KR100552642B1 - 초전도체의 통전 교류 손실 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전도체의 통전 손실을 측정하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 측정체에 손상을 주지 않고 정밀하고 간단하게 통전 손실을 측정하는 장치에 관한 것이다. 본 발명은 코일 권선용 보빈, 상기 보빈을 관통하여 상기 보빈을 거치하며, 상기 보빈 거치 부위를 포함하는 일부 영역에 나사산이 형성되어 회전시 상기 보빈을 병진 이동시키는 회전축, 상기 회전축과 평행하게 상기 보빈을 관통하며 상기 회전축의 회전시 상기 보빈의 회전을 방지하는 가이드축 및 상기 회전축과 상기 가이드축의 양단에서 상기 회전축 및 상기 가이드축과 결합하여 이를 지지하는 한 쌍의 지지 바를 구비하는 지지 구조체를 포함하는 초전도체 소거 코일 거치용 지그를 제공한다. 본 발명에 따르면, 제조된 초전도체의 최종 검사시 또는 초전도체를 이용한 장치 제작시 초전도체의 특성을 간단하면서도 정확하게 평가할 수 있다.

초전도체, 통전 손실, 소거 코일, 회전축, 가이드바, 홀더, 단자, 누름 패드

Description

초전도체의 통전 교류 손실 측정 장치{APPARATUS FOR MEASURING TRANSPORT CURRENT LOSS OF SUPERCONDUCTOR}

도 1은 소거 코일을 이용한 초전도체의 통전 손실 측정 장치의 회로 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 소거 코일 거치용 지그를 도시한 도면이다.

도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 지그를 사용하여 전압 파형을 측정한 일실시예로서, 도 3a는 초전도체에 흐르는 교류 전류와 전압 신호를 나타낸 그래프이고 도 3b는 도 3a의 전압 파형에서 소거 코일을 사용하여 추출한 전압 파형을 도시한 그래프이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 초전도체 거치용 홀더를 도시한 도면이다.

도 5는 도 4의 압착 부위를 정면에서 확대 도시한 도면이다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예로서 도 5의 전도성 단자들의 일부 또는 전부가 하판에 형성될 수 있음을 보여주는 도면이다.

<도면의 주요 부호에 대한 간략한 설명>

101 : 초전도체 시료 102 : 교류 전원

103a, 103b : 전압 탭 104 : 션트 저항

105 : 전류측 코일 106 : 전압측 코일

107 : 계측 장치 108 : 전압 탭 리드

109a, 109b : 전류 도입용 단자 110 : 전압 신호선

201 : 보빈 202 : 회전축 헤드

206 : 손잡이 203 : 지지바

204 : 회전축 205 : 가이드축

301 : 하판 302 : 상판

303a, 303b : 전류 도입용 단자

304a, 304b : 전압 신호용 단자

305 : 초전도 시료 배치 영역

401a, 401b : 전류 도입용 누름 패드

402a, 402b : 전압 신호용 누름 패드

403a, 403b, 404a, 404b : 스프링

본 발명은 초전도체의 통전 손실을 측정하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 측정체에 손상을 주지 않고 정밀하고 간단하게 통전 손실을 측정하는 장치에 관한 것이다.

초전도체는 직류 전류에 대해서는 저항이 없으므로 손실 또한 없다. 그러나, 교류 전류가 흐를 때 또는 전류나 자장이 변할 때에는 손실이 발생하는데 이것을 교류 손실이라고 한다. 초전도 장치의 개발에 있어서, 교류 손실의 측정은 냉각 용량 등의 결정에 매우 중요하다. 교류 손실은 외부 자장이 변하는 경우의 손실인 자화 손실, 전류의 변화에 의해 발생되는 통전 손실의 두 가지로 크게 나눌 수 있는데, 초전도 장치의 개발에 중요한 것은 후자인 통전 손실이다.

초전도체의 통전 손실은 초전도체에 교류 전류를 흘리는 상태에서 납땜 등의 방법으로 연결된 전압 탭에서 전압 파형을 측정하여 전압 파형과 전류 파형의 크기와 위상으로부터 구한다. 그러나 초전도체의 경우 초전도체가 갖는 저전압 대전류 특성으로 인해 강한 자장 내에서 매우 미약한 전압 신호를 추출해야 하므로 통상의 방법으로는 측정이 불가능하다. 따라서 소거 코일(cancel coil)을 사용하여 자장의 변화에 의해 발생하는 전압 성분을 상쇄해 주는 방법이 많이 사용되고 있다.

도 1은 소거 코일을 이용하여 초전도체의 통전 손실을 측정하는 데 사용되는 회로 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 상기 장치는 교류 전원(102)으로 소정의 주파수 및 진폭을 갖는 전류를 초전도체(101)에 흘려주고, 선재 또는 테이프 형의 초전도체에 전압 탭(103a, 103b)을 부착하여 전압 파형을 측정한다. 계측 장치(107)는 전압 파형 외에도 션트 저항(104) 양단에서 얻어지는 전류 파형을 검출한다. 상기 전압 탭(103a, 103)에서 측정되는 전압은 통전 교류 손실에 의한 전압 성분과 자장에 의한 전압 성분을 포함하고 있다. 도시된 바와 같이, 전압 파형에서 자장에 의한 성분을 제거하기 위해 전압 측정 신호선으로 꼬인 형태의 신호선(110)이 사용된다. 그러나, 이 방법에 의해서 자장의 영향을 완전히 배제할 수는 없다.

전류에 의해 발생되는 자장의 위상은 전류의 위상과 동일하므로, 전압 탭에서 측정된 전압 신호 중 전류와 동일 위상을 갖는 전압 성분을 제거하면, 교류 손실에 의한 전압 성분만을 구할 수 있다. 이와 같은 원리에 따라 전압 탭(103a, 103b)에서 측정된 전압 신호 중 남아 있는 자장의 영향을 완전히 상쇄시키기 위해 소거 코일(105, 106)이 사용된다. 도시된 바와 같이, 소거 코일(105, 106)은 전류 도입선에 직렬로 연결된 코일(105)과 전압 신호선(110)에 직렬로 연결된 코일(106)로 구성된다.

이상의 회로 구성에서 상기 소거 코일이 자장의 영향을 완전히 상쇄할 수 있도록 코일 상호간의 상대적인 위치가 조절되어야 한다. 이 위치는 통상 전류측 코일(105)을 고정하고, 전압측 코일(106)을 이동하는 방식으로 조절된다. 그러나 실제로는 코일(106)의 작은 위치 변화에도 상쇄 상태가 큰 영향을 받으므로, 정확한 상쇄 위치에 코일(106)을 위치시키는 것이 중요하다. 또, 측정하고자 하는 초전도 시료의 특성에 따라 필요한 소거 코일의 크기나 권선 간격 및 권선 수를 변화시켜야 하며, 시료에 따라 그에 맞는 소거 코일을 제작하여야 할 필요가 있다. 종래에는 이와 같은 소거 코일의 위치 조정 및 코일 권선을 수작업에 의존하여 왔으며, 이에 따라 통전 손실 측정에 있어서 정확성이 떨어질 수밖에 없었다.

한편, 상기 측정 회로에서 전류 도입용 단자(109a, 109b)와 전압 탭(103a, 103b)은 통상 땜납 등에 의해 상기 초전도체에 고정된다. 그러나, 이와 같은 거치 방법으로는 온도 변화 또는 조작 과정에서의 외력에 의한 손상으로 접촉 불량 등이 초래될 위험이 크기 때문에 정확한 통전 손실의 측정이 어렵다.

본 발명은 소거 코일을 이용한 초전도체의 통전 손실 측정에 있어서 상기 소거 코일의 상대적인 위치를 정밀하게 제어하여 통전 손실을 정밀하게 측정할 수 있는 통전 손실 측정용 소거 코일 장착 지그를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 초전도체의 통전 손실 측정에 사용되는 초전도체를 거치하는 동시에 보다 간단하고 신뢰성 있게 전기적 접점을 제공하는 초전도체 홀더를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은 코일 권선용 보빈, 상기 보빈을 관통하여 상기 보빈을 거치하며, 상기 보빈 거치 부위를 포함하는 일부 영역에 나사산이 형성되어, 회전시 상기 보빈을 병진 이동시키는 회전축, 상기 회전축과 평행하게 상기 보빈을 관통하며 상기 회전축의 회전시 상기 보빈의 회전을 방지하는 가이드축 및 상기 회전축과 상기 가이드축의 양단에서 상기 회전축 및 상기 가이드축과 결합하여 이를 지지하는 한 쌍의 지지 바를 구비하는 지지 구조체를 포함하는 초전도체 소거 코일 거치용 지그를 제공한다.

본 발명의 지그에서 상기 한 쌍의 지지 바 중 최소한 하나는 상기 지지 구조체로부터 분리 가능하게 결합될 수 있다. 또한, 상기 회전축과 상기 한 쌍의 지지 바와의 결합 부위에는 상기 나사산이 형성되지 않은 것이 바람직하다. 또한 상기 회전축의 회전을 용이하게 하기 위해 상기 한 쌍의 지지바는 회전 헤드를 포함하는 것이 바람직하다.

또한 상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은 초전도체를 거치하고 상기 초전도체에 대한 전기적 접점을 제공하기 위한 초전도체 홀더에 있어서, 마주보는 상판 및 하판이 일단에서 협지부가 형성되도록 탄성 힌지 결합하며, 상기 협지부의 상기 상판 또는 상기 하판에는 상기 초전도체에 전기적인 연결을 제공하기 위한 복수의 전도성 단자를 구비하고, 상기 상판 및 하판의 탄성 압축에 의해 상기 전도성 단자와 상기 초전도체가 전기적으로 접촉하는 것을 특징으로 하는 집게형 초전도체 홀더를 제공한다.

상기 홀더에서 상기 복수의 전도성 단자는 상기 협지부의 상판을 관통하여 형성되며, 상기 각각의 전도성 단자는 탄성 스프링을 더 구비하고, 상기 스프링의 압축력에 의해 상기 초전도체가 고정되는 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 소거 코일 거치용 지그를 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 지지 플레이트(210)와 같은 지지 구조체로부터 연장되는 한 쌍의 지지바(203)가 상기 회전축(204)을 지지하고 있다. 상기 회전축(204)에는 전압측 코일(106)이 권선된 보빈(201)이 장착되어 있다. 전류측 코일(105)은 상기 전압측 코일(105)의 대향위치에 설치되며, 도시하지 않은 적절한 수단에 의해 위치가 고정된다. 상기 보빈(201)에는 또 다른 하나의 축이 관통하고 있는데, 이 축은 가이드 축(205)이다. 상기 가이드축(205)은 상기 보빈(201)을 관통한 뒤, 상기 지지바(203)에 고정되어 상기 보빈(201)이 회전하는 것을 방지한다. 본 발명에서 상기 지지바(203)는 상기 플레이트(210)와 같은 지지 구조체에 일체로 형성될 수도 있으나, 상기 지지구조체로부터 전류측 코일(105) 및 전압측 코일(106)의 탈착이 용이하도록 분리 가능하게 결합할 수도 있다.

상기 회전축(204)의 일부에는 나사산이 형성되어 있다. 바람직하게는 상기 나사산은 상기 한 쌍의 지지바(203)와 결합하는 부분에는 형성되지 않는 것이 좋다. 이와 같은 구성에 의해 상기 회전축(204)의 회전시 상기 지지바와 상기 회전축(204)의 이동은 발생하지 않으며, 상기 회전축(204)에 장착된 보빈(201)만 축 방향으로 이동한다.

물론, 이와 달리 상기 지지바(203) 중 어느 하나가 이동 가능한 구성을 취할 수도 있다. 예컨대, 상기 지지 플레이트(210)에 가이드 레일(도시하지 않음)과 같은 미끄럼 수단이 구비되고 회전축(204)의 나사산이 전류 코일(105)측 지지바(203)와의 결합 부위에까지 연장 형성되어 있으면, 상기 회전축(204)의 회전시 상기 지지바(203)와 상기 보빈(201)이 동시에 동일 방향으로 병진 운동하게 되는데, 이 경우에도 상기 보빈(201)과 상기 전류측 코일(105)의 상대적인 위치는 변화하게 된다.

본 발명에서 상기 회전축(204)에 형성되는 상기 나사산의 피치는 보빈(201)의 위치 제어 정밀도를 결정한다. 즉 상기 나사산의 피치를 작게 함으로써 보 다 정밀하게 보빈(201)의 위치를 제어할 수 있다.

또한 조작자가 회전축(204)을 보다 쉽게 회전시킬 수 있도록 상기 회전축(204)의 헤드(202) 외주면은 요철 처리될 수 있으며, 손잡이(206)와 같은 부가적인 수단이 장착될 수도 있다.

한편, 본 발명에서는 상기 보빈(201)에 감기는 코일의 권선 간격을 조절함으로써 쇄교하는 자속의 민감도를 달리할 수 있다. 이에 따라, 상기 보빈(201)에 감기는 권선 간격을 크게 하면 위치 변화에 따른 자속 쇄교의 민감도가 감소하며, 보빈의 위치를 보다 정밀하게 제어할 수 있게 된다. 이를 위해 상기 보빈(201)에는 탭(도시하지 않음)과 같은 권선 간격을 조절하기 위한 부가적인 수단이 구비될 수 있다. 마찬가지로, 상기 전류측 코일(105)의 권선 간격을 크게 하여도 유사한 자속 쇄교 민감도 향상 효과가 얻을 수 있으며, 상기 전류측 코일(105)과 전압측 코일(106)의 상대적인 위치에 대한 보다 정밀한 제어가 가능하게 된다.

전술한 본 발명의 소거 코일 거치용 지그는 장착된 전류측 코일(105)과 전압측 코일(106)의 상대적인 위치를 미세하게 조절할 수 있다는 장점을 갖는다. 더욱이, 일단 각 코일의 위치가 정해진 후에는 의도하지 않는 외력이 작용하더라도 코일의 위치가 변하지 않는다. 또한 본 발명에 따르면, 보빈(201)에 감기는 코일(106)의 권선 간격을 조절함으로써 보다 정밀한 통전 손실의 측정이 가능해진다.

도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 지그를 사용하여 전압 파형을 측정한 일실시예로서, 도 3a는 초전도체에 흐르는 교류 전류와 전압 신호를 나타낸 그래프이고, 도 3b는 도 3a의 전압 파형에서 소거 코일을 사용하여 추출한 전압 파형을 도 시한 그래프이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 초전도체 거치용 집게형 홀더를 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 상기 홀더는 상판(302) 및 하판(301)과, 상기 상판(302) 및 상판(301) 사이의 힌지 결합 구조를 포함하여 구성된다. 도시된 바와 같이, 상기 힌지 결합 구조는 상판(302) 및 하판(301)의 소정 지점으로부터 돌출되어 맞물리는 두 개의 아암(306)이 힌지축(307)을 중심으로 회전 가능하게 결합되는 구조일 수 있다. 상기 힌지 결합 구조(306, 307)에 의해 상기 하판(301) 및 상판(301)의 일단은 초전도 시료를 압착할 수 있도록 회전 가능하게 결합한다. 도시하지는 않았지만, 상기 힌지 결합 구조는 내부에 비틀림형 원통 코일 스프링(도시하지 않음)을 장착하거나 외부의 압축형 코일 스프링(도시하지 않음)을 이용하여 외력이 없는 상태에서 상기 압착부(점선 참조)의 상판(302) 및 하판(301)이 서로 압착하도록 한다. 본 발명에서 힌지 구조에 적절한 탄성력을 부여하기 위한 스프링 수단에 대해서는 이 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려져 있으므로 여기서는 설명을 생략한다.

상기 상판(302)의 압착부에는 상기 상판(302)을 관통하는 복수의 전도성 단자(303a, 303b, 304a, 304b)들이 부착되어 있다. 도시된 단자들은 도 1과 관련하여 설명한 4 단자법에 의한 것으로서, 바깥쪽의 두 단자(303a, 303b)는 전류 도입용 단자이며, 안쪽 두 단자(304a, 304b)는 전압 신호용 단자이다. 상기 단자들은 구리와 같은 높은 전기 전도도를 갖는 재질로 제작된다. 상기 단자들은 상기 하판(301)의 초전도체 배치 영역(305)에 배치되는 초전도체(도시하지 않음)에 대한 전 기적 접촉을 제공한다.

도 5는 도 4에서 점선으로 표시된 압착부를 정면에서 확대하여 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 상기 각각의 단자들은 누름 패드(401a, 401b, 402a, 402b)와 상기 누름 패드(401a, 401b, 402a, 402b)와 상기 상판(301) 사이에 삽입되는 스프링(403a, 403b, 404a, 404b)을 포함하고 있다. 상기 스프링(403a, 403b, 404a, 404b)은 압축 스프링으로서 상기 누름 패드(401a, 401b, 402a, 402b)에 압축력을 제공하여 초전도체와 누름 패드(401a, 401b, 402a, 402b)간의 접촉력을 향상시킨다. 이 뿐만 아니라 상기 단자에 제공되는 각 스프링(403a, 403b, 404a, 404b)은 상기 초전도체와의 접촉 지점에 각각 독립적으로 탄성 접촉하므로 두께가 균일하지 않은 시료의 경우에도 신뢰성 있는 접촉을 제공할 수 있다.

한편, 도시하지는 않았지만 비압착시 상기 누름 패드(401a, 401b, 402a, 402b)의 설치 위치를 고정하기 위해 상기 단자의 적절한 위치에는 고정핀(도시하지 않음)과 같은 고정 수단이 제공될 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예로서 도 5의 전도성 단자(303a, 303b, 304a, 304b)들의 일부 또는 전부가 하판(301)에 형성될 수 있음을 보여주는 도면이다. 도 시된 바와 같이, 전압 신호선(110)의 8자형 전압 탭 리드(108)가 상기 하판(301)의 하부로 인입되어 상기 하판을 관통한 뒤, 초전도체 배치 영역(305)상으로 노출되어 있다. 노출된 전압 탭 리드는 상기 초전도체 배치 영역(305)상에 장착되는 테이프 형태의 초전도체와 전기적으로 접촉한다. 초전도체와의 전기적인 접촉을 보다 개선 하기 위해 상기 노출된 전압 탭 리드 부위를 포함하는 상기 하판의 소정 영역에는 전도성 단자(502a, 502b)가 형성될 수 있다.

한편, 도 5의 전류 도입용 단자(303a, 303b)가 하판에 설치되는 것도 가능하다. 도 6의 참조 부호(501a, 501b)는 전류 도입용 단자가 하판에 설치된 모습을 도시한 도면이다. 이와 같이, 전압 신호용 단자(502a, 502b) 및/또는 전류 도입용 단자(501a, 501b)가 하판에 형성되는 경우에도 초전도체와 상기 단자(501a, 501b, 502a, 502b)와의 원활한 접촉을 제공하기 위해 도 5에 도시된 바와 같은 누름 패드(401a, 401b, 402a, 402b) 및 상기 누름 패드에 압축력을 제공하는 스프링(403a, 403b, 404a, 404b)을 포함하는 압축 기구가 상기 상판(302)에 제공될 수 있다. 다만 이 경우 상기 누름 패드(401a, 401b, 402a, 403b)가 전도성 재질일 필요는 없다.

전술한 본 발명의 실시예는 본 발명의 구현 형태를 예시한 것에 불과하다. 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 앞서 설명한 실시예들에 다양한 변형 및 수정을 가할 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 정도의 변형 및 수정은 본 발명의 권리범위에 속한다 할 것이다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 소거 코일 거치용 지그는 장착된 전류측 코일과 전압측 코일의 상대적인 위치를 미세하게 조절할 수 있다는 장점을 갖는다. 더욱이, 일단 각 코일의 위치가 정해진 후에는 의도하지 않는 외력이 작용하더라도 코일의 위치가 변하지 않는다. 또한, 보빈에 감기는 코일의 권선 간격의 조절에 의 해 쇄교되는 자속의 민감도를 조절함으로써 보다 정밀한 통전 손실의 측정을 가능하게 한다. 또한, 본 발명의 초전도체 홀더는 상판 및 하판 사이에 장착된 스프링의 탄성력에 의해 초전도체를 견고히 지지하며, 상기 초전도체에 대한 보다 안정적인 전기적 접점을 제공한다. 따라서, 본 발명의 장치는 초전도체의 통전 손실 측정에 있어서, 보다 안정적이면서도 간단하게 소거 코일에 의한 교류 손실을 측정할 수 있으므로 제조된 초전도체의 최종 검사시 또는 초전도체를 이용한 장치 제작시 초전도체의 특성을 간단하면서도 정확하게 평가할 수 있다.

Claims (6)

1. 코일 권선용 보빈;

   상기 보빈을 관통하여 상기 보빈을 거치하며, 상기 보빈 거치 부위를 포함하는 일부 영역에 나사산이 형성되어, 회전시 상기 보빈을 병진 이동시키는 회전축;

   상기 회전축과 평행하게 상기 보빈을 관통하며 상기 회전축의 회전시 상기 보빈의 회전을 방지하는 가이드축; 및

   상기 회전축과 상기 가이드축의 양단에서 상기 회전축 및 상기 가이드축과 결합하여 이를 지지하는 한 쌍의 지지 바를 구비하는 지지 구조체를 포함하는 초전도체 소거 코일 거치용 지그.
2. 제1항에 있어서,

   상기 한 쌍의 지지 바 중 최소한 하나는 상기 지지 구조체로부터 분리 가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 초전도체 소거 코일 거치용 지그.
3. 제1항에 있어서,

   상기 회전축에서 상기 한 쌍의 지지바와의 결합 부위에는 상기 나사산이 형성되지 않은 것을 특징으로 하는 초전도체 소거 코일 거치용 지그.
4. 제1항에 있어서,

   상기 한 쌍의 지지바는 상기 회전축의 회전을 용이하게 하기 회전 헤드를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도체 소거 코일 거치용 지그.
5. 초전도체를 거치하고 상기 초전도체에 대한 전기적 접점을 제공하기 위한 초전도체 홀더에 있어서, 마주보는 상판 및 하판이 일단에서 협지부가 형성되도록 탄성 힌지 결합하며, 상기 협지부의 상기 상판 또는 상기 하판에는 상기 초전도체에 전기적인 연결을 제공하기 위한 복수의 전도성 단자를 구비하고, 상기 상판 및 하판의 탄성 압축에 의해 상기 전도성 단자와 상기 초전도체가 전기적으로 접촉하는 것을 특징으로 하는 집게형 초전도체 홀더.
6. 제5항에 있어서,

   상기 복수의 전도성 단자는 상기 협지부의 상판을 관통하여 형성되며,

   상기 각각의 전도성 단자는 탄성 스프링을 구비하고, 상기 스프링의 압축력에 의해 상기 초전도체가 고정되는 것을 특징으로 하는 집게형 초전도체 홀더.

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