 로터 또는 제 2 샤프트 상에 배치되는 전도성 림과 정합하는 림의 외주 상에 형성되는 전도성 스트립의 사용을 통해 이루어진다. 전도성 스트립은 연속적인 금속 섬유 브러시로 형성되는 단일의 연속적 스트립의 형태일 수 있다. 대안적으로, 전도성 스트립은 연속적인 금속 섬유 브러시로 형성되는 복수의 중첩 박(overlapping leaf)으로 형성될 수 있다.
터빈이 부수적 샤프트 및/또는 부수적 일련의 로터를 포함하는 경우에, 제 1 샤프트 상에 배치되는 각각의 로터는 제 2 샤프트 또는 제 2 샤프트 상에 배치되는 인접 로터에 기계적으로 결합될 수 있다. 이러한 예에서, 로터는 인접 로터 또는 제 2 샤프트 상에 배치되는 기어와 연동하는 기어를 포함할 수 있다. 로터가 구리 또는 다른 이러한 전도체로 형성되는 예에서, 기어는 전도성 구조체로서 작용할 수도 있으며, 로터를 제 2 샤프트 또는 인접 로터에 전기적으로 결합시키도록 작용할 수도 있다. 로터가 티타늄, 섬유 복합물 또는 다른 고저항성 또는 비전도성 재료로 형성되는 경우에, 초전도 재료가 로터의 외측 표면에 적용되어, 로터를 제 2 샤프트 또는 인접 로터에 전기적으로 결합시키는데 도움이 될 수 있다. 초전도 재료는 로터의 외측 표면에 적용되는 고온 초전도 테이프일 수 있으며, 대안적으로 초전도 재료는 로터의 외측 표면에 접합되는 초전도 코팅일 수 있다.
바람직하게는, 일련의 버스 바 및 브러시를 통해 제 1 및 제 2 샤프트 상의 교번 로터를 상호연결함으로써, 일련의 회로가 형성된다. 제 2 샤프트가 로터를 지지하지 않는 경우에, 전도성 스트립 및/또는 기어 배열체는 일련의 버스 바 및 브러시에 의해 제 1 샤프트 상에서 일련의 로터에 있어서의 다음 로터에 다시 연결될 수 있다.
적절하게는, 코일은 12mm 폭의 HTS 테이프를 100번 감아 구성되고, 150mm의 내부 반경을 갖는다. 대안적으로, 4mm 폭의 테이프 3 더미가 사용될 수 있다. 코일은 기다란 솔레노이드를 형성하기 위해 연결될 수 있다. 솔레노이드는 단일 몸체를 가질 수 있거나, 일련의 불연속부를 포함할 수 있다. 불연속부는 솔레노이드의 몸체를 형성하는 인접 코일들 사이의 하나 이상의 간극 형태일 수 있다.
코일은 160A 내지 175A의 공급 전류에 대해 1T 내지 2T의 자기장을 생성할 수 있다. 적절하게는, 코일은 코일의 구성에 따라, 180A 내지 500A의 공급 전류에 대해 2T 내지 5.1T의 자기장을 생성할 수 있다. 바람직하게는, 코일은 1.3T 내지 5.1T의 최대 자기장을 생성한다. 코일은 300A 내지 500A의 공급 전류로 3T 내지 5T의 자기장을 생성할 수 있다. 적절하게는, 코일은 코일에 의해 생성되는 실질적으로 모든 자기장이 코일의 내부 반경 내에 구속되게 하는 방식으로 구성된다.
적절하게는, 모터의 로터들 사이의 직렬 연결은 인접 로터들 사이에 배치되는 일련의 전류 전달 기구에 의해 용이하게 된다. 바람직하게는, 전류 전달 기구는 각각의 로터 사이에 위치되는 고정식 디스크의 형태이며, 각각의 디스크는 쌍으로 배열되는 제 1 일련의 전도성 브러시 및 제 2 일련의 전도성 브러시를 포함하고, 제 1 일련의 브러시는 로터의 허브와 접촉하고, 제 2 일련의 브러시는 인접 로터의 림과 접촉한다.
브러시는 브러시 당 330A의 전류 정격 및 23mm × 35mm의 단면을 갖는 금속 섬유 브러시일 수 있다. 적절하게는, 사용된 브러시 쌍의 개수는 원하는 모터의 총 전류 정격에 의해 결정되며, 예를 들어 7개의 브러시 쌍은 231A의 전류 정격을 제공할 것이다. 바람직하게는, 전류 전달 기구 및 브러시는 전류가 이전 로터의 외부 반경(림)으로부터 다음 로터의 내부 반경(허브)으로 지향되도록 배열된다. 점진적 마모를 보상하기 위해, 브러시는 브러시의 축선방향 이동이 가능하도록, 스프링에 결합된 분류기(shunt) 상에 장착될 수 있다. 브러시 페어링의 분류기는 전류 전달 기구의 프레임 내에 유지되는 가요성 와이어에 의해 상호연결될 수 있다.
전류 전달 기구는 구동 샤프트에 대해 제 위치에 고정될 수 있다. 적절하게는, 전류 전달 기구는 구동 샤프트의 양쪽 단부에 위치되는 한 쌍의 단부 플레이트들 사이에 위치되는 일련의 비-전도성 스트럿에 의해 제 위치에 보유지지된다. 스트럿은 전류 전달 기구의 외주 상의 리세스와 결합하는 다수의 융기 섹션을 포함하는 윤곽 에지를 포함할 수 있다. 단부 플레이트는 구동 샤프트를 회전 장착하기 위한 베어링을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 베어링은 세라믹 베어링이다.
구동 샤프트는 샤프트의 전도성 섹션들 사이에 결합되는 적어도 하나의 비-전도성 섹션을 포함할 수 있다. 적절하게는, 로터 및 전류 전달 기구는 이들이 구동 샤프트의 전도성 섹션과 직렬로 상호연결되도록, 구동 샤프트의 비-전도성 섹션 상에 위치된다. 바람직하게는, 적어도 하나의 로터 및 적어도 하나의 전류 전달 기구는 구동 샤프트의 전도성 섹션에 직접 결합된다. 전류는 일련의 전도성 브러시를 거쳐 구동 샤프트의 전도성 섹션에 인가될 수 있다.
적절하게는, 구동 샤프트의 비-전도성 섹션은 일련의 비-전도성 교합 요소로 형성되며, 상기 교합 요소 각각은 로터 및 전류 전달 기구를 지지한다. 구동 샤프트는 보강 로드의 수용을 위해 중공형일 수 있다.
극저온 몸체는 대체로 원통형인 구성을 가질 수 있으며, 로터 조립체의 수용을 위한 보어를 포함한다. 바람직하게는, 극저온 인벨롭(envelope)이 몸체의 외부 벽과 내부 벽 사이에 형성되고, 이때 보어는 몸체의 내부 벽들 사이에 형성된다. 적절하게는, 극저온 인벨롭은 하우징 상에 장착되는 극저온-냉동기에 결합된다. 극저온-냉동기는 약 20K의 코일 조립체의 작동 온도를 허용하도록 크기설정된 펄스 튜브 극저온-냉동기일 수 있다. 극저온-냉동기는 극저온 인벨롭 내에 배치되는 구리 핑거에 부착될 수 있으며, 구리 핑거는 초전도 코일에 대한 전도성 열 분포 경로를 형성한다.
하우징에는 로터 조립체 및 극저온 몸체를 내부에 캡슐화하기 위해 단부 캡이 제공될 수 있다. 단부 캡은 플럭스 가이드로서 작용하는 복수의 강 플레이트를 포함할 수 있다. 플레이트는 플럭스 가이드의 치수를 변동시키기 위해 선택적으로 제거/추가될 수 있다. 단부 캡은 샤프트가 보어 및 하우징을 지나 하우징의 양쪽 단부 상에 제공될 수 있는 부수적 하우징으로 연장될 수 있도록 하는 통로를 포함할 수 있다. 부수적 하우징은 로터 조립체 내에 형성되는 직렬 회로를 통해 구동 전류를 제공하기 위해 입력 및 출력 브러시 조립체를 캡슐화할 수 있다. 부수적 하우징은 대체로 깔대기 형상의 조립체일 수 있다. 부수적 하우징은 공기 흐름이 상기 통로 및 보어를 통해 안내되도록 하는 냉각 어레이를 포함할 수 있다. 냉각 어레이는 푸시 풀 구성(push pull configuration), 즉, 공기를 하우징 안으로 들이고 공기를 하우징으로부터 빼내도록 구성된 대향 어레이로 배열되는 하나 이상의 냉각 팬의 형태일 수 있다.
터빈의 일부 실시예에서, 솔레노이드의 개방형 작동(open-ended operation)은 강의 플럭스 가이드의 넥다운에 대한 필요성 없이 가능하다. 이러한 경우에, 로터의 아암은 또한, 중심 보어에 기류를 생성하도록 경사처리되거나 형상화될 수 있다.
구동 샤프트는 기어 조립체, 스프라킷 드라이브 등을 포함하는 다양한 토크 전달 배열체에 결합되거나, 바퀴, 버팀부(prop), 트랙 등과 같은 구동 구성요소에 바로 결합될 수 있다. 적절하게는, 토크 전달 배열체가 샤프트로부터 전기적으로 격리/절연된다. 토크 전달 배열체의 격리/절연은 샤프트의 절연 코팅을 토크 전달 또는 구동 기구 상에 부착하는 등에 의해 이루어질 수 있다. 토크 전달 배열체는 부수적 하우징 내에 수용되거나 하우징의 외부에 장착될 수 있다. 토크 전달 배열체가 외부에 장착되는 경우에, 샤프트는 부수적 하우징을 지나 연장될 수 있다.
본 발명을 보다 용이하게 이해하고, 실질적인 효과를 나타내기 위해, 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 예시하는 첨부 도면을 참조할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 구성을 도시하는 개략도.
도 2는 터빈을 따른 전류 전달을 도시하는 도 1의 터빈의 상부 평단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 구성에서의 사용을 위한 로터 구성의 상세도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 구성을 도시하는 개략도.
도 5는 터빈을 따른 전류 전달을 도시하는 도 4의 터빈의 상부 평단면도.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 로터 간 전류 전달 기구의 구성을 도시하는 개략도.
도 6c 및 도 6d는 본 발명의 일 실시예에 따른 버스 바와 로터들 사이의 전류 전달 기구 사이의 교환의 확대도.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 구성을 도시하는 개략도.
도 7b는 터빈을 따른 전류 전달을 도시하는 도 7a의 터빈의 단면도.
도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 로터들 사이의 측방 변동을 제공하는 터빈의 구성을 도시하는 개략도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 구성에서의 사용을 위한 솔레노이드의 자기장 프로파일의 모델.
도 9는 도 8의 솔레노이드의 내측 벽을 따른 자기장 강도의 도표.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 구성에서의 사용을 위한 솔레노이드의 자기장 프로파일의 모델.
도 11은 도 10의 솔레노이드의 내측 벽을 따른 자기장 강도의 도표.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 구성에서의 사용을 위한 솔레노이드의 자기장 프로파일의 모델.
도 13은 도 12의 솔레노이드의 내측 벽을 따른 자기장 강도의 도표.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 구성에서의 사용을 위한 솔레노이드의 자기장 프로파일의 모델.
도 15는 도 14의 솔레노이드의 내측 벽을 따른 자기장 강도의 도표.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 구성에서의 사용을 위한 솔레노이드의 자기장 프로파일의 모델.
도 17은 도 16의 솔레노이드의 내측 벽을 따른 자기장 강도의 도표.
도 18은 상이한 평행 자기장에 노출된 HTS 테이프에 대한 상이한 온도에서의 상이한 축척비의 도표.
도 19는 상이한 수직 자기장에 노출된 HTS 테이프에 대한 상이한 온도에서의 상이한 축척비의 도표.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 구성에서의 사용을 위한 플럭스 가이드가 구비된 솔레노이드의 자기장 프로파일의 모델.
도 21은 도 20의 솔레노이드 내의 자기장 강도에 대한 플럭스 가이드의 효과의 도표.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 구성에서의 사용을 위한 플럭스 가이드가 구비된 솔레노이드의 자기장 프로파일의 모델.
도 23은 도 22의 솔레노이드 내의 자기장 강도에 대한 플럭스 가이드의 효과의 도표.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 구성에서의 사용을 위한 플럭스 가이드가 구비된 솔레노이드의 자기장 프로파일의 모델.
도 25은 도 24의 솔레노이드 내의 자기장 강도에 대한 플럭스 가이드의 효과의 도표.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 구성에서의 사용을 위한 솔레노이드의 자기장 프로파일의 모델.
도 27은 도 26의 솔레노이드의 내측 벽을 따른 자기장 강도의 도표.
도 28은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 구성에서의 사용을 위한 솔레노이드의 자기장 프로파일의 모델.
도 29는 도 28의 솔레노이드의 내측 벽을 따른 자기장 강도의 도표.
도 30a 내지 도 30d는 다양한 터빈 구성에 대한 최대 자기장과 토크 대 구동 전류를 도시하는 도표.
도 31a 내지 도 31d는 다양한 터빈 구성에 대한 출력 토크 대 코일을 형성하는 권취 수를 도시하는 도표.
도 32a 및 도 32b는 솔레노이드의 직경 대 힘과 토크를 도시하는 도표.
도 33은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈에서의 사용을 위한 로터 조립체의 구성을 도시하는 개략도.
도 34는 도 33의 로터 조립체의 단면도.
도 35는 본 발명의 일 실시예에 따른 로터 조립체에서의 사용을 위한 스테이터의 구성을 도시하는 개략도.
도 36은 도 35의 로터를 가로지르는 전류 흐름을 도시하는 스테이터의 단면도.
도 37은 도 33 및 도 34의 로터 내에서의 토크의 분포를 도시하는 개략도.
도 38은 본 발명의 일 실시예에 따른 로터 조립체에서의 사용을 위한 로터 간 전류 전달 기구의 구성을 도시하는 개략도.
도 39는 도 38의 로터 간 전류 전달 기구의 뒷면을 도시하는 개략도.
도 40은 도 38 및 도 39의 전류 전달 기구의 로터들의 상호연결을 도시하는 상세도.
도 41은 능동 차폐를 제공하는 전자석의 배열을 도시하는 개략도.
도 42는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 터빈의 구성을 예시하는 개략도.
도 43은 도 42의 터빈의 단면도.
도 44는 도 42 및 도 43의 터빈의 로터 하우징의 상세도.
도 45는 도 43의 터빈의 로터 조립체를 도시하는 개략도.
도 46은 도 45의 로터 조립체의 단면도.
도 47은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 터빈의 구성을 예시하는 개략도.
도 48은 도 47의 터빈에서의 사용을 위한 로터 조립체의 개략도.
도 49는 도 47의 터빈에서의 사용을 위한 스테이터 조립체의 개략도.
도 50은 도 49의 스테이터 조립체 내 제 자리에 장착된 도 48의 로터 조립체의 단면도.
도 51은 도 47의 터빈의 로터 및 스테이터를 통과하는 구동 전류의 경로를 도시하는 개략도.
도 52는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 터빈의 구성을 예시하는 개략도.
도 53은 도 52의 터빈의 로터 및 스테이터를 통과하는 구동 전류의 경로를 도시하는 개략도.
도 54는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 터빈의 구성을 예시하는 개략도.
도 55은 도 54의 터빈의 로터 및 스테이터를 통과하는 구동 전류의 경로를 도시하는 개략도.
도 56은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 터빈의 구성을 예시하는 개략도.
도 57은 도 56의 터빈의 로터 및 스테이터를 통과하는 구동 전류의 경로를 도시하는 개략도.
도 58은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 터빈의 구성을 예시하는 개략도.
도 59는 도 58의 터빈의 로터 및 스테이터를 통과하는 구동 전류의 경로를 도시하는 개략도.
도 60은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 터빈의 구성을 예시하는 개략도.
도 61은 도 60의 터빈의 로터 및 스테이터를 통과하는 구동 전류의 경로를 도시하는 개략도.
도 62는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 터빈의 구성을 예시하는 개략도.
도 63은 도 62의 터빈의 로터 및 스테이터를 통과하는 구동 전류의 경로를 도시하는 개략도.
도 64는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 터빈의 구성을 예시하는 개략도.
도 65은 도 54의 터빈의 전류 전달 기구 사이의 밀폐 배열의 상세도.
도 66은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 모터로부터의 토크의 전달을 위한 하나의 가능한 배열을 도시하는 개략도.
도 67a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 모터에의 부착을 위한 토크 전달 배열체의 부분 단면도.
도 67b는 도 66의 토크 전달 배열체의 단면도.
도 68a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 모터에의 부착을 위한 토크 전달 배열체의 개략도.
도 68b는 도 68a의 토크 전달 배열체의 단면도.
도 69a 내지 도 69c는 로터 직경의 함수로서의 본 발명의 실시예에 따른 전자기 터빈의 다양한 특성에 대한 도표.
도 70은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 단면도.
도 71은 보상 코일이 채용된 경우에 있어 도 70의 터빈에 의해 생성되는 자기장의 도표.
도 72는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 단면도.
도 73a는 도 72의 터빈에 대한 토크 전달 배열체의 단면도.
도 73b는 도 72의 터빈에 대한 토크 전달 배열체를 도시하는 개략도.
도 74는 근접하여 있는 2개의 솔레노이드 사이에서 발생되는 힘의 도표.
도 75는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 단면도.
도 76은 도 75의 터빈을 통과하는 전류 흐름을 도시하는 단면도.
도 77은 도 75의 터빈의 코일에 의해 생성되는 자기장의 도표.
도 78은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 단면도.
도 79는 도 78의 터빈의 코일에 의해 생성되는 자기장의 도표.
도 80은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 단면도.
도 81은 도 80의 터빈을 통과하는 전류 흐름을 도시하는 단면도.
도 82는 도 80의 터빈에서의 사용을 위한 코일에 의해 생성되는 자기장의 도표.
도 83은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈에서의 사용을 위한 코일에 의해 생성되는 자기장의 도표.
도 84는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈에서의 사용을 위한 코일에 의해 생성되는 자기장의 도표.
도 85는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈에서의 사용을 위한 코일에 의해 생성되는 자기장의 도표.
도 86은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈에서의 사용을 위한 코일에 의해 생성되는 자기장의 도표.
도 87은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈에서의 사용을 위한 코일에 의해 생성되는 자기장의 도표.
도 88은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈에서의 사용을 위한 코일에 의해 생성되는 자기장의 도표.
도 89는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 분해 단면도.
도 90은 도 88의 터빈을 통과하는 전류 흐름을 도시하는 단면도.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 구성을 도시하는 개략도.
도 2는 터빈을 따른 전류 전달을 도시하는 도 1의 터빈의 상부 평단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 구성에서의 사용을 위한 로터 구성의 상세도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 구성을 도시하는 개략도.
도 5는 터빈을 따른 전류 전달을 도시하는 도 4의 터빈의 상부 평단면도.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 로터 간 전류 전달 기구의 구성을 도시하는 개략도.
도 6c 및 도 6d는 본 발명의 일 실시예에 따른 버스 바와 로터들 사이의 전류 전달 기구 사이의 교환의 확대도.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 구성을 도시하는 개략도.
도 7b는 터빈을 따른 전류 전달을 도시하는 도 7a의 터빈의 단면도.
도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 로터들 사이의 측방 변동을 제공하는 터빈의 구성을 도시하는 개략도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 구성에서의 사용을 위한 솔레노이드의 자기장 프로파일의 모델.
도 9는 도 8의 솔레노이드의 내측 벽을 따른 자기장 강도의 도표.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 구성에서의 사용을 위한 솔레노이드의 자기장 프로파일의 모델.
도 11은 도 10의 솔레노이드의 내측 벽을 따른 자기장 강도의 도표.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 구성에서의 사용을 위한 솔레노이드의 자기장 프로파일의 모델.
도 13은 도 12의 솔레노이드의 내측 벽을 따른 자기장 강도의 도표.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 구성에서의 사용을 위한 솔레노이드의 자기장 프로파일의 모델.
도 15는 도 14의 솔레노이드의 내측 벽을 따른 자기장 강도의 도표.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 구성에서의 사용을 위한 솔레노이드의 자기장 프로파일의 모델.
도 17은 도 16의 솔레노이드의 내측 벽을 따른 자기장 강도의 도표.
도 18은 상이한 평행 자기장에 노출된 HTS 테이프에 대한 상이한 온도에서의 상이한 축척비의 도표.
도 19는 상이한 수직 자기장에 노출된 HTS 테이프에 대한 상이한 온도에서의 상이한 축척비의 도표.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 구성에서의 사용을 위한 플럭스 가이드가 구비된 솔레노이드의 자기장 프로파일의 모델.
도 21은 도 20의 솔레노이드 내의 자기장 강도에 대한 플럭스 가이드의 효과의 도표.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 구성에서의 사용을 위한 플럭스 가이드가 구비된 솔레노이드의 자기장 프로파일의 모델.
도 23은 도 22의 솔레노이드 내의 자기장 강도에 대한 플럭스 가이드의 효과의 도표.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 구성에서의 사용을 위한 플럭스 가이드가 구비된 솔레노이드의 자기장 프로파일의 모델.
도 25은 도 24의 솔레노이드 내의 자기장 강도에 대한 플럭스 가이드의 효과의 도표.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 구성에서의 사용을 위한 솔레노이드의 자기장 프로파일의 모델.
도 27은 도 26의 솔레노이드의 내측 벽을 따른 자기장 강도의 도표.
도 28은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 구성에서의 사용을 위한 솔레노이드의 자기장 프로파일의 모델.
도 29는 도 28의 솔레노이드의 내측 벽을 따른 자기장 강도의 도표.
도 30a 내지 도 30d는 다양한 터빈 구성에 대한 최대 자기장과 토크 대 구동 전류를 도시하는 도표.
도 31a 내지 도 31d는 다양한 터빈 구성에 대한 출력 토크 대 코일을 형성하는 권취 수를 도시하는 도표.
도 32a 및 도 32b는 솔레노이드의 직경 대 힘과 토크를 도시하는 도표.
도 33은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈에서의 사용을 위한 로터 조립체의 구성을 도시하는 개략도.
도 34는 도 33의 로터 조립체의 단면도.
도 35는 본 발명의 일 실시예에 따른 로터 조립체에서의 사용을 위한 스테이터의 구성을 도시하는 개략도.
도 36은 도 35의 로터를 가로지르는 전류 흐름을 도시하는 스테이터의 단면도.
도 37은 도 33 및 도 34의 로터 내에서의 토크의 분포를 도시하는 개략도.
도 38은 본 발명의 일 실시예에 따른 로터 조립체에서의 사용을 위한 로터 간 전류 전달 기구의 구성을 도시하는 개략도.
도 39는 도 38의 로터 간 전류 전달 기구의 뒷면을 도시하는 개략도.
도 40은 도 38 및 도 39의 전류 전달 기구의 로터들의 상호연결을 도시하는 상세도.
도 41은 능동 차폐를 제공하는 전자석의 배열을 도시하는 개략도.
도 42는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 터빈의 구성을 예시하는 개략도.
도 43은 도 42의 터빈의 단면도.
도 44는 도 42 및 도 43의 터빈의 로터 하우징의 상세도.
도 45는 도 43의 터빈의 로터 조립체를 도시하는 개략도.
도 46은 도 45의 로터 조립체의 단면도.
도 47은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 터빈의 구성을 예시하는 개략도.
도 48은 도 47의 터빈에서의 사용을 위한 로터 조립체의 개략도.
도 49는 도 47의 터빈에서의 사용을 위한 스테이터 조립체의 개략도.
도 50은 도 49의 스테이터 조립체 내 제 자리에 장착된 도 48의 로터 조립체의 단면도.
도 51은 도 47의 터빈의 로터 및 스테이터를 통과하는 구동 전류의 경로를 도시하는 개략도.
도 52는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 터빈의 구성을 예시하는 개략도.
도 53은 도 52의 터빈의 로터 및 스테이터를 통과하는 구동 전류의 경로를 도시하는 개략도.
도 54는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 터빈의 구성을 예시하는 개략도.
도 55은 도 54의 터빈의 로터 및 스테이터를 통과하는 구동 전류의 경로를 도시하는 개략도.
도 56은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 터빈의 구성을 예시하는 개략도.
도 57은 도 56의 터빈의 로터 및 스테이터를 통과하는 구동 전류의 경로를 도시하는 개략도.
도 58은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 터빈의 구성을 예시하는 개략도.
도 59는 도 58의 터빈의 로터 및 스테이터를 통과하는 구동 전류의 경로를 도시하는 개략도.
도 60은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 터빈의 구성을 예시하는 개략도.
도 61은 도 60의 터빈의 로터 및 스테이터를 통과하는 구동 전류의 경로를 도시하는 개략도.
도 62는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 터빈의 구성을 예시하는 개략도.
도 63은 도 62의 터빈의 로터 및 스테이터를 통과하는 구동 전류의 경로를 도시하는 개략도.
도 64는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 터빈의 구성을 예시하는 개략도.
도 65은 도 54의 터빈의 전류 전달 기구 사이의 밀폐 배열의 상세도.
도 66은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 모터로부터의 토크의 전달을 위한 하나의 가능한 배열을 도시하는 개략도.
도 67a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 모터에의 부착을 위한 토크 전달 배열체의 부분 단면도.
도 67b는 도 66의 토크 전달 배열체의 단면도.
도 68a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 모터에의 부착을 위한 토크 전달 배열체의 개략도.
도 68b는 도 68a의 토크 전달 배열체의 단면도.
도 69a 내지 도 69c는 로터 직경의 함수로서의 본 발명의 실시예에 따른 전자기 터빈의 다양한 특성에 대한 도표.
도 70은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 단면도.
도 71은 보상 코일이 채용된 경우에 있어 도 70의 터빈에 의해 생성되는 자기장의 도표.
도 72는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 단면도.
도 73a는 도 72의 터빈에 대한 토크 전달 배열체의 단면도.
도 73b는 도 72의 터빈에 대한 토크 전달 배열체를 도시하는 개략도.
도 74는 근접하여 있는 2개의 솔레노이드 사이에서 발생되는 힘의 도표.
도 75는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 단면도.
도 76은 도 75의 터빈을 통과하는 전류 흐름을 도시하는 단면도.
도 77은 도 75의 터빈의 코일에 의해 생성되는 자기장의 도표.
도 78은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 단면도.
도 79는 도 78의 터빈의 코일에 의해 생성되는 자기장의 도표.
도 80은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 단면도.
도 81은 도 80의 터빈을 통과하는 전류 흐름을 도시하는 단면도.
도 82는 도 80의 터빈에서의 사용을 위한 코일에 의해 생성되는 자기장의 도표.
도 83은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈에서의 사용을 위한 코일에 의해 생성되는 자기장의 도표.
도 84는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈에서의 사용을 위한 코일에 의해 생성되는 자기장의 도표.
도 85는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈에서의 사용을 위한 코일에 의해 생성되는 자기장의 도표.
도 86은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈에서의 사용을 위한 코일에 의해 생성되는 자기장의 도표.
도 87은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈에서의 사용을 위한 코일에 의해 생성되는 자기장의 도표.
도 88은 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈에서의 사용을 위한 코일에 의해 생성되는 자기장의 도표.
도 89는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈의 분해 단면도.
도 90은 도 88의 터빈을 통과하는 전류 흐름을 도시하는 단면도.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 전자기 터빈(100)의 일 실시예가 예시되어 있다. 도시된 바와 같이, 터빈(100)은 일련의 전도성 코일(1021, 1022, 1023, 1024, 1025, 1026, 1027) 및 일련의 로터(1031, 1032, 1033, 1034, 1035, 1036)로 형성된 몸체(101)를 포함한다. 물론, 도 1에 도시된 유형의 고속 전자기 터빈은 적어도 하나의 코일 및 로터 또는 임의의 개수의 로터 및 코일(즉, 코일 및 로터의 개수는 원하는 터빈(100)의 크기에 따라 1 내지 n개의 범위에 이를 수 있음)로부터 구성될 수 있다는 것이 당업자들에 의해 이해될 것이다. 터빈(100)을 통한 구동 전류의 인가 시, 터빈(100) 내 로터의 회전을 야기하는데 필요한 자기장의 발생을 위한 기다란 솔레노이드를 생성하기 위해, 코일(1021, 1022, 1023, 1024, 1025, 1026, 1027)은 직렬로 연결된다.
도시된 바와 같이, 로터(1031, 1032, 1033, 1034, 1035, 1036)는 샤프트(104) 상에 장착된다. 샤프트(104)는 코일(1021, 1022, 1023, 1024, 1025, 1026, 1027)의 중심 축선에 대해 동축으로 위치된다. 이러한 특정 예에서, 로터(1031, 1032, 1033, 1034, 1035, 1036)는 자유롭게 회전하는 샤프트(104)에 고정된다. 물론, 로터(1031, 1032, 1033, 1034, 1035, 1036)가 샤프트(104)를 중심으로 자유롭게 회전하는 동안, 샤프트는 고정되어 있다는 점은 당업자에 의해 이해될 것이다. 이러한 구성에서, 로터(1031, 1032, 1033, 1034, 1035, 1036)는 각각의 로터가 샤프트(104)와는 상관없이 회전할 수 있도록 하는 베어링을 거쳐 샤프트 상에 장착될 수 있다.
각각의 로터(1031, 1032, 1033, 1034, 1035, 1036)는 로터들 사이에서의 전류 전달이 가능하도록 부수적 샤프트(105)에 결합된다. 본 예에서, 각각의 로터는 각각의 로터(1031, 1032, 1033, 1034, 1035, 1036)의 외주 상에 배치되는 기어(107) 및 전도성 스트립(106)(도 3 참조)을 거쳐 부수적 샤프트(105)에 전기적으로 그리고 기계적으로 결합된다. 전도성 스트립(1061, 1062, 1063, 1064, 1065, 1066) 및 기어(1071, 1072, 1073, 1074, 1075, 1076)의 각각은 부수적 샤프트(105)의 길이를 따라 이격되어 있는 구동 및 전류 전달 조립체와 연동한다.
본 예에서, 제 2 샤프트 상의 구동 및 전류 전달 조립체의 각각은 버스 바(111)의 일단부에 결합되는 전기 브러시(110)에 연결되는 기어(109)에 결합되는 전도성 링(108)을 포함한다. 버스 바(111)의 대향 단부는 주 샤프트 상에 장착되는 일련의 로터들 내에서 다음 로터로의 복귀 전류 경로를 제공하기 위해, 주 샤프트(104)에 연결된다. 전류가 브러시(1121)를 거쳐 로터(1031)에 인가될 때, 전류는 로터(103)의 반경방향 아암을 통해 전도성 스트립(106)으로 전달된다. 이후, 전류는 전도성 스트립(106)과의 접촉을 통해 전도성 링(108)에 전달되고, 기어(109) 및 브러시(110)를 통해 버스 바(111)에 전달된다(로터들 내 그리고 로터들 사이에서의 전류의 전달에 대한 보다 상세한 설명은 이하 도 2 및 도 3에 대해 설명됨). 본 경우에 있어서, 기어(109)는 상기 기어가 로터(1031, 1032, 1033, 1034, 1035, 1036) 및 주 샤프트(104)와 공동으로 회전하도록, 구동 전류로 인해 로터(1031) 상에 발생되는 토크가 부수적 샤프트(105)로 이동될 수 있도록 한다. 이러한 방식으로 부수적 샤프트를 회전시킴으로써, 전도성 구성요소, 즉 전도성 스트립(1061, 1062, 1063, 1064, 1065, 1066) 및 링(1081, 1082, 1083, 1084, 1085, 1086) 상의 마모는 감소될 수 있다.
도 2는 터빈을 통과하는 구동 전류에 대한 전달 경로(201)(빨간색으로 도시됨)를 도시하는 도 1의 터빈의 부분 상부 평단면도이다. 전류가 브러시(1121)를 거쳐 로터(1031)로 인가될 때, 전류는 전도성 스트립(1061)에 전달된다. 이어서, 전류는 전도성 스트립(1061)과의 접촉을 통해 전도성 링(1081)에 전달되고, 이어서링(1081)은 기어(1091)를 통해 브러시(1101)로 전류를 전달한다. 브러시(1101)는 일련의 로터(1031, 1032, 1033, 1034, 1035, 1036) 내에서 제 2 로터(1032)에 전류를 공급하는 주 샤프트(104) 상에 배치되는 브러시(1131)로 다시 전류를 전달하는 브리지 역할을 하는 버스 바(1111)에 전류를 전달한다.
이어서, 제 2 로터(1032)로부터의 전류가 전도성 스트립(1062)을 거쳐 부수적 샤프트(105)의 링(1082)에 전달된다. 이어서, 전류는 기어(1092) 및 브러시(1102)를 통해 버스 바(1112)로, 그리고 브러시(1132)를 통해 제 3 로터(1033)로 전달된다. 이어서 전류는 전도성 스트립(1063, 1064 및 1065), 링(1083, 1084 및 1085), 기어(1093, 1094 및 1095), 브러시(1103, 1104 및 1105) 및 브러시(1113, 1114 및 1115)의 관련 조합을 통해 브러시(1133, 1134 및 1135)의 일련의 상호연결에 의해 나머지 로터(1034, 1035 및 1036)로 전달된다. 본 예에서, 로터(1036)가 일련의 로터들 중 마지막 로터이기 때문에, 직렬 회로를 완성하는 복귀 전류 경로로의 터빈으로부터의 구동 전류에 대한 연결을 제공한다. 본 경우에, 로터(1036)의 전도성 스트립(1066)은 전류를 링(1086)으로 전달하고, 이어서 터빈에 걸쳐 직렬 회로를 완성하는 전기 케이블에 연결되는 브러시(1122)에 전류를 전달한다.
전술한 것으로부터 알 수 있는 바와 같이, 주 샤프트(104) 및 부수적 샤프트(105) 상에 배치되는 다양한 구성요소들은 버스 바를 제외하고는 각각의 샤프트와 공동으로 회전한다. 샤프트(104, 105) 사이에 필요한 전도성 링크를 제공하기 위해, 버스 바(1111, 1112, 1113, 1114, 1115)는 샤프트(104, 105) 및 이들 각각의 구성요소의 상대적 이동에 대해 고정적으로 유지되어야 한다. 따라서, 버스 바(1111, 1112, 1113, 1114, 1115)의 각각은 샤프트(104, 105)가 버스 바(1111, 1112, 1113, 1114, 1115)와는 상관없이 회전할 수 있도록 하는 일련의 베어링을 거쳐 샤프트에 장착된다. 각각의 샤프트의 길이를 따르는 전류 흐름 가능성을 감소시키기 위해(즉, 최대 전류는 전술한 전류 전달 기구를 거쳐 각각의 로터를 통해 인가됨), 전류 운반 구성요소와 샤프트(104, 105) 사이의 절연도 제공된다는 점도 당업자에 의해 인식될 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로터(103)의 하나의 가능한 구성을 도시한다. 도시된 바와 같이, 로터(103)는 허브(301)를 중심으로 반경방향으로 이격되어 있는 일련의 아암(303)을 거쳐 림(302)에 연결되는 허브(301)를 포함한다. 림(302)의 외주 주위에는 전도성 스트립(106) 및 기어(107)가 배치되어 있다. 도시된 바와 같이, 허브(301)는 샤프트(104) 상에의 로터(103)의 장착을 허용하는 보어(304)를 포함한다. 사용 시, 전류는 브러시로부터 허브(301)로 흐르며, 여기서부터 전류는 허브(301)로부터 화살표(305)로 표시된 바와 같이 각각의 아암(303)을 따라 림(302) 및 전도성 스트립(106)을 향해 외측으로 방출된다. 또한, 도 3에는 (상세하게 후술되는) 와전류 억제를 위한 다수의 전기역학적 요소(306)가 도시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 로터는 차후에 니켈, 은 또는 다른 고전도성 금속으로 전기도금되는 구리로 형성되며, 기어(107)는 림(302)과 일체로 형성된다. 이러한 경우에, 기어(107)는 또한, 전도성 구조체로서 작용하고, 샤프트(105) 상에 배치되는 기어(109)로 전류를 전달하는 역할을 한다. 대안적으로, 로터는 티타늄, 섬유 복합물 또는 다른 고저항성 또는 비전도성 재료로 형성될 수 있다. 이러한 예에서, 전도성 스트립(106)으로의 전류 전달은 고온 초전도체(예를 들어, HTS 테이프)와 같은, 아암 및 허브의 외측 표면 상에 초전도 재료를 배치함으로써 수행될 수 있다. 대안적으로, 초전도 재료는 필요한 전류 전달 기구를 제공하기 위해, 로터의 외측 표면에 접합될 수 있다. 전도성 스트립(106)은 연속적인 금속 섬유 브러시로 형성되는 단일의 연속적 스트립의 형태일 수 있다. 대안적으로, 전도성 스트립은 연속적인 금속 섬유 브러시로 형성된 복수의 중첩 박으로 형성될 수 있다. 연속적인 금속 섬유 브러시는 미국 특허 제6,245,440호에 개시된 유형 또는 다른 적합한 전도성 섬유 브러시일 수 있다.
본 발명에 따른 고속 터빈에 대한 대안적인 배열이 도 4에 도시되어 있다. 본 예의 터빈(400)은 병렬로 배열되고 기계적으로 그리고 전기적으로 연결되는 한 쌍의 터빈(401, 402)으로부터 구성된다.
본 경우에, 터빈(401)은 도 1과 관련하여 전술한 것과 유사한 구성이며, 회전가능 샤프트(409)에 부착되는 일련의 로터(4071, 4072, 4073, 4074, 4075, 4076)(주 로터) 및 실질적으로 균일한 자기장을 제공하는 일련의 전도성 코일(4051, 4052, 4053, 4054, 4055, 4056, 4057)으로 형성되는 몸체를 포함한다. 각각의 로터는 터빈(402)의 인접 로터들과 연동(상세하게 후술됨)되는 전도성 브러시(4111, 4112, 4113, 4114, 4115, 4116) 및 기어(4131, 4132, 4133, 4134, 4135, 4136)를 포함한다.
터빈(402)은 균일한 자기장을 제공하는 일련의 전도성 코일(4041, 4042, 4043, 4044, 4045, 4046, 4047) 및 회전가능 샤프트(408)에 부착되는 일련의 로터(4061, 4062, 4063, 4064, 4065, 4066)(부수적 로터)로 형성되는 몸체를 포함한다. 각각의 로터는 터빈(401)의 인접 로터의 브러시(4111, 4112, 4113, 4114, 4115, 4116)와 접촉하는 전도성 스트립(4121, 4122, 4123, 4124, 4125, 4126)을 포함한다. 로터(4061, 4062, 4063, 4064, 4065, 4066) 각각은 또한, 터빈(401)의 인접 로터들의 기어(4131, 4132, 4133, 4134, 4135, 4136)와 연동하는 기어(4141, 4142, 4143, 4144, 4145, 4146)를 포함한다. 일련의 브러시(4101, 4102, 4103, 4104, 4105)는 로터(4061, 4062, 4063, 4064, 4065)를 버스 바(4151, 4152, 4153, 4154, 4155)의 일단부에 전기적으로 결합시키고, 버스 바(4151, 4152, 4153, 4154, 4155)의 대향 단부는 일련의 브러시(4171, 4172, 4173, 4174, 4175)를 거쳐 로터(4071, 4072, 4073, 4074, 4075, 4076)에 전기적으로 결합된다.
전술한 바와 같이, 터빈(401 및 402)은 일련의 버스 바(4151, 4152, 4153, 4154, 4155)에 의해 상호연결된다. 도 1의 터빈의 경우에서와 같이, 버스 바(4151, 4152, 4153, 4154, 4155)는 샤프트(409, 408) 사이에서 복귀 전류 브리지로서 작용한다. 도 5에 도시된 바와 같이, (화살표(419)로 도시된 바와 같은) 구동 전류는 제 1 터빈의 샤프트(409)를 통해 케이블(418)을 거쳐 브러시(4031)로 인가되고, 이어서 로터(4071)로 전달되며, 로터(4071)로부터의 전류 및 토크 둘 모두는 후속하여 브러시(4111)의 전도성 링(4121)과의 접촉 및 기어(4131 및 4141)의 맞물림을 통해 로터(4061)로 전달된다. 이어서, 로터(4061)로부터의 전류는 브러시(4101)를 거쳐 버스 바(4151)의 일단부로 전달되어 터빈(401)으로 되돌아오고, 브러시(4171) 및 버스 바(4151)의 상호작용을 통해 로터(4072)로 전달된다. 전류 및 토크 전달의 유사한 공정이 터빈(401)의 나머지 로터(4072, 4073, 4074, 4075, 4076) 및 터빈(402)의 나머지 로터(4062, 4063, 4064, 4065, 4066)에 대해 이루어진다.
전류는 관련된 전도성 스트립(4121, 4122, 4123, 4124, 4125, 4126)과 브러시(4111, 4112, 4113, 4114, 4115, 4116)와의 상호작용으로 형성되는 직렬 회로를 거쳐 터빈들 사이에서 후방 및 전방으로 전달되며, 이로써 전류가 브러시(4142, 4143, 4144, 4145)를 통해 대응하는 버스 바(4152, 4153, 4154, 4155)로, 그리고 결과적으로 터빈(401) 내의 다음 로터(4072, 4073, 4074, 4075, 4076)로 전달될 수 있게 된다. 도시된 바와 같이, 전류는 전류가 브러시(4032)를 통해 케이블(418)을 향해 로터(4066)를 빠져 나가 직렬 회로를 완성할 때까지, 터빈(410, 402) 사이에서 연속적으로 전달된다.
터빈(401)의 주 로터(407)와 터빈(402)의 부수적 로터(406) 사이의 전류 및 토크 전달을 용이하게 하기 위한, 이 둘 사이의 상호작용의 상세한 도면이 도 6a 및 도 6b에 도시되어 있다. 도 6a는 브러시(411)가 주 로터(407)의 림(602)으로부터 외측으로 연장되는 복수의 전도성 박(601)으로 구성되는 전류 전달 배열체를 도시한다. 본 예에서, 박(601)의 자유 단부는 각각의 박의 일부가 림(602)에 대해 실질적으로 접선 방향으로 향하도록 림(602)을 향해 되접힌다. 이러한 방식으로 박(601)을 형성하는 것은 이들 박이 부수적 로터(406)의 림(604)의 외주 상에 배치되는 전도성 스트립(412)과 접촉할 때, 각각의 박 상에서의 마모를 감소시키도록 설계된다. 각각의 박의 실질적으로 접선 방향을 향하는 부분이 전도성 스트립과 접촉하기 때문에, 상기 박은 림(602)을 향해 내측으로 휘게 되고, 이에 따라 전도성 스트립(412)의 표면과 박 사이의 마찰량이 감소되는 반면, 전류 전달을 위한 접촉 표면적이 증가된다.
도 6b는 브러시(411)를 생성하는 박(601)에 대한 대안적 배열체를 도시한다. 도시된 바와 같이, 본 예의 박은 림(602)의 외주 상에 배치되는 전도성 루프의 형태를 갖는다. 각각의 박이 전도성 스트립(412)과 접촉하기 때문에, 상기 박은 림(602)을 향해 압축되고, 이러한 방식에 있어서의 루프의 압축은 다시, 저손실 전류 전달을 용이하게 하는 우수한-접촉을 유지하면서, 루프의 표면과 스트립(412) 사이의 마찰을 감소시킨다. 부수적으로, 이러한 박(601)의 설계는 터빈의 순방향 또는 역방향 작동이 필요한 상황에 가장 적합할 수 있다.
도 6a 및 도 6b 둘 모두의 경우에, 전류 전달은 주 로터(407)로부터 부수적 로터(406)로, 즉 터빈은 순방향으로 구동된다. 도시된 바와 같이, 전류는 주 로터(407)의 허브로부터 각각의 아암(603)을 통해 림(602)으로, 이어서 브러시(411)의 박(601)으로 전달(화살표(600)로 표시됨)된다. 전류는 박(601)을 상기 박과 전도성 스트립 사이의 접촉 지점에서 전도성 스트립(412)으로 흐른다. 이어서, 전류는 스트립(412)으로부터 림(604)으로 반경방향 아암(605)을 통해 부수적 로터(406)(도시되지 않음)의 허브로 흐르며, 이어서 브러시(414)(도시되지 않음)를 거쳐 버스 바(415)로 전달된다.
도 6c는 부수적 로터(406)와 버스 바(415) 사이의 전류 전달 배열체를 보다 상세하게 도시한다. 전술한 바와 같이, 전류는 로터(406)로부터 상기 로터와 버스 바 사이에 위치된 브러시(410)를 거쳐 버스 바로 전달된다. 본 예에서, 브러시(410)는 버스 바(415)와 접촉하는 전도성 안감 재료(607)에 부착되는 복수의 박(606)을 포함한다. 본 예에서 알 수 있는 바와 같이, 박(606)의 대부분은 다수의 박(606)이 로터(406)의 반경방향 아암(605)과 접촉한 상태로, 로터(406)의 허브와 접촉한다. 본 예에서, 브러시(410)는 부수적 터빈의 샤프트(도시되지 않음)와 공동으로 회전하도록 장착된다. 이러한 브러시 직결의 형태는 마모에 겪게 되지만, 마모의 정도는 주 로터(407) 상에서 브러시가 이루어지는 경우에 비해 현저하게 적다. 주 로터의 외주 상에 배치되는 브러시는 내측 브러시와 외측 브러시 사이의 반경방향 차이에 비례하는 요인에 의해 터빈의 샤프트에 장착되는 브러시에 의해 일어나는 것보다 큰 각속도에 종속된다.
브러시(415)로부터 일련의 주 로터에 있어서의 다음 로터(407)로의 전류 전달 메커니즘이 도 6d에 도시된다. 전술한 바와 같이, 버스 바(415)로부터 일련의 주 로터에 있어서의 다음 로터로의 전류의 전달은 버스 바(415)와 브러시(417)의 접촉을 통해 이루어진다. 브러시(410)의 경우에서와 같이, 브러시(417)는 일련의 주 로터에 있어서의 다음 로터에 결합되는 전도성 슬리브(610)와 정합하는 전도성 안감(609)에 부착되는 복수의 전도성 박(608)으로 구성된다. 도시된 바와 같이, 박(608)은 버스 바(415)의 단부의 후방 표면과 완전 접촉한다. 다시, 브러시가 슬리브(610) 및 샤프트(도시되지 않음)와 함께 회전할 때, 브러시(417) 상에는 버스 바의 후방 표면에 대한 마모가 일부 존재할 것이다. 그러나, 브러시와 관련된 마모는 주 로터의 외주 상에 배치된 경우에서보다 현저하게 적다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 터빈에 대한 배열체가 예시되어 있다. 본 특정 예에서, 터빈(700)은 실질적으로 균일한 자기장을 제공하는 일련의 코일(709) 내에 수용되는 로터의 주 뱅크(7011,1, 7011,2, 7011,3, 7011,4) 및 부수적 뱅크(7012,1, 7012,2, 7012,3, 7012,4)에 배열되는 복수의 로터를 포함한다. 터빈의 몸체 내에서의 로터의 주 뱅크 및 부수적 뱅크의 장착은 도 4 및 도 5와 관련하여 전술한 트윈 바디 터빈에 대해 사용된 것과 유사하다. 도시된 바와 같이, 주 뱅크(7011,1, 7011,2, 7011,3, 7011,4)로부터의 로터는 터빈(700)의 주 구동 샤프트(702)에 장착되는 반면, 로터의 부수적 뱅크(7012,1, 7012,2, 7012,3, 7012,4)는 부수적 구동 샤프트(703)에 고정된다. 주 뱅크에 있어서의 각각의 로터는 로터의 부수적 뱅크(7012,1, 7012,2, 7012,3, 7012,4) 내에서 인접 로터와 연동하는 브러시(7051, 7052, 7053, 7054) 및 기어(7071, 7072, 7073, 7074)를 포함한다.
도 7b에 도시된 바와 같이, 주 뱅크(7011,1, 7011,2, 7011,3, 7011,4) 및 부수적 뱅크(7012,1, 7012,2, 7012,3, 7012,4)의 로터는 주 샤프트(702)와 부수적 샤프트(703) 사이에 추가적인 물리적 링크를 제공하는 버스 바(7041, 7042, 7043)와 함께 전기적으로 그리고 기계적으로 결합된다. 버스 바(7041, 7042, 7043)는 또한, 주 로터 뱅크(7011,1, 7011,2, 7011,3, 7011,4) 및 부수적 로터 뱅크(7012,1, 7012,2, 7012,3, 7012,4) 내에서 교번 로터들 사이의 전류 브리지로서 작용한다. 화살표 "716"로 표시된 것과 같은 구동 전류가 입력 케이블(7151)을 거쳐 브러시(7171)를 통해 주 구동 샤프트(702)로 인가될 때, 전류(716)는 로터(7011,1)로 전달되고, 로터(7012,1)의 외주 상에 배치된 대응하는 전도성 스트립(7061)과 브러시(7051)의 접촉에 의해 형성되는 전기적 상호접속을 통해 로터(7012,1)로 흐른다. 주 샤프트(702)의 회전에 의해 로터(7011,1) 상에 부여되는 토크는 로터(7012,1)의 외주 상에 배치되는 대응하는 기어(7081)와 기어(7071)의 연동에 의해 로터(7012,1)로 이동된다. 전도성 스트립(7061)을 통해 제공되는 전류는 로터(7012)를 통해 브러시(7101)로 이동되며, 브러시(7101)는 전류를 브러시(7131)를 통해 로터(7011,2)로 다시 전달하는 버스 바(7041)에 결합된다. 이러한 전류의 연속적인 전달은 관련된 전도성 스트립(7082, 7083, 7084)과 브러시(7052, 7053, 7054)의 상호작용에 의해 형성된 직렬 회로에 의해 주 로터 뱅크 및 부수적 로터 뱅크의 로터(7011,2, 7011,3, 7011,4 및 7012,2, 7012,3)를 통해 반복되어, 로터(7012,4)가 복귀 전류 케이블(7152)에 결합되어 직렬 회로를 형성하는 브러시(7172)를 거쳐 빠져나가기 전에 브러시(7102, 7103, 7132, 7133)와 버스 바(7042, 7043)의 관련 조합을 통해 전류가 전달될 수 있도록 한다.
도 7a 및 도 7b에서 도시된 바와 같이, 이러한 로터의 특정 배열은 중실체를 형성하기 위해 코일(709)들이 연결되게 된다. 즉, 토크 및 전류 전달 배열체를 수용하기 위해 코일들 사이에 물리적 간극이 전혀 요구되지 않는다. 이처럼, 이러한 배열체는 내부에 발생된 자기장의 활용을 보다 더 감안하며, 이에 따라 보다 큰 토크를 생성한다. 이에 더해, 터빈의 몸체의 형상은 또한, 자기장의 활용을 증가시키는 것을 목적으로 하며, 보다 구체적으로 코일은 주 로터 뱅크(7011,1, 7011,2, 7011,3, 7011,4)와 부수적 뱅크(7012,1, 7012,2, 7012,3, 7012,4) 사이에 접촉이 이루어지는 영역에 크림핑된다. 결과적인 코일의 형상은 한 쌍의 쌍안경에 유사한 무엇인가와 닮았으며, 이에 따라 출원인은 도 7a 및 도 7b에 도시된 배열체를 쌍안경 터빈으로 지칭하였다. 쌍안경 터빈의 하나의 이점은 증가된 자기장 활용인 반면, 다른 하나는 솔레노이드를 형성하는 코일(709)들 사이에 간극이 전혀 필요치 않으며, 유사한 전력의 전술한 단일 및 트윈 터빈 예에 비해 전체 크기가 감소된다는 점이다.
전술한 모든 예들이 금속성 기어 배열체를 사용하여 주 샤프트와 부수적 샤프트 사이에서 토크를 전달하기 때문에, 기어들이 맞물릴 때 각각의 기어의 치형부들 사이에서 아치를 이룰 가능성이 존재한다는 점이 이해될 것이다. 아치 형성 가능성을 감소시키기 위해, 인접 기어들 사이의 거리가 조정되어, 맞물린 기어의 표면들 사이에서 발생하는 표면 접촉의 양을 변동시킨다. 이러한 변형이 어떻게 제공될 수 있는지에 대한 하나의 예가 쌍안경 구성으로 배열되어 있는 트윈 로터 터빈(800)을 도시하는 도 7c에 도시되어 있다.
본 예에서, 터빈(800)은 주 샤프트(802) 및 주 로터(803)가 장착되어 있는 코일(801)을 포함한다. 본 예에서의 주 샤프트는 2개의 고정 베어링(8041, 8042)들 사이에 장착된다. 전술한 예들에서와 같이, 주 로터(803)는 전도성 링(805) 및 기어(806)를 거쳐 부수적 샤프트(810) 상에 장착된 부수적 로터(809)의 기어(808) 및 전도성 스트립(807)에 전기적 및 기계적 둘 모두로 결합된다. 기어들(806 및 808) 사이의 접촉 레벨에 있어서의 변동을 허용하기 위해, 부수적 샤프트는 활주가능 스프링 장전식 베어링 마운트(8111, 8112) 상에 장착되고, 이들에 작용하는 장력의 레벨에 기인하여 스프링에 의해 인가되는 힘은 화살표(812)에 의해 도시된 바와 같이 주 샤프트를 쪽으로 지향된다. 마운트 로터(809) 및 샤프트(810) 내에서 스프링 상에의 장력을 조정함으로써, 화살표(813)에 의해 도시된 바와 같이 측방으로 주 로터(803) 쪽으로 또는 주 로터로부터 멀어지는 방향으로 이동되어, 기어들(806 및 808) 사이의 접촉 레벨을 변동시킬 수 있다.
일련의 로터가 전술한 터빈의 예들 각각에 대해 사용되는 경우에, 로터들 사이의 거리를 변경하는 것이 바람직할 수도 있다. 이는 샤프트를 따라 로터 디스크를 활주시키고, 이들 디스크를 핀, 그러브 나사, 키형 그루브 등의 사용을 통해 샤프트 상에 고정시킴으로써 달성될 수 있다. 이러한 예에서, 가요성 전기 케이블은 직렬 전류 경로를 유지하기 위해 로터들 사이에서 전류 흐름을 안내하도록, 버스 바의 제 위치에 사용될 수 있다.
전술한 예의 경우에, 샤프트는 샤프트에 고정되는 로터들로 회전 가능하게 장착된다. 따라서, 샤프트에 의해 발생되는 기계적 일은 유성 기어 시스템, 자기 클러치 또는 다른 적합한 전달 배열체에 의해 샤프트를 구동 샤프트에 결합시킴으로써 용이하게 활용될 수 있다.
또한, 발생되는 토크의 양은 자기장의 강도에 비례한다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 전술한 예에서, 모든 터빈은 다수의 전도성 코일의 연결로 형성되는 솔레노이드를 거쳐 자기장을 생성한다. 표준 전도체로부터 이러한 코일을 생성하는 것이 가능하지만, 이는 덜 이상적이다. 표준 와이어 코일은 매우 높은 저항 손실 및 낮은 전류 밀도를 가지며, 이로써 와이어가 차지하는 공간이 훨씬 넓어진다. 공간적 고려에 더해, 표준 와이어 코일의 크기를 고려할 때, 저항 가열도 사실상 고려된다. 생성된 저항 가열은 충분한 전류 및 시간을 고려할 때 와이어 용융을 야기할 수 있다. 출원인은 고온 초전도(HTS) 재료로부터 구성되는 코일로부터 보다 효과적으로 큰 자기장이 발생될 수 있다는 것을 인식하였다. 이어서, 이들 코일은 직렬로 적재되고 연결되어, 기다란 솔레노이드를 형성한다. 코일 적재의 수를 증가시킴으로써, 터빈 몸체의 길이에 평행한 자기장 라인을 형성하는 것뿐만 아니라 내부에 발생된 자기장을 증가시킨다.
솔레노이드는 본질적으로 대형 인덕터이기 때문에, 자기장을 유지하기 위해, 솔레노이드는 작동 직전에만 변경되면 되고, 계속적으로 변경 및 방전될 필요는 없다. 부수적으로, 간단한 저전압 DC 전력 입력이 균일한 자기장을 유지하는데 요구되는 모든 것이다. 더욱이, 솔레노이드를 형성하는 것은 또한, 발생된 모든 자기장이 코일 내에 포함되고, 매우 적은 양의 자기장만이 권선 외측으로 빠져나가다고 하는 이점을 갖는다. 이는 전체 발생 자기장이 로터 블레이드와 반응하여 유효 일을 생성하는데 사용될 수 있다는 것을 의미한다.
도 8 내지 도 17은 다양한 치수의 코일 내에 생성되는 자기장의 강도 및 방향성을 도시하는 벡터장 오페라(3d)로부터 발생되는 자기장 분포이다. 이하의 예들에서, 각각의 코일은 12mm 폭의 HTS 테이프를 100번 감은 것으로서 내부 반경이 150mm로 구성된다.
도 8은 1O개의 HTS 코일의 적재로 구성되는 솔레노이드에 인가되는 160A 전류에 의해 생성되는 자기장을 도시하는 단면도이다. 도시된 바와 같이, 솔레노이드에 의해 발생되는 (복수의 작은 빨간 화살표 머리로 표시된) 자기장은 솔레노이드의 길이방향 축선에 평행하다. 또한, 본 이미지로부터 대부분의 자기장은 솔레노이드의 몸체 내에 포함된다는 것을 알 수 있다. 도 9는 도시된 바와 같은 솔레노이드의 내부 벽을 따라 발생하는 자기장 강도의 도표이며, 최고 자기장은 벽을 따라 대략 절반 정도에 발생하며, 강도는 대략 1T이다.
도 10은 20개의 HTS 코일의 적재로 구성되는 솔레노이드에 인가되는 160A 전류에 의해 생성되는 자기장을 나타내는 단면도를 도시한다. 한번 더, 솔레노이드에 의해 발생되는 (복수의 작은 빨간 화살표 머리로 표시된) 자기장은 솔레노이드의 길이방향 축선에 평행하다. 이에 더해, 20개의 코일 솔레노이드에 의해 발생된 자기장이 10개의 코일 버전의 경우에서 생성되는 자기장보다 현저하게 큰 영역을 덮는다는 것이 명백하다. 도 11에 도시된 바와 같이, 20개의 코일 솔레노이드는 10개의 코일 버전의 것보다 더 큰 영역을 갖는 자기장을 생성한다. 그러나, 이러한 경우에 있어서의 최대 자기장은 미미한 증가에 불과한 1.25T이다.
30개의 코일의 적재로 구성되는 솔레노이드에 인가되는 160A 전류에 의해 생성되는 자기장이 도 12에 도시된다. 다시, 코일의 수를 증가시킴으로써, 결과적인 자기장의 강도가 증가됨을 알 수 있다. 도 13에 도시된 바와 같이, 자기장은 10개 및 20개의 코일 버전의 것보다 더 큰 영역을 차지하며, 대략 1.4T의 최대 자기장을 생성한다.
도 14는 160A의 전류가 인가된 42개의 코일의 적재로부터 구성되는 솔레노이드에 의해 생성된 자기장을 도시한다. 앞선 예들의 경우와 같이, 결과적인 자기장은 솔레노이드 내에 포함되고, 솔레노이드의 길이방향 축선에 평행하게 지향된다. 도 15로부터 알 수 있는 바와 같이, 42개의 코일 버전은 앞선 예들에서 생성되는 것보다 더 큰 영역에 걸쳐 보다 강한 자기장을 생성하고, 이때 최대 강도는 대략 1.45T이다.
도 16은 160A 전류가 인가된 코일로 구성된 일련의 이격된 코일 스택으로부터 구성되는 솔레노이드에 대한 자기장 분포 프로파일을 예시한다. 도 16에서 도시된 바와 같이, 솔레노이드에 포함되는 자기장의 강도는 간극이 존재하지만 여전히 충분히 큰 자기장이 솔레노이드 내에 생성되는 영역에서 약화된다. 도 17은 솔레노이드의 내부 벽을 따른 자기장 강도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 자기장 강도는 복귀 플럭스 경로로 인해 각각의 간극에서 솔레노이드의 벽에 직교하여 유도되는 자기장에 기인하여 자기장 강도는 0.6T까지 변동한다. 그러나, 솔레노이드 내에 생성된 자기장은 허용가능한 레벨 내에 유지된다.
도 8 내지 도 17에 도시된 모델 및 도표는 코일의 개수 증가로 인해 솔레노이드의 길이에 걸쳐 보다 큰 자기장이 생성된다는 것을 명백하게 보여준다. 자기장 강도에 영향을 미치는 다른 요인은 코일에 인가된 전류의 양이다. 전류의 측면에서, 온도 및 외부 자기장 둘 모두는 정상화되고 통상 전도체가 되기 전에, 초전도 전도체에 인가될 수 있는 최대 전류에 영향을 미친다는 것은 당업자에 의해 이해될 것이다. HTS 테이프는 이 테이프가 정상화될 가능성이 훨씬 낮기 때문에, 테이프에 평행한 외부 자기장과 함께 사용되는데 있어 최상이다. 자사 1세대 테이프에 대해 어메리칸 수퍼컨덕터(American Superconductor)가 작성한 도표인 도 18로부터 거동을 볼 수 있다.
도 18의 도표는 상이한 자아에 노출된 테이프에 대한 상이한 온도에 있어서의 상이한 축척비 및 테이프 표면에 평행한 외부 자기장을 도시한다. 축척비는 77 켈빈에서 그리고 외부 자기장 없이, 4mm 폭의 와이어의 단일 직선 피스에 대한 임계 전류에 의해 분할되는 공지된 자아 또는 외부 자기장에의 노출 시 와이어의 임계 전류의 비이다. 외부 자기장 없이, 그리고 77 켈빈에서의 와이어의 직선 피스에 대한 임계 전류는 사용된 배치, 기판 등에 따라, 보통 90 내지 145 암페어이다.
64K에서 12mm 폭의 테이프의 lc를 결정하기 위해, 테이프가 1.4 테슬라의 평행 자아 자기장에 노출된 때, 도표는 이하에 따라 사용될 수 있다. 먼저, 100 암페어의 77K 및 0 테슬라의 외부 자기장에서 lc를 가정한다. 64K에서의 1.4 테슬라 자기장은 Y축 상의 축척비가 대략 0.9로 주어진다(즉, 0.9 × 100 = 90 암페어). 이는 4mm 폭의 테이프에 대한 것이며, 12mm 폭의 테이프에 대해서는 임계 전류(lc)는 3배 더 큰, 270 암페어 lc가 주어진다. 이는 터빈 몸체를 형성하는 솔레노이드에 270 암페어의 전류가 공급될 수 있으며, 이로써 1.4 테슬라보다 훨씬 큰 자기장을 생성한다. 160 암페어에서 42 스택 터빈 몸체에 대해, 최대 자기장은 1.45 테슬라를 겨우 넘겼다.
불행히도, HTS 테이프는 도 19로부터 도시된 바와 같이, 수직 자기장에의 노출 시 동일한 성능을 갖지 않는다. 외부 또는 자기 유도 자기장이 64 켈빈에서 직교할 때, 0.9인 축척비는 12mm 폭의 테이프에 대해 허용 가능 자아 또는 외부 자기장이 대략 0.2 테슬라 또는 0.6 테슬라로 제한될 것이다.
도 8 내지 도 17에 도시된 예들은 비록 자기장이 터빈 몸체에 평행하지만, 이를 제외하고는 북에서 남으로 복귀 경로를 개시할 때 자기장 방향이 변경되는 터빈의 도 16 및 도 17의 경우에 있어서의 단부 또는 간극에 인접함을 보여준다. 따라서, 솔레노이드의 단부에서, 유도 자기장은 테이프 표면에 직교한다. 이러한 반전의 효과는 소정의 온도에서 코일 내로 펌핑될 수 있는 전류의 양은 이 자기장 반전의 강도에 의해 효율적으로 제한된다는 점이다. 이러한 제한을 극복하는 하나의 방법은 몸체의 단부로부터 외부로 멀어지는 방향으로 플럭스 반전을 효과적으로 '조향'하는 페라이트 기반 플럭스 가이드의 사용을 통하는 것이다. 교번 자장에서, 이러한 가이드의 사용은 자기 이력에 기인한 다른 손실 요인을 제공하지만, 외부 코일에 의해 발생되는 자기장이 정상 상태에 유지될 때, 보다 높은 코일 성능 레벨을 얻기 위한 페라이트계 플럭스 가이드의 사용이 보장될 것이다.
상이하게 형상화된 플럭스 가이드의 효과에 대한 조사를 위해 선택된 페라이트는 전형적인 저탄소 냉간-압연 강이었으며, 주로 유용성 및 상대적으로 높은 포화점(대략 2T)의 요인들에 기인하여 선택되었다. 보다 높은 투과도 곡선을 갖는 다른 재료가 존재하지만, 이들 재료들은 일반적으로 낮은 포화점, 유용성, 작업성, 또는 계산 모델을 개발하고자 할 때, 포화시 또는 거의 포화시에 고-투과성 재료에서 수렴성 비-선형 용액을 취득하는데 있어서의 곤란함과 같은 문제가 존재한다.
본질적으로, 다양한 플럭스 가이드 기하학적 구조가 모델화되어 조사되었다. 가장 잘 수행된 예들은 일반적으로 큰 직사각형의 환상 형상의 플럭스 가이드로 구성된다. 이들 중, 하부 수직 자기장의 값은 환상체가 몸체의 단부에 인접하여 있는 경우에 취득되었으며, 내부 반경은 몸체의 내부 반경보다 50mm 작으며, 외부 반경은 몸체의 외부 반경보다 10mm 작고, 깊이는 대략 60mm였다. 몸체의 내부 영역으로의 침투로 인해 플럭스의 조기 반전이 이루어졌으며, 이에 역효과가 발생하였다.
설명의 명료화 및 편의를 위해, 하나의 플럭스 가이드가 도 20 및 도 22에 도시되어 있다. 또한, 하나의 플럭스 가이드만 도시하는 것은 이러한 가이드가 코일의 단부에서 자기장에 대해 갖는 효과를 명확하게 예시한다. 물론, 실제 응용에 있어서 이들 영역에서 발생하는 수직 자기장의 효과를 감소시키기 위해, 플럭스 가이드는 코일의 양쪽 단부에 설치(도 24 참조)된다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.
솔레노이드의 단부에서의 자기장에 대한 이러한 가이드의 사용 및 효과의 일 예가 도 20에 도시되어 있다. 앞서 제공된 Jc/JcO를 참조하면, 이들 코일이 약 64 내지 70K에서, 1.5T의 평행 자기장 및 0.2T 미만의 수직 자기장에 종속될 때, 이들 코일을 통해 160A가 흐를 수 있다고 예상하는 것이 합리적이다. 플럭스 가이드를 단부에 설치함으로써, 자기장이 솔레노이드를 빠져나갈 때, 자기장이 재형상화되는 것, 보다 구체적으로 내측 단부 근처의 최대 자기장이 도 21에 도시되어 있는 바와 같이 떨어진다. 도 20의 가이드의 경우에, 솔레노이드의 내측 에지 근처의 자기장은 목표 범위 내에서 약 0.15T의 수직 자기장을 보여준다.
도 22는 본 발명의 터빈과 함께 사용하기 위한 플럭스 가이드의 대안적인 배열체를 도시한다. 이 특정 예에서, 가이드는 원뿔 형상을 갖고, 솔레노이드의 단부 외부로 솔레노이드로부터 멀어지는 방향으로 자기장을 안내한다. 도 23의 수직 자기장 도표에서 도시된 바와 같이, 원뿔 플럭스 가이드는 도 16 및 도 17에 도시된 경우에 있어서의 0.6T 변동과 달리, 최대 값이 약 0.25T로서, 거의 최적 레벨로 수직 자기장을 감소시킨다.
전술한 단일 및 트윈 터빈 모델의 경우에, 솔레노이드는 주 샤프트와 부수적 샤프트 사이에 토크 및 전류의 전달을 허용하기 위해, 일련의 간극을 포함한다. 이들 간극의 결과로서, 솔레노이드의 길이를 따라 상당한 수직 자기장 변동이 발생할 수 있다. 도 24는 페라이트계 플럭스 가이드가 어느 하나의 단부에 배치되어 있는 간극 솔레노이드의 모델을 도시한다. 도 25에서, 자기장 변동이 0.23 내지 0.25T하에 머물러 있고, 이에 따라 외부 플럭스 가이드의 사용은 대략 목표 자기장 사양을 달성하기에 충분한 것으로 보일 것임을 알 수 있다.
HTS 테이프 및 이에 따른 터빈의 성능은 온도에 있어서의 감소로 현저하게 개선된다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이며, 이때 HTS 테이프에 대한 이상적인 온도 범위는 65 내지 70K이다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 온도가 15K정도로 떨어질 수 있다면 HTS 테이프의 성능에 있어서의 추가적인 개선이 달성될 수 있다. 최적 범위가 서브 액체 질소 범위 내에 있기 때문에, 출원인은 터빈이 15 내지 70K의 온도 범위를 갖는 극저온 인벨롭(envelope)에 터빈을 수용하기 위해, 스털링 사이클 극저온-냉동기와 같은 극저온 냉각 시스템을 포함할 것이라는 점을 예상한다.
앞서 간략하게 언급한 바와 같이, 관심의 대상이 되는 손실 영역 중 하나는 터빈 조립체의 부품, 특히 터빈 로터에서의 와전류가 생성되는 영역이다. 로터가 전도성 재료로 형성되는 경우에, 주 관심 영역은 림/기어 인터페이스이며, 보다 적게는 내측 드럼 및 브러시 접촉부이다. 간단하고 얇은 와이어의 경우에 대해 와전류에 의해 야기되는 전력 손실(P)은 하기의 식에 의해 계산될 수 있다.
여기서, D는 침투 깊이로서 아래와 같다.
전술한 방정식에 대한 파라미터는 Bp - 최대 플럭스 밀도(T), d - 시트의 두께 또는 와이어의 직경 (m), p - 저항(Qm), σ - 전기 전도도, μ - 투자율, 그리고 f - 주파수를 포함한다.
이들 방정식의 고차항을 고려함으로써, 와전류의 발생에 대해 큰 영향력을 갖는 특성의 유형을 파악하는 것이 가능하다. 터빈 조립체의 통상적인 전도성 요소에 대해, 와전류의 발생에 영향을 미치고 와전류의 발생을 최소화하는 요인은 저자기장 강도를 사용하는 것 또는 변경 빈도를 낮추는 것을 포함한다(이들 둘 모두는 토크 및 전력 출력에 영향을 미치며, 이에 따라 역효과를 낳는다). 보다 얇은 섹션을 이용하거나, 재료를 적층하는 것은 d 성분을 감소시켜, 와전류가 순환할 수 있는 경로의 폭을 감소시킨다. 부수적으로, 통상 전류를 운반하지 않는 섹션은 보다 높은 저항을 갖는 재료로부터 제조될 수 있으며, 이는 추가적인 저항을 통해 순환 전류의 생성을 억제한다.
초전도 요소에 대해, 와전류의 문제는 다른 효과에 의해 억제된다. 초전도체에 있어 흥미로운 특성은 이들 초전도체가 반자성을 나타낸다는 사실이다. 즉, 임계 온도 미만으로 냉각될 때, 정상 전도 상태에서, 미리 재료를 통과할 수 있었던 자기장은 재료 내로부터 축출된다. 자기장이 전도체를 통과할 수 없다는 사실은 초전도 샘플에서 보여지는 부상 거동에 그 원인이 있다. 이는 또한, 와전류가 초전도 재료 내에서 형성될 수 없다는 것을 의미한다. 이러한 자기장 축출은 마이스너 효과라 불린다. 따라서, 출원인은 어떠한 와전류 발생에도 대응하기 위한 다수의 방법을 고안하였다.
첫 번째는 부상 열차에 사용되는 전기역학적 부유라고 하는 발상과 유사한 공정에 의한다. 초전도체는 이들 초전도체 자체 내부에서부터 자연적으로 자기장을 축출하는 반자성의 특성을 갖는다. 이 특성은 코일 상에 유도되는 와전류에 대응하는 코일 내 자기장의 발생이 와전류에 의한 열차의 구동 메커니즘 상의 추가 항력을 방지하는데 사용되는 부상 열차에 이용된다. 엔진의 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 내측 및 외측 드럼 요소 둘 모두의 측벽을 덮도록, HTS 와이어의 폐쇄 루프를 권취함으로써, 임의의 와전류가 효과적으로 차폐되거나 대응된다.
제 2 방법은 외측 림/기어 인터페이스 및 드럼과 브러시 접촉부 주위에서 HTS 와이어를 권취하는 것을 더 포함하지만, 이 방법에서 권취된 코일은 폐쇄 루프를 이루지 않고, 직렬로 전원에 연결된다. 이는 외부 자기장의 대부분 또는 전부를 축출하는 강한 자기장을 발생시켜, 재료를 통과하는 와전류를 감소시키기 위해, 전류가 권선을 통과할 수 있도록 하는 것이다. 전류 전달 경로를 이루는데에는 다수의 방법이 존재하지만, 하나의 가능한 방법에는 모든 로터 디스크가 회전할 때 중심으로 하는 절연 샤프트 내측에 연장되는 전도체 케이블을 갖는 것이다. 이어서, 전류는 내측 드럼 상에 위치되는 코일에 공급되고, 이로부터 외측 드럼/기어 인터페이스 상의 코일에 공급된다. 이어서, 이 코일로부터 다음 로터 디스크의 내측 드럼으로 흐르고, 외측 림/기어 인터페이스로 되돌아 오는 등의 과정을 거칠 수 있다.
제 3 방법은 외부 자기장을 축출하고 와전류를 감소시키기 위해 영구 자석을 사용한다. 자석은 간단하게, 외측 드럼/기어 인터페이스 및 내측 드럼 및 브러시 접촉부에 위치된다. 영구 자석은 필요한 크기 및 자기장 강도로 제조될 수 있다. 비록 고정되지만, 자기장 강도는 적합한 등급 선택을 통해 결정될 수 있다. 네오디뮴 희토류 자석은 가장 안정적인 경향이 있으며, 가장 강한 자기장을 제공한다.
제 4 방법은 외부 자기장을 축출하고, 재료 선택을 통해 와전류를 최소화하기 위해, 코일 또는 영구 자석의 사용을 생략하는 것이다. 터빈 드럼을 구성하는데 티타늄이 사용되는 것, 즉 블레이드 프레임, 허브, 및 기어 모두가 티타늄으로 구성되는 것이 제안된다. 우수한 기계적 특성을 갖는 티타늄은 다른 재료에 비해 적은 재료로 유사한 터빈 드럼 기계적 강도를 달성할 수 있다. 와전류가 발생하기 쉬운 영역을 따른 재료 두께를 감소시킴으로써, 와전류의 발생은 추가로 억제될 것이다. 티타늄은 구리보다 25배 높은 전기 저항을 갖는다(티타늄은 420 ηΩ/m를 갖는 반면 구리는 16.78 ηΩ/m를 가짐). 이러한 높은 저항은 와전류의 자유 흐름을 더욱 어렵게 하고, 이에 따라 보다 적은 와전류가 터빈 드럼의 표면 내에 발생할 것이다. 초전도 재료는 와전류를 축출하는 반자성 특성을 갖기 때문에, 이상적인 해결책은 내측 허브와 외측 림 사이의 경로에 대해 초전도 재료를 사용하는 것을 포함한다. 티타늄 성분은 구체적으로 기어 인터페이스 또는 다른 전자-기계적 인터페이스 사이의 전도를 돕기 위해, 구리 또는 은과 같은 전도성 표면을 코팅 또는 도금될 것이다. 티타늄 외에, 적합한 기계적 특성 및 저전기 전도성을 갖는 임의의 다른 재료가 사용될 수 있다.
전술한 바로부터, 터빈의 성능에 영향을 미치는 기본적인 설계 문제는 솔레노이드 내 자기장의 설계라는 것이 명백하다. 터빈의 효율을 최대화하기 위해, 고강도 축선방향 자기장이 요구된다. 이하의 예에서, 자기장은 65 켈빈에서의 초전도 테이프의 제한으로 인해, 대략 1.4 내지 1.5 테슬라로 제한된다. 이러한 자기장을 발생시키기 위해 요구되는 외측 코일, 트윈 터빈 또는 쌍안경 터빈에서의 전류는 약 160 내지 170 암페어이다. 고전류 제한, 즉 약 300A에 대해 추가 냉각이 가능하다면, 3 테슬라를 초과하는 자기장이 달성될 수 있다. 출원인은 HTS 테이프 및 극저온 기술이 발전함에 따라, 코일의 예시적 배열을 사용하여 3 내지 4 테슬라의 자기장이 달성될 수 있다고 예상한다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 및/또는 트윈 터빈의 구성에 있어서의 사용을 위한 42개의 HTS 코일의 적재로 형성된 솔레노이드(부분적으로 도시됨)의 자기장 분포 프로파일을 예시한다. 도시된 바와 같이, 솔레노이드 내의 자기장 강도(도 8 내지 도 17에 도시된 예의 경우와 같이)는 각각의 단부 근처, 터빈 몸체의 중심에서 점점 줄어드는 경향이 있다. 축선방향 자기장 강도가 솔레노이드 내 허용가능 범위 내(즉, 1.4T 내지 1.5T의 최대 자기장 값으로부터 특정 공차 내)에 유지되는 경우에 있어서의 강도의 정도는 작업 거리로서 알려져 있다. 터빈의 효율을 최대화하기 위해, 로터는 작업 거리 내에 위치되어야 하며, 즉 로터는 가장 큰 균일한 자기장을 갖는 영역 내에 위치된다. 또한, 이 영역 내에 로터를 위치시키는 것은 터빈이 작동 중에 있을 때 표유자계 변동으로 인한 역기전력의 발생을 최소화하는 역할을 한다. 도 27은 터빈 길이방향 축선을 따른 자기장 강도를 나타낸다. 본 예에서, 출원인은 솔레노이드의 작업 거리를, 최대 자기장으로부터 10% 내지 15% 이하의 범위에서 하락이 있는 영역인 것으로 정의하였다. 도 26 및 도 27의 경우에, 작업 거리는 대략 200mm, 즉 자기장으로부터 0.15T 떨어진 도 27의 곡선 영역이 발생한다.
도 28은 자기장 분포 프로파일을 나타내는 42개의 HTS 코일로 구성되는 쌍안경 솔레노이드의 부분 단면도이다. 도 28로부터 도시된 바와 같이, 터빈 블레이드에 의해 형성되는 반경이 교차되는 턴 어라운드 중간에서 자기장이 하락할 가능성이 있다. 이상적인 경우에, 외측 쌍안경 코일의 2개의 복귀 원호 사이의 간극 거리는 최대 자기장 강도를 키우기 위해 최소화될 것이다. 실제로, 외측 HTS 층의 굽힘 반경에 대한 제약 및 다양한 고정식 요소와 회전식 요소들 사이의 간격에 대한 필요성은 쌍안경체가 제조될 수 있는 '핀치-인' hdw를 제한한다. 도 29는 도 28의 솔레노이드의 내부 에지를 따르는 자기장 강도의 도표이다. 코일의 중심 200mm의 상대적 균일성(즉, 200mm의 작업 거리)을 주목하라. 자기장 하락에 있어서의 증가는 쌍안경 코일의 2개의 절반부 사이의 추가적인 간격에 대한 필요성에 기여할 수 있다.
도 30a 내지 도 30d는 최대 자기장(B 축선)에 있어서의 변화를 나타내는 일련의 도표이고, 대응하는 출력 토크는 전술한 트윈 및 쌍안경 터빈 둘 모두에 대해 솔레노이드의 권선에 있어서의 전류에 비례한다. 전류의 범위가 초기에 특정된 것보다 약간 높지만, 관측된 비례성은 저전류 경우에 대해 유지된다.
도 31a 내지 도 31d에 예시된 일련의 도표는 최대 자기장 및 출력 토크는 다시, 터빈 몸체를 형성하는 솔레노이드를 형성하는 코일에 있어서의 권선의 개수에 비례하여 변동한다는 것을 보여준다. 쌍안경체의 경우는 출력 토크의 약간의 감소를 보여준다. 이는 개수가 증가된 권선의 물리적 크기를 수용하기 위해, 쌍안경체의 복귀 반경 및 간극 거리를 변경할 필요성에 기여한다. 다시, 위의 변동에 대한 기선 전류는 300A였으며, - 160 내지 170A의 의도된 작동 범위보다 높지만, 결과는 전류에 따라 조정된다.
도 32a 및 도 32b는 몸체의 크기를 증가시키는 효과를 나타낸다. 트윈 터빈 및 쌍안경체의 두 경우 모두로부터 취득한 토크 값은 트윈 터빈의 경우만 고려되었을 때의 것과 유사한 값이었다. 관찰된 경향은 쌍안경체의 경우에도 적용되리라 예상하는 것이 합리적이다. 흥미롭게도, 개별 드럼 요소 상의 힘은 몸체 반경에 있어서의 증가에 비례적으로 조정되는 것으로 보이는 반면, 취득된 토크는 반경 증가의 제곱에 따라 변동하는 것으로 보인다. 이는 더 큰 몸체 크기는 보다 우수한 성능 특성을 얻을 가능성이 있다는 것을 나타낸다. 장치의 전체 규모를 증가시키는 것은 실험에 대해서는 비현실적이지만, 이들 결과는 잠재적인 연구의 중요한 라인을 보여준다.
도 33을 참조하면, 전술한 고속 터빈에 대한 전술한 원리를 이용하는 모터에 대한 로터 조립체(900)의 일 실시예가 예시되어 있다. 도시된 바와 같이, 로터 조립체(900)는 샤프트(901) 상에 장착되는 일련의 로터(9021, 9022, 9023, 9024, 9025, 9026)를 포함한다. 샤프트(901)는 로터(9021, 9022, 9023, 9024, 9025, 9026)의 중심 축선에 대해 동축으로 위치된다. 이러한 특정 예에서, 로터(9021, 9022, 9023, 9024, 9025, 9026)는 자유롭게 회전하는 샤프트(901)에 고정된다. 로터(9021, 9022, 9023, 9024, 9025, 9026)가 샤프트(901)를 중심으로 자유롭게 회전하는 동안, 샤프트는 고정될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 이러한 구성에서, 로터(9021, 9022, 9023, 9024, 9025, 9026)는 각각의 로터가 샤프트(901)와는 상관없이 회전할 수 있도록 하는 베어링을 거쳐 샤프트(901) 상에 장착될 수 있다.
본 예에서, 로터는 앞서 도 3과 관련하여 논의된 로터의 구성과 유사한 구성을 가지며, 복수의 아암을 거쳐 허브에 결합되는 림을 포함한다. 본 경우에 로터(9021, 9022, 9023, 9024, 9025, 9026)는 림과 허브에 인접하여 위치되는 접촉 영역(9031, 9032)을 포함한다. 접촉 영역은 각각의 로터 사이에 위치되는 전류 전달 기구(스테이터 프레임) 상에 장착되는 브러시와의 접촉을 위해 제공된다. 전류 전달 기구의 구성은 이하 추가로 상세하게 논의된다.
전술한 예들에서와 같이 샤프트(901)는 로터(9021, 9022, 9023, 9024, 9025, 9026)에 걸쳐 직렬 회로의 생성이 가능하도록 조립체를 통해 전류/전압을 공급하는데 사용된다. 본 예에서, 로터 조립체는 대략 2000A의 전류에서 작동하도록 설계된다. 최대 전류 전달을 보장하기 위해, 샤프트 및 로터는 금 도금된 접촉 표면, 즉 구동 전류의 전달을 일으키는 브러시 조립체와의 직접 접촉시의 표면을 가질 수 있다.
도 34는 로터 조립체(900)의 배열을 더 상세하게 도시한다. 도시된 바와 같이, 본 예의 샤프트(901)는 샤프트를 형성하기 위해 함께 결합된 입력 섹션(9011), 중간 섹션(9012) 및 출력 섹션(9013)의 3개의 섹션으로 구성된다. 샤프트의 입력 및 출력 섹션은 전도성 재료로부터 구성되는 반면, 중간 섹션은 절연/격리 재료로부터 구성된다. 본 예의 전체 샤프트(901)에는 로드(905)(도시되지 않음)의 수용을 위한 통로가 제공된다. 본 경우에 있어서의 로드는 샤프트에 대한 추가적인 보강을 제공하고, 로드는 또한, 샤프트가 기어 조립체 등(즉, 샤프트로부터 전기적으로 절연되고 활성화되지 않은 외부 기어 등)에 안전하게 결합될 수 있도록 하기 위해 절연 재료로 코팅될 수 있다.
도시된 바와 같이, 대부분의 로터(9021, 9022, 9023, 9024, 9025)는 별개의 간격을 두고 중간 섹션(9012) 상에 위치된다. 중간 섹션(9012)은 일련의 교합 자체 위치설정 요소의 형태를 가지며, 각각의 요소는 로터(9021, 9022, 9023, 9024, 9025)를 지지한다. 로터는 로터(9026)를 제외하고는 샤프트(901)의 전도성 섹션으로부터 이격되어 이와 접촉하지 않으며, 본 예에서, 로터(9026)는 샤프트(901)의 출력 섹션(9013) 상에 위치된다. 로터에 걸쳐 필요한 직렬 회로를 제공하기 위해, 스테이터 프레임의 형태인 전류 전달 기구는 로터들 사이에 위치된다. 로터와 스테이터 프레임 사이의 접촉은 스테이터 프레임 상에 배치되는 브러시에 의한다. 브러시는 관련 로터의 접촉 표면과 결합하도록 위치된다. 스테이터 프레임의 구성 및 브러시의 배열은 이하 추가로 상세하게 논의된다.
샤프트의 중간 섹션(9012)을 포함하는 요소는, 모터에 의해 생성되는 토크를 전달하기에 충분히 강하고, 또한 모터의 쇼트를 방지하기 위해 샤프트의 출력(9013) 측으로부터 샤프트의 입력 측(9011)을 전기적으로 절연/격리시킬 수 있는 재료로부터 구성되어야 한다. 즉, 재료는 적합한 기계적 특성을 갖는 적합한 절연성 재료이어야 한다. 중간 섹션(9012)의 요소의 구성에 적합할 수 있는 하나의 재료는 아노다이징 알루미늄이다. 알루미늄 표면 상의 아노다이징 층은 구리와 알루미늄 표면 사이에 전기적 절연/격리 층을 형성한다. 절연/격리의 품질(즉, 고장 전 인가될 수 있는 전압)은 아노다이징 층의 깊이의 함수이다. 본 응용에서, 알루미늄 성분의 표면 상의 40 ㎛의 아노다이징 깊이는 저전압(즉, 10V 미만)만이 사용될 것이기 때문에 충분할 것이다. 물론, 전도성 구성요소 또는 적합한 섬유 복합물 등으로부터 전기적으로 절연된다면, 다른 재료가 사용될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.
도 35는 전류 전달 기구(스테이터 프레임)(904)의 구성을 보다 상세하게 도시한다. 도시된 바와 같이, 본 예의 스테이터(904)는 스테이터를 형성하기 위해 차후에 함께 용융되는 2개의 섹션(9041, 9042)으로 구성된다. 본 경우에, 스테이터(904)는 허브에 인접한 림(9071, 9072, 9073, 9074, 9075, 9076, 9077)에 인접하여 위치되는 금속 섬유 브러시(MFB) 조립체(9061, 9062, 9063, 9064, 9065, 9066, 9067)를 지지한다.
본 특정 예에서, 스테이터 프레임(904)은 전체 중량을 감소시키고, 추가로 스테이터 전체 중량을 감소시키기 위해, 알루미늄 또는 티타늄으로 제조되며, 이는 최소 하중의 영역(9081, 9082, 9083, 9084, 9085, 9086, 9087)에서 재료를 제거할 수 있다. 스테이터의 전체 중량의 감소에 더해, 절결부(9081, 9082, 9083, 9084, 9085, 9086, 및 9087) 또한 로터 조립체의 보다 효과적인 강제 냉각을 가능하게 한다. 비록, 특정 본 특정 예에서, 스테이터 프레임은 전기적으로 전도성을 띠지만, 전기 저항은 브러시의 전기 저항보다 크고, 이로써 전류를 브러시를 통과하며, 각각의 브러시 조립체 및 스테이터를 통과하는 전류에 대한 보다 상세한 논의는 아래에서 제공된다. 본 예에서, 전도성 재료가 사용되고 있지만, 절연 코팅을 갖는 전도성 재료 또는 비-전도성 재료가 스테이터 프레임을 구성하기 위해 사용될 수 있다는 것이 당업자에 의해 당연히 이해될 것이다.
본 예에서 알 수 있는 바와 같이, 스테이터 프레임(904)은 일련의 노치(9091, 9092, 9093, 9094 및 9095)를 포함한다. 노치(9091, 9092, 9093, 9094 및 9095)는 스테이터 프레임(904)이 샤프트(901)에 대해 제 위치에 고정될 수 있도록 하는 스테이터 프레임(904)에 대한 고정점을 제공한다. 스테이터 프레임을 제 위치에 로킹함으로써, 전류가 브러시 조립체 사이를 흐를 때, 스테이터 상의 임의의 토크의 효과는 없어진다.
본 예에 있어서, 도시된 스테이터 프레임은 총 7쌍의 브러시를 갖는데, 이는 결국 7개의 병렬 전류 경로를 의미한다. 선택된 금속 섬유 브러시는 브러시당 330A의 전류 정격 및 23mm × 35mm의 단면을 갖는다. 이는 결국 7개의 병렬 경로의 총 전류 정격이 2310A라는 것을 의미한다. 브러시의 배열 및 각각의 스테이터를 통한 전류 경로가 도 36에 도시된다. 이 경우에, 스테이터 아암들 중 하나(즉, 브러시(9061 및 9071)의 단면이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 스테이터(904)는 전류가 앞선 로터의 외측 반경으로부터 다음 로터의 내측 반경으로 지향되도록 배열된다. 점진적인 브러시 마모를 보상하기 위해, 평탄 스프링(910)이 제공되어 브러시 조립체의 축선방향 이동을 허용한다. 또한, 스프링(910)은 MFB와 인접 로터 사이의 연속적인 결합을 보장하기 위해, 브러시 상에 약한 압력을 제공한다.
본 경우의 브러시 조립체는 본 예에서는 가요성 와이어(913)에 의해 상호연결되는 분류기(911 및 912)를 포함한다. 와이어는 내측 브러시로부터 외측 브러시로의 전류 복귀 경로를 완성한다. 스테이터(및 이에 따라 와이어)가 2.5T의 축선방향 구동 자기장에 포함되기 때문에, 와이어 복귀 경로는, 반경에 대해 접선을 이루고, 스테이터의 축선을 중심으로 하여 대응하는 토크를 생성하는 힘을 받게 된다. 스테이터가 고정되어 있기 때문에, 결과적인 토크가 제거되지만, 구속되지 않을 경우 가요성 와이어 상의 힘은 브러시를 적재할 가능성을 가지며, 브러시들이 회전 표면과의 접촉을 유지할 수 있도록 하는데 사용되는 스프링력을 제거한다. 와이어를 스테이터 프레임에 내재시킴으로써, 자기장의 방향으로의 와이어의 이동은 제약을 받는다.
전술한 바와 같이, 스테이터에 걸친 회로는 전류가 허브로부터 림으로 흐르도록 배향된다. 금속 섬유 브러시는 이들 브러시를 통과하는 전류 흐름의 방향에 따라 상이한 마모율을 갖는다. 양의 단자에 연결된 브러시는 보다 높은 마모율을 가지며, 음의 단자에 연결된 브러시는 산화에 있어서의 차이로 인해 보다 낮은 마모율을 갖는다. 이처럼, 전류 흐름 방향에 대한 브러시의 물리적 배향 역시 브러시 마모의 정도에 대한 요인이다. 본 경우에, 림에서의 브러시는 허브에 인접하여 배치되는 것보다 큰 회전 마모를 겪는다. 결과적으로, 허브 주위에 배치된 브러시는 전류 흐름 방향으로 인해 보다 큰 마모를 갖도록 배향된다(즉, 허브에 배치되는 브러시는 사실상 양의 단자 브러시이며, 림 브러시는 실질적으로 음의 단자 브러시이다).
도 37은 전류 흐름과 로터 상의 유도된 힘 사이의 관계를 예시한다. 도시된 바와 같이, 전류는 결과적인 힘이 90°로 로터에 미치면서, 허브로부터 림으로 흐른다. 로터를 중심으로 대칭적으로 브러시를 위치설정함으로써, 로터 상의 힘은 균형을 잡아(즉, 로터의 대향 대칭 단부에서의 힘은 동일하고 반대되어), 완만하게 회전하기 된다. 이러한 완만한 힘 분포는 진동을 감소시켜, 선박, 잠수함, 및 중장비와 같은 정숙하고 낮은 진동을 발생시키는 모터를 필요로 하는 응용에 대해 이상적인 모터를 이룬다. 물론, 보다 많은 전류 경로를 추가함으로써, 로터에 걸친 보다 균일한 힘 분포가 달성되어 보다 강력한 토크를 얻을 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.
연속적으로 적재된 로터들 사이에서의 전류 전달을 위한 대안적인 메커니즘이 도 38 및 도 39에 도시되어 있다. 본 예에서, 전류 전달을 행하기 위해 전도성 유체가 사용된다. 유체 전달 메커니즘의 사용은 감소된 마찰 손실, 감소된 마모, 감소된 유지보수와 같은 중실 브러시에 대한 다수의 이점을 가지며, 전류 용량은 접촉 면적 및 체적을 증가시킴으로써 증가될 수 있으며, 간단한 설계는 복잡한 장착 구성요소를 필요로 하지 않는다.
도 38은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 기반 스테이터 조립체(1000)의 일 측면을 도시한다. 도시된 바와 같이, 스테이터 조립체(1000)는 외측 디스크(1001) 및 내측 디스크(1003)를 포함하는 합성 디스크의 형태를 갖는다. 디스크(1001 및 1003)는 이들 디스크 사이에 유체 채널(1002)을 형성하기 위해 이격되어 있다. 내측 디스크(1003)의 외주 및 외측 디스크(1001)의 둘레 벽 상에 시일(1004)이 제공된다.
도 39에서 도시된 바와 같이, 외측 디스크(1001)에는 내측 디스크(1003)의 허브(1006)에 인접하여 유체 채널(1002) 상에 개구(1005)가 제공된다. 시일(1007)은 허브(1006)를 중심으로 하여, 그리고 개구(1005)의 둘레를 중심으로 하여 제공된다. 시일은 인접 로터들의 접촉 부분이 유체 채널과 결합할 때 유체 누설을 방지하기 위해 시일이 필요하게 된다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.
도 40은 유체 기반 스테이터 조립체(1000) 및 로터(11001, 11002, 11003, 11004)의 배열을 도시한다. 도시된 바와 같이, 로터(11002, 11003, 11004)는 샤프트(11012)의 중간 섹션 상에 장착되고, 로터(11001)는 샤프트(1101)의 출력 섹션(11013) 상에 장착된다. 위의 예에서와 같이, 중간 섹션(11012)은 샤프트의 전도성 섹션과 로터 사이의 쇼트를 방지하기 위해 절연/격리 재료로부터 구성된다. 각각의 로터(11001, 11002, 11003, 11004) 사이에, 스테이터 조립체(10001, 10002, 10003)가 존재하고, 본 예에서 스테이터 조립체는 앞선 로터의 외측 반경으로부터 다음 로터의 내측 반경으로 전류를 전달하도록 위치설정된다.
도시된 바와 같이, 스테이터 조립체는 샤프트(1101)가 스테이터 조립체(10001, 10002, 10003)의 각각의 허브(1006)를 통과하여, 인접 로터의 접촉 표면이 각각의 스테이터 조립체(10001, 10002, 10003)의 개구(1005) 내에 유지되고 유체 채널(1002)과 연통하게끔 장착된다. 로터와 전류 전달 기구 사이의 유체밀 시일을 형성하기 위해 시일(1007)은 로터의 접촉 표면의 일부를 파지한다. 유사하게, 각각의 로터(11001, 11002, 11003, 11004)의 림 상의 접촉 표면은 유체 채널(1002) 내에 결합되며, 이때 시일(1004)이 이들 사이에 유체밀 장벽을 형성한다.
본 예에서, 전류 전달 기구는 고정형이며, 시일(1004 및 1007)은 이들이 결합되는 로터(11001, 11002, 11003, 11004)의 이동을 수용하기 위한 회전식 시일이다. 전달 기구는 유체의 자연 압축성으로 인해 로터로부터 일부 측방 이동을 수용할 수 있으며, 이로써 활주 시일이 요구되지 않는다. 도 38 내지 도 40의 전류 전달 기구의 구성을 고려할 때, 유체는 로터의 접촉 표면이 일단 시일(1004 및 1007) 내에 위치설정되면 유체 채널(1002) 내로 도입될 수 있다는 것 또한 당업자에 의해 이해될 것이다. 이러한 예에서, 외측 디스크(1001)는 유체 채널(1002) 내로의 유체의 주입을 허용하는 밀봉성 유체 포트를 포함할 수 있다. 전도성 유체가 황산, 염산, 또는 다른 적합한 산, 수산화나트륨, 염화나트륨, 질산은, 수산화칼륨 또는 다른 적합한 이온성 또는 전해성 유체와 같은 임의의 적절하게 안정된 전도성 유체일 수 있다는 것 또한 당업자에 의해 이해될 것이다. 일부 예에서, 유체는 수은, 우드 합금, 로즈 합금, 필드 합금, Bi-Pb-Sn-Cd-In-Ti, 갈륨 등과 같은 액체상의 금속일 수 있다.
앞선 예들과 관련하여 논의된 바와 같이, 로터는 원하는 토크를 유도하기 위해 강한 자기장에 포함되도록 설계된다. 전술한 예들은 HTS 재료, 보다 구체적으로는 BSCCO HTS 테이프와 같은 HTS 테이프로부터 구성되는 솔레노이드를 사용한다. HTS 테이프를 사용하는 것에 대한 대안예는 MgB2 HTS를 사용하는 것이다. MgB2 와이어는 최근, 길이 및 섹션의 범위에 있어 보다 용이하게 구매 가능하게 되었다. HTS 테이프에 비해 MgB2 와이어를 사용하는 것에 있어서의 여러 이점들이 존재하는데, 먼저 미터당 훨씬 낮은 가격을 갖는다(현재, 약 $25USD/m인 BSCCO에 비해, MgB2는 약 $3-4USD/m임). 수직 외부 자기장에 대한 JclJco 거동은 평행 외부 자기장에 대해서와 동일하다. 결과적으로, 수동 플럭스 가이드에 대한 필요성은 평행 외부 자기장에 대한 JclJco 거동에 보다 근접한 수직 JclJco 거동으로 인해 감소되거나 제거된다.
수직 및 평행 외부 자기장에 있어서의 MgB2의 유리한 JclJco 특성은 수동 플럭스 가이드(즉, 강 플럭스 가이드)에 대한 필요성이 없는 경우에서와 같이 중량이 감소된 구동 코일 조립체의 구성을 가능하게 한다. 보다 작은 강철 자기장 복귀 경로의 사용은 축선방향 및 반경방향 둘 모두에 있어서의 구동 자기장의 균질성의 측면에서 몇몇 이점을 갖는다. 이러한 방식에서, 설계 결정은 의도된 엔진의 최종 응용에 따라, 중량 감소 대 자기장 균질성에 대한 필요성의 균형을 잡을 수 있다.
평행 자기장 특성 또는 수직 자기장 특성 사이에 변동이 미미하게 나타나거나 전혀 나타나지 않는 MgB2 또는 다른 초전도 와이어를 사용하는 것의 다른 이점은 능동 플럭스 가이드의 사용이 가능하다는 것이다. 능동 플럭스 가이드의 일 예가 도 41에 도시되어 있다. 대향하는 자기장을 갖는 2개의 코일(1202, 1203)이 주 코일(1201)의 어느 한 측 상에 위치된다. 이들 외부 코일은 자기장선을 압축하고, 이들을 편향시킨다. 이 방법을 사용하여, 솔레노이드의 축선을 따라 표유자계의 양을 최소화하기 위해, 주 코일의 자기장을 조작하는 것이 가능하다. 이러한 능동 차폐의 사용은 MgB2 와이어 또는 수직 및 평행 인-필드 성능 사이의 큰 차이를 나타내지 않는 균등 와이어 사용 시에만 용이하게 가능하다. 추가적인 차폐 코일의 존재로 인해, 구동 솔레노이드의 단부에서의 추가적인 자기장 집중은 결과적으로 1G 및 2G의 HTS 와이어의 상당한 전류 용량 디레이팅을 가져올 것이다.
이러한 점을 바탕으로, 능동 차폐의 이점은 MgB2 와이어 사용 시, 큰 플럭스 강철 플럭스 가이드에 대한 필요성이 제거되기 때문에, 중량이 감소되지만, 또한 축선방향으로의 표유자계의 양이 증가한다. 능동 차폐의 사용은 표유자계 제약에 대한 의도된 응용 및 법적 표준에 따라 철 또는 니켈 기반 차폐 재료를 사용하는 추가 수동 차폐에 대한 필요성을 제거할 수 있거나 제거할 수 없다.
도 42는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터(1300)의 구성을 도시한다. 도시된 바와 같이, 모터(1300)는 극저온 유닛(1302) 및 로터 조립체(1303)(도 43 참조)를 수용하는 주 케이싱(1301)을 포함한다. 모터는 주 케이싱(1301)의 어느 하나의 단부에 배치되는 부수적 케이싱(13041, 13042)을 더 포함한다. 본 예에서, 부수적 케이싱(13041, 13042)은 모터를 통과하는 구동 전류를 제공하기 위해 브러시 조립체를 수용한다. 부수적 케이싱(13041, 13042)의 각각에는 냉각 어레이가 설치될 수 있다. 본 예에서, 냉각 어레이는 공기가 로터 조립체를 통과하도록 하기 위한 일련의 팬의 형태를 갖는다.
모터의 내부 배열은 도 43에 추가로 상세하게 도시된다. 도시된 바와 같이, 모터(1300)는 유지보수 동안 구성요소의 용이한 접근 및 상호변경이 가능하도록 복수의 모듈형 구성요소로 구성된다. 주 케이싱(1301)은 본 예에서는 하우징 내에 장착되는 극저온 몸체(1306) 측 상에 장착되는 펄스 튜브 극저온-냉각기(1305)를 포함하는 극저온 유닛(1302)을 지지한다. 극저온 몸체(1306)는 극저온 인벨롭 내 주 HTS 솔레노이드(1307)를 둘러싼다. 극저온-냉각기는 약 20K의 코일 조립체의 작동 온도를 허용하도록 크기설정된다. 극저온-냉각기는 코일 조립체 내의 코일 각각으로의 전도성 열 분포 경로를 형성하는 구리 냉각 핑거에 부착된다.
전술한 예에서와 같이, HTS 솔레노이드는 로터 조립체에서의 전류가 구동력을 생성하기 위해 반응하는 정적 구동 자기장을 제공한다. 구동 코일에 대한 설계 포인트 및 기준은 앞서 상세하게 논의되었다. 도시된 예에서, 솔레노이드는 60개의 스미토모(Sumitomo) BSCCO 코일로 구성되며, 이들 코일의 각각은 340mm의 ID 및 377.12mm의 OD(0.29mm 와이어를 64번 권취)를 갖는다. 솔레노이드의 작동 전류는 200A이며, 이로써 중심 보어를 가로지르는 평균 자기장 강도는 2.5T이다. 코일 조립체의 전체 강도는 308.2mm이다.
본 예에서 도시된 바와 같이, 극저온 몸체(1306)는 대체로 원통형인 구성을 가지며, 로터 조립체의 수용을 위한 보어를 포함한다. 도시된 바와 같이, 몸체(1306)의 외부 벽(13061)과 내부 벽(13062) 사이에 극저온 인벨롭이 형성되고, 로터 조립체는 몸체(1306)의 내부 벽들 사이에 형성되는 보어(1308) 내에 수용된다.
본 예에서, 로터 조립체(1309)는 앞서 도 33 및 도 34와 관련하여 논의된 전반적인 구성을 갖는다. 본 경우의 조립체는 원칙적으로 샤프트(1310)의 절연/격리 섹션(13102) 상에 위치되는 6개의 로터(13091, 13092, 13093, 13094, 13095, 및 13096)로 구성된다. 각각의 로터 사이에는, 도 35 및 도 36과 관련하여 논의된 유형의 스테이터 조립체(13111, 13112, 13113, 13114, 13115, 13116)가 존재한다. 스테이터 조립체는 앞선 로터의 림으로부터 다음 로터의 허브까지 브러시 조립체를 가로질러 전류를 연속적으로 전달한다. 전류가 로터들을 통과하기 때문에, 유도된 힘은 샤프트(1310) 상의 토크로 변환된다. 도시된 바와 같이, 본 경우의 샤프트(1310)는 한 쌍의 베어링(13121, 13122) 상에 장착된다. 베어링(13121, 13122)은 표준 금속성 베어링의 사용은 큰 자기장에의 근접으로 인한 보다 큰 회전 항력을 야기할 수 있기 때문에, 바람직하게는 세라믹 베어링이다. 전술한 예에서와 같이, 샤프트는 보강 로드(1320)의 수용을 위한 중공형 구성을 갖는다.
본 예에서 도시된 바와 같이, 샤프트는 보어(1308) 및 주 하우징(1301)을 지나 제거가능 단부 캡 조립체(13141, 13142)를 통해 부수적 하우징(13041, 13042) 내로 연장된다. 본 경우에, 단부 캡(13141, 13142)은 통로(13131, 13132)를 제외하고, 주 하우징(1301) 및 보어(1308) 둘 모두를 밀봉한다. 본 특정 예에서의 단부 캡(13141, 13142)은 플럭스 가이드로서 작용하는 복수의 강철 플레이트(13151, 13152, 13153, 13154)를 포함한다. 단부 캡의 구성은 플레이트가 선택적으로 제거/추가될 수 있도록 하여, 플럭스 가이드의 치수를 변동시킨다. 물론, 주 솔레노이드가 MgB2로부터 구성되는 경우, 강철 플레이트는 전술한 바와 같이 능동 플럭스 가이드로 대체될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.
부수적 하우징(13041, 13042)은 단부 캡 조립체의 각각에 장착된다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 로터 조립체는 마찰 가열 및 저항 가열 둘 모두를 겪는다. 부수적 하우징(13041, 13042)은 냉각 팬으로부터 통로(13131, 13132) 및 보어(1308)를 통해 공기 흐름을 안내하여 로터 조립체(1309)를 냉각하기 위한 대체로 깔대기 형상의 조립체이다. 또한, 부수적 하우징의 나팔 형상은 또한, 샤프트(1310)의 입력 섹션(13101) 및 출력 섹션(13103)과 접촉하도록 위치되는 각각의 입력 브러시(13161) 및 출력 브러시(13162)를 수용할 수 있도록 한다. 도시된 예에서, 샤프트(1310)는 또한, 부수적 하우징을 지나 연장되어, 샤프트가 기어 조립체, 스프라켓 구동부 등을 포함한 다양한 토크 전달 배열체에 결합될 수 있도록 하거나, 바퀴, 프로펠러, 트랙 등과 같은 구동 구성요소에 직접 결합될 수 있도록 한다. 물론, 이들 토크 전달 배열체는 샤프트(1310)로부터 전기적으로 절연/격리될 필요가 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 이는 절연 코팅을 샤프트 상에 또는 토크 전달 또는 구동 기구 상의 샤프트 상에 도포함으로써 행해질 수 있다.
본 예에서 사용되는 솔레노이드는 상당한 정사각 종횡비를 갖는다. 솔레노이드의 OD는 377.12mm이고, 솔레노이드의 길이는 308.2mm이다. 이러한 정사각 프로파일이 HTS 테이프의 주어진 길이에 대해 원하는 작동 영역에서 최대 자기장을 생성하는 경험 및 무수한 모델이 도시되어 있다. 정사각 프로파일은 또한, 조정 가능한 추가 이점을 갖는다. 이는 주어진 축척 인자(전술한 예에서, y=1/2x)에 대해, 솔레노이드의 내부 보어에 있어서 자기장 분포는 비록 치수에 있어 확대 또는 축소가 있지만, 동일하게 유지된다. 목표 작동 자기장을 얻기 위해 필요한 권취 수가 동일하지 않다면 유사하도록, 와이어에 있어서의 자기장 거동도 거의 동일하게 유지된다. 이는 만약 강철 플럭스 가이드가 코일에 비례하여 축척된다면, 1G 및 2G와 동일하게 적용된다.
도 44는 모터 조립체(1300)를 통과하는 전류 흐름을 도시한다. 도시된 바와 같이, 구동 전류(검은색 화살표로 표시됨)는 입력 브러시를 거쳐 샤프트(1310)의 입력 섹션(13101)에 인가된다. 전류는 샤프트로부터 제 1 스테이터 조립체(13111)의 림 주변에 배치되는 브러시 조립체로 흐르며, 이어서 전류는 브러시 쌍 사이에 배치되는 와이어를 거쳐 림에 인접하여 배치되는 대응하는 브러시로 흐른다. 스테이터(13111)의 림에 인접한 브러시 조립체는 제 1 로터(13091)의 림과 직접 접촉하고, 이로써 전류가 로터의 림으로부터 허브로 이동하게 된다. 허브는 스테이터(13112)의 허브 브러시 조립체와 직접 접촉한다. 다시, 전류는 허브 브러시 조립체로부터 스테이터의 림 브러시 조립체로 흐른다. 림 브러시 제 2 스테이터 조립체(13112)는 림 제 2 로터(13092)와 직접 접촉하게 되며, 이로써 전류는 스테이터(13112)로부터 로터(13092)를 통해 허브로 흐를 수 있으며, 이어서 전류는 제 3 스테이터(13113) 조립체의 허브 브러시 조립체로 전달된다. 전술한 것과 유사한 전류 전달 공정이 나머지 스테이터(13113, 13114, 13115, 및 13116) 및 로터(13093, 13094, 13095)에 대해 발생하며, 즉 전류는 허브로부터 림으로, 그리고 림으로부터 인접한 스테이터 및 로터의 허브로 흐른다. 장착된 로터(13096)는 로터 조립체로부터 샤프트의 출력 섹션(13103)으로 전류를 이동시키며, 이어서 전류는 출력 브러시(13162)(도시되지 않음)에 연결되어 모터에 걸친 직렬 회로를 완성한다.
도 45는 극저온 몸체(1306)의 중심 보어(1308)로의 삽입을 위한 로터 조립체의 구성을 도시한다. 도시된 바와 같이, 로터 및 스테이터는 단부 플레이트(13171, 13172) 사이에서 샤프트(13102)의 중간 섹션 상에 장착된다. 단부 플레이트(13171, 13172)는 베어링(13121, 13122)을 지지하고, 이로써 로터 스테이터 조립체를 통해 구동 전류의 인가 시, 샤프트가 회전할 수 있게 된다. 본 예에서 도시된 바와 같이, 단부 플레이트(13171, 13172)는 일련의 스트럿(13181, 13182, 13183, 13184 및 13185)에 의해 함께 결합된다. 스트럿(13181, 13182, 13183, 13184 및 13185)은 단부 플레이트들 사이에서 그리고 로터 및 스테이터 위에서 연장된다. 본 경우에 있어서의 스트럿은 적합한 섬유 복합물, 예를 들어 개롤라이트(Garolite)와 같은 비-전도성 재료로부터 제조된다.
도 46은 로터 조립체의 단면도이며, 스트럿과 로터 및 스테이터 사이의 상호작용을 도시한다. 도시된 바와 같이, 스트럿(13181, 13182, 13183, 13184, 및 13185)의 각각은 프로파일 표면(1319)을 갖는다. 본 경우에, 프로파일은 로터의 림의 일부를 수용하기 위한 리세스 섹션(13191)을 제공한다. 프로파일 표면의 융기 섹션(13192)은 림 스테이터와 결합하고, 보다 구체적으로는 리세스 섹션이 스테이터의 림에 제공된다. 이는 스테이터를 고정시키고 스테이터의 회전을 방지하는 역할을 한다.
전술한 예로부터 도시된 바와 같이, 모터에는 모듈형 구성이 제공된다. 이러한 배열은 다양한 구성요소가 유지보수 등의 기간 동안 비교적 용이하게 모터로부터 제거될 수 있도록 한다. 또한, 구성요소들이 간단히 교체될 수 있도록 하여 전체 정지 시간을 감소시킨다.
도 47은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터(1400)의 단면도이다. 도시된 바와 같이, 모터(1400)는 유지보수 동안 구성요소의 용이한 접근 및 상호교환이 가능하도록 복수의 모듈형 구성요소로 구성된다. 주 케이싱(1401)은 극저온 유닛(1402)을 지지하고, 극저온 유닛은 본 예에서, 하우징 내에 장착되는 극저온 몸체(1406) 측 상에 장착되는 펄스 터빈 극저온-냉각기(1405)를 포함한다. 극저온 몸체(1406)는 극저온 인벨롭 내 주 HTS 솔레노이드(1407)를 둘러싼다. 냉각기는 약 20K의 코일 조립체의 작동 온도를 허용하도록 크기설정된다. 극저온-냉각기는 구리 냉각 핑거에 부착되고, 구리 냉각 핑거는 코일 조립체 내 각각의 코일로의 전도성 열 분포 경로를 형성한다.
전술한 예에서와 같이, HTS 솔레노이드는 로터 조립체 내 전류가 구동력을 생성하기 위해 반응하는 정적 구동 자기장을 제공한다. 구동 코일에 대한 설계 포인트 및 기준은 위에서 상세하게 논의되었다. 솔레노이드의 작동 전류는 200A이고, 이로써 중앙 보어에 걸쳐 평균 자기장 강도는 2.5T이다.
본 예에서 볼 수 있는 바와 같이, 극저온 몸체(1406)는 대체로 원통형 구성을 가지며, 로터 조립체용 보어를 포함한다. 도시된 바와 같이, 극저온 인벨롭은 몸체(1406)의 외부 벽(14061)과 내부 벽(14062) 사이에 형성되며, 로터 조립체는 몸체(1406)의 내부 벽 사이에 형성되는 보어(1408) 내에 수용된다.
본 예에서, 로터 조립체(1410)는 역회전을 위해 구성된다는 점에서 전술한 예들과는 상이하다. 본 경우에, 로터 조립체(1410)는 내측 샤프트(1411)에 부착되고, 스테이터 조립체(1412)는 외측 샤프트(1413)에 부착된다. 로터 및 스테이터는 도 33 내지 도 35와 관련하여 전술한 것과 유사한 구성을 갖는다. 도시된 바와 같이, 외측 샤프트(1413)는 내측 샤프트(1411)가 통과하는 중공형 구성을 가지며, 샤프트 둘 모두는 베어링(1414) 상에 장착된다. 스테이터(1412) 내의 전류 흐름이 로터의 것과는 반대 방향이기 때문에, 로터의 회전 방향과는 반대 방향으로 자유롭게 회전한다. 이러한 외측 샤프트(1413)는 내측 샤프트(1411)의 방향과는 반대 방향으로 회전한다. 로터 및 스테이터 조립체에 대한 보다 상세한 논의가 이하 제공된다.
본 예에서 볼 수 있는 바와 같이, 샤프트는 제거가능 단부 캡 조립체(14161, 14162)에 배치되는 통로(14151, 14152)를 통해 하우징(1401) 및 보어(1408)를 지나 연장된다. 본 경우에 단부 캡(14161, 14162)은 통로(14151, 14152)를 제외하고, 주 하우징(1401) 및 보어(1408) 둘 모두를 밀봉한다. 단부 캡(14161, 14162)은 플럭스 가이드로서 작용하는 복수의 강철 플레이트를 포함할 수 있다. 단부 캡의 구성은 플럭스 가이드의 치수를 변동시키기 위해, 플레이트가 선택적으로 제거/추가될 수 있도록 한다. 물론, 주 솔레노이드가 MgB2 또는 평행 자기장 특성 또는 수직 자기장 특성 사이에 변동이 거의 나타나지 않거나 전혀 나타나지 않는 다른 초전도 와이어로부터 구성되는 경우에, 강철 플레이트는 전술한 바와 같은 능동 플럭스 가이드로 대체될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.
도 48은 보다 상세하게 로터 조립체를 도시하며, 도시된 바와 같이 로터 조립체는 샤프트(1411) 상에 장착되는 일련의 로터(14101, 14102, 14103, 14104)를 포함한다. 샤프트(1411)는 로터(14101, 14102, 14103, 14104)의 중심 축선에 대해 동축으로 위치된다. 본 특정 예에서, 로터(14101, 14102, 14103, 14104)는 자유롭게 회전하는 샤프트(1411)에 고정된다. 물론, 샤프트는 로터(14101, 14102, 14103, 14104)가 샤프트(1411)를 중심으로 자유롭게 회전하는 동안, 고정될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 이러한 구성에서, 로터(14101, 14102, 14103, 14104)는 베어링을 거쳐 샤프트(1411) 상에 장착될 수 있으며, 이로써 각각의 로터가 샤프트(1411)와 상관없이 회전할 수 있다.
본 예에서, 로터는 도 3 및 도 33과 관련하여 전술한 로터와 유사한 구성을 가지며, 복수의 아암을 거쳐 허브에 결합되는 림을 포함한다. 본 경우에 있어서의 로터(14101, 14102, 14103, 14104)는 림 및 허브에 인접하여 위치되는 접촉 영역(14171, 14172)을 포함한다. 접촉 영역은 각각의 로터 사이에 위치되는 전류 전달 기구(스테이터 프레임) 상에 장착되는 브러시 조립체와의 접촉을 위해 제공된다.
스테이터 조립체(1412)의 보다 상세한 도면이 도 49에 도시되어 있으며, 스테이터 조립체는 복수의 스테이터 프레임(14181, 14182, 14183, 14184, 14185)을 포함한다. 본 예에서, 스테이터 프레임(1418)의 각각은 도 35 및 도 36과 관련하여 전술한 구성과 유사한 구성을 갖는다. 보다 구체적으로, 각각의 스테이터 프레임(1418)은 2개의 섹션으로 구성되고, 이어서 2개의 섹션은 함께 용융되어 스테이터를 형성한다. 본 특정 예에 있어서의 스테이터 프레임은 전체 중량을 감소시키고, 추가로 스테이터 전체 중량을 감소시키기 위해, 알루미늄 또는 티타늄으로 제조되며, 이는 최소 하중의 영역에서 재료를 제거할 수 있다. 또한, 스테이터의 전체 중량을 감소시키는 것에 더해, 절결부도 스테이터 조립체의 보다 효율적인 강제 냉각을 가능하게 한다.
각각의 스테이터 프레임(1418)은 인접 로터들 사이의 전류 전달을 위해 복수의 금속 섬유 브러시 쌍(1409)을 포함한다. 선택된 금속 섬유 브러시는 브러시당 330A의 전류 정격 및 23mm × 35mm의 단면을 갖는다. 스테이터 및 브러시는 전류가 앞서 로터의 외측 반경으로부터 다음 로터의 내측 반경으로 안내되도록 배열된다. 점진적인 브러시 마모를 보상하기 위해, 평탄 스프링이 브러시 조립체의 축선방향 이동을 허용하도록 제공된다. 또한, 스프링은 MFB와 인접 로터 사이에 연속적인 결합을 보장하기 위해 브러시 상에 약한 압력을 제공한다. 브러시 조립체는 가요성 와이어에 의해 상호연결되는 분류기를 더 포함한다. 와이어는 내측 브러시로부터 외측 브러시로의 전류 복귀 경로를 완성한다.
도시된 바와 같이, 스테이터는 어느 하나의 단부에서 외측 샤프트(1413)에 부착되는 지지부(1419)에 고정된다. 전류가 로터 스테이터 조립체를 통해 공급될 수 있도록 하기 위해, 일련의 고정 입력 및 출력 슬립 링(1420)이 제공된다. 물론, 지지부(1419)는 샤프트와 스테이터 사이의 쇼트를 방지하기 위해, 전기 절연 재료로 구성된다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.
도 50은 스테이터 조립체(1412)에 대해 제 위치에 장착된 로터 조립체(1410)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 로터(14101, 14102, 14103, 14104)의 각각은 스테이터(14181, 14182, 14183, 14184, 14185)의 각각의 사이에 엮여 있다. 내측 샤프트(1411)와 스테이터(14181, 14182, 14183, 14184, 14185) 사이에는 일련의 스페이서(1421)가 위치되어 있다. 스페이서(1421)는 외측 샤프트(1413) 내에 내측 샤프트(1411)를 지지하고 내측 샤프트의 중심설정을 한다. 또한, 스페이서(1421)는 로터와 스테이터 사이의 쇼트를 방지한다. 도시된 바와 같이, 본 예에서는, 입력 슬립 링(1420)에 전류를 인가하기 위해, 추가 스테이터(14186)가 사용된다.
도 51은 도시된 모터를 통과하는 전류 흐름을 도시하는 것으로서, 전류는 로터 전원으로부터 터빈의 회전 섹션으로부터 고정식 저온유지장치 몸체를 분리하는 다수의 병렬 브러시를 통해 시스템으로 진입한다. 전류 경로는 절연 스페이서(1421)를 거쳐 내측 샤프트에 부착되는 제 1 로터를 통해 계속된다. 도시된 바와 같이, 각각의 로터는 로터와 샤프트 및 스테이터 사이의 쇼트를 방지하는 절연 스페이서(1421)에 의해 내측 샤프트에 부착된다. 이어서, 전류는 로터 전원으로 전류 복귀가 개시되는 고정식 전류 출력 링을 공급하는 일련의 최종 브러시까지 나머지 로터/스테이터 쌍을 통해 연속적으로 흐른다.
각각의 로터에 있어서의 전류 흐름이 림으로부터 허브로 이루어지는 반면, 각각의 스테이터에 있어서의 전류는 허브로부터 림으로 흐른다. 로터 및 스테이터에 있어서 전류가 반대 방향으로 흐르기 때문에, 주 구동 자기장과의 상호작용은 내측 샤프트(1411) 및 외측 샤프트(1413)가 반대 방향으로 회전하게 되도록 하는 반대 토크 및 동일 토크를 생성한다. 이어서, 샤프트에 의해 발생된 토크는 다양한 기어 배열체를 사용하여 모터(1400) 외부로 배출될 수 있다.
전술한 터빈/모터는 직류 전류 공급원을 사용한다. 후술되는 이하의 구성에는 병렬 전류가 공급된다. 병렬 전류 구성은 해양 추진 환경과 같은 눅눅한 조건에 대해 이상적인 저전압 및 고전류를 필요로 한다.
병렬 구성하에서, 로터는 출력 샤프트에 직접 장착(또는 단일 피스 로터 및 샤프트의 일부를 형성)된다. 따라서, 병렬 구성하에서, 로터는 서로로부터 전기적으로 격리될 필요가 없다. 이는 로터 및 샤프트가 고정식 전기 전도성 접속을 가질 수 있고, 하나의 피스로서 구성될 수 있기 때문에, 구성을 현저하게 간략화한다.
부수적으로, 내측 브러시를 제거함으로써, 유효 작업 반경이 더 커진다. 내측 브러시는 내경 주위에 상당량의 공간을 차지하고, 이는 작업 블레이드 길이를 회전 축선으로부터 더 멀리 이동시킨다. 병렬 구성에서, 내측 브러시에 대한 필요사항이 제거되어, 이러한 작업 길이를 증가시킨다.
각각의 로터의 둘레에 브러시가 장착되고, 전류는 중심 샤프트로, 샤프트를 따라 출력 브러시로 이동한다. 양극이 로터 상에 도시되어 있고, 음극이 출력 샤프트 브러시 상에 도시되어 있지만, 그 역으로 형성될 수도 있다.
도 52는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 전류 공급원을 위해 구성된 터빈(1500)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 터빈(1500)은 정적 자기 구동 자기장을 제공하는 HTS 솔레노이드(1502)를 둘러싸는 저온유지장치(1501)를 포함한다. 구동 코일에 대한 설계 포인트 및 기준은 앞서 상세하게 논의되었다.
전술한 로터와 유사한 구성의 복수의 로터 디스크(15031, 15032, 15033, 15034, 15035, 15036)를 포함하는 로터 조립체(1503)가 저온유지장치의 보어 내 위치에 있으며, 구동 샤프트(1504)에 직접 결합된다. 로터는 본 경우에 양의 단자를 형성하는 입력 전류 버스 바(1505)에 결합된다. 도시된 바와 같이, 샤프트(1504)는 입력 전류 버스 바를 통해 흐른다. 물론, 샤프트(1504)는 쇼트를 방지하기 위해, 입력 버스 바로부터 전기적으로 절연된다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.
일련의 출력 브러시(1506)(음의 단자)가 샤프트의 대향 단부에서 입력 버스 바의 단부에 배치된다. 본 예에서 출력 브러시는 전도성 원통형 구성 내에 포함된다. 도시된 바와 같이, 샤프트(1504)는 출력 브러시를 지나 연장된다. 따라서, 본 예에서, 샤프트(1504) 상에 발생된 토크는 출력 브러시(1506)의 어느 하나의 측면 상의 다수의 지점에서 제거된다.
도 53은 도 52의 터빈을 통과하는 전류 흐름을 도시한다. 전류가 입력 버스 바(1505)에 인가될 때, 전류는 일련의 전도성 브러시(1507)에 의해 로터 디스크 각각의 림에 전달된다. 이어서, 전류는 로터를 통해 샤프트(1504)로 그리고 출력 브러시(1506) 외부로 흐른다.
도 54를 참조하면, 앞서 도 52의 터빈의 서로 맞댄 구성(back to back configuration)이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 상기 구성은 전술한 구성의 출력 브러시(1506)를 대체하는 부수적 터빈(1602) 및 주 터빈(1601)을 포함한다. 단일 샤프트(1603)가 2개의 터빈을 접속시키기 위해 사용된다. 서로 맞대 구성의 작동은 터빈을 통과하는 전류 흐름을 예시하는 도 55를 참조하여 더욱 용이하게 이해될 수 있다.
도 55로부터 알 수 있는 바와 같이, 전류가 입력 버스 바(1604)를 통과하기 때문에, 전류는 주 터빈(1601)의 로터(1605)로 흐른다. 전류는 로터(1605)로부터 샤프트(1603)로 전달된다. 이어서, 전류는 샤프트(1603)를 따라 부수적 터빈(1602)의 로터(1606)로 흐른다. 이어서, 전류는 로터(1606)를 통해 출력 전류 버스 바(1607)로 흐른다. 샤프트 상에서의 단일 회전을 보장하기 위해, 부수적 터빈(1602) 내 자기장은 주 터빈(1601)의 자기장과는 반대의 극성을 갖는다.
도 56은 터빈의 대안적인 서로 맞댄 구성을 도시한다. 다시, 상기 구성은 전술한 구성의 출력 브러시(1506)를 대체하는 부수적 터빈(1602) 및 주 터빈(1601)을 포함한다. 주 터빈(1601)의 샤프트(1603)는 전도성 슬립 조인트(1609)에 의해 부수적 터빈의 샤프트(1608)에 연결된다.
도 57로부터 알 수 있는 바와 같이, 전류가 입력 버스 바(1604)를 통과하기 때문에, 전류는 주 터빈(1601)의 로터(1605)로 흐른다. 전류는 로터(1605)로부터 샤프트(1603)로 전달된다. 이어서, 전류는 샤프트(1603)를 따라 슬립 조인트(1609)의 일측면으로 흐르고, 전류는 일련의 브러시(1610)를 거쳐 슬립 조인트(1609)의 대향 측면으로 전달된다. 이어서, 전류는 샤프트(1608)를 따라 부수적 터빈(1602)의 로터(1606)로 흐른다. 이어서, 전류는 로터(1606)를 통해 출력 전류 버스 바(1607)로 전달된다. 이러한 구성을 사용하는 것은 부수적 터빈(1602) 내 자기장이 주 터빈(1601)의 자기장과 동일한 극성일 수 있다는 것을 의미한다.
도 58은 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 병렬 전류 공급 구성을 도시한다. 구성은 도 52와 관련하여 전술한 것과 유사하다. 다시, 터빈(1700)은 정적 자기 구동장을 제공하는 HTS 솔레노이드(1702)를 둘러싸는 저온유지장치(1701)를 포함한다. 구동 코일에 대한 설계 포인트 및 기준은 앞서 상세하게 논의되었다. 저온유지장치의 보어 내에는 로터 조립체(1703)가 위치된다. 본 경우에, 로터 조립체는 주로 중공형이며, 어느 하나의 단부에서 구동 샤프트(1705)에 결합되는 드럼(1704)을 포함한다. 드럼은 본 경우에 양의 단자를 형성하는 입력 전류 버스 바(1705)에 결합된다. 볼 수 있는 바와 같이, 샤프트(1705)는 베어링 마운트를 거쳐 입력 전류 버스 바(1706)를 통해 흐른다. 물론, 베어링이 쇼트를 방지하기 위해 입력 버스 바로부터 전기적으로 절연된다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.
도 59로부터 알 수 있는 바와 같이, 전류가 입력 버스 바(1706)를 통해 흐르기 때문에, 전류는 드럼(1704)의 외측 표면으로, 단부 커플링을 통해 샤프트(1704)로 그리고 출력 브러시(1707) 외부로 전달된다.
도 60은 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 병렬 전류 공급 구성을 도시한다. 상기 구성은 도 52 및 도 58과 관련하여 전술한 것과 유사하다. 본 예에서의 터빈(1800)은 정적 자기 구동장을 제공하는 HTS 솔레노이드(1802)를 둘러싸는 저온유지장치(1801)를 포함한다. 구동 코일에 대한 설계 포인트 및 기준은 앞서 상세하게 논의되었다. 저온유지장치의 보어 내에는 로터 조립체(1803)가 위치되어 있다. 본 경우에 있어서의 로터 조립체는 주로 중공형이며, 중심 스핀(1805)을 거쳐 구동 샤프트(1806)에 결합되는 드럼(1804)을 포함한다. 드럼(1804)은 본 경우에 양의 단자를 형성하는 입력 전류 버스 바(1807)에 결합된다. 볼 수 있는 바와 같이, 샤프트(1806)는 베어링 마운트를 거쳐 입력 전류 버스 바(1807)를 통해 흐른다. 물론, 베어링은 쇼트를 방지하기 위해 입력 버스 바로부터 전기적으로 절연된다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.
도 61에서 볼 수 있는 바와 같이, 전류가 입력 버스 바(1807)를 통해 흐르기 때문에, 전류는 드럼(1804)의 외측 표면으로, 스핀(1805)을 통해 샤프트(1806)로 그리고 출력 브러시(1808)의 외부로 전달된다.
병렬 터빈 구성의 가능한 추가 구성이 도 62에 도시되어 있다. 다시, 상기 구성은 앞서 논의된 구성과 유사하며, 정적 자기 구동장을 제공하는 HTS 솔레노이드(1902)를 둘러싸는 저온유지장치(1901)를 포함한다. 구동 코일에 대한 설계 포인트 및 기준은 앞서 상세하게 논의되었다. 저온유지장치의 보어 내에는 로터 조립체(1903)가 위치된다. 본 경우에 로터 조립체는 구동 샤프트(1905)에 직접 결합되는 니어 중실형 드럼(1904)을 포함한다. 드럼(1904)은 본 경우에 양의 단자를 형성하는 입력 전류 버스 바(1706)에 결합된다. 볼 수 있는 바와 같이, 샤프트(1905)는 베어링 마운트를 거쳐 입력 전류 버스 바(1906)를 통해 흐른다. 물론, 베어링은 쇼트를 방지하기 위해, 입력 버스 바로부터 전기적으로 절연된다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.
도 63으로부터 알 수 있는 바와 같이, 전류가 입력 버스 바(1906)를 통해 흐르기 때문에, 전류는 드럼(1904)의 외측 표면으로, 샤프트(1905)로, 그리고 출력 브러시(1907)의 외부로 전달된다.
전술한 전도성 액체/유체 접촉 브러시는 또한 병렬 구성 상에 사용하기 위해 연장될 수 있다. 전도성 유체는 로터와 전류 공급원 사이의 전기 접촉을 형성한다(고정 또는 역회전).
전도성 유체는 적절한 밀봉으로 누설을 방지한다. 도 64는 전도성 유체를 사용하는 병렬 구성의 하나의 가능한 구성을 도시한다. 본 예에서 본 경우에 있어서의 터빈(2000)은 정적 자기 구동장을 제공하는 HTS 솔레노이드(2002)를 둘러싸는 저온유지장치(2001)를 포함한다. 구동 코일에 대한 설계 포인트 및 기준은 앞서 상세하게 논의되었다. 저온유지장치의 보어 내에는 로터 조립체(2003)가 위치된다. 본 경우에 있어서의 로터 조립체는 주로 중공형이고, 중심 스핀(2005)을 통해 구동 샤프트(2006)에 결합되는 드럼(2004)을 포함한다.
드럼(2004)의 외측 표면은 전도성 유체를 포함하는 리세스(2007)를 포함한다. 입력 버스 바(2008)는 유체와 접촉하여, 스핀(2005)을 따라 드럼(2004)으로, 샤프트로, 그리고 브러시(2009)의 외부로 전류를 전달한다.
도 65는 전도성 유체와 입력 버스 바(2008) 사이의 인터페이스를 도시한다. 볼 수 있는 바와 같이, 시일(2011)이 버스 바(2008)의 외측 표면과 드럼의 리세스(2007) 사이에 제공된다. 시일은 단부 캡(2010)에 의해 제 위치에 유지된다.
전술한 바와 같이, 각각의 터빈/모터에 의해 발생된 토크는 다양한 토크 전달 배열체를 사용하여 제거될 수 있다. 도 66은 토크 전달 및 RPM 균등 배열체(2100)에 부착되는, 도 47과 관련하여 전술한 구성의 터빈(즉, 이중 샤프트 역회전 터빈)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 토크 전달 및 RPM 균등 배열체(2100)는 내측 샤프트(1411) 및 외측 샤프트(1413)에 결합되고 단일 출력 샤프트를 제공한다.
토크 전달 및 RPM 균등 배열체(2100)의 구성은 토크 전달 및 RPM 균등 배열체(2100)의 단면도인 도 67a 및 도 67b에 도시되어 있다. 도 67a를 참조하면, 토크 전달 및 RPM 균등 배열체(2100)는 상이한 기어박스를 포함한다. 시스템은 대개는 적절하게 밀봉된 오일 윤활 하우징 내에 존재할 것이다. 볼 수 있는 바와 같이, 내측 샤프트(1411)와 외측 샤프트(1413) 둘 모두는 피니언 기어의 쌍(2103)과 맞물리는 입력 기어(2101, 2102)에 결합된다. 모든 기어 배열체 및 샤프트는 베어링(2104) 상에 회전 가능하게 장착된다.
도 67b로부터 알 수 있는 바와 같이, 내측 샤프트(1411)는 출력 샤프트(2105)를 통해 연장되며, 출력 샤프트(2105)에 직접 결합되는 입력 기어(2102)에 결합된다. 외측 샤프트(1413)는 입력 기어(2101)와 맞물리는 피니언 기어(2103)를 거쳐 출력 샤프트에 결합되는 입력 기어(2102)에 결합된다.
도 68a 및 도 68b는 본 발명의 일 실시예에 따른 대안적인 토크 전달 및 RPM 균등 배열체(2100)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 본 경우의 시스템은 베벨 기어 대신 스퍼 기어 또는 헬리컬 기어를 사용한다. 출력 샤프트(2105)는 더 이상 입력 샤프트(1411, 1413)와 동축을 이루지 않는다. 볼 수 있는 바와 같이, 내측 샤프트(1411) 및 외측 샤프트(1413)는 출력 샤프트(2105) 상의 기어(21021, 21022)에 결합되는 입력 기어(21011, 21012)에 결합된다. 도 68b로부터 알 수 있는 바와 같이, 외측 샤프트(1413)는 출력 샤프트 상의 기어(21021)와 바로 맞물리는 기어(21011)에 바로 결합된다. 내측 샤프트(1411)는 외측 샤프트를 통과하고 기어(21012)와 결합한다. 기어(21012)는 내측 샤프트에 의해 출력 샤프트(2105) 상에 부여된 회전이 외측 샤프트(1413)에 의해 부여된 회전과 정합함을 보장하기 위해, 개재 피니언 기어(2106)를 거쳐 기어(21022)에 결합된다.
전자기 터빈의 작동의 기본 원리는 전류 이동 전도체와 고정식 자기장 사이의 반력의 생성이다. 이러한 방식으로, 작동 속도 및 전력에 대한 스케일링의 효과를 조사하는 것, 및 전속력에서의 장치의 최대 전력을 예상하는 것이 가능하다.
균일한 수직 자기장에 있어서의 전류 이동 전도체 상에 발생되는 힘에 대한 기본 방정식은 하기와 같다.
여기서, B는 테슬라 단위의 수직 자기장이고, i는 암페어 단위의 전도성 와이어 내 총 전류량이며, l은 미터 단위의 전류 경로의 총 길이이며, F는 뉴턴 단위의 결과적인 힘이다.
중심 축선을 중심으로 이 힘에 의해 생성된 토크(T)는 하기와 같다.
여기서, r은 디스크의 반경이다. 전류 이동 전도체 길이(l)가 샤프트 축선으로부터 디스크의 외측 반경으로 연장되는 간단한 경우에 대해, 이하의 방정식이 성립된다.
따라서, 엔진의 토크는 브러시에 대해 요구되는 공간이 전류 이동 전도체의 길이를 감소시키는 작은 스케일을 제외하고는 블레이드형 디스크의 반경의 제곱에 의해 변동되는 것을 알 수 있다.
작동 전류에 있어서의 장치의 최대 전력은 하기와 같이 기술될 수 있다.
여기서, ω는 rad/s 단위의 각속도이다. RPM으로, 방정식은 하기와 같다.
이는 주어진 RPM에 대한 전력 출력을 제공한다. 전자기 터빈의 경우에, 최대 속도는 회전식 블레이드형 디스크의 외측 표면 상의 브러시의 최대 속도에 의해 제한된다. 사용된 금속 섬유 브러시는 90 m/s의 고정 표면 속도 제한(vmax)을 갖는다. 따라서, 최대 RPM은 하기와 같다.
이로부터, 디스크의 최대 RPM은 역으로 디스크의 반경에 비례한다는 것을 알 수 있다. RPM 및 힘 방정식을 전력에 대한 원래의 방정식으로 치환하면 하기와 같고,
간략화하면 하기와 같다.
가장 간단한 경우에, 단일 회전 블레이드에 대해 이용 가능한 최대 전력은 블레이드의 반경에 비례한다. 엔진이 크기면에서 확대됨에 따라, 블레이드의 반경의 제곱만큼 토크가 증가하고, 최대 작동 RPM은 반경 증가에 따라 감소한다. 도 69a 내지 도 69c의 도표로부터 알 수 있다. 도 69a는 로터 직경 대 토크를 도시하는 반면, 도 69b는 로터 직경 대 RPM을 도시하고, 도 69c는 로터 직경 대 전력을 도시한다.
전술한 바로부터, 본 발명에 따른 터빈/모터는 요구되는 작동 전력 및 속도를 반영하기 위해 용이하게 크기조정될 수 있다는 것이 명백하다. 도 70은 5 테슬라의 작동 자기장 및 10000A의 DC 총 전류를 갖는 고전력 밀도 DC 모터인 10 MW 개념에 대한 하나의 가능한 구성을 도시한다. 이는 2500 rpm의 최대 작동 속도 및 16개의 작업 블레이드를 갖는다. 무효화 코일이 없는 경우, 전체 직경은 대략 1000mm이다. 무효와 코일을 갖는 경우, 외경은 1.5 내지 2X만큼 증가한다. 무효화 코일이 없는 경우, 전체 길이는 대략 1200mm이다.
도 71은 도 70의 구성의 솔레노이드에 의해 생성되는 자기장의 도표이다. 솔레노이드에 더해, 외부 자기장을 형상화하여 차폐 요구를 감소시키기 위해 솔레노이드 주변에는 무효화 코일이 배치된다.
도 72는 5 테슬라의 작동 자기장 및 50000A의 DC 총 전류를 갖는 40 MW의 고전력 밀도 DC 모터를 도시한다. 이는 180 RPM의 최대 작동 속도 및 32개의 작업 블레이드를 갖는다. 저RPM 및 역회전 샤프트 출력을 갖는 해양 응용예의 역회전 프로펠러에의 적용이 최적화된다. 무효화 코일을 갖지 않은 경우, 전체 직경은 대략 2.5 m이다. 무효화 코일을 갖는 경우, 외경은 1.5 내지 2배만큼 증가한다. 무효화 코일을 갖지 않은 전체 길이는 대략 2.5 m이다.
도 73a 및 도 73b는 도 72의 터빈에 설치될 수 있는 RPM & 토크 이퀄라이저 시스템(2100)의 배열체를 도시한다. 도 73a로부터 알 수 있는 바와 같이, 외측 샤프트(1413)는 베벨 기어(2200)에 결합된다. 내측 샤프트(1411)는 베벨 기어(2201)와 끼워맞춰지고, 베벨 기어는 일련의 피니언 기어(2202)에 의해 외측 샤프트(1413) 상의 베벨 기어(2200)에 결합된다(도 73b 참조).
하나 이상의 솔레노이드가 채용(병렬 전류 경로를 사용하는 앞서 상세하게 설명된 예들)될 때, 스테이터 몸체의 구성의 잠재적인 문제 중 하나는 각각의 솔레노이드들 사이에서 성장되는 힘이다. 코일의 지지 구조체를 설계할 때 맞닥뜨리는 힘의 크기를 고려하지 않으면 결과적으로 스테이터 조립체의 파괴를 야기한다. 도 74는 벡터 필드 오페라(3d)로 모델링된 솔레노이드 쌍을 도시한다. 전술한 솔레노이드는 5 가우스 표면(일련의 푸른색 선으로 도시됨)을 코일의 몸체에 더 근접하게 하기 위해 4개의 무효화 코일을 채용한다. 무효화 코일은 2개의 솔레노이드들 사이에서의 끌어당기는 힘 또는 밀어내는 힘에 영향을 미친다.
모델링된 코일은 도 42에 도시된 구성에서 사용되는 솔레노이드와 크기가 동일하다. 솔레노이드의 내경은 340mm이고, 개별 솔레노이드의 길이는 308mm이다. 중심에서 생성되는 평균 자기장 강도는 2.5T이고, 최대 자기장 강도는 2.75T이다. 솔레노이드의 단부에서 단부까지의 거리는 400mm이다.
무효화 코일이 채용되지 않은 경우에는, 코일들 둘 모두의 중심 축선을 따라 코일들 사이에서 끌어당기는 힘 또는 밀어내는 힘(Fz)은 약 28 kN이다. 무효화 코일이 사용되는 경우에는, 주 솔레노이드 상의 힘은 약 6.5 kN이다. 2개의 솔레노이드 사이의 주 부하는 감소되지만, 이 구성에 있어서 40 kN의 축선방향 힘을 겪는 무효화 코일의 적절한 지지를 보정하기 위해서는 여전히 관심을 기울여야 한다.
전술한 터빈의 대부분의 경우에, 금속 섬유 브러시 상의 고자기장 환경의 부작용은 브러시 섬유의 배향이 자기장의 방향과 평행함을 보장함으로써 최소화된다. 이러한 기술은 전류 전달 표면과 회전 구동 요소들 사이에서 전류를 전달하기 위해 액체 금속 브러시를 사용할 때에는 사용될 수 없다. 전도성 액체 금속 매체에 생성된 전류 경로 상에서의 로렌츠의 힘의 효과는 액체에 와류를 생성한다는 것이다. 이들 와류의 생성은 고자기장 환경에서 브러시의 전류 이동 성능을 제한한다. 섬유 요소를 자기장에 정렬하는 기술에는 액체 금속 브러시가 채용될 수 없으며, 브러시가 작동할 수 있는 무 또는 감소된 자기장의 영역을 생성할 필요가 있다.
액체 금속 브러시가 올바르게 기능하기 위해, 이들 브러시는 비교적 낮은 자기장의 영역에 있어야 한다. 터빈의 전술한 버전에서 사용되는 단일 솔레노이드를 2개의 구성요소로 분할함으로써, 로터의 효율적인 작업 길이 및 반경이 연장되어, 기계의 토크 및 전력 밀도를 전체적으로 현저하게 증가시킨다. 이러한 간극의 두 번째 이점은 코일들 사이에서 액체 금속 브러시가 위치될 수 있는 자기장 무효화의 영역이 발생한다는 점이다.
액체 브러시 배열체를 갖는 스플릿 솔레노이드 설계를 사용하는 터빈의 일 예가 도 75에 도시되어 있다. 본 예에서 알 수 있는 바와 같이, 솔레노이드(2300)는 간극을 두고 2개의 솔레노이드(23001, 23002)로 분할된다. 간극 내에는 로터(2301)가 배치된다. 본 특정 예에서, 로터는 샤프트(2302)와 일체로 형성된다. 본 예에서 전류는 샤프트(2302)에 걸쳐 로터(2301)의 외측 허브 주위에 배치되는 입력 전류 조립체(23031)를 통해 출력 전류 조립체(23032) 외부로 흐른다.
도 76은 도 75의 터빈을 통한 전류 전달을 도시한다. 도시된 바와 같이, 전류는 외측 전도성 디스크(2304)를 가로질러, 전도성 유체(2307)를 가로질러, 로터(2301)의 외측 림에 인가된다. 본 경우에 전도성 유체는 액체 금속이며, 로터의 외측 림과 직접 접촉한다. 물론, 로터 및 전도성 디스크의 결합은 회전식 유체 시일을 거쳐 이루어진다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 도시된 바와 같이, 전류는 로터의 림으로부터 허브로, 그리고 샤프트(2302)를 따라 출력 전류 전달 조립체(23032)로 흐른다. 볼 수 있는 바와 같이, 본 경우의 샤프트(2302)는 돌출부(2306)를 포함하며, 상기 돌출부는 이 돌출부와 외측 디스크(2308) 사이에 배치되는 전도성 유체(2307)와 연통한다. 돌출부(2306) 및 전도성 디스크(2308)는 로터 작동 동안 전도성 유체의 누설을 방지하기 위해 이들 사이에 로터 시일이 형성되도록 배열된다.
솔레노이드에 의해 생성되는 자기장의 거동에 대한 자기장 도표가 도 77에 도시되어 있다. 볼 수 있는 바와 같이, 포위된 영역(2309)은 자기장이 주 코일 조립체의 자기장 강도의 10% 미만인 무효화 영역을 강조하여 도시한다.
도 75 및 도 76에 도시된 터빈 구성의 중요한 관찰점 중 하나는 단일 로터에 전력을 제공하도록 솔레노이드 조립체의 형상이 최적화될 수 있다는 점이다. 벡터 필드 오페라(3d)에서의 전자기장 거동의 모델링은 전술한 터빈에 대해 보다 최적화된 코일 형상은 유효 솔레노이드 길이를 감소시키는 반면 코일 조립체의 권취 수를 증가시킴을 보여준다. 이러한 방식으로, 초전도 와이어의 양에 있어서의 약간의 감소 및 터빈의 필요 체적에 있어서의 현저한 감소가 이용될 수 있다.
변경된 코일 치수를 갖는 터빈의 버전이 도 78의 하부에 도시되어 있다. 전술한 예들에서와 같이, 솔레노이드(2300)는 사이에 간극을 두고 2개의 솔레노이드(23001, 23002)로 분할되었다. 간극 내부에는 로터(2301)가 배치된다. 이 특정 예에서, 로터는 샤프트(2302)와 일체로 형성된다. 이 예에서 전류는 로터(2301)의 외측 허브 주변에 배치되는 입력 전류 조립체(23031)를 통해 샤프트(2302)를 가로질러, 그리고 출력 전류 조립체(23032) 외부로 흐른다. 이 경우에, 솔레노이드의 두께는 현저하게 감소된다.
전술한 예에서와 같이, 전류는 외측 전도성 디스크(2304)를 가로질러, 전도성 유체(2307)를 가로질러, 로터(2301)의 외측 림에 인가된다. 이어서, 전류는 로터의 림으로부터 허브로, 그리고 샤프트(2302)를 따라 전도성 디스크(2308)와 돌출부(2306)의 결합부를 거쳐 출력 전류 전달 조립체(23002)로 흐른다.
도 78의 변경된 코일 조립체의 자기장 도표가 도 79에 도시되어 있다. 다시, 포위된 영역은 자기장이 주 코일 조립체의 자기장 강도의 10% 미만인 무효화 영역(2309)을 도시한다.
도 80 및 도 81은 전술한 솔레노이드 배열체를 사용하는 터빈의 다른 예를 도시한다. 볼 수 있는 바와 같이, 터빈은 인력 상태로 배열된 3개의 솔레노이드(24011, 24012, 24013)를 포함한다. 이 구성에서, 로터(24021 및 24022)는 샤프트(24031, 24032)에 결합된다. 도시된 바와 같이, 샤프트(24032)는 터빈의 외측 측부 상에서 샤프트(24031)의 일부를 둘러싼다. 볼 수 있는 바와 같이, 샤프트(24031)는 로터(24022)의 중심을 통과한다. 본 예에서, 샤프트(24031)는 로터(24021)에 결합되는 전도성 섹션 및 제 2 로터(24022)를 통과하는 비전도성 또는 저전도성 섹션을 포함한다.
도 81은 도 80의 터빈을 통과하는 전류 흐름을 도시한다. 도시된 바와 같이, 전류는 입력 브러시(24041)의 일측부로부터 샤프트(24031)를 따라 제 1 로터(24021) 내로, 이어서 로터 상호연결 버스(2405)를 따라 제 2 로터(24022) 내로 진입한다. 이어서, 전류는 외측 역회전 샤프트(24032)를 따라 전류 출력 브러시(24042)로 이동한다. 상기 역회전 샤프트의 토크 출력을 균등하게 하기 위해, 전술한 토크 이퀄라이저 시스템이 사용될 수 있다. 이는 제 2 로터가 제 1 로터보다 짧은 유효 로터 작업 길이를 갖기 때문에 필요하다.
도 82는 도 80의 이중 간극형 솔레노이드에 대한 자기장 도표를 도시한다. 볼 수 있는 바와 같이, 이러한 유형의 솔레노이드의 특징들 중 하나는 액체 금속 브러시가 효과적으로 작동될 수 있는 자기장 무효화의 영역 또는 전자기장 무효부(2309)의 위치이다.
전술한 예에서와 같이, 코일 조립체의 형상은 터빈이 차지하는 체적량을 감소시키고 와이어 길이를 줄이기 위해 최적화될 수 있다. 도 82에서 볼 수 있는 바와 같이, 솔레노이드의 어느 하나의 단부에서의 코일은 자기장 무효화 영역(2600)을 내측 코일 간극의 중심으로 이동시키기 위해, 추가적으로 권취될 필요가 있다.
지금까지 제시된 설계는 로터의 총 개수의 감소에 초점을 맞추었지만, 복수의 로터 및 브러시 조립체에 대비하여 다수의 간극을 솔레노이드 코일 조립체 내에 설계하는 것도 여전히 가능하다. 다수의 로터를 감안한 하나의 가능한 설계가 이하에 개시된다. 코일 치수는 도 42와 관련하여 전술한 예에서 사용된 솔레노이드에 기초하게 되는데, 여기서 코일 내 솔레노이드의 내경은 340mm이다. 코일은 일련의 팬케이크 조립체로 분할된다. 이러한 분할은 2가지 효과를 갖는데, 첫째 분할된 팬케이크 사이 영역은 자기장 무효화 영역을 포함한다. 이 영역은 액체 금속 브러시에 대한 적합한 작동 환경을 제공할 수 있다. 둘째, 전체 솔레노이드 조립체는 오히려 헬름홀츠 코일처럼 거동하여, 솔레노이드의 작동 영역 내 자기장 균일성을 증가시킨다.
도 83에서 알 수 있는 바와 같이, 코일의 단부에서의 자기장 무효화 영역은 내측-코일 간극의 중심선으로부터 밀려나간다. 이는 이러한 코일 구성이 액체 브러시를 사용하는데 요구되는 무효 영역을 제공하지 않을 것이라는 것을 의미한다. 결과적으로, 팬케이크 또는 권취 횟수는 무효 영역이 실제로 브러시를 위해 사용될 수 있음을 보장하기 위해 조정될 수 있다.
자기장 무효부의 중심설정을 위해 조정되는 단부 코일을 갖는 5 영역 헬름홀츠 코일 조립체의 자기장 도표가 도 84에 제시된다. 자기장 도표는 농청색으로 자기장 무효화 영역을 도시한다. 본 특정 구성은 4중 팬케이크로 구성되는 외측 2개의 조립체를 갖는 4개의 내측 이중 팬케이크 코일의 집합을 사용한다. 외측 팬케이크 조립체의 이중화는 코일의 단부에서의 자기장 무효부를 코일 조립체들 사이의 외측 간극 중심에 더 가깝도록 이동시킨다.
도 83 및 도 84의 자기장 도표는 코일의 중심을 통과하는 평균 자기장이 2.5T인 상태에서, 340mm 내측 코일 직경 상의 20K에서의 작동을 상정한다. 4T 내지 5T의 평균 내부 자기장에서 이중 단부를 갖는 코일 설계를 도시하는 도 85 및 도 86이 준비되어 있다. 도 85 및 도 86의 도표는 시스템의 확장성을 예시한다. 도 85는 4개의 내측 조립체가 2개의 이중 팬케이크로 구성되는 반면, 2개의 외측 조립체가 4개의 이중 팬케이크 조립체로 구성되는 4T 조립체를 도시한다. 도 86은 5T에서의 작동을 위해 조정된 도 85의 동일 조립체를 도시한다.
팬케이크의 수를 두 배로 늘리는 것에 대한 일 대안으로서, 코일들 사이의 무효 영역의 위치를 제어 및 안내하기 위해, 단부 코일 상의 권취 횟수가 증가될 수 있다. 외측 코일이 중간 코일의 권취 횟수에 대해 증가된 일 예의 자기장 도표를 도 87에서 볼 수 있다.
도 87의 자기장 도표는 보어 내 목표 작동 자기장 평균이 2.5T인 일련의 6개의 이중 팬케이크 코일을 도시한다. 단부 코일의 권취 횟수를 증가시킴으로써, 무효 영역은 브러시 상의 요구되는 작동 영역에 적합하도록 이동될 수 있다. 위의 예에서, 외측 코일은 내측 4개의 이중 팬케이크 조립체가 갖는 246 권취/팬케이크에 대해 후지쿠라(Fujikura) 2G 와이어의 추가 130 권취/팬케이크를 갖는다. 이 포인트를 초과한 권취 횟수 증가는 사용된 와이어의 총량에 있어서의 현저한 증가에 대한 자기장 무효화 영역에 있어서의 제한적인 포지티브 변경을 야기한다.
유사한 도표가 추가적인 230 권취를 갖는 도 88에 도시되어 있으며, 보어 내 5T의 작동 자기장 평균에 대해 설계된다.
전술한 논의는 전도성 요소들 사이의 직렬 연결을 이용하는 터빈 배열체에 초점을 맞추었지만, 전도성 요소들 사이의 병렬 연결이 사용될 수 있다는 점이 당업자에 의해 당연히 이해될 것이다. 도 89는 병렬 연결을 사용하는 터빈(2500)의 하나의 가능한 배열을 도시한다. 도시된 바와 같이, 본 경우의 터빈(2500)은 샤프트(2503) 상에 장착되는 복수의 로터(25021, 25022, 25023, 25024, 25025, 25026)를 수용하는 솔레노이드(2501)를 포함한다. 버스 바(2504)는 로터(25021, 25022, 25023, 25024, 25025, 25026)를 병렬로 결합하기 위해 제공된다.
도 90은 도 89의 터빈(2500)을 통과하는 전류 흐름을 예시한다. 도시된 바와 같이, 버스 바(2504)는 로터 조립체 내 로터(25021, 25022, 25023, 25024, 25025, 25026)의 외경 위에 설치된다. 버스 바(2504)는 고정적이고, 금속 섬유 또는 액체 금속 브러시 조립체를 포함한다. 전류는 버스 바(2504)를 통해 흐르고, 총 병렬 전달은 6개의 로터들 사이에서 분할된다. 이어서, 전류는 샤프트(2503)를 통해 전류 출력 조립체(2506)의 콜렉터 조립체(2505) 외부로 흐른다. 이 설계의 저항성 재료 손실을 최소화하기 위해, 전류 버스 바 및 출력 샤프트는 충분한 크기를 갖는다.
회전 축선에 따른 자기장의 균질성은 먼저, 축선(B) 자기장의 균질성의 결핍은 외측 로터에서 발전한 토크의 강하를 야기하기 때문에, 그리고 둘째로 솔레노이드의 단부에 인접하여 자기장 방향으로 발생하는 편차는 브러시의 수명에 영향을 미치기 때문에 중요하다. 자기장의 균질성에 영향을 미치는 몇몇 설계 인자가 존재하는데, 이들은 소정의 작업 직경에 대해 바람직한 코일 종횡비를 유지하는 것을 포함한다. 일반적으로, 스퀘어 또는 오버-스퀘어(over-square) 풀 솔레노이드 디자인이 고도의 균질성을 야기한다. 즉, 솔레노이드 조립체의 길이는 개별 코일의 직경과 동일하거나 더 길다. 헬름홀츠형 코일 조립체 또는 일련의 간극을 포함하는 코일 조립체는 단일의 간단한 솔레노이드보다 솔레노이드 조립체의 중간 보어에 있어 보다 높은 레벨의 자기장 균질성을 생성할 수 있다. 균질성에 있어서의 이러한 증가에 대한 대가로서 동일한 작업 자기장에 대해 와이어 길이를 증가시킨다.
전술한 실시예들은 단지 본 발명을 예증하기 위해 제공된 것으로, 관련 분야의 숙련자들에게 명백한 바와 같이, 본 명세서에 기술된 본 발명의 넓은 범위 및 영역 내에 상기 실시예들에 대한 추가적인 변형 및 개선이 포함되리라는 것이 이해되어야 한다.
Claims (98)
- 터빈에 있어서,
자기장의 발생을 위한 적어도 하나의 초전도 코일; 및
상기 초전도 코일 내에 위치되는 샤프트에 장착되는 적어도 하나의 로터를 포함하고,
상기 터빈을 통해 전류를 인가함으로써, 샤프트 및 로터가 기계적 일을 생산하게 되는
터빈. - 터빈에 있어서,
자기장의 발생을 위한 복수의 초전도 코일을 포함하는 몸체;
상기 몸체 내에 위치되고, 적어도 하나의 로터가 장착되는 제 1 샤프트; 및
상기 복수의 초전도 코일에 인접하여 위치되고, 상기 적어도 하나의 로터에 전기적으로 결합되어 상기 터빈에 걸쳐 직렬 회로를 형성하는 제 2 샤프트를 포함하고,
상기 직렬 회로를 통해 전류를 인가함으로써, 제 1 샤프트 및 로터가 기계적 일을 생산하게 되는
터빈. - 제 2 항에 있어서,
상기 로터는 허브를 포함하고, 상기 허브는 이 허브를 중심으로 반경방향으로 이격되어 있는 일련의 아암을 거쳐 림에 연결되는
터빈. - 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 로터는 상기 제 2 샤프트에 장착된 전도성 링과 상기 로터의 외주 상에 형성된 전도성 스트립과의 접촉에 의해 상기 제 2 샤프트에 전기적으로 결합되는
터빈. - 제 4 항에 있어서,
상기 전도성 스트립은 연속적인 금속 섬유 브러시로 형성되는
터빈. - 제 4 항에 있어서,
상기 전도성 스트립은 일련의 중첩 박(overlapping leaf)으로 형성되고, 각각의 박은 연속적인 금속 섬유 브러시로 형성되는
터빈. - 제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 로터는 상기 제 2 샤프트에 기계적으로 결합되는
터빈. - 제 7 항에 있어서,
상기 로터는 상기 제 2 샤프트 상에 배치되는 상보적 기어와 연동하는 기어를 포함하는
터빈. - 제 8 항에 있어서,
상기 기어는 상기 로터와 일체로 형성되는
터빈. - 제 2 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 로터는 구리로 형성되는
터빈. - 제 2 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 로터는 비-전도성 재료로 형성되는
터빈. - 제 11 항에 있어서,
상기 로터는 상기 로터를 상기 제 2 샤프트에 전기적으로 결합하기 위해 전도성 재료로 코팅되는
터빈. - 제 2 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코일은 12mm 폭의 고온 초전도 테이프를 100번 감아 형성되는
터빈. - 제 13 항에 있어서,
상기 코일은 150mm의 내부 반경을 갖는
터빈. - 제 14 항에 있어서,
상기 코일은 기다란 솔레노이드를 형성하도록 연결되는
터빈. - 제 2 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코일은 1T 내지 2T의 자기장을 생성하는
터빈. - 제 2 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코일은 3T 내지 5T의 자기장을 생성하는
터빈. - 제 2 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코일은 1.3T 내지 1.5T의 최대 자기장(peak magnetic field)을 생성하는
터빈. - 터빈에 있어서,
제 1 자기장의 발생을 위한 제 1 일련의 초전도 코일;
상기 제 1 일련의 초전도 코일 내에 위치되고, 제 1 일련의 로터가 장착되는 제 1 샤프트;
상기 제 1 일련의 코일에 인접하여 위치되는, 제 2 자기장의 발생을 위한 제 2 일련의 초전도 코일; 및
상기 제 2 일련의 초전도 코일 내에 위치되고, 상기 제 1 일련의 로터에 전기적으로 결합되는 제 2 일련의 로터가 장착되어 상기 터빈에 걸쳐 직렬 회로를 제공하는 제 2 샤프트를 포함하고,
상기 직렬 회로를 통해 전류를 인가함으로써, 샤프트들 및 이들 각각의 일련의 로터가 기계적 일을 생산하게 되는
터빈. - 제 19 항에 있어서,
각각의 로터는 허브를 포함하고, 상기 허브는 이 허브를 중심으로 반경방향으로 이격되어 있는 일련의 아암을 거쳐 림에 연결되는
터빈. - 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
상기 제 1 일련의 로터에 있어서의 각각의 로터는 상기 제 2 일련의 로터에 있어서의 각각의 로터의 외주 상에 형성된 전도성 링과 상기 제 1 일련의 로터에 있어서의 각각의 로터의 외주 상에 형성된 전도성 스트립과의 접촉에 의해 상기 제 2 일련의 로터에 있어서의 인접 로터에 전기적으로 결합되는
터빈. - 제 21 항에 있어서,
상기 전도성 스트립은 연속적인 금속 섬유 브러시로 형성되는
터빈. - 제 21 항에 있어서,
상기 전도성 스트립은 일련의 중첩 박으로 형성되고, 각각의 박은 연속적인 금속 섬유 브러시로 형성되는
터빈. - 제 19 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 일련의 로터에 있어서의 각각의 로터는 상기 제 2 일련의 로터에 있어서의 인접 로터에 기계적으로 결합되는
터빈. - 제 24 항에 있어서,
상기 제 1 일련의 로터에 있어서의 각각의 로터는 상기 제 2 일련의 로터에 있어서의 인접 로터 상에 배치되는 상보적 기어와 연동하는 기어를 포함하는
터빈. - 제 25 항에 있어서,
상기 기어는 로터와 일체로 형성되는
터빈. - 제 19 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 일련의 로터에 있어서의 교번 로터(alternate rotor)들은 제 1 샤프트와 제 2 샤프트 사이에서 연장되는 일련의 버스 바(bus bar)에 의해 전기적으로 결합되는
터빈. - 제 19 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 일련의 로터에 있어서의 각각의 로터는 구리로 형성되는
터빈. - 제 19 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 일련의 로터에 있어서의 각각의 로터는 비-전도성 재료로 형성되는
터빈. - 제 29 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 일련의 로터에 있어서의 로터는 상기 제 1 및 제 2 일련의 로터에 있어서의 인접 로터들 사이에 전기적 결합을 허용하기 위해 전도성 재료로 코팅되는
터빈. - 제 30 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 일련의 로터에 있어서의 교번 로터는 제 1 샤프트와 제 2 샤프트 사이에서 연장되는 일련의 버스 바에 의해 전기적으로 결합되는
터빈. - 제 19 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코일은 12mm 폭의 고온 초전도 테이프를 100번 감아 형성되는
터빈. - 제 32 항에 있어서,
상기 코일은 150mm의 내부 반경을 갖는
터빈. - 제 32 항 또는 제 33 항에 있어서,
상기 코일은 기다란 솔레노이드를 형성하도록 연결되는
터빈. - 제 19 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코일은 1T 내지 2T의 자기장을 생성하는
터빈. - 제 19 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코일은 3T 내지 5T의 자기장을 생성하는
터빈. - 제 19 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코일은 1.3T 내지 1.5T의 최대 자기장을 생성하는
터빈. - 터빈에 있어서,
자기장의 발생을 위한 제 1 일련의 초전도 코일;
상기 제 1 일련의 초전도 코일 내에 위치되고, 제 1 일련의 로터가 장착되는 제 1 샤프트; 및
상기 제 1 일련의 초전도 코일 내에 위치되고, 상기 제 1 일련의 로터에 전기적으로 결합되는 제 2 일련의 로터가 장착되어 상기 터빈에 걸쳐 직렬 회로를 제공하는 제 2 샤프트를 포함하고,
상기 직렬 회로를 통해 전류를 인가함으로써, 샤프트들 및 이들 각각의 일련의 로터가 기계적 일을 생산하게 되는
터빈. - 제 38 항에 있어서,
각각의 로터는 허브를 포함하고, 상기 허브는 이 허브를 중심으로 반경방향으로 이격되어 있는 일련의 아암을 거쳐 림에 연결되는
터빈. - 제 38 항 또는 제 39 항에 있어서,
상기 제 1 일련의 로터에 있어서의 각각의 로터는 상기 제 2 일련의 로터에 있어서의 각각의 로터의 외주 상에 형성된 전도성 링과 상기 제 1 일련의 로터에 있어서의 각각의 로터의 외주 상에 형성된 전도성 스트립과의 접촉에 의해 상기 제 2 일련의 로터에 있어서의 인접 로터에 전기적으로 결합되는
터빈. - 제 40 항에 있어서,
상기 전도성 스트립은 연속적인 금속 섬유 브러시로 형성되는
터빈. - 제 40 항에 있어서,
상기 전도성 스트립은 일련의 중첩 박으로 형성되고, 각각의 박은 연속적인 금속 섬유 브러시로 형성되는
터빈. - 제 38 항 내지 제 42 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 일련의 로터에 있어서의 각각의 로터는 상기 제 2 일련의 로터에 있어서의 인접 로터에 기계적으로 결합되는
터빈. - 제 43 항에 있어서,
상기 제 1 일련의 로터에 있어서의 각각의 로터는 상기 제 2 일련의 로터에 있어서의 인접 로터 상에 배치되는 상보적 기어와 연동하는 기어를 포함하는
터빈. - 제 44 항에 있어서,
상기 기어는 로터와 일체로 형성되는
터빈. - 제 38 항 내지 제 45 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 일련의 로터에 있어서의 교번 로터들은 제 1 샤프트와 제 2 샤프트 사이에서 연장되는 일련의 버스 바에 의해 전기적으로 결합되는
터빈. - 제 38 항 내지 제 46 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 일련의 로터에 있어서의 각각의 로터는 구리로 형성되는
터빈. - 제 38 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 일련의 로터에 있어서의 각각의 로터는 비-전도성 재료로 형성되는
터빈. - 제 48 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 일련의 로터에 있어서의 로터는 상기 제 1 및 제 2 일련의 로터에 있어서의 인접 로터들 사이에 전기적 결합을 허용하기 위해 전도성 재료로 코팅되는
터빈. - 제 49 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 일련의 로터에 있어서의 교번 로터는 제 1 샤프트와 제 2 샤프트 사이에서 연장되는 일련의 버스 바에 의해 전기적으로 결합되는
터빈. - 제 38 항 내지 제 50 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코일은 12mm 폭의 고온 초전도 테이프를 100번 감아 형성되는
터빈. - 제 51 항에 있어서,
상기 코일은 150mm의 내부 반경을 갖는
터빈. - 제 51 항 또는 제 52 항에 있어서,
상기 코일은 기다란 솔레노이드를 형성하도록 연결되는
터빈. - 제 38 항 내지 제 53 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코일은 1T 내지 2T의 자기장을 생성하는
터빈. - 제 38 항 내지 제 53 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코일은 3T 내지 5T의 자기장을 생성하는
터빈. - 제 38 항 내지 제 53 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코일은 1.3T 내지 1.5T의 최대 자기장을 생성하는
터빈. - 터빈에 있어서,
자기장의 발생을 위한 초전도 재료의 코일;
상기 코일을 드나드는 자기장을 전향시키기 위해 상기 코일의 양쪽 단부에 배치되는 제 1 및 제 2 플럭스(flux) 가이드; 및
상기 초전도 코일 내에 위치되는 샤프트에 장착되는 적어도 하나의 로터를 포함하고,
직렬 회로를 통해 전류를 인가함으로써, 샤프트들 및 이들 각각의 일련의 로터가 기계적 일을 생산하게 되는
터빈. - 제 57 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 플럭스 가이드는 상기 코일의 단부들에 실질적으로 평행한 자기장을 안내하는
터빈. - 터빈에 있어서,
자기장의 발생을 위한 초전도 재료의 코일;
상기 코일을 드나드는 자기장을 전향시키기 위해 상기 코일의 양쪽 단부에 배치되는 제 1 및 제 2 플럭스 가이드; 및
상기 초전도 코일 내에 위치되는 샤프트에 장착되고, 하나 이상의 전기역학적 요소(electrodynamic element)를 추가로 포함하는 적어도 하나의 로터를 포함하고,
직렬 회로를 통해 전류를 인가함으로써, 샤프트들 및 이들 각각의 일련의 로터가 기계적 일을 생산하게 되는
터빈. - 제 59 항에 있어서,
상기 전기역학적 요소는 상기 로터의 외측 표면 상에 배치되는 고온 초전도 재료의 형태인
터빈. - 제 60 항에 있어서,
상기 고온 초전도 재료는 고온 초전도 테이프인
터빈. - 제 59 항 또는 제 60 항에 있어서,
상기 터빈은 상기 코일을 드나드는 자기장을 전향시키기 위해 상기 코일의 양쪽 단부에 배치되는 제 1 및 제 2 플럭스 가이드를 추가로 포함하는
터빈. - 터빈에 있어서,
자기장의 발생을 위한 초전도 재료의 코일;
상기 코일을 드나드는 자기장을 전향시키기 위해 상기 코일의 양쪽 단부에 배치되는 제 1 및 제 2 플럭스 가이드; 및
상기 초전도 코일 내에 위치되는 샤프트에 장착되고, 전기역학적 요소를 추가로 포함하는 적어도 하나의 로터를 포함하고,
직렬 회로를 통해 전류를 인가함으로써, 상기 샤프트들 및 이들 각각의 일련의 로터가 기계적 일을 생산하게 되는
터빈. - 제 2 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 로터는 전기역학적 요소를 포함하는
터빈. - 제 64 항에 있어서,
상기 전기역학적 요소는 각각의 로터의 외측 표면 상에 배치되는 고온 초전도 재료의 형태인
터빈. - 제 19 항 내지 제 37 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 일련의 로터에 있어서의 각각의 로터는 전기역학적 요소를 포함하는
터빈. - 제 66 항에 있어서,
상기 전기역학적 요소는 상기 로터의 외측 표면 상에 배치되는 고온 초전도 재료의 형태인
터빈. - 제 38 항 내지 제 56 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 일련의 로터에 있어서의 각각의 로터는 하나 이상의 전기역학적 요소를 포함하는
터빈. - 제 68 항에 있어서,
상기 전기역학적 요소는 각각의 로터의 외측 표면 상에 배치되는 고온 초전도 재료의 형태인
터빈. - 제 2 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코일을 드나드는 자기장을 전향시키기 위해 상기 코일의 양쪽 단부에 배치되는 제 1 및 제 2 플럭스 가이드를 추가로 포함하는
터빈. - 제 19 항 내지 제 37 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 일련의 초전도 코일의 양쪽 단부에 배치되는 제 1 플럭스 가이드 쌍 및 상기 제 2 일련의 초전도 코일의 양쪽 단부에 배치되는 제 2 플럭스 가이드 쌍을 추가로 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 플럭스 가이드 쌍은 상기 코일을 드나드는 자기장을 전향시키는
터빈. - 제 38 항 내지 제 56 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코일을 드나드는 자기장을 전향시키기 위해 상기 코일의 양쪽 단부에 배치되는 제 1 및 제 2 플럭스 가이드를 추가로 포함하는
터빈. - 모터에 있어서,
하우징; 및
상기 하우징 내에 장착되는 구동 조립체를 포함하고,
상기 구동 조립체는,
극저온 인벨롭(cryogenic envelope)이 내부에 배치되어 있는 극저온 몸체;
상기 극저온 몸체 내에서 상기 극저온 인벨롭 외부에 위치되고, 구동 샤프트 상에 배치되는 하나 이상의 로터를 포함하는 로터 조립체로서, 상기 하나 이상의 로터는 상기 로터 조립체에 걸쳐 직렬 회로를 형성하도록 배열되는, 상기 로터 조립체; 및
상기 극저온 인벨롭 내에 유지되는, 자기장의 생성을 위한 적어도 하나의 초전도 코일을 포함하고,
상기 직렬 회로를 통해 전류를 인가함으로써, 상기 하나 이상의 로터 및 상기 샤프트가 기계적 일을 생산하게 되는
모터. - 제 73 항에 있어서,
로터들 사이의 직렬 연결은 인접 로터들 사이에 배치되는 일련의 전류 전달 기구에 의해 촉진되는
모터. - 제 74 항에 있어서,
상기 전류 전달 기구는 각각의 로터 사이에 위치되는 고정 디스크의 형태이며, 각각의 디스크는 제 1 일련의 전도성 브러시 및 제 2 일련의 전도성 브러시를 포함하고, 상기 제 1 일련의 전도성 브러시에 있어서의 각각의 브러시는 상기 제 2 일련의 전도성 브러시에 있어서의 브러시와 쌍을 이루며, 상기 제 1 일련의 전도성 브러시는 로터의 허브와 접촉하고, 상기 제 2 일련의 전도성 브러시는 인접 로터의 림과 접촉하는
모터. - 제 73 항 내지 제 75 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 로터는 구동 샤프트의 비-전도성 부분 상에 위치되고, 상기 비-전도성 부분은 구동 샤프트의 전도성 부분들 사이에 결합되는
모터. - 제 76 항에 있어서,
적어도 하나의 로터 및 적어도 하나의 전류 전달 기구가 구동 샤프트의 전도성 부분에 결합되는
모터. - 제 77 항에 있어서,
전류가 일련의 전도성 브러시를 거쳐 구동 샤프트의 전도성 부분에 인가되는
모터. - 제 76 항 내지 제 78 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구동 샤프트의 비-전도성 부분은, 각각 로터 및 전류 전달 기구를 지지하는 일련의 비-전도성 교합(interlocking) 요소로 형성되는
모터. - 제 73 항 내지 제 79 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구동 샤프트는 보강 로드의 수용을 위해 중공형인
모터. - 제 73 항 내지 제 80 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 극저온 인벨롭은 하우징 상에 장착되는 극저온-냉각기에 결합되는
모터. - 제 81 항에 있어서,
상기 극저온-냉각기는 펄스 튜브 극저온-냉각기(Pulse Tube cryo-cooler)인
모터. - 제 81 항에 있어서,
상기 극저온-냉각기는 상기 극저온 인벨롭 내에서 20K의 작동 온도를 생성하도록 크기설정되는
모터. - 제 83 항에 있어서,
상기 극저온 인벨롭은 복수의 구리 핑거를 포함하고, 상기 구리 핑거는 상기 초전도 코일로부터 멀리 떨어져 전도성 열 분포 경로를 형성하는
모터. - 제 73 항 내지 제 84 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하우징은 상기 로터 조립체 및 극저온 몸체를 하우징 내부에 캡슐화하기 위해 단부 캡을 포함하는
모터. - 제 85 항에 있어서,
상기 단부 캡은 플럭스 가이드로서 작용하는 복수의 플레이트를 포함하는
모터. - 제 86 항에 있어서,
상기 플레이트의 개수는 결과적인 플럭스 가이드의 크기를 변동시키기 위해 변동될 수 있는
모터. - 제 73 항 내지 제 87 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 모터는 상기 하우징의 양쪽 단부에 배치되는 제 2 하우징을 추가로 포함하는
모터. - 제 88 항에 있어서,
상기 제 2 하우징은 구동 샤프트의 전도성 부분을 둘러싸는
모터. - 제 88 항 또는 제 89 항에 있어서,
상기 제 2 하우징은 공기가 상기 하우징을 통과하도록 안내하는 냉각 어레이를 포함하는
모터. - 제 73 항 내지 제 90 항 중 어느 한 항에 있어서,
전류는 로터의 림으로부터 상기 모터를 통해 인접 로터의 허브로 안내되는
모터. - 제 73 항 내지 제 85 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초전도 코일은 MgB2 와이어로 구성되는
모터. - 제 92 항에 있어서,
상기 모터는 상기 하우징의 양쪽 단부에 배치되는 플럭스 가이드를 추가로 포함하고, 상기 플럭스 가이드는 MgB2 와이어로 구성되는 초전도 코일인
모터. - 제 73 항 내지 제 93 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 모터는 자기장의 생성을 위한 복수의 초전도 코일을 포함하는
모터. - 제 94 항에 있어서,
상기 복수의 초전도 코일은 무효 자기장(null magnetic field)의 생성 영역에 배열되고, 상기 브러시는 이 무효 영역(null region) 내에 위치되는
모터. - 모터에 있어서,
하우징;
상기 하우징 내에 장착되는 구동 조립체로서, 상기 구동 조립체는,
극저온 인벨롭이 내부에 배치되어 있는 극저온 몸체;
상기 극저온 몸체 내에서 상기 극저온 인벨롭 외부에 위치되고, 구동 샤프트 상에 배치되는 하나 이상의 로터를 포함하는 로터 조립체; 및
상기 극저온 인벨롭 내에 유지되는, 자기장의 생성을 위한 적어도 하나의 초전도 코일을 포함하는, 상기 구동 조립체; 및
상기 모터에 걸쳐 병렬 회로를 형성하도록 로터들을 서로 결합시키는 전류 전달 기구를 포함하고,
상기 병렬 회로를 통해 전류를 인가함으로써, 상기 하나 이상의 로터 및 상기 샤프트가 기계적 일을 생산하게 되는
모터. - 제 96 항에 있어서,
상기 모터는 자기장의 생성을 위한 복수의 초전도 코일을 포함하는
모터. - 제 97 항에 있어서,
상기 복수의 초전도 코일은 무효 자기장의 생성 영역에 배열되고, 상기 전류 전달 기구의 적어도 일부는 무효 자기장의 생성 영역 내에 유지되는
모터.
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