KR101706858B1 - 초전도 계자코일의 수직 자기장 감소 장치 - Google Patents

Abstract

초전도 계자코일의 수직 자기장 감소 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 초전도 계자코일의 수직 자기장 감소 장치는 초전도 계자코일의 상단과 하단 위치에 가해지는 수직 자기장을 감소시켜 전류량을 안정적으로 유지하고자 한다.

Description

초전도 계자코일의 수직 자기장 감소 장치{Vertical magnetic field reduction apparatus of the superconducting field coil}

본 발명은 초전도 선재를 이용한 초전도 계자 코일에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초전도 계자 코일을 사용하는 전동기의 내부에서 발생되는 수직 자기장으로 인한 전류량 감소를 최소화 하기 위한 초전도 계자코일의 수직 자기장 감소 장치에 관한 것이다.

최근에는 과도한 에너지 생산과 지속적인 에너지 소비가 증가되면서 보다 효율적인 에너지의 이용과 대체 에너지에 대한 개발이 전 세계적으로 대두되고 있다.

초전도 선재를 이용한 초전도 케이블, 초전도 한류기, 초전도 변압기, 초전도 모터, 초전도 발전기와 같은 초전도 응용기술은 에너지 절감 효과를 통해 경제 성장 동력으로 활용할 수 있는 녹색성장 기술로 각광을 받고 있다.

일 예로 초전도 전동기는 기존의 구리선을 이용한 전동기에 비해 동일한 면적에서 구리보다 수십에서 수 백배 이상의 전류 통전 능력을 갖는 초전도 선재를 계자에 사용하기 때문에 동일 용량의 기존 전동기에 비해 고 자기장을 발생하여 무게와 크기를 크게 줄일 수 있는 이점을 갖는다.

상기 초전도 전동기는 고효율화, 소형 경량화, 고 신뢰성이 야기되므로 각종 산업군에서 다양한 용도로 사용되고 있다.

종래의 초전도 전동기에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 참고로 도 1은 종래의 초전도 계자코일에 전류가 여자될 경우 발생된 자기장의 분포 상태를 도시한 도면이다.

첨부된 도 1을 참조하면, 종래의 초전도 전동기 내부에 배치된 초전도 계자코일(10)에 전류가 여자될 경우 링 형태로 배치된 다수개의 단위 초전도 계자코일에는 수직 자기장의 분포가 도면에 도시된 상태로 발생된다.

상기 초전도 계자코일(10)은 수직한 방향으로 인가되는 수직 자기장에 의해 성능이 저하되는데, 상기 초전도 계자코일(10)이 위치된 상태를 기준으로 가장 강한 수직 자기장이 가해지는 최상단과 최하단에 배치된 단위 초전도 계자코일에서 통전 가능한 전류량이 급격히 감소되어 상기 초전도 계자코일(10)의 전체적인 성능을 악화시키게 된다.

이와 같이 발생된 수직 자기장은 초전도 계자코일(10)의 최상단과 최하단을 향해 이동되는 수직 자기장이 도면에 도시된 바와 같이 분포되는데, 특히 수직 방향으로의 성분이 크게 작용한다.

첨부된 도 2를 참조하면, 초전도 계자코일(10)의 종 단면도를 기준으로 자기장의 분포 상태를 살펴볼 때 상기 초전도 계자코일(10)의 중앙에 위치한 곳에서의 중심 자기장의 세기는 감소되었고, 초전도 계자코일(10)의 최상단과 최하단에 위치된 곳에서의 최대 수직 자기장이 상대적으로 증가되었다. 참고로 도 2를 기준으로 중심 자기장은 1.107 T이고, 최대 수직 자기장은 1.2T로 측정되었다.

첨부된 도 3을 참조하면, 초전도 계자코일(10)에 전류가 인가되어 자기장이 발생될 경우 수직 자기장의 분포를 살펴보면 초전도 계자코일(10)의 최상단과 최하단에 강한 수직 자기장이 집중되는 것을 알 수 있다.

상기 위치에 수직 자기장이 집중될 경우 통전 가능한 전류량이 급격히 감소되는 문제점이 유발된다.

따라서 이러한 초전도 계자코일(10)에 전류가 여자된 상태에서 수직 자기장이 초전도 계자코일의 최상단과 최하단에 집중되는 현상을 최소화 시켜 초전도 계자코일이 설치된 전동기의 효율을 안정적으로 유지해야 될 필요성이 요구되고 있다.

미국특허출원 US20150130303A1

본 발명의 실시 예들은 초전도 전동기 내부에 위치된 초전도 계자코일의 최상단과 최하단 위치에 수직 자기장이 집중되는 현상을 개선하여 상기 초전도 전동기의 안정적인 작동을 도모하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 전동기의 내부에 배치되고 초전도 선재가 코일 형태로 이루어진 초전도 계자코일; 및 상기 초전도 계자코일의 상단과 하단 위치에 가해지는 수직 자기장의 감소를 위해 상기 초전도 계자코일의 상면에 밀착된 제1 자기장 가이드 부와, 상기 초전도 계자코일의 하면에 밀착된 제2 자기장 가이드 부가 구비된 자기장 가이드 부를 포함하고, 상기 제1,2 자기장 가이드 부와 상기 상기 초전도 계자코일이 축 방향에서 서로 다른 동일면이 유지되고, 상기 초전도 계자코일은 중앙에 위치된 단위 초전도 계자코일이 상기 제1,2 자기장 가이드 부와 인접한 위치에 위치된 단위 초전도 계자코일과 축 방향에서 서로 다른 동일면이 유지되는 것을 특징으로 한다.

상기 자기장 가이드 부는 상기 초전도 계자코일의 내측 방향을 향해 연장된 길이보다 상대적으로 길게 연장된 것을 특징으로 한다.

상기 자기장 가이드 부와 밀착된 상기 초전도 계자코일의 횡 방향 단면 길이를 L이라 할 때, 상기 자기장 가이드 부의 횡 방향 단면 길이는 1.8L ~ 2.0L의 길이로 연장된 것을 특징으로 한다.

상기 제1,2 자기장 가이드 부는 링 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 자기장 가이드 부의 반경 방향 내주면은 세로 방향을 향해 수직하게 연장된 것을 특징으로 한다.

상기 제1 자기장 가이드 부의 하면 중 상기 초전도 계자코일의 상면과 미 접촉된 구간이 하향 경사지게 연장된 제1 경사면이 형성되고, 상기 제2 자기장 가이드 부의 상면 중 상기 초전도 계자코일의 하면과 미 접촉된 구간이 상향 경사지게 연장된 제2 경사면이 형성된다.

본 발명의 실시 예들은 초전도 전동기의 내부에 위치된 초전도 계자코일에 자기장의 분포 상태를 개선하여 상기 초전도 계자코일의 성능을 향상시켜 초전도 전동기의 안정적인 작동과 효율을 동시에 향상시킬 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 초전도 계자코일에서 수직 자기장으로 인해 취약한 부위에 자기장 가이드 부를 위치시켜 자기장의 통로를 변경시켜 통전 가능한 전류량을 확보할 수 있다.

도 1은 종래의 초전도 계자코일에 전류가 여자될 경우 발생된 자기장의 분포 상태를 도시한 도면.
도 2는 도 1의 종 단면도.
도 3은 도 2의 상태에서 자기장의 분포 상태를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초전도 계자코일의 수직 자기장 감소 장치를 도시한 사시도.
도 5는 도 4의 종 단면도.
도 6은 도 5의 상태에서 자기장의 분포 상태를 도시한 도면.

본 발명의 일 실시 예에 따른 초전도 계자코일의 수직 자기장 감소 장치에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 참고로 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초전도 계자코일의 수직 자기장 감소 장치를 도시한 사시도 이고, 도 5는 도 4의 종 단면도 이며, 도 6은 도 5의 상태에서 자기장의 분포 상태를 도시한 도면이다.

첨부된 도 4내지 도 5를 참조하면, 본 실시 예에 의한 초전도 계자코일의 수직 자기장 감소 장치는 전동기의 내부에 배치되고 초전도 선재가 코일 형태로 이루어진 초전도 계자코일(100)과, 상기 초전도 계자코일(100)의 상단과 하단 위치에 가해지는 수직 자기장의 감소를 위해 상기 상기 초전도 계자코일(100)의 상면과 하면에 각각 위치된 자기장 가이드 부(200)를 포함한다.

초전도 계자코일(100)은 링 형태로 다수개가 적층되고 최 상단 상면과 최 하단 하면에 각각 자기장 가이드 부(200)가 밀착된 상태로 위치된다.

상기 초전도 계자코일(100)은 링 형태로 이루어진 다수개의 단위 초전도 계자코일로 이루어지는데, 단면도에 도시된 바와 같이 중앙에 위치된 단위 초전도 계자코일과 상기 자기장 가이드 부(200)와 인접한 위치에 위치된 단위 초전도 계자코일에서 측정된 자기장의 세기가 서로 다르게 측정된다.

자기장 가이드 부(200)는 링 형태로 이루어지는데, 상기 초전도 계자코일(100)의 상면에 링 형태로 이루어져 밀착된 제1 자기장 가이드 부(210)와, 상기 초전도 계자코일(100)의 하면에 링 형태로 이루어져 밀착된 제2 자기장 가이드 부(220)를 포함한다.

제1,2 자기장 가이드 부(210, 220)는 동일한 형태로 이루어지는데, 본 발명에서는 상기 초전도 계자코일(100)의 내측 반경 방향을 향해 연장된 길이보다 상대적으로 길게 연장된다.

이와 같이 연장되는 이유는 초전도 계자코일(100)에 전류가 여자되고 수직 자기장이 발생될 경우 최상단과 최하단에 수직 자기장이 강하게 집중되는 현상을 방지하여 상기 초전도 계자코일(100)의 성능 하락을 방지하고, 상기 자기장 가이드 부(200) 쪽으로 수직 자기장이 이동되는 통로를 제공하기 위해서이다. 이와 같이 제1,2 자기장 가이드 부(210, 220)가 위치될 경우 도면에 도시된 바와 같은 상태로 수직 자기장의 분포가 변경된다.

상기 자기장 가이드 부(200)와 밀착된 상기 초전도 계자코일(100)의 횡 방향 단면 길이를 L이라 할 때, 상기 자기장 가이드 부(200)의 횡 방향 단면 길이는 1.8L ~ 2.0L의 길이로 연장된다. 여기서 자기장 가이드 부(200)의 단면 길이는 초전도 계자코일(100)과 밀착된 부분에 한정됨을 미리 밝혀두며 상기 초전도 계자코일(100)의 외주면이 아닌 내주면에서 중심 반경 방향을 향해 연장된 길이로 한정한다.

상기 수치는 수직 자기장으로 인한 초전도 계자코일(100)의 최상단과 최하단 위치에서의 전류량 감소를 위해 전술한 수치 범위 이내에서 연장될 경우 수직 자기장으로 인한 초전도 계자코일(100)의 성능 감소를 최소화 할 수 있다.

예를 들어 자기장 가이드 부(200)의 연장 길이가 상기 초전도 계자코일(100)과 동일할 경우 수직 자기장이 상기 초전도 계자코일(100)의 최상단과 최하단 위치에 중첩된 상태로 집중될 수 있으므로 전술한 수치 범위 이내에 자기장 가이드 부(200)가 연장되는 것이 바람직하다.

상기 자기장 가이드 부(200)는 반경 방향 내주면이 세로 방향을 향해 수직하게 연장되는데, 초전도 계자코일(100)과 세로 방향에서 동일면을 갖지 않는 것이 수직 자기장이 최대로 집중되는 위치를 상기 자기장 가이드 부(200)로 유도할 수 있다. 따라서 상기 초전도 계자코일(100)의 최상단과 최하단 위치에 위치에서 전류량을 안정적으로 유지할 수 있다.

첨부된 도 5를 참조하면, 초전도 계자코일(100)에 전류가 여자된 이후에 중심에 위치된 단위 초전도 계자코일에서 측정된 자기장이 1.155T로 측정되었고, 자기장 가이드 부(200)와 밀착되고 초전도 계자코일(100)의 최상단과 최하단에서 측정된 최대 수직 자기장은 0.9T로 측정되었다.

자기장 가이드 부(200)가 설치된 초전도 계자코일(100)은 최상단과 최하단에 밀착된 상태로 위치되어 있으며, 이와 같이 자기장 가이드 부(200)가 위치될 경우 초전도 계자코일(100)에 전류가 여자될 경우 상기 초전도 계자코일(100)의 최상단과 최하단에 수직 자기장이 집중되지 않고 상기 자기장 가이드 부(200)에 수직 자기장이 집중되는 것을 알 수 있다.

상기 자기장 가이드 부(200)는 고가의 초전도 선재가 사용되지 않으므로 수직 자기장이 집중되는 경우에도 전류량이 감소되는 등의 문제가 발생되지 않고 사용 중 파손되거나 변형되는 경우에도 작업자가 손쉽게 교체 및 수리가 가능하여 초전도 계자코일(100)이 장착된 전동기의 작동 효율과 내구성을 장기간 유지할 수 있다.

첨부된 도 6을 참조하면, 초전도 계자코일(100)에서의 수직 자기장의 분포 상태를 살펴보면, 수직 자기장의 분포 상태가 기 설명된 도 3에 도시된 수직 자기장의 분포 상태와 상이한 것을 알 수 있다.

특히 본 발명은 제1 자기장 가이드 부(210)가 초전도 계자코일(100)의 최상단의 상면에 위치해있고, 제2 자기장 가이드 부(220)가 초전도 계자코일(100)의 최하단의 하면에 위치해있어 발생된 수직 자기장이 제1,2 자기장 가이드 부(210, 220)에 대부분 집중되고, 상대적으로 초전도 계자코일(100)의 최상단과 최하단 위치에서는 상기 수직 자기장이 상대적으로 덜 집중된다.

따라서 초전도 계자코일(100)에서 수직 자기장의 분포에 따른 가장 취약했던 최상단과 최하단 위치에서 안정적으로 보호하고 상기 수직 자기장으로 인한 응력 집중으로 인한 문제점 또한 동시에 해결할 수 있다.

첨부된 도 7을 참조하면, 본 실시 예에 의한 초전도 계자코일의 수직 자기장 감소 장치의 다른 실시 예에 의하면 제1 자기장 가이드 부(210)의 하면 중 상기 초전도 계자코일(100)의 상면과 미 접촉된 구간이 하향 경사지게 연장된 제1 경사면(212)이 형성되고, 상기 제2 자기장 가이드 부(220)의 상면 중 상기 초전도 계자코일(100)의 하면과 미 접촉된 구간이 상향 경사지게 연장된 제2 경사면(222)이 형성된다.

상기 제1 경사면(212)과 제2 경사면(222)은 수직 자기장에 의한 초전도 계자코일(100)의 성능 저하를 최소화하기 위해 형성되는데, 상기 제1,2 경사면(212, 222)에 의해 수직 자기장의 분포가 초전도 계자코일(100)의 최상단과 최하단에 집중되지 않아 상기 초전도 계자코일(100)이 구비된 전동기의 안정적인 효율을 유지할 수 있다.

이상, 본 발명의 일 실시 예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

100 : 초전도 계자코일
200 : 자기장 가이드 부
210 : 제1 자기장 가이드 부
212 : 재1 경사면
220 : 제2 자기장 가이드 부
222 : 제2 경사면

Claims (6)

1. 전동기의 내부에 배치되고 초전도 선재가 코일 형태로 이루어진 초전도 계자코일; 및
   상기 초전도 계자코일의 상단과 하단 위치에 가해지는 수직 자기장의 감소를 위해 상기 초전도 계자코일의 상면에 밀착된 제1 자기장 가이드 부와, 상기 초전도 계자코일의 하면에 밀착된 제2 자기장 가이드 부가 구비된 자기장 가이드 부를 포함하고,
   상기 제1,2 자기장 가이드 부와 상기 상기 초전도 계자코일이 축 방향에서 서로 다른 동일면이 유지되고,
   상기 초전도 계자코일은 중앙에 위치된 단위 초전도 계자코일이 상기 제1,2 자기장 가이드 부와 인접한 위치에 위치된 단위 초전도 계자코일과 축 방향에서 서로 다른 동일면이 유지되는 것을 특징으로 하는 초전도 계자코일의 수직 자기장 감소 장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 자기장 가이드 부는,
   상기 초전도 계자코일의 내측 방향을 향해 연장된 길이보다 상대적으로 길게 연장된 것을 특징으로 하는 초전도 계자코일의 수직 자기장 감소 장치.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 자기장 가이드 부와 밀착된 상기 초전도 계자코일의 횡 방향 단면 길이를 L이라 할 때, 상기 자기장 가이드 부의 횡 방향 단면 길이는 1.8L ~ 2.0L의 길이로 연장된 것을 특징으로 하는 초전도 계자코일의 수직 자기장 감소 장치.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 제1,2 자기장 가이드 부는 링 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 초전도 계자코일의 수직 자기장 감소 장치.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 자기장 가이드 부의 반경 방향 내주면은 세로 방향을 향해 수직하게 연장된 것을 특징으로 하는 초전도 계자코일의 수직 자기장 감소 장치.
6. 제4 항에 있어서,
   상기 제1 자기장 가이드 부의 하면 중 상기 초전도 계자코일의 상면과 미 접촉된 구간이 하향 경사지게 연장된 제1 경사면이 형성되고,
   상기 제2 자기장 가이드 부의 상면 중 상기 초전도 계자코일의 하면과 미 접촉된 구간이 상향 경사지게 연장된 제2 경사면이 형성된 것을 특징으로 하는 초전도 계자코일의 수직 자기장 감소 장치.
   

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