KR100521573B1 - Bobbin for superconductive magnet - Google Patents
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Abstract
본 발명은 냉각기, 특히 GM(Gifford-McMahon) 냉각기를 사용하여 전도냉각되는 전도냉각방식의 초전도전자석을 위한 보빈에 관한 것으로, 본 발명에 따른 초전도자석용 보빈은 외주면에 일정 간격으로 단절되어 층을 이루는 나선형 권선홈이 형성된 FRP 피복층이 코팅되어 있되, 상기 나선형 권선홈의 각 층에는 판전선이 먼저 권선홈을 채우도록 권선된 후 상하로 나뉘어 이중 권선층을 형성하게 되고, 이 이중 권선층을 이루는 판전선 사이 및 각 이중 권선층 사이에는 스페이서가 개재되도록 되어 있으며, 바람직하기로는 상기 보빈의 층을 이루는 각 나선형 권선홈 마다 각각 분리되도록 되어 있되, 각각의 보빈층은 그 보빈층에 수직 형성된 결합공에 삽입되는 볼트와 너트로 결합되도록 되어 있는 것이 좋고, 보다 바람직하기로는 상기 보빈은 각 보빈층 마다 다수의 분원편(分圓片)을 이루도록 분할되어 있되, 각 분원은 서로 접합되어 있는 것이 좋다. 이러한 다층의 또는 분원편이 모인 보빈을 통하여 무거운 보빈을 다루기 용이하게 하여 운반 및 권선을 쉽게 하고, 조립 및 운전시 발생될 수 있는 초전도자석 오류의 수정/보완을 용이하게 할 수 있다.The present invention relates to a bobbin for a superconducting electromagnet of the conduction cooling method of conducting cooling using a cooler, particularly GM (Gifford-McMahon) cooler, the superconducting bobbin according to the present invention is cut off at regular intervals on the outer peripheral surface layer FRP coating layer is formed to form a spiral winding groove is formed, each layer of the spiral winding groove is formed by winding the plate wire to fill the winding groove first and then divided into a vertical winding layer to form a double winding layer, Spacers are interposed between the plate wires and each of the double winding layers. Preferably, each of the spiral winding grooves forming the bobbin layer is separated from each other, and each bobbin layer is a coupling hole formed perpendicularly to the bobbin layer. It is preferable that the bolt and nut are inserted into each other. Each of them is divided to form a number of pieces, but each source is preferably joined to each other. Such multi-layered or circular pieces of bobbins facilitate handling of heavy bobbins to facilitate transport and winding, and to facilitate correction / completion of superconducting magnet errors that may occur during assembly and operation.
Description
본 발명은 냉각기(cryocooler), 특히 GM(Gifford-McMahon) 냉각기를 사용하여 전도냉각되는 전도냉각방식의 초전도전자석을 위한 보빈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보빈의 외주면에 일정 간격으로 단절되어 층을 이루는 나선형 권선홈이 형성된 FRP 피복층이 코팅되어 있고, 각 권선홈 층을 기준으로 더블 팬케익(double pancake) 방식으로 판전선이 권선되도록 하여 권선이 용이해지도록 한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to bobbins for superconducting electromagnets of the conduction cooling method that are conduction-cooled using a cryocooler, particularly GM (Gifford-McMahon) cooler. FRP coating layer is formed to form a spiral winding groove is formed, and the winding wire is facilitated by winding the plate in a double pancake (double pancake) method based on each winding groove layer.
1911년 네덜란드의 과학자 오네스(Onnes, H.K, 1853~1926)는 수은을 액체 헬륨으로 냉각하였더니, 절대 영도 (-273℃)보다 약간 높은 -269℃(4K)에서 저항이 사라져 버리는 현상을 발견하고, 이를 '초전도 상태'라고 하였다. 그 후 많은 과학자들은 '만일 초전도의 성질을 가진 전자석을 만들 수 있다면 전력 손실이 없는 전자석을 만들 수 있을 것'이라고 생각하여 연구를 지속해 왔다. In 1911, Dutch scientist Onnes (HK, 1853–1926) found that mercury was cooled with liquid helium and the resistance disappeared at -269 ° C (4K), slightly above absolute zero (-273 ° C). This was called the 'superconducting state'. Since then, many scientists have continued their research, thinking that if you can make an electromagnet with superconducting properties, you can make an electromagnet with no power loss.
일반적으로 초전도 분야는 30K를 기준으로 30K 이하를 저온 초전도 분야, 30K 이상을 고온 초전도 분야로 분류한다. 현재 주로 사용되고 있는 초전도 재료로는 대부분 임계온도(Tc)가 30K 이하의 소위 저온초전도체로 Nb-Ti 합금이 주류를 이루고 Nb3Sn이 일부 사용되고 있다. 이들 저온초전도체는 초고감도 자기센서나 고자장 발생용 초전도 전자석으로 다양한 응용기기에 사용되고 있으나 전력분야와 관련된 것으로는 전력을 자기에너지로 변환하여 저장하는 초전도 자기에너지 저장시스템(Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES)이 유일하다.In general, the superconducting field is classified into a low temperature superconducting field of 30K or less and a high temperature superconducting field of 30K or more based on 30K. Most of the superconducting materials currently used are so-called low-temperature superconductors having a critical temperature (T c ) of 30K or less, and Nb-Ti alloys are mainstream, and Nb 3 Sn is partially used. These low-temperature superconductors are used for various applications as ultra-high sensitivity magnetic sensors or superconducting electromagnets for generating high magnetic fields. However, related to the electric power field, superconducting magnetic energy storage systems (SMES) convert electricity into magnetic energy and store it. This is unique.
SMES를 제외하고 이들 저온초전도체가 전력분야에 보다 광범위하게 응용되지 못한 가장 큰 제약 요소는 Tc가 너무 낮아 응용기기의 작동시 냉각 매체로 고가의 액체 헬륨을 사용해야함으로 경제성이 없기 때문이다. 이러한 저온초전도 재료의 응용 한계를 극복할 수 있는 가능성은 1986년 후 일련의 Tc가 30K 이상의 고온초전도 재료가 발견되면서부터이다.The biggest constraint that these low temperature superconductors have not been applied more widely in the power sector, except for SMES, is that they are not economical because T c is so low that expensive liquid helium must be used as a cooling medium in the operation of the application. Possibilities to overcome the limitations of the application such as low-temperature superconducting material is from the series of T c is found, a high-temperature superconducting material than 30K after 1986.
국내에서도 2001년 과학기술부의 프론티어 사업으로 차세대초전도응용기술개발사업이 시작되어 전력분야 응용을 위한 초전도 선재 및 응용기기의 연구개발이 진행되고 있다. 전력분야에서 응용이 기대되는 분야는 선재로서 초전도 케이블, 초전도 변압기, 초전도 한류기, 초전도 모터 등이고 벌크 형태로 초전도 플라이휠 저장장치를 들 수 있다.In 2001, as the frontier business of the Ministry of Science and Technology, the next generation of superconducting application technology development project has begun, and the research and development of superconducting wires and application devices for the application of electric power field is in progress. Applications in the power sector are expected to include superconducting cables, superconducting transformers, superconducting fault current limiters, and superconducting motors.
이중 한류기는 낙뢰나 단락 등의 사고로 인해 전력계통에 이상전압이나 전류가 흘러 계통에 설치된 각종 전력기기에 손상을 방지하기 위해 설치된 일종의 차단기이다. 기존의 한류기는 전기를 완전히 차단함으로서 정전을 유발하지만 초전도 한류기는 초전도가 가지고 있는 특성을 이용하여 높은 고장 전류를 정상상태로 바꾸어 주기 때문에 사고시 정전 없이 계통을 보호하여 정상적으로 운영할 수 있게 해주는 신개념의 전력 기기이다. 이러한 초전도 한류기는 계통안정화용 조류기 외에도 송배전설비 보호용으로 사용될 수 있으므로 수요가 엄청나다. 선진국에서는 이미 15kV급 소용량 초전도 한류기를 성공적으로 개발한 바 있고, 현재는 100-300MVA급의 대용량 초전도 한류기 개발 계획을 수립하여 진행 중에 있고, 국내의 경우 현재 6.6kV급 고온초전도 한류기 개발을 목표로 연구가 진행되고 있다. 초전도 한류기의 핵심기술은 대용량 초전도코일 제작기술, 코일 보호 기술, 대용량 전력전자회로 기술, 전력계통 적용 및 운전 기술, 초전도 한류기용 저온유지장치 (cryostat) 기술 등이다. Double fault current limiter is a kind of circuit breaker installed to prevent damage to various power devices installed in the system due to abnormal voltage or current flowed into the power system due to lightning or short circuit. Conventional current limiters cause power outages by completely shutting off electricity, but superconducting current limiters use the characteristics of superconductivity to transform high fault currents into normal conditions, thus protecting the system without a power outage in the event of an accident. Appliance. These superconducting fault current limiters can be used for protection of transmission and distribution facilities in addition to system stabilization birds, so the demand is enormous. The developed countries have already successfully developed 15kV small capacity superconducting fault current limiters, and are currently developing 100-300 MVA class high capacity superconducting fault current limiters. Research is ongoing. The core technologies of the superconducting fault current limiter are large capacity superconducting coil manufacturing technology, coil protection technology, large capacity power electronic circuit technology, power system application and operation technology, and cryostat technology for superconducting current limiter.
본 발명은 초전도기술 〉고온초전도기술 〉고온초전도자석 〉이를 위한 보빈에 관한 것으로, 상기의 핵심기술 과제에서 코일 보호기술과 저온유지장치 기술에 관한 것이라 할 수 있다.The present invention relates to a superconducting technology> high temperature superconducting technology> high temperature superconducting magnet> to bobbins for the same, and to the coil protection technology and the low temperature holding device technology in the above-mentioned core technical problem.
본 발명은 상기와 같은 고온 초전도 한류기와 같은 전력기기에 사용될 수 있는 고온초전도자석용 보빈에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 초전도자석용 보빈은 The present invention relates to a bobbin for a high temperature superconducting magnet that can be used in a power device such as a high temperature superconducting fault current limiter as described above,
첫째, 전도성이 좋은 구리재의 보빈 몸체에 확실한 절연을 달성하면서도 진공하 20K 정도에서 내구성을 유지할 수 있는 피복층을 제공하는 것과,First, to provide a coating layer that can achieve durability at about 20K under vacuum while achieving reliable insulation on the highly conductive copper bobbin body,
둘째, 상기 피복층에 권선의 용이성을 위한 수단을 제공하는 것과, Secondly, providing a means for ease of winding to said coating layer;
셋째, 상기 보빈을 다층으로 분리하여 초전도자석의 오류 수정/보완을 용이하게 하는 것과,Third, to separate the bobbin into a multi-layer to facilitate error correction / supplementation of superconducting magnets,
넷째, 상기 보빈을 다시 분할하여 운전의 안정성을 획득하고 외형적인 변형을 방지하도록 하는 것과,Fourth, to divide the bobbin again to obtain the stability of operation and to prevent the appearance deformation,
다섯째, 결국 위와 같은 수단들을 통하여 직류리액터, 더 나아가 한류기의 열적 안정성, 내구성 및 운전 안정성을 보장하는 것을 목적으로 한다. Fifth, the purpose is to ensure the thermal stability, durability and operational stability of the DC reactor, and furthermore the current limiter through the above means.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 초전도자석용 보빈은 외주면에 일정 간격으로 단절되어 층을 이루는 나선형 권선홈이 형성된 FRP 피복층이 코팅되어 있되, 상기 나선형 권선홈의 각 층에는 판전선이 먼저 권선홈을 채우도록 권선된 후 상하로 나뉘어 이중 권선층을 형성하게 되고, 이 이중 권선층을 이루는 판전선 사이 및 각 이중 권선층 사이에는 스페이서가 개재되도록 되어 있다.In order to achieve the above object, the superconducting magnet bobbin according to the present invention is coated with an FRP coating layer having spiral winding grooves formed on the outer circumferential surface at a predetermined interval to form a layer, and each wire of the spiral winding groove has a plate wire first. After winding to fill the winding groove, the coil is divided into upper and lower portions to form a double winding layer, and spacers are interposed between the panel wires constituting the double winding layer and between each of the double winding layers.
바람직하기로는 상기 보빈의 층을 이루는 각 나선형 권선홈 마다 각각 분리되도록 되어 있되, 각각의 보빈층은 그 보빈층에 수직 형성된 결합공에 삽입되는 볼트와 너트로 결합되도록 되어 있는 것이 좋다.Preferably, each spiral winding groove constituting the bobbin layer is to be separated from each other, each bobbin layer is preferably to be coupled by a bolt and a nut inserted into the coupling hole formed perpendicular to the bobbin layer.
보다 바람직하기로는 상기 보빈은 각 보빈층 마다 다수의 분원편(分圓片)을 이루도록 분할되어 있되, 각 분원은 서로 접합되어 있는 것이 좋다.More preferably, the bobbin is divided so as to form a plurality of powder pieces in each bobbin layer, but each powder material is preferably joined to each other.
또한 상기 보빈은 각 보빈층 마다 접촉면적을 증가시키기 위하여 인듐박판이 개재되어 이루어질 수 있다. In addition, the bobbin may be formed by interposing an indium thin plate to increase the contact area of each bobbin layer.
이하, 본 발명을 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, described in detail by the accompanying drawings of the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 초전도자석용 보빈이 사용될 수 있는 한류기용 직류리액터의 개략도로서, 직류리액터 하우징(1) 상부로는 GM냉각기(10)의 헤드(11)가 노출되어 있다. 상기 하우징(1) 내부는 진공상태이다. 이 GM냉각기는 최근에 개발된 것으로, 4K 이하로 냉각이 가능하여 냉매를 사용하지 않고 전자석의 보빈을 직접 전도냉각하여 초전도 상태를 유지할 수 있다. GM냉각기(10)는 2단으로 구성되는데 하우징(1)에 내포된 상냉각부(13)와 하냉각부(15)가 그것이다. GM냉각기(10)는 헤드(11)에서 하우징(1) 상판에 의해 지지되고, 상냉각부(13) 말단에서 세로 지지봉(5a)과 가로 지지봉(3a)에 의해 지지된다. 지지형태가 봉인 것은 냉각기(10)와의 접촉면적을 가능한 작게 하기 위한 것으로 열전도도가 낮은 합성수지가 사용된다. GM냉각기(10)의 하냉각부(15)의 하방으로는 초전도자석(30)이 위치되어 역시 가로 지지봉(3b)과 세로지지봉(5b,5c)에 의해 지지된다. 상기 봉들(3a,3b) (5a,5b,5c)은 서로 연결되어 있다. 냉각기(10)의 하냉각부(15)를 통하여 전도냉각되도록 초전도자석(30)은 다수의 냉각봉(29)에 의하여 하냉각부(15)와 연결되어 있다. 이러한 냉각봉(29)이나 냉각기(10)의 소재는 열전도도가 탁월한 무산소동(銅)(OFC), 터프피치동(Tough Pitch Copper), 알루미늄과 같은 소재가 사용될 수 있으나, 무산소동이 가장 바람직하다. 초전도자석(30)에 전류를 인가하는 전선은 기밀성을 위하여 하우징(1) 상부에서 부싱(27)에 감싸여 자석(30)과 연결되어 있다. 또한 상기 전선은 대략적으로 하우징(1) 내외부로 나뉘어 부싱(27) 위쪽으로는 금속전선(23)으로, 하우징(1)에 내포된 것은 HTS(High Temperature Superconductor; 고온초전도체)전선(25)으로 나뉜다. 특히 상기 금속전선(23)은 하우징(1) 내에 포함된 부분이 HTS 전선(25) 전까지는 전도냉각을 위하여 냉각기(10)의 상냉각부(13) 및/또는 하냉각부(15)의 냉각봉(29) 중 하나와 연결된 써멀링크(thermal link)(20)를 통하여 전도냉각되도록 동박판이 적층된 구조를 이룬다. 이렇게 하여 고전류가 흐르는 금속전선(23)을 전도냉각하여 전선의 발열로 인하여 초전도자석(30)의 초전도 상태가 파괴(quench)되는 것을 방지할 수 있다.FIG. 1 is a schematic view of a DC reactor for a current limiter in which a bobbin for a superconducting magnet according to the present invention may be used, and the head 11 of the GM cooler 10 is exposed to an upper portion of the DC reactor housing 1. The inside of the housing 1 is in a vacuum state. This GM cooler has been developed recently, and can be cooled to 4K or less, so that it can conduct a superconducting state by directly conducting and cooling the bobbin of the electromagnet without using a refrigerant. GM cooler 10 is composed of two stages, the upper cooling unit 13 and the lower cooling unit 15 contained in the housing (1). The GM cooler 10 is supported by the housing 1 top plate at the head 11, and is supported by the vertical support rods 5a and the horizontal support rods 3a at the ends of the upper cooling units 13. The sealed support type is to make the contact area with the cooler 10 as small as possible, and synthetic resin having low thermal conductivity is used. The superconducting magnet 30 is positioned below the lower cooling part 15 of the GM cooler 10 and is also supported by the horizontal supporting rods 3b and the vertical supporting rods 5b and 5c. The rods 3a, 3b (5a, 5b, 5c) are connected to each other. The superconducting magnet 30 is connected to the lower cooling unit 15 by a plurality of cooling rods 29 so as to be electrically cooled through the lower cooling unit 15 of the cooler 10. The cooling rod 29 or the material of the cooler 10 may be a material such as oxygen-free copper (OFC), tough pitch copper, aluminum having excellent thermal conductivity, but oxygen-free copper is most preferred. . The electric wire for applying current to the superconducting magnet 30 is wrapped in the bushing 27 in the upper part of the housing 1 for airtightness and is connected to the magnet 30. In addition, the wire is roughly divided into the housing 1 and the outside, and is divided into the metal wire 23 above the bushing 27, and the one contained in the housing 1 is divided into a high temperature superconductor (HTS) wire 25. . In particular, the metal wires 23 are cooled in the upper cooling part 13 and / or the lower cooling part 15 of the cooler 10 for conduction cooling until the portion included in the housing 1 is HTS wire 25. A copper foil plate is stacked to be electrically cooled through a thermal link 20 connected to one of the rods 29. In this way, it is possible to prevent the superconducting state of the superconducting magnet 30 from being quenched by conduction cooling of the metal wire 23 through which a high current flows.
이와 같이 도 1에 도시된 직류 리액터에 사용될 수 있는 초전도자석(30)을 위한 보빈의 상세구조는 도 2a 이하를 참조하여 잘 이해될 수 있다. 먼저, 본 발명의 제1 특징에 따른 보빈의 사시도 및 부분단면도를 나타낸 도 2a 및 도 2b에서, 보빈(40)은 FRP피복층(41)이 그 외주면에 덮여 있다. 이 FRP피복층(41)은 보빈의 몸체(40a) 뿐 아니라 상하 플랜지부(40b,40c)의 안쪽까지 덮여 있다. 보빈의 몸체(40a)는 역시 열전도성을 위하여 무산소동 소재의 것이 바람직하다. FRP는 극한 상황에서도 원래의 형태와 성질을 유지할 수 있기 때문에 사용되는 것으로, 유리섬유(Glass Fiber:GFRP), 탄소섬유(Carbon Fiber:CFRP), 보론섬유(Boron Fiber), 아라미드섬유(Aramid Fiber) 등과 같은 것이 있다. As such, the detailed structure of the bobbin for the superconducting magnet 30 that can be used in the DC reactor shown in FIG. 1 may be well understood with reference to FIG. 2A and below. First, in FIGS. 2A and 2B showing a perspective view and a partial cross-sectional view of a bobbin according to the first aspect of the present invention, the bobbin 40 is covered with an FRP coating layer 41 on its outer circumferential surface. The FRP coating layer 41 covers not only the body 40a of the bobbin but also the inside of the upper and lower flange portions 40b and 40c. The body 40a of the bobbin is also preferably of an oxygen-free copper material for thermal conductivity. FRP is used because it can maintain its original form and properties even under extreme conditions. Glass fiber (GFRP), carbon fiber (CFRP), boron fiber, aramid fiber And the like.
이러한 FRP피복층(41)에는 일정 간격으로 단절되어 층을 이루는 나선형 권선홈(41a)이 형성되어 있다. 이 층을 이루는 권선홈(41a)의 수는 필요에 따라 가변적이고, 그 폭 및 깊이는 보빈(40)에 권선될 판전선의 폭 및 두께에 따라 결정된다. 예를 들어 본 발명에 사용될 수 있는 판전선인 ASC(American SuperConductor)社의 고온 초전도전선(Wire Type PN0002831)은 그 두께가 0.4mm이고 폭이 4.1mm이다. 이 전선에 맞게 피복층(41)에 형성되는 홈(41a)의 폭과 깊이가 결정된다. 결국 권선홈(41a)의 폭은 판전선 하나를 수용할 정도이고, 깊이는 FRP피복(41)을 통하여 절연을 확보할 정도의 것으로 예를 들어 피복(41)의 두께가 2mm일 경우에는 판전선이 한 번 감길 정도인 0.4mm의 깊이를 갖는 것이 좋다. 그러나 이러한 홈(41a)의 깊이는 피복의 두께 및 판전선의 두께에 따라 가변적이다. The FRP coating layer 41 is formed with a spiral winding groove 41a which is cut at regular intervals to form a layer. The number of winding grooves 41a constituting this layer is variable as necessary, and its width and depth are determined depending on the width and thickness of the plate wire to be wound on the bobbin 40. For example, the high temperature superconducting wire (Wire Type PN0002831) of ASC (American SuperConductor), which is a plate wire that can be used in the present invention, has a thickness of 0.4 mm and a width of 4.1 mm. The width and depth of the grooves 41a formed in the coating layer 41 are determined in accordance with this electric wire. As a result, the width of the winding groove 41a is enough to accommodate a single wire, and the depth is sufficient to secure insulation through the FRP coating 41. For example, when the thickness of the coating 41 is 2 mm, the wire is It is good to have a depth of 0.4 mm which is about once wound. However, the depth of this groove 41a is variable depending on the thickness of the coating and the thickness of the board.
다음으로 도 3a, 3b, 3c 및 3d는 각각 본 발명의 제2 특징에 따른 보빈의 분해사시도, 보빈층의 부분단면도, 권선된 보빈층 사시도 및 권선된 보빈층 부분단면도로서, 도 2a 및 도 2b의 제1 특징에 따른 보빈(40)과의 차이점은 보빈(140)이 층을 이루는 각 나선형 권선홈(141a) 마다 각각 분리된 구조라는 것이다. 이러한 분리구조는 권선의 용이성과 초전도자석 조립시 또는 운전시 발생될 수 있는 오류를 수정/보완하기 용이하게 하기 위한 것이다. 각 보빈층(140a)은 수직형성된 결합공(H)에 삽입되는 볼트(B)와 너트로 결합되게 된다. 이러한 결합은 대안적으로 각 층 마다 형성될 수 있는 볼트/너트 구조(미도시 됨)에 의해서도 가능하다. 상기 각 보빈층(140a) 마다에는 접촉면적을 증가시키기 위하여 인듐박판(I)이 개재될 수 있다. 이 인듐박판(I)은 각 보빈층(140a) 상면 전체를 덮을 수도 있고, 도 3c에서처럼 군데군데 조각지어 위치할 수 있으며, 열접촉 향상이 가능한 열전도도와 연성이 높은 금속(예: 납, 알루미늄)으로 대용될 수 있다.3A, 3B, 3C, and 3D are exploded perspective views of the bobbin according to the second aspect of the present invention, a partial cross-sectional view of the bobbin layer, a wound bobbin layer perspective view, and a wound bobbin layer partial cross-sectional view, respectively, FIGS. 2A and 2B. The difference from the bobbin 40 according to the first feature is that the bobbin 140 has a separate structure for each spiral winding groove 141a that forms a layer. This separation structure is intended to facilitate the ease of correction and correction of errors that may occur during assembly or operation of the superconducting magnet. Each bobbin layer 140a is coupled with a bolt B and a nut inserted into the coupling hole H vertically formed. This coupling is also possible by means of bolt / nut structures (not shown) which may alternatively be formed for each layer. In each of the bobbin layers 140a, an indium thin plate I may be interposed to increase the contact area. The indium thin plate (I) may cover the entire upper surface of each bobbin layer (140a), and may be located in several places as shown in FIG. 3c, and have high thermal conductivity and ductility of the metal (eg, lead and aluminum) to improve thermal contact. Can be substituted.
또한 이러한 다수 층으로 분리된 보빈(140)의 구조는 보빈의 소재가 동이어서 무게가 상당하므로 도 2a의 일체형의 보빈(40)일 경우 다루기가 용이하지 않다는 문제점을 해결하기 위한 것이다. 원하는 높이의 보빈을 다층으로 분리하면 선재의 권선이 용이하고 운반이 용이할 것임은 당연하다. 도 3c와 도 3d에 도시된 것과 같이 본 발명의 보빈에 권선되는 선재는 앞서 예시한 판전선의 형태로서, 판전선(W)은 권선될 길이의 중간 정도에서 각 보빈층(140a)의 FRP피복층(141) 외주면에 형성된 나선형 권선홈(141a)에 먼저 이 권선홈(141a)을 채우도록 권선된 후, 그 양단이 상하로 나뉘어 일정 두께의 이중 권선층(143)을 형성하게 된다. 그러나 여기서 이 이중 권선층(143)을 이루는 판전선(W) 사이 및 각 이중 권선층(143) 사이에는 스페이서(S1)(S2)가 개재된다. 특히, 스페이서 중 판전선(W) 사이에 개재되는 스페이서(S1)는 절단된 것으로 상하 권선층 사이에 끼워지기 용이하게 되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 권선방식은 '더블 팬케익'(double cake) 방식이라고 한다. 상기 스페이서(S1)(S2)는 FRP 소재의 박판일 수 있다. 결국 보빈층(140a) 하나의 높이는 판전선(W) 두 개의 폭과 두 스페이서(S1)(S2) 두께의 합과 같다. 이러한 더블 팬케익 권선방식은 도 2a 및 도 2b에 도시된 제1 특징 보빈(40)과 도 4와 관련하여 설명할 본 발명의 제3 특징 보빈(240)에서 또한 마찬가지이다. 즉, 도 2a의 보빈(40)에서는 한 층의 권선홈(41a)을 기준으로 역시 처음에 먼저 권선홈(41a)을 채우도록 권선된 후 상하로 나뉘어 이중 권선층을 형성하게 된다. 그러고 이 이중 권선층을 이루는 판전선(W) 사이 및 각 이중 권선층 사이에는 스페이서(S1)(S2)가 개재되게 된다.In addition, the structure of the bobbin 140 separated into a plurality of layers is to solve the problem that the material is not easy to handle in the case of the integral bobbin 40 of Figure 2a because the weight of the bobbin is the same. Of course, if the bobbin of the desired height is separated into multiple layers, the winding of the wire rod will be easy and easy to transport. As shown in FIGS. 3C and 3D, the wire wound on the bobbin of the present invention is in the form of the above-described plate wire, and the plate wire W is an FRP coating layer of each bobbin layer 140a at about the middle of the length to be wound. (141) First, the winding is wound in the spiral winding groove 141a formed on the outer circumferential surface of the winding groove 141a, and both ends thereof are divided up and down to form a double winding layer 143 having a predetermined thickness. However, the spacers S1 and S2 are interposed between the plate wires W constituting the double winding layer 143 and between the double winding layers 143. In particular, it is preferable that the spacer S1 interposed between the plate wires W among the spacers is cut and is easily fitted between the upper and lower winding layers. This winding method is called a 'double cake' (double cake) method. The spacers S1 and S2 may be thin sheets of FRP material. As a result, the height of one bobbin layer 140a is equal to the sum of the widths of the two wires W and the thickness of the two spacers S1 and S2. This double pancake winding also applies to the first feature bobbin 40 shown in FIGS. 2A and 2B and the third feature bobbin 240 of the present invention to be described with reference to FIG. 4. That is, in the bobbin 40 of FIG. 2a, the winding groove 41a of the first layer is also wound to fill the winding groove 41a first, and then divided up and down to form a double winding layer. Then, the spacers S1 and S2 are interposed between the panel wires W constituting the double winding layer and between the double winding layers.
이어서 본 발명의 제3 특징에 따른 보빈의 분해사시도인 도 4에서, 도 3a 내지 도 3d에 도시된 보빈(140)과의 차이점은 보빈(240)의 그 각 층(240a)이 다수의 '분할된 중공 원주층의 조각'(이를 '분원편'(分圓片)이라 칭함)(P)으로 되어 있다는 것이다. 도 4에서는 4분원으로 나타내었으나 2분원, 6분원, 8분원 또는 그 이상의 것도 가능하다. 각 분원편(P)은 서로 에폭시 수지나 실리콘과 같은 접합 폴리머로 접합되게 된다. 이러한 분원편(P) 구조로 된 보빈층(240a)은 전류 변화시 발생될 수 있는 와전류 손실(Eddy Current Loss)로 인한 인덕턴스의 감소를 막기 위한 것이다. 교번하는 교류자계내에 도체를 넣으면 전자 유도작용으로 도체에서 발생되는 전류가 소용돌이 형태의 전류가 되는데 이를 와전류라고 하고, 이 와전류로 인해 변압기의 2차 권선에는 기전력이 유기되며 이는 권선뿐만 아니라 철심에도 나타나 손실이 된다. 이러한 와전류 손실 외에도 또한 접착된 분원편(P)이 서로 어느 정도 유동성을 가지므로 구리소재의 보빈몸체와 FRP 소재의 피복층 사이의 열수축율 차이에 의한 보빈(240)의 변형을 최소화시키고, 더 나아가 이 두 구성요소 사이에서 발생될 수 있는 틈으로 인한 열누출 현상을 방지하기 위한 것이다. 또한 이러한 보빈(240)의 외주면에 권선되는 판전선의 권선 방식은 앞서 설명한 바와 같이 더블 팬케익 방식으로 이루어진다. 이와 더불어 상기 각 보빈층(240a) 마다 역시 접촉면적을 증가시키기 위하여 인듐박판(I)이 개재될 수 있다.Next, in FIG. 4, which is an exploded perspective view of the bobbin according to the third aspect of the present invention, the difference from the bobbin 140 shown in FIGS. 3A-3D is that each layer 240a of the bobbin 240 is divided into a plurality of 'divided' sections. It is said to be a piece of hollow circumferential layer (hereinafter referred to as a 'circular piece') (P). In FIG. 4, the quadrants are shown, but two, six, eight, or more may be used. Each powder piece P is bonded to each other by a bonding polymer such as epoxy resin or silicone. The bobbin layer 240a having the above-described circular element P structure is to prevent a decrease in inductance due to Eddy Current Loss that may be generated when a current is changed. When a conductor is placed in an alternating alternating magnetic field, the current generated in the conductor becomes a eddy current due to electromagnetic induction, which is called eddy current. This eddy current induces electromotive force in the secondary winding of the transformer. It is a loss. In addition to the eddy current loss, the bonded powder pieces P have some fluidity to each other, thereby minimizing the deformation of the bobbin 240 due to the difference in thermal shrinkage between the bobbin body of the copper material and the coating layer of the FRP material. This is to prevent heat leakage due to a gap that may occur between the two components. In addition, the winding method of the plate wire wound on the outer circumferential surface of the bobbin 240 is made of a double pancake method as described above. In addition, the indium thin plate I may be interposed in each of the bobbin layers 240a to increase the contact area.
이상에서 설명한 본 발명의 초전도전자석용 보빈의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다. Referring to the operation and effect of the superconducting bobbin of the present invention described above are as follows.
전도냉각형 초전도전자석(30)을 동작시키기 위해서 먼저 직류리액터 하우징(10) 내부의 진공 환경을 만든다. 그리고 GM 냉동기(10)를 동작시킨다. 그러면 냉동기와 연결된 초전도전자석은 20K 정도로 냉각된다. 이 때 보빈에 권선된 선재(W)는 임계온도(120K) 이하의 온도까지 내려가게 되므로 초전도 상태가 된다. 이러한 초전도 상태에서는 전기적 저항이 영(zero)이기 때문에 임계전류 이하의 전류가 통전되는 동안에 손실없이 마그넷을 운전할 수 있다.In order to operate the conduction cooling superconducting electromagnet 30, first, a vacuum environment inside the DC reactor housing 10 is created. Then, the GM refrigerator 10 is operated. Then, the superconducting electromagnet connected to the refrigerator is cooled to about 20K. At this time, the wire (W) wound on the bobbin is lowered to a temperature below the critical temperature (120K) is a superconducting state. In this superconducting state, since the electrical resistance is zero, the magnet can be operated without loss while the current below the threshold current is energized.
기존의 보빈은 FRP와 같은 절연물질로 이루어져 있으나 전도냉각의 경우 구리와 같은 도체 소재의 보빈이 필요하다. 그리고 한류기와 같은 전력기기에 사용되기 위해서는 고압에서의 절연에 유의해야 하므로 구리 재질의 보빈에 FRP 피복층을 두어 절연 문제를 해결한다. Conventional bobbins are made of an insulating material such as FRP, but in the case of conductive cooling, a bobbin of a conductive material such as copper is required. In order to be used in power equipment such as a current limiter, care must be taken to insulate at high voltages. Therefore, an insulation problem is solved by placing an FRP coating layer on a copper bobbin.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 초전도자석용 보빈은 As described above, the superconducting magnet bobbin according to the present invention
첫째, 전도성이 좋은 구리재의 보빈 몸체에 FRP피복층을 그 외주면에 형성하여 확실한 절연을 달성하면서도 진공하 20K 정도에서 내구성을 유지할 수 있으며, First, the FRP coating layer is formed on the outer surface of the bobbin body made of copper, which has good conductivity, to achieve reliable insulation and maintain durability at about 20K under vacuum.
둘째, 상기 피복층에 나선형의 권선홈을 형성하고 이 권선홈이 층을 이루도록 하여, 더블 팬케익 방식의 권선을 용이하게 하였으며,Second, a spiral winding groove is formed in the coating layer and the winding groove forms a layer to facilitate a double pancake winding.
셋째, 상기 보빈을 다층으로 또는 다시 이를 다수의 분원편으로 분리하여 무거운 보빈을 다루기 용이하게 하여 운반 및 권선을 쉽게 하고, 조립 및 운전시 발생될 수 있는 초전도자석 오류의 수정/보완을 용이하게 하였으며, Third, the bobbin is divided into multiple layers or back into multiple pieces to facilitate handling of heavy bobbins to facilitate transportation and winding, and to facilitate correction / completion of superconducting magnet errors that may occur during assembly and operation. ,
넷째, 상기 보빈층을 분원편이 결합된 구조로 사용하므로 와전류 손실을 방지하였으며, 운전의 안정성을 획득하고 외형적인 변형을 방지하였고, Fourth, because the bobbin layer is used as a structure that combines the source piece to prevent the eddy current loss, to obtain the stability of the operation and to prevent the appearance deformation,
다섯째, 결국 위와 같은 수단들을 통하여 직류리액터, 더 나아가 한류기와 같은 전력기기의 열적 안정성, 내구성 및 운전 안정성을 보장하였다.Fifth, through the above means, the thermal stability, durability, and operational stability of power devices such as direct current reactors and even current limiters were guaranteed.
도 1은 본 발명에 따른 초전도자석용 보빈이 사용되는 직류리액터의 개략도,1 is a schematic diagram of a DC reactor using a superconducting magnet bobbin according to the present invention;
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제1 특징에 따른 보빈의 사시도 및 부분단면도,2a and 2b are a perspective view and a partial cross-sectional view of the bobbin according to the first aspect of the present invention;
도 3a, 3b, 3c 및 3d는 본 발명의 제2 특징에 따른 보빈의 분해사시도, 보빈층의 부분단면도, 권선된 보빈층 사시도 및 권선된 보빈층 부분단면도, 3A, 3B, 3C and 3D are exploded perspective views of a bobbin according to a second aspect of the present invention, a partial cross-sectional view of the bobbin layer, a wound bobbin layer perspective view and a wound bobbin layer partial cross section view,
도 4는 본 발명의 제3 특징에 따른 보빈의 분해사시도이다.4 is an exploded perspective view of a bobbin according to a third aspect of the present invention.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>
1: 직류리액터 하우징 3a,3b,5a,5b,5c: 지지봉1: DC reactor housing 3a, 3b, 5a, 5b, 5c: support rod
10: GM냉각기 11: 헤드10: GM cooler 11: head
13: 상냉각부 15: 하냉각부13: Upper cooling part 15: Lower cooling part
20: 써멀링크 21a,21b: 누름판20: thermal link 21a, 21b: pressing plate
23: 금속전선 25: HTS전선 23: metal wire 25: HTS wire
27: 부싱 30: 초전도자석27: bushing 30: superconducting magnet
40,140,240: 보빈 40a,140a,240a: 보빈 몸체40,140,240: Bobbin 40a, 140a, 240a: Bobbin Body
40b,140b,240b,40c,140c,240c: 플랜지 41,141: FRP 피복층40b, 140b, 240b, 40c, 140c, 240c: flange 41,141: FRP coating layer
41a,141a,241a: 권선홈 143: 이중 권선층41a, 141a, 241a: winding groove 143: double winding layer
W: 판전선 S1,S2: 스페이서W: plate wire S1, S2: spacer
P: 분원편P: Division
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