KR100355859B1 - 고온 초전도 마그네트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온 초전도 테이프 도체를 레이스트랙(racetrack)이나 솔레노이드(solenoid) 등의 형태로 권선하여 만든 전자석인 고온 초전도 마그네트에 관한 것으로서, 보빈(110); 상기 보빈(110)의 외주면에 다층으로 권선된 고온 초전도 테이프 도체(140); 및 상기 권선된 고온 초전도 테이프 도체의 최상층부 상면 및 최하층부 하면에 각각 부착된 규소 강판(131,132)로 구성되는 바, 고온초전도체가 초전도 상태에서 최대로 전류를 흘릴 수 있는 상한 치인 임계전류는 고온초전도 테이프 도체의 넓은 면에 수직인 자장에 따라 매우 큰 폭으로 감소하기 때문에 이 수직자장을 감소시킬 수 있는 아주 효과적인 방법이 필요하며, 이를 위해 본 발명에서는 상기와 같이 고온초전도 마그네트 주위에 적절한 규소강판을 설치하여 고온초전도 마그네트 주변의 자속경로를 변화시킴으로서 고온초전도체에 쇄교하는 수직성분의 자장을 확연히 줄이도록 한다.

Description

고온 초전도 마그네트{High Temperature Superconducting Magnet}

본 발명은 고온 초전도 마그네트(High Temperature Superconducting Magnet)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고온 초전도 테이프 도체를 레이스트랙(racetrack)이나 솔레노이드(solenoid) 등의 형태로 권선하여 만든 전자석인 고온 초전도 마그네트에 관한 것이다.

고온 초전도체는 높은 전류 밀도가 가능하기 때문에 이를 사용한 고온초전도 마그네트는 자성체를 이용한 자기 집중을 꾀하지 않아도 높은 자장을 발생시킬 수 있다. 따라서, 대부분의 고온 초전도 마그네트는 자성체에 의한 손실을 없애기 위하여 자성체가 제거된다.

일반적으로 고온 초전도 마그네트는 작은 기계적인 굽힘, 인장응력, 및 비틀림 응력에 의해서 고온 초전도 테이프 도체의 임계전류가 매우 큰 값으로 감소하는 기계적인 특징을 가지므로, 일반적인 도체와 달리 계속적인 권선 방법인 나선형의 권선을 사용할 수 없다.

따라서, 하나의 팬케이크 코일의 중간을 시작 위치로하고 일측은 상부에 타측은 하부에 권선하여 상/하의 두 층을 하나의 팬케이크 코일로 권선하고, 이와 같이 권선되어 층을 이루는 각 팬케이크 코일의 단부를 상호 접합하여 고온 초전도 마그네트를 제작하게 된다.

이 팬케이크 코일로 권선을 용이하게 하기 위해서는 사용된 두 층의 시작 높이가 같아야 하며, 각 팬케이크 간의 접합을 용이하게 하기 위해서는 각 팬케이크이 단부인 접합 면의 높이가 같아야 한다.

따라서, 고온초전도 마그네트의 설계에서는 팬케이크 코일 두 층의 시작 높이를 같게, 그리고 각 팬케이크 코일 접합 면의 높이를 같게 해야하는 조건이 설정된다.

대부분의 고온 초전도체는 높은 전류 밀도가 가능하여 자성체의 사용 없이도 높은 자장의 발생이 용이하므로 자성체를 사용하지 않는다. 간혹 자성체를 사용한 고온 초전도 마그네트도 있어나 이것은 자기 차폐나, 낮은 자장을 발생시키는 마그네트에서 자장을 집중시키기 위한 방편으로 철심 코어를 사용하는 것이다.

따라서, 기존의 자성체가 없는 고온 초전도 마그네트에서 고온 초전도체의 임계 전류를 확보하기 위해서는 팬케이크 코일의 권선과 접합에서의 조건을 최적화 기법에서의 기본적인 제한조건으로 하여 고온 초전도 테이프 도체의 분포를 최적화함으로서 수직성분의 자장을 감소시키는 방법을 사용한다.

그러나, 상기의 방법은 다음과 같은 세 가지의 뚜렷한 한계를 가지고 있다.

첫째로 수직성분의 자장을 크게 낮추기 어렵다는 것으로서, 권선에서의 제한 조건 때문에 최적화의 한계가 뚜렷해서 수직 성분의 자장을 효과적으로 크게 줄이기 어렵다. 두 번째로, 복잡한 형상으로 최적화되기 쉽다는 것으로서, 이 경우에는 실제로 권선하기 매우 어려울 뿐만 아니라 불가능한 경우도 있어 권선 가능한 비슷한 형태를 사용한다. 세 번째로, 팬케이크 코일간의 접합높이를 같게 하기 어렵다는 것으로서, 고온 초전도체는 수 km의 길이로 제작된 것을 여러 개 사용하여 권선하는 데, 제작 공정의 특성상 항상 같은 두께로 제작하기 어려워서 만약, 0.25mm의 뚜께를 가진 초전도체에 0.01mm정도의 오차가 존재하는 경우에 한 층의 권선 턴수가 100턴만 되어도 1mm의 접합높이가 달라지게 되어서 각 팬케이크 코일간의 접합이 어렵게 된다. 이와 달리 형상을 단순하게 하여 각 층의 높이가 같다면 간단하게 각 층의 권선 턴수를 적절히 조정하여 쉽게 팬케이크간의 접합 높이를 같게 할 수 있을 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 그 목적은 간단한 형상으로 매우 간단한 도체 분포를 가지는 고온 초전도 마그네트에서 수직 자장이 집중하는 곳의 주변에 자성체인 규소 강판을 설치하여 고온 초전도 마그네트에 발생된 수직 성분의 자속의 경로를 바꿈으로써, 고온 초전도체에 쇄교하는 수직 자장을 감소시켜 고온 초전도체의 임계전류를 확보 할 수 있도록 된 고온 초전도 마그네트를 제공하기 위한 것이다.

도 1은 본 발명에 따라 규소 강판이 포함된 고온초전도 마그네트의 단면도이고,

도 2는 도 1에서 레이스 트랙형으로 권선된 고온 초전도 테이프 도체만을 나타낸 사시도이고,

도 3은 도 1에서 규소 강판을 배제한 고온 초전도 마그네트의 단면도이고,

도 4는 규소강판이 없는 고온초전도 마그네트의 z=0인 x-y단면에서의 수직자장(B⊥)에 대한 결과 도면이고,

도 5는 도 3과 같이 규소강판이 없는 고온초전도 마그네트의 자속 분포도이고,

도 6은 도 1에서 상층부 상면에만 규소 강판을 포함한 고온초전도 마그네트의 자속 분포도이고,

도 7은 고온 초전도 테이프 도체가 권선된 고온초전도 마그네트의 사진이고,

도 8은 고온 초전도 테이프 도체의 수직 자장과 수평 자장에 따른 임계전류특성을 나타낸 그래프이고,

도 9는 본 발명에 따라 고온초전도 마그네트에 설치할 규소강판의 평면 사진이고,

도 10은 규소 강판이 있는 것과 없는 것에 대한 P3에서의 I-V 특성 실험결과 그래프이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

110 : 보빈 120 : 캡톤 테이프

131,132 : 규소 강판 140 : 고온 초전도 테이프 도체

150 : 유리섬유강화 플라스틱 판 160 : 에폭시 몰딩물

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고온 초전도 마그네트는, 일정 형상의 보빈; 상기 보빈의 외주면에 다층으로 권선된 고온 초전도 테이프 도체; 및 상기 권선된 고온 초전도 테이프 도체의 최상층부 상면 및 최하층부 하면에 각각 부착된 규소 강판을 포함하여 구성된다.

또한, 상기 각 규소 강판은 상기 최상층부의 상면 및 최하층부의 하면과 각각 절연되어 한 개층 이상으로 부착되고, 상기 각 규소 강판은 상기 최상층부의 상면 및 최하층부의 하면의 면적보다 약간 큰 것이 바람직하며, 상기 보빈과 상기 고온 초전도 테이프 도체 간은 캡톤 테이프에 의해 절연되어 있고, 상기 고온 초전도 테이프 도체의 각 층간은 유리 섬유 강화 플라스틱 판으로 절연되어 있다.

또한, 상기 보빈의 형상은 그 형상을 단순하게 하여 상기 고온 초전도 테이프 도체의 각 층의 권선 시작 높이 및 권선 후 높이가 같도록 하는 것이면 그 형상에 제약이 없으나, 솔레노이드 또는 레이스트랙(racetrack) 형으로 구성함이 바람직하다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고온 초전도 마그네트에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고온 초전도 마그네트는, 도 1에 도시된 바와 같이, 계단형의 트랙(111,112)이 형성된 레이스트랙 형 보빈(110); 상기 보빈(110)의 외부 측면에 형성된 캡톤 테이프(120); 상기 보빈(110)의 하부에 형성된 제 1 트랙부(111)의 바닥면(111a)에 설치된 제 1 규소 강판(131); 상기 보빈(110)의 제 1 트랙부(111)의 측면(111b)에서부터 바깥 방향으로 절대적 위치인 일정 높이(h) 까지 권선되어 형성된 제 1층의 상부 및 하부의 고온 초전도 테이프 도체(141a,141b : 141); 상기 보빈(110)의 제 2 트랙부(112)의 측면(112b)에서부터바깥 방향으로 상기 일정 높이(h) 까지 권선되어 상기 제 1 층(141)의 상층으로 형성된 제 2층의 상부 및 하부의 고온 초전도 테이프 도체(142a,142b : 142); 상기 보빈(110)의 제 2 트랙부(112)의 측면(112b)에서부터 바깥 방향으로 상기 일정 높이(h) 및 그 전 높이 까지 권선되어 상기 제 2 층(142)의 상층으로 형성된 제 3층의 상부 및 하부의 고온 초전도 테이프 도체(143a,143b : 143); 상기 제 3 층의 상부 고온 초전도 테이프 도체(143a)의 상부에 설치된 제 2 규소 강판(132); 상기 제 1 및 제 2 규소 강판(131,132)을 포함한 상기 고온 초전도 테이프 도체의 각 층(141a,141b,142a,142b,143a,143b) 사이에 형성되어 상호 절연을 위한 복수개의 유리 섬유 강화 플라스틱(FRP) 판(150); 및 상기 각 층의 고온 초전도 테이프 도체(141,142,143)를 외부로부터 보호하기 위해 둘러싸고 있는 에폭시 몰딩물(160)로 구성되어 있다.

상기 각 층의 고온 초전도 테이프 도체(141,142,143)의 상부 및 하부 층의 형성에 대해, 상기 제 1 층의 고온 초전도 테이프 도체(141)를 예를 들어 설명하면, 상기 제 1 층의 고온 초전도 테이프 도체(141)의 전체 권선 길이의 중간 지점(M)을 상기 제 1 트랙부(111)의 측면(111b) 중간 지점에 대응되도록 위치시킨 후, 그 중간 지점(M)의 양측 중 일측은 상부에 다른 일측은 하부에서 서로 상반되는 방향으로 감으면, 하나의 고온 초전도 테이프 도체(141)가 상호 높이(h)가 같은 상부 층(141a) 및 하부 층(141b)으로 권선 형성된다. 이와 동일한 방법으로 상기 제 2 층의 고온 초전도 테이프 도체(142)를 상기 제 1 층의 고온 초전도 도체(141)의 상부 층(141a) 위에 상부 층(142a) 및 하부 층(142b)으로 권선 형성하고, 그 위에 상기 제 3 층의 고온 초전도 테이프 도체(143)를 상부 및 하부 층(143a,143b)로 형성하되, 본 실시예에서는 최상부 층인 상기 제 3 층의 상부 고온 초전도 테이프 도체 층(143a)의 높이는 상기 일정 높이(h)에 정렬되지 않은 예외를 나타내었다.

또한, 상기 각 층의 고온 초전도 테이프 도체(141,142,143) 간은 상기 동일 높이(h) 위치 정렬된 상/하층 간(141a와 142b, 142a와 143b)의 단부(E)를 서로 연결하여 납땜 등의 방법으로 접합함으로서 각 층(141,142,143)이 상호 연결되도록 한다.

도 2는 도 1에서 상기 각 층의 고온 초전도 테이프 도체(141,142,143) 만을 나타낸 사시도로서, 166mm의 직선부(210)와 직경 31mm와 직영 42mm의 반원의 형태인 곡선부(220)로 구성된다.

이와 같이 본 발명은 간단한 고온 초전도 테이프 도체(141,142,143)의 분포를 가지고 있는 레이스트랙 형의 고온 초전도 마그네트로 구성되어 있으며, 이 고온 초전도 마그네트에 상,하 두 개의 규소 강판(131,132) 중 상부의 규소 강판(132)만을 적절히 배치시킨 경우를 먼저 2차원 유한요소해석법(FEA)을 이용하여 자장해석을 하여 비교하고, 그리고 실험 결과를 통하여 검증하면 다음과 같다.

도 3은 도 1에서 상기 규소 강판(131,132)을 배제한 고온 초전도 마그네트의 종단면도로서, 이에 대하여 설명하면, 이 고온 초전도 마그네트의 단면은 고온 초전도 테이프 도체(또는 팬케이크 코일이라 함)(141,142,143)의 세 개로 이루어져 있으며, 사용된 고온 초전도 테이프 도체의 종단면의 크기는 가로 3mm 세로 0.25mm이고, 고온 초전도 마그네트의 총 턴수는 467턴이다. 동 도면에서 알 수 있듯이 각팬케이크 코일(141,142,143)의 위치는 각각 P1, P2, 그리고 P3이며, 상기 각 팬케이크 코일(141,142,143)의 상/하부(141a와 141b, 142a와 142b, 143a와 143b)의 시작 부위의 위치(S1,S2)가 같고, 또한 각 팬케이크 코일(141,142,143)간의 접합이 있는 층들의 높이(h)도 같다. 이와 같은 구조는 도 1도 동일하다.

도 1에서 상기 규소 강판(131,132)은 도 3과 같이 규소 강판이 없는 고온 초전도 마그네트에서 수직 자장이 크게 발생하는 도체의 주변에 적절한 크기와 재질, 그리고 위치를 선정하고, 그 위치에 설치된 것이다.

상기 규소 강판(131,132)의 크기와 재질, 그리고 위치는 2차원 유한요소해석법(2D FEA)을 이용하여 수직 자장을 최소화하는 것으로 결정하였는 바, 사용된 규소 강판은 0.5mm 뚜께의 SE18C로 선정하였으며, 상기 제 1 및 제 2 규소 강판(131,132)에 대하여 각각 두 장씩을 사용하여 1mm 두께로 P1의 하부 코일(141b)의 하면 및 P3의 상부 코일(143a)의 상면 상으로부터 약 1mm 간격을 두고 부착하였다.

먼저 도 3과 같이 규소 강판이 없는 고온 초전도 마그네트의 수직 자장 특성을 검토하였는데, 그 결과 도 4는 z=0인 x-y단면에서 해석된 수직 자장의 등고선을 나타낸다. 자장 해석에서 입력 전류는 도체당 15A, 주위에 공기 이외의 다른 매질이 없는 조건이었으며, 이 결과는 상기 직선부의 중간 단면에서의 등고선으로 고온 초전도 마그네트에서 수직 자장 크게 발생하는 부분은 P1과 P3이며 거의 비슷한 크기로 발생하는 것으로 분석되었다.

도 5는 도 3과 같이 규소 강판이 없는 고온 초전도 마그네트의 자속 분포를나타낸 도면이고, 도 6은 도 1과 같이 규소 강판이 포함된 고온 초전도 마그네트의 자속 분포를 나타낸 도면으로서, 두 도면을 비교해 보면

도 1과 같이 규소 강판이 포함된 본 발명의 고온 초전도 마그네트는 그 규소 강판(132)에 의해서 자속의 경로가 변경되어 고온 초전도 도체(140)에 쇄교하는 자장이 감소함을 알 수 있다(상층부의 규소 강판 132의 설치 경우에 대해서만 실험한 결과임). 해석 결과 고온초전도 마그네트에 규소강판이 있는 것과 없는 것에서 발생하는 P3에서의 최대 수직자장의 크기는 각각 0.118T, 0.030T 이다. 규소강판이 있는 것이 없는 것에 비해 약 75% 감소함을 알 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 도 1의 고온 초전도 마그네트의 사진으로서, 사용된 도체는 비스므스계(Bi-2223) 37심이다. 이 고온초전도체의 수직 자장과 수평 자장에 따른 임계 전류 특성은 도 8과 같다.

본 발명에서 제공하는 고온초전도 마그네트에 포함시킨 규소강판의 사진은 도 9에 보여진다. 또한, 권선된 고온 초전도 마그네트와 이 마그네트에 도 1과 같이 규소 강판(132)을 설치한 것을 각각 실험(상층부의 규소 강판 132의 설치 경우에 대한 실험)하였다. 도 10은 P3에서의 I-V 실험결과이고 P3의 길이는 약 70m로 임계 전류에 해당하는 전압은 7mV가 된다. 임계 전류는 규소 강판이 없는 고온초전도 마그네트는 10A, 규소 강판이 있는 마그네트는 15A 정도로 규소 강판을 설치함으로써, 약 5A정도 임계 전류를 향상 시켰음을 알 수 있다.

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 고온 초전도 마그네트는, 단순한 형태의 고온 초전도체 분포를 유지하면서 고온 초전도 마그네트의 임계전류를 획기적으로 증가시킬 수 있는 유용한 발명이다.

Claims (5)

1. 일정 형상의 보빈;

   상기 보빈의 외주면에 다층으로 권선된 고온 초전도 테이프 도체; 및

   상기 권선된 고온 초전도 테이프 도체의 최상층부 상면 및 최하층부 하면에 각각 부착된 규소 강판을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고온 초전도 마그네트.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 각 규소 강판은 상기 최상층부의 상면 및 최하층부의 하면과 각각 절연되어 한 개층 이상으로 부착된 것을 특징으로 하는 고온 초전도 마그네트.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 보빈과 상기 고온 초전도 테이프 도체 간은 캡톤 테이프에 의해 절연되어 있는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 마그네트.
4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 고온 초전도 테이프 도체의 각 층간은 유리 섬유 강화 플라스틱 판으로 절연되어 있는 것을 특징으로 하는 고온 초전도 마그네트.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 보빈은 솔레노이드 또는 라운드트랙 형으로 구성된 것을 특징으로 하는 고온 초전도 마그네트.