KR101300165B1 - 절연처리를 하지 않은 초전도 선재를 이용한 초전도 레이스 트랙 코일 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전도 코일에 관한 것으로, 초전도 선재가 레이스 트랙 형상으로 권선된 초전도 레이스 트랙 코일에 있어서, 상기 초전도 선재는 금속층으로 표면 처리되고, 상기 초전도 레이스 트랙 코일의 턴과 턴 사이는 상기 금속층이 이웃하도록 형성되는 초전도 레이스 트랙 코일을 제공하여, 열전도도가 높은 전기적 절연물을 사용함으로써 초전도 레이스 트랙 코일의 턴과 턴 사이의 냉각 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 구조적 강도가 좋은 금속을 절연층으로 사용함으로써 초전도 레이스 트랙 코일의 구조적 변형을 방지하고 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.

Description

절연처리를 하지 않은 초전도 선재를 이용한 초전도 레이스 트랙 코일{SUPERCONDUCTING RACE TRACK COIL USING SUPERCONDUCTING WIRE WITHOUT INSULATION}

본 발명은 초전도 코일에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기적 절연 처리를 하지 않은 초전도 선재를 이용한 초전도 레이스 트랙 코일에 관한 것이다.

일반적으로, 초전도 현상이란, 온도, 자장 및 전류가 특정한 임계값 이하로 유지될 경우 전기적 저항이 "0"으로 되는 현상을 말한다. 어떤 물질은 일정 온도 이하에서 저항이 사라지는 현상을 보이며, 이와 같은 물질을 사용하면 열을 발생시키지 않으면서 전기를 흘릴 수 있어 에너지 손실이 없다. 상기와 같은 물질을 초전도체(Superconductor)라 하며, 초전도 현상은 특정한 물질에서만 나타나며 온도, 자장 그리고 통전전류에 영향을 받는다.

상기 초전도체는 초전도 전이온도(Tc) 이하와 임계자장(Hc) 이하에서만 저항이 없이 통전될 수 있고, 이때 저항 없이 통전될 수 있는 최대 통전전류밀도인 임계전류밀도(Jc)가 존재한다. 상기 초전도체를 응용하는데 있어서는 선 또는 테이프 형태로 가공되며, 상기 가공된 초전도체를 사용하여 높은 자장을 생성시키는 초전도 전자석에 널리 사용되고 있다.

테이프 형태로 가공되는 초전도 선재는 여러 기하학적 형태의 코일로 권선하여 제작되며, 선재를 통해 전류를 흘리면 자장이 코일로부터 발생하게 되는데, 선재가 초전도체이면 저항에 의한 전력 손실이 없으며 이를 초전도 코일(Superconducting Coil)이라 한다.

현재 개발 단계에 있는 고온 초전도 동기모터에서는 초전도 레이스 트랙 코일(Superconducting Race Track Coil)이 사용되는데, 이러한 코일에 사용되는 선재가 갖춰야 할 중요한 요소기술로 절연 기술이 있다.

도 1의 a는 종래의 초전도 레이스 트랙 코일(10)의 단면도이고, 도 1의 b는 상기 초전도 레이스 트랙 코일의 부분 사시도인데, 도 1의 b에 도시된 바와 같이, 초전도 선재(12)외부에 코팅 또는 부착 되어 있는 전기적 절연물(14)에 의해 인가되는 전류가 초전도 선재(12)를 통해서만 흐르도록 한다.

초전도 레이스 트랙 코일(10)에 사용된 초전도 선재(12)를 보호하고 사고가 나지 않도록 안정성을 확보해야 하기 때문에, 극저온 상태에서 고전압이 인가되었을 때, 권선에서의 턴 간 절연은 필수적이다.

이를 위하여 초전도 레이스 트랙 코일(10)을 구성하는 초전도 선재(12)의 표면에 전기적 절연물(14)을 형성하거나 초전도 레이스 트랙 권선시 초전도 선재(12)의 턴과 턴 사이에 전기적 절연물을 삽입하기도 하였다.

즉, 초전도체는 정상운전 상태(초전도 상태)에서, 전류 통전시 전류를 초전도체(초전도 선재(12))로 흐르도록 하기 위하여 초전도 선재(12)의 표면에 절연층을 사용하여 전기적 절연을 하였다.

또한, 절연이 확보되었을 때, 의도한 성능과 출력을 낼 수 있고, 안정성도 확보할 수 있어야 한다.

그러나, 종래의 초전도 코일(10)은 전기적 절연물(14)에 의해 절연될 뿐이며 초전도 선재(12)에 임계전류를 초과하는 전류 인가시에도 초전도 선재(12)를 통해 전류가 흐름으로써 Quench 현상을 발생시켜 심각할 경우 초전도 코일을 소손 시키는 문제가 있었다.

본 발명의 실시예들은 초전도 선재에 금속층을 형성하여 임계전류를 초과하는 전류 통전시에도 Quench에 의한 손상을 방지할 수 있는 초전도 레이스 트랙 코일을 제공하고자 한다.

또한, 초전도 레이스 트랙 코일의 턴과 턴 사이에도 별도의 전기적 절연물을 사용하지 않고도 전기적 절연을 유지할 수 있는 초전도 레이스 트랙 코일을 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 초전도 선재가 레이스 트랙 형상으로 권선된 초전도 레이스 트랙 코일에 있어서, 상기 초전도 선재는 금속층으로 표면 처리되고, 상기 초전도 레이스 트랙 코일의 턴과 턴 사이는 상기 금속층이 이웃하도록 형성되는 초전도 레이스 트랙 코일이 제공될 수 있다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 운전전류가 1차 과도전류보다 커지면 상기 운전전류는 상기 초전도 선재를 따라 흐르다가 상기 금속층으로 우회할 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 상기 운전전류가 2차 과도전류보다 커지면 상기 운전전류는 이웃하는 초전도 선재로 우회할 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 상기 금속층은 열전도도가 높은 도전성 물질로서, 구리, 황동, 스테인레스 중 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예들은 열전도도가 높은 금속성 절연물을 사용함으로써 초전도 레이스 트랙 코일의 턴과 턴 사이의 냉각 특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 구조적 강도가 좋은 금속을 절연층으로 사용함으로써 초전도 레이스 트랙 코일의 구조적 변형을 방지하고 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.

나아가, 초전도 레이스 트랙 코일의 운전시 발생하는 사고에 대한 초전도 레이스 트랙 코일의 전기적 내성 또는 Quench 회복 특성과 같은 초전도 레이스 트랙 코일의 자체 안정도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 초전도 레이스 트랙 코일을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초전도 레이스 트랙 코일을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초전도 레이스 트랙 코일 및 세부단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 초전도 레이스 트랙 코일에서의 전류 흐름을 설명하기 위한 세부단면도이다.
도 5는 초전도 레이스 트랙 코일의 시간에 따른 충/방전의 그래프이다.
도 6은 과도전류 통전시의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연속적인 충/방전하에서 과도전류 통전시의 결과를 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 위주로 설명한다.

이러한 실시예는 본 발명에 따른 일실시예로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현할 수 있으므로, 본 발명의 권리범위는 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다 할 것이다.

먼저, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초전도 레이스 트랙 코일(100)의 단면도 및 선재의 부분 사시도인데, 이를 참조하면, 초전도 선재(140)는 금속층(120)으로 표면처리 되어 있음을 알 수 있다.

상기 초전도 레이스 트랙 코일(100)은 테이프 형상의 초전도 선재(140)가 트랙 형상으로 권취되어 있는데, 상기 초전도 레이스 트랙 코일(100)은 도 3의 b에 도시된 바와 같이 턴과 턴은 금속층(120)에 의해 서로 접해있다. 이는 정상 상태에서 초전도 선재(140)를 통해 흐르는 운전전류가 임계전류를 초과하는 경우 Quench가 발생된 부분에서는 상기 금속층(120)을 통해 흐르도록 하기 위함이다.

상기 금속층(120)은 열전도도가 높은 도전성의 물질로 이루어지는데, 이에 의해 초전도 레이스 트랙 코일(100)의 턴과 턴 사이의 냉각 특성이 향상될 수 있다.

상기 금속층(120)의 구성 물질로는 구리, 황동, 스테인레스 등의 물질 중 하나 이상을 사용한다.

이하에서는 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 초전도 레이스 트랙 코일(100)에서의 운전전류의 흐름에 대하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 초전도 레이스 트랙 코일(100)의 일부 단면도인데, 화살표는 운전전류(150)를 의미한다. 먼저 도 4의 a에 도시된 바와 같이 정상 상태, 즉 운전전류(150)가 임계전류보다 작은 경우에는 Quench가 발생하지 않고 코일 내부에는 발열되지 않아 운전전류는 저항이 0인 초전도 선재(140)를 따라 흐르면서 초전도체로서의 기능을 수행한다.

초전도체가 초전도성을 나타내기 위해서는 특정 온도, 자장, 전류 이하에서 운전을 해야 하며, 상기 세 가지 기준을 임계온도, 임계자장, 임계전류라고 한다.

상기 세 가지 중 하나라도 만족하지 못하면 초전도체는 초전도성을 잃어버리게 되는데 이를 Quench라고 한다. 초전도체에서 Quench 현상이 발생하면 Quench가 발생한 부분은 상전도체와 같이 저항이 발생하게 되며 Quench 이후의 초전도체는 일반 상전도체(금속)보다 저항이 크게 된다.

상기와 같은 이유로 초전도 선재(140)에는 임계전류를 초과하는 전류를 통전시키지 않는 것이 무엇보다 중요하다.

그러나, 도 4의 b에 도시된 바와 같이, 운전전류(150)가 1차 과도전류보다 큰 경우, 즉 운전전류(150)가 임계전류보다 큰 경우에는 초전도 선재(140)의 일부에서는 Quench 영역(170)이 발생하여 그 부분은 초전도성을 잃고 상전도체가 되어 일반적인 금속의 경우와 마찬가지로 전기적 저항 성분을 가지므로 Quench 영역(170)에서는 열이 발생한다. 상기 발열에 의해 초전도 선재(140)의 전기적 저항은 높아지므로 운전전류(150)는 Quench 영역(170)에서의 전기적 저항 보다 낮은 금속층(120)을 통해 흐르게 된다. 이때는 한 턴에서는 운전전류(150)의 일부가 금속층(120)을 통해 운전전류(150)가 통하는 반면, 이웃하는 턴에서는 정상적으로 초전도 선재(140)를 통해 운전전류(150)가 흐른다.

상기에서 1차 과도전류란 초전도 선재(140)에서 부분적인 Quench가 발생하여 초전도 선재(140)에서 발생한 저항이 초전도 선재(140) 표면의 금속층(120)의 저항과 비교될만큼 충분히 커서 본래 저항이 0인 초전도 선재에 흐르던 전류(A=x+y+z) 중 일부(x)는 초전도 선재를 통하여 흐르고, 다른 일부(y)는 초전도 선재 표면의 금속층을 통하여 초전도 선재의 저항이 발생한 영역을 우회한 후 다시 초전도 선재로 합하여 흐르고(x+y), 초전도 선재의 저항(Quench)이 발생한 영역을 우회하던 전류의 또 다른 일부(z)는 이웃한 선재의 금속층과의 접촉저항을 넘어서서 이웃한 초전도 선재의 금속표면을 통과한 후 이웃한 초전도 선재로 통전하기도 하는 경우를 말한다. 이때, 반드시 이웃한 초전도 선재로 통전되는 것은 아니다.

본 발명의 실시예에 따르면 부분 Quench시 운전전류(150) 일부가 금속층(120)을 통하여 우회 통전하게 하여 Quench 영역에서 발생하는 운전전류의 제곱에 비례하는 열이 작아지도록 하고 초전도 선재(140)의 Quench 확대를 방지하도록 한다.

계속하여 Quench가 확대되어 초전도 선재의 저항이 표면의 금속층 자체저항, 이웃한 선재표면의 금속표면과의 접촉저항 및 이웃한 선재표면의 금속표면의 자체저항의 총합보다 매우 커지는 경우, 또는 계속하여 운전전류를 상승시켜 운전전류(150)가 2차 과도전류보다 높은 경우에는 이웃한 층의 초전도 선재(140)로 대부분의 운전전류(y+z)가 우회하여 통전된다. 상기에서 2차 과도전류란 x<<y+z인 경우를 말한다. 상기 x는 처음부터 계속하여 초전도 선재를 따라 흐르는 전류를 의미하고, y는 1차 과도전류보다 센 전류가 흐를 때에는 초전도 선재 표면의 금속층을 따라 흐르다가 Quench 영역을 지난 후에는 다시 초전도 선재를 따라 흐르는 전류를 의미하며, z는 1차 또는 2차 과도전류보다 센 전류가 인가되는 경우 이웃한 초전도 선재를 따라 흐르는 전류를 의미한다. 이때, y는 2차 과도전류보다 센 전류가 인가되면 이웃한 초전도 선재를 따라 흐르게 된다.

결국, 2차 과도전류가 인가되면 도 4의 c에 도시된 바와 같이, 한 턴에서는 매우 큰 발열량에 의해 초전도 선재(140)에서 2차 Quench 현상에 의해 Quench 영역(170)이 발생되고, 초전도 선재(140) 뿐만 아니라 금속층(120)에서도 전류가 흐를 수 없는 상태가 된다. 이때, 인가된 운전전류(150)는 이웃한 턴의 초전도 선재(140)로 우회하여 흐르게 된다. 이렇게 함으로써 초전도 레이스 트랙 코일(100)에서의 소손을 방지할 수 있게 된다.

만약, 이후에 과도전류의 통전이 끝나고 임계전류 이하로 전류를 감소시키면 코일 내부를 흐르는 전류는 처음과 같이 초전도체로서만 통전하게 되어 초전도 레이스 트랙 코일(100)이 정상 상태로 회복할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 초전도 레이스 트랙 코일(100)은 턴과 턴 사이의 냉각 특성을 향상시켜 초전도 레이스 트랙 코일(100) 전체의 냉각 특성을 향상시킬 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실험예를 통하여 본 발명의 효과에 대하여 설명한다.

도 5의 a는 초전도 레이스 트랙 코일(100)의 시간에 따른 충/방전 전류(Charge and Discharge Current)를 나타내는 그래프이고, 도 5의 b는 비교예에서의 전기적 절연층을 가지는 초전도 코일에 대한 시간에 따른 홀 센서 전압(Hall Sensor Voltage)을 나타내는 그래프이고, 도 5의 c는 본 발명의 실시예에 따라 금속층으로 표면 처리된 초전도 레이스 트랙 코일(100)의 시간에 따른 홀 센서 전압을 나타내는 그래프이다.

상기 실험은 종래의 전기적 절연층이 형성되어 있는 비교예와 본 발명의 실시예에 따른 금속층(120)으로 표면 처리된 실험예에 대한 것으로 실험에 사용된 초전도 레이스 트랙 코일(100)의 변수는 아래의 표 1과 같다. 하기의 실험은 77K의 액체 질소의 분위기에서 실시되었으며, 비교예의 초전도 레이스 트랙 코일(100)의 임계전류는 31A이고, 실험예의 초전도 레이스 트랙 코일(100)의 임계전류는 30A이다.

레이스 트랙 코일의 변수들

변수	비교예	실험예
선재 타입	BSCCO	BSCCO
선재의 폭[mm]	4.2
선재의 두께[mm]	0.23
내경:외경:높이[mm]	20:31:4.2	20:33.2:4.2
직선 길이[mm]	60
코일의 전체 길이	14.1	17.3
절연 타입	Kapton 테이프	-
절연층의 폭:두께[mm]	4.2:0.026	-
턴수(Number of Turn)	50	60
Quench 전압[V]	1.41	1.73

도 5의 a는 상기 표 1의 변수를 갖는 비교예와 실험예의 초전도 레이스 트랙 코일(100)의 시간에 따른 충전 및 방전 전류의 크기를 나타낸 그래프로서, 10A에서부터 60A까지의 증가에 따른 전류의 흐름을 나타낸 것으로, 일정한 기울기를 가지면서 충전된 후 방전시에도 일정한 기울기를 가지면서 방전됨을 알 수 있다.

도 5의 b는 비교예에서의 홀 센서 전압을 나타낸 그래프이고, 도 5의 c는 본 발명에 따른 실험예에서의 홀 센서 전압을 나타낸 그래프인데, 비교예에서의 홀 센서 전압은 전류에 선형적으로 비례하고, 실험예에서는 임계전류인 30A 이후에는 기울기가 변하는 것을 알 수 있다.

이와 같은 결과는 실험예에서의 턴과 턴의 접촉에 의해 우회하는 전류가 있음을 의미한다. 즉, 도 4의 b에서와 같이, 초전도 선재(140)를 따라 흐르던 전류가 금속층(120)으로 우회하여 흐르게 됨을 알 수 있다. 또한, 비교예와 실험예에서는 임계전류 이하에서는 안정적인 충/방전 패턴을 유지한다.

이때, 상기 홀 센서는 코일의 중심에 위치한 분리된 플레이트 상에 놓여 있다.

또한, 도 6은 실험예와 비교예의 초전도 레이스 트랙 코일(100)에 과도전류를 흘린 경우의 시간에 따른 홀 센서 전압과 전원 공급 전류(Power Supply Current)의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 6의 a는 본 발명의 실험예에 대한 그래프인데, "A"점은 임계전류를 나타내는 지점으로 이 시점을 기준으로 하여 홀 센서 전압의 기울기가 작아지는 것을 알 수 있는데, 이는 운전전류가 임계전류를 초과하여 코일 내부에서 1차 전류분류에 의한 전류 패턴의 변화가 발생하였기 때문이다.

"B"와 "C"에서는 홀 센서 전압과 초전도 레이스 트랙 코일(100)의 단자 전압(Coil Terminal Voltage)이 급격히 감소하기 시작한다. 이는 운전전류가 임계전류의 수배 이상 증가하여 최초의 초전도 선재(140)를 둘러싼 금속층(Stabilizer) (120)으로 우회 통전하던 전류가 통전전류 용량의 여유가 있는 이웃한 턴의 초전도 선재(140)로 이동함에 따라 초전도 레이스 트랙 코일(100) 전체가 한 덩어리의 도체와 같은 특성을 가지게 되고, 그로 인하여 초전도 레이스 트랙 코일(100)의 각 턴끼리에서 전류를 공유하게 되어 전류 밀도가 변화되었기 때문이다. 따라서, 점 "B"에서의 기울기는 변하게 된다.

또한, 점 "C"와 "D" 점에서 홀센서 전압과 코일 전압의 기울기가 급격하게 완만해 지는 데, 이는 2차 과도전류 상태에서도 코일 자체적으로 정상상태 조건을 구축하려는 특성에 의한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 실험에서 초전도 레이스 트랙 코일(100)에 임계 전류의 6배가 넘는 200A를 통전 하였으며 200A 전류 충전 후에도 코일 내부에서 Quench에 의한 소손이 발생하지 않았다.

도 6의 b는 비교예에서의 실험 결과를 나타낸 그래프인데, 실험예와 동일한 조건으로 실험하였을 때 98A에서 초전도 레이스 트랙 코일(100)이 타버렸다. 즉, 과도 전류에 대한 실험에서 실험예의 초전도 레이스 트랙 코일(100)이 비교예의 초전도 레이스 트랙 코일(100)에 비하여 과도 전류 특성이 우수함을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 초전도 레이스 트랙 코일(100)의 연속적인 충/방전 하에서의 과도 전류를 흘린 결과를 나타낸 그래프이다.

1차 충전 전류를 170A, 2차 충전 전류를 200A로 하였는데, 임계전류보다 높은 전류에서도 안정적으로 작동함을 알 수 있는데, 이는 과전류에 의한 Quench 발생시 통전 용량의 여유가 있는 이웃한 턴의 선재와 전류를 공유함으로써 Quench에 의한 코일의 손상을 방지 하기 때문이며, 이러한 특성에 의하여 Quench가 사라진 후 자기장의 특성이 바로 회복될 수 있다.

즉, 도 7에서 1차 충전시의 Quench 영역(Quench area)은 170A 전후인 약150~250초 사이에서 형성되고, 이후 바로 회복 영역(Recovery area)에 접어들어 Quench가 회복되었다. 또한, 2차 충전시에는 200A 전후인 약 470~580초 사이에서 Quench 영역이 형성되었으며, 이후 150초 정도에 걸쳐 회복되었다.

이는 본 발명에 따른 실험예의 초전도 레이스 트랙 코일(100)은 Quench에 의해 영향을 받지 않고, 정상적인 충/방전이 반복될 수 있음을 의미한다.

상기에서 알 수 있듯이 본 발명의 실시예에 따른 초전도 레이스 트랙 코일(100)은 종래의 초전도 레이스 트랙 코일(100)보다 안정도가 높아 Quench 방지 시스템이 필요없다.

이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

10: 초전도 레이스 트랙 코일 12: 초전도 선재
14: 전기적 절연물 100: 초전도 레이스 트랙 코일
120: 금속층 140: 초전도 선재
150: 운전전류 170: Quench 영역

Claims (5)

1. 초전도 선재가 레이스 트랙 형상으로 권선된 초전도 레이스 트랙 코일에 있어서,
   상기 초전도 선재는 금속층으로 표면 처리되고, 상기 초전도 레이스 트랙 코일의 턴과 턴 사이는 상기 금속층이 이웃하도록 형성되어,
   운전전류가 1차 과도전류보다 커지면 상기 운전전류의 일부는 상기 초전도 선재를 따라 흐르다가 상기 금속층으로 우회할 수 있는 초전도 레이스 트랙 코일.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 운전전류가 2차 과도전류보다 커지면 상기 금속층으로 우회하던 전류가 이웃하는 초전도 선재로 우회할 수 있는 초전도 레이스 트랙 코일.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 금속층은 구리, 황동, 스테인레스 중 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초전도 레이스 트랙 코일.

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