KR101243318B1 - 초전도 전력저장 장치용 코일 보빈 - Google Patents

초전도 전력저장 장치용 코일 보빈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초전도 전력저장 장치용 코일 보빈에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 초전도 전력저장 장치용 코일 보빈은 원형 고리판 형상으로 서로 대향하여 형성되는 한 쌍의 코일 보빈틀과, 상기 코일 보빈틀 각각에 권선되어 팬케이크 형상을 이루는 초전도 코일과, 상기 코일 보빈틀을 지지하는 지지판과, 상기 코일 보빈틀 사이에 토로이달의 중심을 향하여 판의 두께가 점진적으로 줄어드는 원형 고리판 형상으로 형성되는 중앙틀 및 상기 지지판의 상부 및 하부 각각에 형성되며, 상기 초전도 코일을 전도 냉각하는 금속 전도바를 포함하여, 초전도 전력저장 장치에 토로이달(toroidal) 형태로 초전도 코일을 권선하기 위해 복수개로 구비되는 초전도 전력저장 장치용 코일 보빈에 있어서, 양단이 상기 상하부 금속 전도바에 각각 고정되고, 상기 초전도 코일의 외주면을 감싸는 보조 지지대를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

초전도 전력저장 장치용 코일 보빈{coil bobbin for superconducting magnetic energy storage}
본 발명은 초전도 전력저장 장치용 코일 보빈에 관한 것으로서, 초전도 전력저장 장치에 토로이달(toroidal) 형태로 초전도 코일을 권선하기 위해 복수개로 구비되는 초전도 전력저장 장치용 코일 보빈에 관한 것이다.
최근, 고도화되고 정보화된 사회로 발전함에 따라 정보통신 기기, 전산 기기, 온라인 서비스 기기, 자동생산라인 및 정밀제어 기기가 확충되면서, 이러한 민감하고 중요한 부하에 고품질의 전력을 공급할 목적으로 초전도 전력저장 장치(SMES : superconducting magnetic energy storage)에 대해 연구 및 개발이 활발히 진행되고 있다.
초전도 전력저장 장치는 전력품질을 제어하기 위한 작은 규모의 초전도 전력저장 장치와, 부하 평준화를 목적으로 하는 대용량 초전도 전력저장 장치에 이르기까지 다양하다. 최근에는 민감한 부하의 전력품질을 제어할 목적으로 수 MJ급 소규모 초전도 전력저장 장치가 상용화되어 산업체 및 군용으로 적용되어 그 효과를 입증하고 있다.
초전도 전력저장 장치의 주요 부분은 초전도 코일로 구성되는 초전도 자석과, 초전도 자석을 수용하는 저온 유지 장치(cryostat)와, 초전도 자석의 두 단자를 저온 유지 장치 외부로 인출하는 전류 리드(current lead)와, 전력계통으로부터 전력을 변환시켜 공급하는 전력 변환기로 구성된다.
종래에는 주로 얇은 테이프 모양의 초전도 코일 선재를 권선하여 팬케이크 형상으로 초전도 코일을 형성한 후, 한 쌍을 함께 사용함으로써 더블 팬케이크 형상을 이룬다.
이러한 초전도 코일과 보빈에 관련된 출원은 대한민국 특허청에 출원된 출원번호 제10-2010-0003046호, 제10-2009-0019669호, 제10-2008-0103509호 등이 있다.
이후, 더블 팬케이크 형상의 초전도 코일을 적층하여 초전도 자석을 만든다. 초전도 코일은 팬케이크 형상의 표면, 즉 넓은 면에 수직한 수직 자장의 세기에 따라 임계전류 특성이 매우 다르다. 수직 자장의 세기가 클수록 임계전류가 낮아져 결국에는 초전도 자석의 운전 전류를 낮추는 문제점이 있다.
초전도 자석에 에너지를 저장하는 경우에는 상기의 문제점을 개선하기 위해 초전도 코일을 적층하는 방식이 아닌, 토로이달 형태로 배치함으로써, 초전도 코일의 수직 자장의 세기를 줄이는 방법을 사용하고 있다.
하지만, 종래에는 초전도 코일을 토로이달 형태로 배치하면 토로이달의 외각 원주면에서 내측으로 자기장이 형성되어 초전도 코일이 내측으로 하중이 작용하는 문제점이 있다.
본 발명에 따른 초전도 전력저장 장치용 코일 보빈은 토로이달 형태로 배치된 코일 보빈에 작용되는 자기장에 의해서 에너지 충방전 시 초전도 코일이 토로이달 중심 및 코일의 바깥으로 이동되는 것을 방지할 수 있는 보빈 구조를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 초전도 전력저장 장치용 코일 보빈은 원형 고리판 형상으로 서로 대향하여 형성되는 한 쌍의 코일 보빈틀과, 상기 코일 보빈틀 각각에 권선되어 팬케이크 형상을 이루는 초전도 코일과, 상기 코일 보빈틀을 지지하는 지지판과, 상기 코일 보빈틀 사이에 토로이달의 중심을 향하여 판의 두께가 점진적으로 줄어드는 원형 고리판 형상으로 형성되는 중앙틀 및 상기 지지판의 상부 및 하부 각각에 형성되며, 상기 초전도 코일을 전도 냉각하는 금속 전도바를 포함하여, 초전도 전력저장 장치에 토로이달(toroidal) 형태로 초전도 코일을 권선하기 위해 복수개로 구비되는 초전도 전력저장 장치용 코일 보빈에 있어서, 양단이 상기 상하부 금속 전도바에 각각 고정되고, 상기 초전도 코일의 외주면을 감싸는 보조 지지대를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 보조 지지대는 상기 토로이달의 내측에 해당되는 초전도 코일의 내측 외주면을 지지하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 보조 지지대는 관통홀과, 걸림턱이 각각 형성되어 상기 초전도 코일을 감싸는 형태로 설치됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 보조 지지대는 상기 토로이달의 내측에 해당되는 초전도 코일의 내측 외주면을 지지하는 내측 보조 지지대와, 상기 토로이달의 외측에 해당되는 초전도 코일의 외측 외주면을 지지하는 외측 보조 지지대로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
마지막으로, 원형 고리판 형상으로 서로 대향하여 형성되는 한 쌍의 코일 보빈틀과, 상기 코일 보빈틀 각각에 권선되어 팬케이크 형상을 이루는 초전도 코일과, 상기 코일 보빈틀을 지지하는 지지판과, 상기 코일 보빈틀 사이에 원형 고리판 형상으로 형성되는 중앙틀 및 상기 지지판의 상부 및 하부 각각에 형성되며, 상기 초전도 코일을 전도 냉각하는 금속 전도바를 포함하여, 초전도 전력저장 장치에 토로이달(toroidal) 형태로 초전도 코일을 권선하기 위해 복수개로 구비되는 초전도 전력저장 장치용 코일 보빈에 있어서, 양단이 상기 상하부 금속 전도바에 각각 고정되고, 상기 초전도 코일의 외주면을 지지하는 보조 지지대를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 초전도 전력저장 장치용 코일 보빈은 보조 지지대를 이용하여 초전도 코일에 작용되는 자기장에 의해서 초전도 코일이 이동되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 토로이달 형태를 이루는 복수의 초전도 전력저장 장치용 코일 보빈을 도시하는 사시도.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 초전도 전력저장 장치용 코일 보빈을 도시하는 사시도.
도 3은 도 2의 분해사시도.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 보조 지지대의 결합을 도시하는 개념단면도.
도 5는 본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따른 보조 지지대를 도시하는 사시도.
도 6은 본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따른 보조 지지대를 도시하는 사시도.
도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 초전도 전력저장 장치용 코일 보빈을 도시하는 분해사시도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 토로이달 형태를 이루는 복수의 초전도 전력저장 장치용 코일 보빈을 도시하는 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 토로이달 형태를 이루는 초전도 전력저장 장치용 코일 보빈은 충전시에는 내측으로 작용되고 방전시에는 외측으로 작용되는 자기장에 의해서 힘을 받게 된다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 초전도 전력저장 장치용 코일 보빈을 도시하는 사시도이고, 도 3은 도 2의 분해사시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 대향된 형태로 설치되는 코일은 인력에 의해서 중심으로 힘을 받게 된다.
본 발명의 주요 특징은 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 초전도 코일에 작용되는 힘에 의해서 코일이 이동되거나 형태가 변형되는 것을 방지하기 위한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 초전도 전력저장 장치용 코일 보빈은 원형 고리판 형상으로 서로 대향하여 형성되는 한 쌍의 코일 보빈틀(110)과, 상기 코일 보빈틀(110) 각각에 권선되어 팬케이크 형상을 이루는 초전도 코일(120)과, 상기 코일 보빈틀(110)을 지지하는 지지판(130)과, 상기 코일 보빈틀(110) 사이에 토로이달의 중심을 향하여 판의 두께가 점진적으로 줄어드는 원형 고리판 형상으로 형성되는 중앙틀(150) 및 상기 지지판의 상부 및 하부 각각에 형성되며, 상기 초전도 코일을 전도 냉각하는 금속 전도바(160a, 160b)를 포함한다.
상기 코일 보빈틀(110)은 초전도 코일(120)을 권선하기 위해 원형 고리판 형상을 이루며, 한 쌍이 서로 대향하여 형성된다. 도 3에 도시된 형태는 우측의 코일 보빈틀, 권선된 초전도 코일, 지지판(130)이 결합되고, 좌측은 분해된 사시도이다.
상기 코일 보빈틀(110)은 원형 고리판 형상의 일부가 트임 구조(111)를 이룸으로써, 초전도 전력저장 장치의 충방전 시 와전류를 줄일 수 있다. 이는 변압기에서 와전류 손실을 줄이기 위해 철심에 공극(gap)을 형성한 구조와 같은 원리이다.
또한, 코일 보빈틀(110)은 GFRP(glass fiber reinforced plastic; 유리 섬유 강화 플라스틱) 재질, 아노다이징(anodizing) 처리한 알루미늄 재질 또는 GFRP과 아노다이징 처리한 알루미늄의 접착 재질 중 어느 하나의 재질로 형성하는 것이 바람직하다. GFRP 재질과 아노다이징 처리한 알루미늄 재질은 모두 절연체 재질로서, 이는 초전도 코일(120)로부터 코일 보빈틀(110)을 절연하기 위한 것이다.
그리고, 상기 초전도 코일(120)은 코일 보빈틀(110) 각각에 권선되어 팬케이크 형상을 이룬다. 초전도 코일(120)은 대략 4 mm 폭을 갖는 얇은 테이프 모양의 초전도 코일 선재를 권선하여 형성하며, 그 재질은 용도에 따라 고온 초전도 코일 또는 저온 초전도 코일 중 어떤 것을 사용하여도 무방하다. 팬케이크 형상의 초전도 코일(120) 또한 코일 보빈틀(110)에 형성되어 한 쌍을 이룬다.
또한, 상기 지지판(130)은 상기 코일 보빈틀(110)의 대향면의 반대면 각각에 형성되어, 코일 보빈틀(110)을 지지한다. 즉, 하나의 코일 보빈을 기준으로 할 때, 코일 보빈의 최외부면을 형성한다.
그리고, 중앙틀(150)은 지지판(130) 사이에, 토로이달의 중심을 향하여 판의 두께가 점진적으로 줄어드는 원형 고리판 형상으로 형성된다. 상기 중앙틀(150)의 형상에 따라, 본 발명의 일실시예에 따른 코일 보빈은, 종래와 같이 두 개의 팬케이크 형상 초전도 코일이 나란히 붙어 있는 더블 팬케이크 형상을 이루는 것이 아니라, 마치 싱글 팬케이크 형상의 초전도 코일들이 토로이달 형태를 가지는 구조로, 두 개의 싱글 팬케이크 형상 초전도 코일이 서로 일정한 각을 가지면서 토로이달의 중심을 향하여 점진적으로 가까워지도록 연결되어 있는 더블 팬케이크 형상을 이룬다.
또한, 상기 상하부 금속 전도바(160a, 160b)는 양측 지지판(130) 사이의 상부 및 하부 각각에 형성되며, 초전도 코일(120)을 전도 냉각하는 역할을 한다.
여기서, 금속 전도바(160a, 160b)는 일단이 초전도 코일(120)의 외주면과 대향하여 만곡됨으로써, 초전도 코일(120)의 전도 냉각 효율을 향상시키며, 타단이 양측 지지판(130) 사이에서 외부로 돌출되어 평면을 이룸으로써, 코일 보빈의 받침 기능을 행할 수 있다.
그리고, 상기 금속 전도바(160a, 160b)는 초전도 코일(120)로부터 절연 가능하며, 열전도도가 높은 금속인 아노다이징 처리한 알루미늄 재질로 형성하는 것이 바람직하다.
여기서, 도 3에 도시된 보조 지지대(200)는 양단이 상기 상하부 금속 전도바(160a, 160b)에 각각 고정되고, 상기 초전도 코일(120)의 내측 외주면 즉 토로이달의 내측에 해당되는 외주면을 지지하게 된다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 보조 지지대의 결합을 도시하는 개념단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 보빈틀(110)에 감겨진 초전도 코일(120)은 충전 시에는 내측으로 작용되고 방전시에는 외측으로 작용되는 장기장에 의해서 힘을 받게 되며, 이를 지지하는 것이 보조 지지대(200)이다. 상기 보조 지지대(200)의 양단은 상하부 금속 전도바(160a, 160b)에 각각 볼팅 고정된다.
상기 상하부 금속 전도바(160a, 160b)의 양단에는 체결 브라켓(162)이 별도로 결합되고, 상기 체결 브라켓(162)의 내면에는 보조 지지대(200)가 안착될 수 있는 함몰홈(미도시됨)이 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 보조 지지대(200)의 양단에는 볼팅 결합되기 위한 체결공(210)이 형성되어 있다. 특히, 일단의 체결공(210)은 길게 형성되어 지지대의 장력을 조절할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따른 보조 지지대를 도시하는 사시도이고, 도 6은 본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따른 보조 지지대를 도시하는 사시도이다.
도 5에 도시된 보조 지지대(200)는 관통홀(230)과, 걸림턱(220)이 각각 형성되어 초전도 코일을 감싸는 형태로 설치될 수 있으며, 도 6은 관통홀(230)과 걸림턱(220)의 교차 지점이 지지대의 양단과 반대측에 위치되는 형태이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 초전도 전력저장 장치용 코일 보빈을 도시하는 분해사시도이다.
도 7에 도시된 바와 같이 보조 지지대(200)의 반대측에서 양단이 상하부 금속 전도바(160a, 160b)에 각각 고정되고, 초전도 코일(120)의 외측 외주면을 지지하는 외측 보조 지지대(300)를 더 포함한 실시예이다.
충전시에는 내측으로 작용되는 힘을 내측 보조 지지대(200)이 지지하고, 방전시에는 외측으로 작용되는 힘을 외측 보조 지지대(300)이 지지하게 되는 구조이다.
상기 외측 보조 지지대(300)의 양단에는 체결공(320)이 형성되어 보조 지지대와 마찬가지로 상하부 금속 전도바(160a, 160b)에 각각 고정된다.
마지막으로, 도 2에 도시된 바와 같이 중앙틀이 토로이달의 중심을 향하여 판의 두께가 점진적으로 줄어드는 경우 이외에도 양측의 초전도 코일이 대향되도록 결합되는 코일 보빈에 있어서도 내측 보조 지지대와 외측 보조 지지대를 결합한 형태로 사용될 수도 있다.
이상과 같이 본 발명은 초전도 전력저장 장치용 코일 보빈을 제공하는 것을 주요한 기술적 사상으로 하고 있으며, 도면을 참고하여 상술한 실시 예는 단지 하나의 실시 예에 불과하므로 본 발명의 진정한 범위는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.
110: 코일 보빈틀
120: 초전도 코일
130: 지지판
150: 중앙틀
160a: 상부 금속 전도바
160b: 하부 금속 전도바
200: 보조 지지대, 내측 보조 지지대
210: 체결공
220: 걸림턱
230: 관통홀
300: 외측 보조 지지대

Claims (5)

  1. 원형 고리판 형상으로 서로 대향하여 형성되는 한 쌍의 코일 보빈틀과, 상기 코일 보빈틀 각각에 권선되어 팬케이크 형상을 이루는 초전도 코일과, 상기 코일 보빈틀을 지지하는 지지판과, 상기 코일 보빈틀 사이에 토로이달의 중심을 향하여 판의 두께가 점진적으로 줄어드는 원형 고리판 형상으로 형성되는 중앙틀 및 상기 지지판의 상부 및 하부 각각에 형성되며, 상기 초전도 코일을 전도 냉각하는 금속 전도바를 포함하여, 초전도 전력저장 장치에 토로이달(toroidal) 형태로 초전도 코일을 권선하기 위해 복수개로 구비되는 초전도 전력저장 장치용 코일 보빈에 있어서,
    양단이 상기 상하부 금속 전도바에 각각 고정되고, 상기 초전도 코일의 외주면을 감싸는 보조 지지대를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 전력저장 장치용 코일 보빈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조 지지대는,
    상기 토로이달의 내측에 해당되는 초전도 코일의 내측 외주면을 지지하는 것을 특징으로 하는 초전도 전력저장 장치용 코일 보빈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조 지지대는,
    관통홀과, 걸림턱이 각각 형성되어 상기 초전도 코일을 감싸는 형태로 설치됨을 특징으로 하는 초전도 전력저장 장치용 코일 보빈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조 지지대는,
    상기 토로이달의 내측에 해당되는 초전도 코일의 내측 외주면을 지지하는 내측 보조 지지대와, 상기 토로이달의 외측에 해당되는 초전도 코일의 외측 외주면을 지지하는 외측 보조 지지대로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초전도 전력저장 장치용 코일 보빈.
  5. 원형 고리판 형상으로 서로 대향하여 형성되는 한 쌍의 코일 보빈틀과, 상기 코일 보빈틀 각각에 권선되어 팬케이크 형상을 이루는 초전도 코일과, 상기 코일 보빈틀을 지지하는 지지판과, 상기 코일 보빈틀 사이에 원형 고리판 형상으로 형성되는 중앙틀 및 상기 지지판의 상부 및 하부 각각에 형성되며, 상기 초전도 코일을 전도 냉각하는 금속 전도바를 포함하여, 초전도 전력저장 장치에 토로이달(toroidal) 형태로 초전도 코일을 권선하기 위해 복수개로 구비되는 초전도 전력저장 장치용 코일 보빈에 있어서,
    양단이 상기 상하부 금속 전도바에 각각 고정되고, 상기 초전도 코일의 외주면을 감싸는 보조 지지대를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 전력저장 장치용 코일 보빈.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2015060573A1 (ko) * 2013-10-24 2015-04-30 한국표준과학연구원 Squid 센서 모듈 및 뇌자도 측정 장치

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