KR100285600B1 - 댐핑 요소가 부착된 초전도 한류기기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기 코어에 자기저항이 큰 레그(leg)와 댐핑 요소(damping element)를 추가 설치하여 사고 전류(fault current)에 의해 과도하게 생성되는 자속을 일부 상쇄시켜 상기 자기 코어가 쉽게 포화되는 것을 방지함으로써, 사고 전류의 크기를 제한하게 되는 댐핑 요소가 부착된 초전도 한류기기(superconducting current limiting device with a damping element)에 관한 기술이다. 본 발명에 의한 초전도 한류기기를 사용함으로써 한류기기의 전류 제한 특성을 향상시킬 수 있다.

Description

댐핑 요소가 부착된 초전도 한류기기

본 발명은 한류기기(current limiting device)에 관한 것으로, 특히 자기저항이 큰 물질로 채워진 갭(gap)을 구비한 레그(leg)와 댐핑 요소(damping element)를 포함하는 자기 코어(magnetic core)를 이용함으로써 전류 제한 특성을 향상시킨 초전도 한류기기(superconducting current limiting device)에 관한 것이다.

일반적으로, 대부분의 전기 기기는 갑작스런 부하 임피던스(load impedance)의 변화나 단락사고전류(short circuited fault current)의 증가로 인해 발생되는 과전류(excessive current)로부터 회로를 보호하기 위하여 감열식 퓨즈(thermal fuse)나 차단기(circuit breaker)와 같은 보호 수단을 구비하고 있다. 그러나, 일정한 전류 레벨에서 전기 기기를 단락시키는 감열식 퓨즈나 차단기는 그 동작 속도가 느리므로 과도현상과 같이 극히 짧은 변화에 대응하지 못하는 단점이 있다.

따라서, 상기의 단점을 극복하기 위하여 상기 퓨즈나 차단기와 함께 사용되는 다양한 한류기기가 제안되었는데, 그 중의 하나가 초전도체의 자속 상쇄 효과(magnetic flux cancellation effect)를 이용하는 초전도 한류기기이다.

이하, 도 1을 참조하여 단락된 초전도체(100)의 자속 상쇄 효과를 설명한다.

임계값 이하의 전류 I를 초전도체(100)의 내부에 유도할 수 있는 자기장(magnetic field) H가 존재하면, 초전도체(100)는 초전도 상태(superconducting state)를 유지하게 된다. 이에 따라, 초전도체(100) 내에는 전류 I에 의해 자기장 H를 상쇄시키는 방향으로 역(reverse) 자기장 -H가 생성된다. 그 결과, 초전도체(100)에 링크(link)된 자기장 H는 역 자기장 -H에 의해 상쇄된다.

반면에, 임계값을 초과하는 전류를 초전도체(100)의 내부에 유도할 수 있는 자기장 H가 존재하면 초전도체(100)는 파괴되어 저항 상태(resistive state)로 전이하게 되고, 초전도 상태에서 저항 상태로의 전이는 역 자기장 -H를 절대적으로 약화시켜 초전도체(100)의 자속 상쇄 특성을 상실케 한다. 그 결과, 초전도체(100)에 링크된 자기장 H는 역 자기장 -H에 의해 상쇄되지 못하고 잔류하게 된다.

도 2에는 초전도체의 자속 상쇄 효과를 이용하는 종래의 초전도 한류기기(10)를 구비한 전기 기기(5)의 예가 도시되어 있다. 초전도 한류기기(10)는 주 권선(primary winding)(110)과, 초전도 요소(superconductive element)(120)와, 포화성(saturable) 자기 코어(130)를 포함하고 있다. 상기 주 권선(110)은 단자 (A)와 (B)를 통해 외부 회로(20)와 연결되어 초전도 한류기기(10)를 전기적으로 외부 회로(20)에 연결시키며, 상기 외부 회로(20)는 전압원(Vs)와 부하 저항(RL)을 포함하고 있다. 예시적으로 도시된 도면 상의 주 권선(110)은 도전성 코일(conductive coil)의 형태이고, 초전도 요소(120)는 초전도 링(ring) 형태이다.

전기 기기(5)에서, 전압원(Vs)과 전기 기기(5)의 전체 임피던스에 의해 결정된 회로 전류는 부하 저항(RL)과 주 권선(110)을 통해 흐른다. 상기 전체 임피던스는 주로 부하 저항(RL)과 초전도 한류기기(10)에 기인한 추가 임피던스에 의해 정해진다.

이하, 도 2에 도시된 전기 기기(5)의 동작을 도 3을 참조하여 설명한다.

정상 상태(normal condition)에서, 도 3에 도시된 전이점(P)이하의 정상 전류(normal current)가 주 권선(110)을 통해 흐르면, 초전도 요소(120)는 초전도 상태를 유지한다. 그러므로, 도 1을 통해 설명한 바와 같이, 초전도 요소(120)에 의해 생성된 역 자속(reverse magnetic flux)은 주 권선(110)에 의해 생성된 자속을 상쇄시키고, 이는 주 권선(110)의 인덕턴스(inductance)를 거의 제로(zero)로 만든다. 그 결과, 초전도 한류기기(10)의 임피던스는 그 내부의 누설 인덕턴스와 주 권선(110)의 저항에 의해서만 결정되기 때문에 초전도 한류기기(10)에 기인한 추가 임피던스가 매우 작아져서 전기 기기(5)의 전체 임피던스에 거의 영향을 미치지 못하므로 소정 레벨의 정상 전류가 전기 기기(5)를 통해 흐르게 된다.

반면에, 사고 상태(fault condition)에서는 예를 들어, 갑작스런 부하 임피던스의 변화나 단락사고전류의 증가로 인해 도 3에 도시된 전이점(P)이상의 사고 전류(fault current)가 주 권선(110)으로 공급되면, 사고 전류에 의해 주 권선(110) 주위로 자속이 생성되어 초전도 요소(120) 내에 임계값 이상의 전류를 유도하기 때문에 초전도 요소(120)는 초전도 상태에서 저항 상태로 전이하게 된다. 그러므로, 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 주 권선(110)에 의해 생성된 자속은 초전도 요소(120)에 의해 생성된 역 자속에 의해 상쇄되지 못한다. 따라서, 초전도 요소(120)가 초전도 상태에서 저항 상태로 전이하게 되면, 결과적으로 생성된 총(net)자속이 증가하여 단자(A)와 (B)간의 인덕턴스를 갑자기 증가시키므로 초전도 한류기기(10)의 임피던스 또한 증가한다. 그에 따라, 전기 기기(5)의 전체 임피던스가 갑자기 증가하여 전기 기기(5)를 통해 흐르는 사고 전류의 크기를 제한하게 된다.

그러나, 도 3에 도시된 바와 같이, 자기 코어(130)가 포화점(Q)에 근접하게 되어 초전도 한류기기(10)에 의해 발생한 임피던스 변화에 의해 사고 전류가 제한되지 못하면, 주 권선(110)의 인덕턴스는 그 크기가 상당히 작아지고 초전도 한류기기(10)에 의한 추가 임피던스도 작아진다. 그 결과, 자기 코어(130)가 결국 포화되면, 제한되지 못한 큰 사고 전류가 외부 회로(20)를 통해 흐르게 되어 외부 회로(20)는 손상을 입게 된다.

상기한 포화 문제를 해결하기 위하여 큰 전류에도 견딜 수 있는 초전도 한류기기(10)를 설계할 수는 있으나, 이는 한류기기(10) 내의 각 요소 특히, 자기 코어의 단면적을 크게 하거나 주 권선의 권선수를 증가시키게 되어 한류기기(10)의 제조 비용을 증가시키는 단점이 있다.

따라서, 상기한 문제를 극복하기 위하여, 상기 한류기기(10)에 추가로 공극(air gap)을 구비한 레그와 댐핑 요소 즉, 단락된 도체 또는 초전도체를 포함하는 자기 코어를 이용한 초전도 한류기기가 제안되었으며, 이는 본 출원과 함께 계류 중인 1996년 8월 16일자 출원된 한국 특허출원 제 96-33880 호에 ″공극(Air Gap)을 도입한 초전도 한류기 및 철심구조″라는 명칭으로 개시되어 있다. 그러나, 상기 특허출원에 개시된 바와 같이 공극을 구비한 레그를 포함하는 자기 코어를 형성하게 되면, 공극이 포함된 레그에서의 기계적 강도가 감소하여 자기 코어가 충격에 취약한 단점을 안게 되고, 자기저항이 공극의 크기에 의존하므로 주 철심과의 자기저항 비율을 조절하기가 어려워질 뿐만 아니라, 공극 주위로 댐핑 요소를 설치하는데 있어서도 어려움이 따르게 된다.

본 발명은 자기 코어의 단면적을 증가시키거나 공극을 사용하지 않고도 자기 코어의 포화 문제를 해결할 수 있도록 하기 위하여, 자기저항이 큰 레그와 이에 설치된 댐핑 요소를 포함하는 자기 코어를 구비한 초전도 한류기기를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 초전도 한류기기는 포화 상태와 비포화 상태를 갖는 자기적으로 포화가능한 코어와, 상기 코어를 전기적으로 상기 전기 회로에 연결시키며 내부로 전류를 통과시켜 상기 코어에 자속이 생성되도록 하는 입력 코일을 포함하는데, 상기 코어는 상기에서 생성된 자속을 통과시키는 주 경로와 적어도 두 개의 자기 경로를 구비하고 있으며, 상기 두 개의 자기 경로 중의 제 1 자기 경로는 상기 자속의 제 1 부분을 통과시키고, 제 2 자기 경로는 상기 자속의 제 2 부분을 통과시키고 댐핑 요소를 구비하고 있으며, 상기 댐핑 요소는 상기 제 2 부분의 자속 일부 또는 전체를 상쇄시켜 상기 코어가 포화되는 것을 방지한다.

본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 다음에 설명하는 본 발명의 바람직한 실시예들로부터 더욱 명확해 질 것이다.

도 1은 초전도체의 자속 상쇄 효과를 설명하기 위한 도면,

도 2는 종래의 초전도 한류기기를 적용시킨 전기 기기를 도시한 도면,

도 3은 초전도 한류기기 내의 자기 코어의 자화곡선을 나타낸 도면,

도 4는 본 발명의 제 1 실시 예에 의한 초전도 한류기기의 구성도,

도 5는 본 발명의 제 2 실시 예에 의한 초전도 한류기기의 구성도,

도 6은 본 발명의 제 3 실시 예에 의한 초전도 한류기기의 구성도,

도 7은 본 발명에 의한 인덕터의 구성도,

도 8은 본 발명에 의한 변압기의 구성도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

5 : 전기 기기 10, 10A, 10B, 10C : 초전도 한류기기

20, 70 : 외부 회로 50, 60, 61, 76, 88, 130 : 자기 코어

52, 72, 110 : 주 권선 54, 120 : 초전도 요소

55, 65 : 갭 56, 63, 66, 74, 84 : 댐핑 요소

57 : 제 2 폐자로 58A, 62A, 78A, 83A : 제 1 자기 레그

58B, 62B, 78B, 83B : 제 2 자기 레그

58C, 62C, 78C, 83C : 제 3 자기 레그

58D : 상부 요크 58E : 하부 요크

59 : 제 1 폐자로 75 : 인덕터

80 : 전원측 회로 81 : 부하측 회로

82 : 1차 권선 85 : 변압기

86 : 2차 권선 100 : 초전도체

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 초전도 한류기기를 상세히 설명한다.

도 4 내지 6에는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 초전도 한류기기가 도시되어 있다.

도 4에는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 초전도 한류기기(10A)가 도시되어 있다.

초전도 한류기기(10A)는 두 개의 긴 부재(elongated member)(또는 요크(yoke)) 예를 들어, 상부 요크(58D)와 하부 요크(58E) 사이에 연결된 다수개, 예를 들어, 3개의 자기 브랜치 요소(magnetic branch element)(또는 레그(leg)) 예를 들어, 제 1 내지 제 3 자기 레그(58A 내지 58C)를 구비한 자기 코어(50)를 포함하고 있다. 자기 코어(50)는 포화 상태와 비포화 상태를 갖는 자기적으로 포화가능한 어떠한 물질로도 만들어질 수 있으며, 제 2 자기 레그(58B)는 자기 코어(50)의 다른 부분 예를 들어, 제 1 및 제 3 자기 레그(58A 및 58C)의 자기저항 보다 큰 자기저항을 갖는 물질로 채워진 갭(gap)(55)을 구비하고 있다. 이 물질은 자성 또는 비자성 물질일 수도 있으며, 이렇게 채워진 물질로 인해 자기 코어(50)는 진동감소, 기계적 강도 증진, 자기저항 비율 조절 용이, 댐핑 요소 설치 용이 등의 장점을 얻게 된다. 또한, 초전도 한류기기(10A)는 도 2에 도시된 전기 기기에서와 같이 두 단자 예를 들어, (A)와 (B)를 통해 외부 회로(도시 안됨)에 연결된 입력 코일 즉, 주 권선(52)을 사용하여 외부 회로와 연결된다. 초전도 한류기기(10A)는 또한 도 2에서와 같이 초전도 요소(54)와, 요크(58D, 58E) 및 제 1, 제 2 레그(58A, 58C) 보다 자기저항이 큰 물질로 채워진 갭(55)을 구비한 제 2 자기 레그(58B)를 둘러싼 댐핑 요소(56)를 더 포함하고 있다.

주 권선(52)은 바람직하게는 상기와 같은 갭이 없는 자기 레그 예를 들어, 제 1 자기 레그(58A) 또는 초전도 요소(54)를 휘감은 소정의 권수를 갖는 코일 형태를 이루며, 초전도 물질 또는 비초전도 물질 예를 들어, 일반적인 도전 물질로 만들어질 수 있다. 초전도 요소(54)는 예를 들어, 하나 또는 그 이상의 링(ring), 실린더(cylinder), 단락된 코일(short-circuited coil) 또는 그와 유사한 형태인 초전도체로 만들어지며, 요크 또는 갭이 없는 자기 레그를 둘러싸고 있다.

주 권선(52)과 초전도 요소(54)는 상술한 바와 같은 자기저항이 큰 물질로 채워진 갭을 구비한 자기 레그 외의 자기 코어(50)의 어떠한 부분에도 위치할 수 있다. 보다 상세하게는, 주 권선(52)과 초전도 요소(54)는 자기 코어(50)의 요크 또는 자기저항이 큰 물질로 채워진 갭을 구비하지 않은 임의의 자기 레그 상에 도 2에서와 같이 서로 이웃하여 위치하거나 도 4와 5에 도시된 바와 같이 하나가 다른 하나의 내부 또는 외부에 위치할 수도 있다. 그와 달리, 주 권선(52)과 초전도 요소(54) 중의 하나는 요크 또는 상기한 갭을 구비하지 않은 자기 레그 상에 위치하고 다른 하나는 다른 요크나 상기한 갭을 구비하지 않은 다른 레그 상에 존재할 수 있다. 그러나, 주 권선(52)과 초전도 요소(54)는 함께 위치하는 것 즉, 도 4와 도 5에서 같이 하나가 다른 하나의 내부 또는 외부에 위치하는 것이 보다 바람직하다. 주 권선(52)과 초전도 요소(54)가 자기 코어(50) 상에 따로 존재하면, 초전도 요소(54)에 의해 상쇄되지 않는 누설 자속이 생길 수 있으며, 이로 인해 초전도 요소(54)의 자속 상쇄 효과가 감소될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 예에서, 댐핑 요소(56)는 초전도 물질로 만들어지고, 자기저항이 큰 물질로 채워진 갭을 구비한 자기 레그 예를 들어, 제 2 자기 레그(58B)가 통과하는 하나 또는 그 이상의 링, 실린더, 단락된 코일 또는 그와 유사한 형태를 구비하고 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 실시 예에서, 댐핑 요소(56)는 제 2 자기 레그(58B)를 둘러싸며 축방향으로 쌓여진 세 개의 초전도 링으로 이루어져 있다.

이하, 도 3 및 4를 참조하여 초전도 한류기기(10A)의 동작을 기술한다.

정상 상태 즉, 소정의 범위 예를 들어, 도 3에 도시된 (P)점 이하에 속하는 정상 전류가 주 권선(52)을 통해 흐르면, 초전도 요소(54) 내에 임계값 이하의 전류를 유도하는 자속이 주 권선(52) 내의 정상 전류에 기인하여 생성되기 때문에 초전도 요소(54)는 초전도 상태를 유지하게 된다. 그러므로, 주 권선(52)에 의해 생성된 자속은 초전도 요소(54)에 의해 생성된 대응하는 역 자속에 의해 상쇄되어 자기 코어(50)를 통해 흐르는 자속은 존재하지 않게 된다. 그 결과, 단자 A와 B에서 본 인덕턴스가 매우 작아져서 초전도 한류기기(10A)의 임피던스 또한 낮게 유기시키고, 이로 인해 외부 회로는 초전도 한류기기(10A)에 의해 거의 영향을 받지 않게 된다.

반면에, 사고 상태에서는, 주 권선(52)으로 흐르는 사고 전류가 소정의 범위를 초과하여 초전도 요소(54) 내에 임계값을 초과하는 전류를 유도하는 자속을 생성하면, 초전도 요소(54)는 저항 상태가 되어 자속 상쇄 특성을 상실한다. 그에 따라, 초전도 한류기기(10A)의 임피던스가 증가하여 외부 회로를 통해 흐르는 사고 전류를 제한하게 된다.

도 2에 도시된 종래의 초전도 한류기기(10)에서는, 사고 전류가 제한되지 못하고 대신 계속적으로 증가하여 자기 코어(130)가 포화되는 포화점 예를 들어, 도 3에 도시된 (Q)점에 근접하게 되면, 초전도 한류기기(10)의 임피던스는 다시 빠르게 감소함에 따라 상당히 큰 사고 전류가 외부 회로를 통해 흐르게 되어 외부 회로가 손상된다.

그러나, 본 발명에 의하면 자기저항이 큰 물질로 채워진 갭(55)과 제 2 자기 레그(58B)의 댐핑 요소(56)의 조합된 특성을 이용하여 자기 코어(50)의 포화를 지연시키거나 방지함으로써 그러한 포화 문제를 해결할 수 있게 된다.

특히, 사고 상태에서는, 자기 코어(50) 내의 자속 밀도(flux density)에 따라 두 개의 병렬 자로 즉, 제 1 및 제 3 자기 레그(58A 및 58C)를 경유하는 제 1 폐자로(59)와 제 1 및 제 2 자기 레그(58A 및 58B)를 경유하는 제 2 폐자로(57)가 자기 코어(50) 내에 형성된다. 다시 말하면, 자기 코어(50)에는 세 개의 자기 경로가 존재한다. 즉, 제 1 자기 레그(58A)를 경유하여 자기 코어(50) 내에 생성된 총 자속을 전달하는 주 경로와, 제 3 자기 레그(58C)를 경유하여 상기 총 자속의 대부분을 전달하는 제 1 자기 경로와, 제 2 자기 레그(58B)를 경유하여 상기 총 자속의 나머지 일부분을 전달하는 제 2 자기 경로가 존재한다.

보다 상세하게는, 제 3 자기 레그(58C)가 포화되기까지는 자기저항이 큰 물질로 채워진 갭(55)에 의해 제 2 자기 레그(58B)의 자기저항은 크고 거의 일정한 상태를 유지하므로, 자기 코어(50)의 제 3 자기 레그(58C)의 자기저항은 자기저항이 큰 물질로 채워진 갭(55)과 댐핑 요소(56)를 구비한 제 2 자기 레그(58B)의 자기저항 보다 작게 되고, 이로 인해 주 권선(52)에 의해 생성된 자속은 주로 제 1 폐자로(59)를 따라 흐른다. 반면에, 사고전류로 인해 자속이 강해지고 자기 레그(58A 내지 58C)를 통해 흐르는 자속이 포화점에 근접하게 되면, 제 3 자기 레그(58C)의 자기저항은 커지는 반면 제 2 자기 레그(58B)의 자기저항은 거의 일정한 상태를 유지하므로, 자기 코어(50)를 통해 흐르는 상기 자속의 일부가 제 2 폐자로(57)를 따라 흐르기 시작한다. 상기와 같은 자기 레그 상의 자속 분배 조건은 자기 코어(50)의 특성 예를 들어, 갭(55)의 갭 거리(gap distance)와 갭에 채워진 물질의 자기저항의 크기에 의해 제어될 수 있다.

보다 상세하게는, 비교적 낮은 사고 전류가 주 권선(52)으로 인가되고 제 3 자기 레그(58C)의 자기저항이 상기한 갭(55)을 구비한 제 2 자기 레그(58B)의 자기저항 보다 충분히 작으면, 주 권선(52)에 의해 생성된 자속이 주로 제 3 자기 레그(58C) 즉, 제 1 폐자로(59)를 따라 흐르므로, 제 2 자기 레그(58B) 즉, 제 2 폐자로(57)를 통해 흐르는 자속의 비율은 매우 낮게 된다.

그러나, 사고 전류가 증가하여 제 3 자기 레그(58C)를 통해 흐르는 자속이 포화점에 이르게 되면, 제 3 자기 레그(58C)의 자기저항이 증가하여 제 3 자기 레그(58C)를 통해 흐르는 자속의 증가율이 서서히 감소하게 된다. 반면에, 상기한 바와 같이 제 2 자기 레그(58B)의 자기저항은 일정한 상태를 유지하므로 제 2 자기 레그(58B)를 통해 흐르는 자속의 비율은 점차 증가한다. 그러나, 제 2 자기 레그(58B)를 통해 흐르는 자속은 여전히 제 3 자기 레그(58C)를 통해 흐르는 자속에 비해 상당히 작기 때문에, 댐핑 요소(56)는 항상 그 자속 상쇄 특성을 유지하게 된다. 따라서, 제 2 자기 레그(58B)를 통해 흐르는 자속은 댐핑 요소(56)에 의해 생성된 역 자속에 의해 상쇄되어 제 2 자기 레그(58B)를 통해 흐르는 자속은 존재하지 않고, 자기 코어(50)를 통해 흐르는 자속은 제 2 자기 레그(58B)를 따라 흐르는 자속이 상쇄됨에 따라 포화점에 도달하지 못하거나 지연된다. 그 결과, 자기 코어(50)의 포화 문제는 발생하지 않고 사고 전류의 갑작스런 증가 또한 피할 수 있게 된다.

상술한 제 1 실시예에서, 제 2 자기 레그(58B)를 통해 흐르는 자속의 양은 제 3 자기 레그 자기저항 대 제 2 자기 레그 자기저항의 비율에 비례한다. 즉, 제 3 자기 레그(58C)의 자기저항이 커짐에 따라 제 2 자기 레그(58B)를 통해 흐르는 자속은 증가하고, 증가된 자속은 댐핑 요소(56)에 의해 상쇄된다.

즉, 댐핑요소(56)는 도 1에서 설명한 초전도체(100)의 자속 상쇄 효과와 같은 특성을 보유하고 있으므로, 인가된 H 자기장에 대해 -H 자기장을 발생시켜 예상되는 제 2 폐자로(57)를 통해 흐르는 자속량 또는 그 이상을 상쇄할 수 있게 된다.

따라서, 상술한 바와 같은 본 발명의 제 1 실시예를 이용하면, 사고 전류에 의해 생성된 자속이 댐핑 요소(56)에 의해 상쇄되기 때문에 자기 코어(50)가 포화 상태에 이르는 것을 방지할 수 있게 되어, 초전도 한류기기(10A)는 어떠한 외부 제어회로를 이용하지 않고도 사고 전류를 검출하여 제한할 수 있게 된다.

도 5에는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 초전도 한류기기(10B)가 도시되어 있으며, 상기 초전도 한류기기(10B)는 자기저항이 큰 물질로 채워진 갭(65)과 댐핑 요소(66)를 구비한 자기 코어(60)를 포함하고 있다.

본 제 2 실시예에서의 자기 코어(60)는 도 4에 도시된 제 1 실시예에서의 자기 코어(50)의 제 2 및 제 3 자기 레그의 위치를 서로 치환한 구조를 이루고 있으며, 댐핑 요소(66)는 도 4에 도시된 초전도 링 대신에 초전도 실린더 형태를 이루고 있다.

제 2 및 제 3 자기 레그의 위치와 댐핑 요소의 형태를 제외하고는, 본 제 2 실시 예에 의한 초전도 한류기기(10B)는 도 4에 도시된 초전도 한류기기(10A)와 기능적으로 동일하므로, 그 구조와 동작에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 6에는 본 발명의 제 3 실시예에 의한 초전도 한류기기(10C)가 도시되어 있으며, 초전도 한류기기(10C)는 제 1 내지 제 3 자기 레그(62A 내지 62C)와 댐핑 요소(63)를 구비한 자기 코어(61)를 포함하고 있다.

도 4 내의 제 2 자기 레그(58B)가 자기저항이 큰 물질로 채워진 갭을 포함하는 반면에, 본 제 3 실시예에서는 자기 코어(61) 내의 제 2 자기 레그(62B) 전부가 제 3 자기 레그(62C)의 자기저항 보다 큰 자기저항을 갖는 물질로 형성되어 있다.

본 제 3 실시예에서의 초전도 한류기기(10C) 또한 도 4에 도시된 초전도 한류기기(10A)와 기능적으로 동일하므로 그 구조와 동작에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예들은 세 개의 자기 레그를 구비한 자기 코어를 중심으로 기술되었으나, 상기 자기 레그의 개수는 변할 수 있다. 예를 들어, 자기 코어가 포화되는 것을 효과적으로 방지할 수 있도록 자속 분배 특성을 향상시키기 위해서, 자기 코어는 자기저항이 큰 물질로 채워진 갭과 댐핑 요소를 포함하는 하나 또는 그 이상의 자기 레그를 포함하기도 한다. 유사하게, 상기한 갭과 댐핑요소를 구비하지 않은 자기 레그의 개수도 두 개 이상이 되도록 설계할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면 자기 코어의 포화가 효과적으로 방지되기 때문에, 초전도 한류기기는 사고 상태에서의 주 권선의 인덕턴스의 갑작스런 감소를 피할 수 있게 되고, 그 결과 개선된 전류 제한 특성이 실현된다.

더욱이, 초전도 한류기기는 자기 코어의 단면적을 추가적으로 증가시키지 않고도 포화 문제를 해결할 수 있으므로, 초전도 한류기기의 제조 비용을 상당히 낮출 수 있게 된다.

본 발명의 자기저항이 큰 물질로 채워진 갭과 댐핑 요소에 의해 달성된 전류 제한 특성은 전기 회로 내의 전류의 변동(fluctuation)을 조절하는 종래의 인덕터(또는 변압기)에도 적용될 수 있다.

도 7에는 외부 회로(70)에 연결된 본 발명에 의한 인덕터(75)가 도시되어 있다.

인덕터(75)는 세 개의 자기 레그(78A 내지 78C)를 구비한 자기 코어(76)를 포함하고 있으며, 주 권선(72)은 제 1 자기 레그(78A)에 정렬되어 있으며, 예시적으로 초전도 링 형태를 가진 댐핑 요소(74)는 자기저항이 큰 물질로 채워진 갭을 가진 제 2 자기 레그(78B)를 둘러싸고 있다. 상기 자기 코어(76) 또한 세 개 이상의 자기 레그를 포함할 수 있으며, 자기저항이 큰 물질로 채워진 갭을 구비한 적어도 하나의 자기 레그와 자기저항이 큰 물질로 채워진 갭이 없는 적어도 두개의 자기 레그를 포함해야 한다.

인덕터(75)의 구조에서, 주 권선(72)은 자기저항이 큰 물질로 채워진 갭이 있는 제 2 자기 레그(78B)를 제외한 자기 코어(76) 내의 어떠한 부분에도 위치할 수 있다.

자기 코어(76)를 포화 상태에 근접시키는 사고 전류가 인덕터(75)로 인가되면, 주 권선(72)를 통해 흐르는 사고 전류에 의해 생성된 자속의 일부가 제 2 자기 레그(78B)를 통해 흐르기 시작하고, 이는 댐핑 요소(74)에 의해 생성된 자속에 의해 상쇄된다. 그 결과, 상술한 다른 실시예에서 기술한 바와 같이, 인덕터(75) 내의 자기 코어(76)는 포화되지 않거나 포화가 지연되며 이로인해 사고 전류는 제한된다.

상기한 전류 제한 특성은 본 발명에 의한 자기저항이 큰 물질로 채워진 갭과 댐핑 요소를 구비한 자기 레그를 포함하는 변압기에서도 얻어질 수 있다.

도 8에는 전원(source)측 회로(80)와 부하(load)측 회로(81)에 연결된 변압기(85)가 도시되어 있다.

변압기(85)는 다수개 예를 들어, 세 개의 자기 레그(83A 내지 83C)를 구비한 자기 코어(88)를 포함하고 있으며, 상기 자기 레그는 자기저항이 큰 물질로 채워진 갭을 구비한 적어도 하나의 자기 레그와 갭이 없는 두 개 이상의 자기 레그를 포함하고 있다. 1차 권선(82)은 갭이 없는 제 1 자기 레그(83A)에 위치하고 있으며 전원측 회로(80)에 연결되어 있다. 2차 권선(86)은 예를 들어, 갭이 없는 제 3 자기 레그(83C)에 위치하고 있으며 부하측 회로(81)에 연결되어 있다. 1차 및 2차 권선(82 및 86)은 초전도 또는 비초전도 물질로 만들어진다. 1차 권선(82)은 전원측 회로(80)로부터의 입력 전력(input power)을 변압기(85)에 제공하고, 2차 권선(86)은 1차 권선(82)에 의해 생성되어 제 3 자기 레그(83C)를 통해 전달되는 자속에 의해 유도된 출력을 부하측 회로(81)에 제공한다. 본 발명에 의한 댐핑 요소(84)는 초전도 링 형태로 자기저항이 큰 물질로 채워진 갭이 있는 제 2 자기 레그(83B)를 둘러싸고 있다.

변압기(85)의 구조에서, 1차 권선(82)와 2차 권선(86)은 상기한 갭이 있는 자기 레그를 제외한 자기 코어(88)의 어떠한 부분에도 존재할 수 있다.

사고 전류가 1차 권선(82) 또는 2차 권선(86)으로 인가되어 자기 코어(88)가 포화 상태에 근접하면, 사고 전류에 의해 생성되어 자기 레그(83A 및 83C)를 통해 흐르는 자속의 일부분은 제 2 자기 레그(83B)를 통해 흐르기 시작하고, 이는 댐핑 요소(84)에 의해 상쇄된다. 그 결과, 다른 실시 예를 통해 설명한 바와 같이, 자기 코어(88)는 포화 상태에 이르지 않기 때문에 제한되지 않는 사고전류의 흐름이 없어진다. 즉, 상술한 바와 같이, 변압기로 흐르는 과도기적 사고 전류의 증가는 자기저항이 큰 물질로 채워진 갭과 댐핑 요소를 구비한 자기 코어를 사용함으로써 효과적으로 제어될 수 있으므로 변압기는 과도기적 사고 전류에 의해 손상되지 않는다.

상기한 본 발명의 실시예들에서, 댐핑 요소는 자속 상쇄 특성을 최대화하기 위하여 바람직하게는 초전도 물질로 만들어진다. 또한, 댐핑 요소는 예를들어 구리(Cu)나 알루미늄(Al) 같은 비초전도 물질로 만들어질 수 있다. 그러나, 비초전도 물질을 사용하는 경우의 자속 상쇄 효과는 댐핑 요소의 비교적 높은 내부 전기 저항으로 인해 초전도 물질을 사용하는 경우에 비해 상당히 감소한다.

전술한 바와 같이, 갭 거리와 갭을 채우는 물질의 자기저항의 크기는 자기 레그 간의 자속 분배 특성을 제어하는 중요한 설계 패러미터가 될 수 있으며, 본 발명의 전류 제한 특성을 지배하기도 한다.

도 7 및 8에 도시된 인덕터(75)와 변압기(85)의 제 2 자기 레그(78B 및 83B) 또한 도 6에 도시된 바와 같이 자기저항이 큰 물질로 만들어질 수 있다.

또한, 상기한 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 명확하게 설명되지는 않았지만 초전도 물질로 만들어진 요소는 그 초전도 상태를 유지하기 위해서는, 예를 들어, 냉각제(coolant)를 이용하는 저온 유지 장치(cryostat) 등을 사용하여 초전도 물질의 온도를 초전도 상태가 유지되는 임계온도 이하로 떨어뜨려야 한다는 것은 당업자에게는 당연한 사실이다.

따라서, 잘 알려진 고온 또는 저온 초전도 물질 중의 어떠한 것도 본 발명에 사용될 수 있으나, 본 발명에 사용된 초전도 물질은 그 임계온도가 냉각제 예를 들어, 액화질소를 사용하여 달성될 수 있는 고온 초전도 물질이 보다 바람직하다.

본 발명에 따른 초전도 한류기기는 보통의 자기 코어에 자기저항이 큰 물질로 만들어진 레그와 댐핑 요소를 추가적으로 사용하여 자기 코어가 포화되는 것을 지연시키거나 방지함으로써 상기 한류기기의 전류 제한 특성을 향상시킨 이점이 있다. 또한, 자기저항이 큰 물질로 채워진 갭을 구비한 레그를 사용함으로써, 공극을 구비한 레그에 비해 진동감소, 기계적 강도 증진, 자기저항 비율 조절 용이, 댐핑 요소 설치 용이하다는 등의 효과를 얻게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명을 도면을 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음은 물론이다.

Claims (15)

1. 전기 회로의 전류를 제한하는 기기로서,

   포화 상태와 비포화 상태를 갖는 자기적으로 포화가능한 코어;

   상기 코어를 전기적으로 상기 전기 회로에 연결시키며, 이에 전류를 통과시켜 상기 코어에 자속이 생성되도록 하는 입력 코일을 포함하고 있으며,

   상기 코어는 상기에서 생성된 자속을 모두 통과시키는 주 경로와 적어도 두 개의 자기 경로를 구비하고 있는데, 상기 두 개의 자기 경로 중의 제 1 자기 경로는 상기 자속의 제 1 부분을 통과시키고, 제 2 자기 경로는 상기 자속의 제 2 부분을 통과시키며 상기 제 2 부분의 일부분 또는 전체를 상쇄시켜 상기 코어가 포화 상태가 되는 것을 방지하는 댐핑 요소를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 한류기기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 자기 경로는, 상기 자속의 제 1 부분과 관련한 상기 제 2 부분의 비율을 상기 코어가 비포화 상태에 있을 때는 무시할 수 있을 만큼 작게, 상기 코어가 포화 상태로 근접하는 경우에는 커지게 하는 유기수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 한류기기.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 유기수단은 상기 제 1 자기 경로의 자기저항에 비해 큰 자기저항을 갖는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 한류기기.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 댐핑 요소는 초전도 또는 비초전도 물질로 형성되며, 하나 또는 그 이상의 링이나 실린더나 단락된 코일 형태인 것을 특징으로 하는 한류기기.
5. 제 2 항에 있어서, 입력 코일을 통해 흐르는 전류가 소정의 영역 내에 속할 때에는 초전도 상태가 되어 상기 자속의 대부분을 상쇄시키고, 상기 전류가 상기 소정의 영역을 초과하는 경우에는 저항 상태가 되어 상기 기기의 임피던스를 증가시키는 초전도 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 한류기기.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 유기수단은 상기 제 1 자기 경로의 자기저항에 비해 큰 자기저항을 갖는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 한류기기.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 댐핑 요소는 초전도 또는 비초전도 물질로 형성되며, 하나 또는 그 이상의 링이나 실린더나 단락된 코일 형태인 것을 특징으로 하는 한류기기.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 초전도 수단은 상기 주 경로 또는 제 1 자기 경로 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 한류기기.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 초전도 수단은 하나 또는 그 이상의 링이나 실린더나 단락된 코일 형태의 초전도체인 것을 특징으로 하는 한류기기.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 초전도 수단은 상기 주 경로 또는 제 1 자기 경로를 따라 상기 입력 코일의 내부 또는 외부에 위치하는 것을 특징으로 하는 한류기기.
11. 제 2 항에 있어서,

    상기 주 경로 또는 제 1 자기 경로 상에 위치하고 부하측 회로에 연결되는 출력 코일을 더 포함하며, 상기 출력 코일은 출력 코일을 따라 형성된 경로를 통해 흐르는 자속에 의해 유도된 전력을 상기 부하측 회로에 공급하는 것을 특징으로 하는 한류기기.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 댐핑 요소는 초전도 또는 비초전도 물질로 형성되며, 하나 또는 그 이상의 링이나 실린더나 단락된 코일 형태인 것을 특징으로 하는 한류기기.
13. 제 11 항에 있어서, 상기 유기수단은 상기 제 1 자기 경로의 자기저항에 비해 큰 자기저항을 갖는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 한류기기.
14. 제 11 항에 있어서, 상기 출력 코일은 상기 주 경로 또는 제 1 자기 경로 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 한류기기.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 출력 코일은 초전도 물질 또는 비초전도 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 한류기기.