KR102621320B1 - 초전도선재의 권선 방법 - Google Patents

초전도선재의 권선 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초전도선재의 권선 방법에 관한 것으로, 초전도선재의 걸림 고정을 위한 돌출부를 포함하는 접합부가 센터링에 결합되는 보빈 준비 단계와, 상기 초전도선재가 상기 돌출부에 걸림 고정되고 난 후, 상기 접합부와 초전도선재가 접합되는 초전도선재 준비 단계 및 기설정된 권선 방향으로 상기 초전도선재가 권선되되, 권선 두께가 기설정된 두께에 도달할 경우 권선이 종료되는 권선 단계를 포함하고, 상기 권선 단계는 최초 권선 시 상기 초전도선재가 상기 센터링에 1회 감기는 제1권선 단계와, 상기 센터링에 1회 감겨있는 초전도선재 상측면에 기설정된 길이의 다른 초전도선재가 적층되되, 상기 적층된 초전도선재가 메인플레이트 일측에 형성된 슬릿을 통해 타측에 위치한 센터링으로 관통됨으로써, 한 쌍의 센터링에 각각 권선되는 초전도선재가 서로 전기적으로 연결되는 전기적 연결 단계를 포함한다.
이에 의하면, 권선 시 상기 초전도선재가 구조적으로 단단히 고정되어 초전도선재의 손상을 최소화하면서 균일하게 적층됨으로써, 전자력에 의한 퀸치 현상 발생을 방지하고, 높은 자기장을 얻을 수 있다.

Description

초전도선재의 권선 방법{ winding method for superconducting wire }
본 발명은 초전도선재를 권선하되, 상기 초전도선재가 구조적으로 단단히 고정됨으로써 권선 시 초전도선재의 손상을 최소화하면서 균일하게 적층할 수 있는 초전도선재의 권선 방법에 관한 것이다.
일반적으로 초전도선재는 물체의 전기저항이 0인 물질을 의미하는 것으로, 액체 헬륨의 온도인 4K 근처에서 전류저항이 0에 가까운 물질을 저온초전도선재라 하고, 액체 헬륨보다 고온의 액체 질소에서 사용이 가능한 90K 근처에서 초전도 현상을 보이는 물질을 고온초전도선재라고 한다.
그러나 상기 저온초전도선재의 경우 임계온도가 낮아 고가의 액체 헬륨을 지속적으로 사용해야 하는만큼 냉각비용이 많이 소요되는 단점이 있다. 그에 반해, 고온초전도선재는 임계온도가 높아 액체 헬륨이 아닌 액화 질소를 통해 냉각시키므로 냉각비용이 절감된다.
아울러, 2세대 고온초전도선재의 경우에는 1세대 고온초전도선재보다 원가 절감 폭이 더 커 경제적인 고온초전도선재의 구축이 가능할 것으로 전망되고 있다.
그러나 상기 고온초전도선재는 인장응력이나 굽힘응력의 방향에 대해 전기적 및 기계적 영향을 많이 받는다. 초전도선재 권선 시 보빈의 움직임에 의해 초전도선재가 균일하게 권선되지 않으면, 초전도 코일에 전류를 인가하였을 때 발생되는 전자력에 의해 코일이 움직이게 되고, 이로 인해 국지적 발열로 이어져 퀸치(Quench) 현상을 유발시킴으로써 초전도 코일의 특성을 저하시키는 문제점이 발생한다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 보빈에 소정의 깊이로 형성되는 홈과 상기 홈을 따라 보빈 내부에 소정의 공간이 형성되고, 상기 공간에 초전도선재를 고정하기 위한 고정부가 구비되는 형태의 보빈이 사용되고 있다.
그러나 상기 보빈의 경우, 도 1에서 보는 바와 같이 초전도선재가 보빈 내측에 구비된 고정부에 의해 고정된 상태에서 권선되므로, 상기 초전도선재가 상기 홈의 단부를 기점으로 구부러지고, 이로 인해 초전도선재가 상기 보빈의 외측면으로부터 소정의 높이만큼 이격되는 문제점이 발생한다.
KR 10-1198305 B1
본 발명은 권선공간이 제공되는 센터링에 초전도선재와 결합되는 돌출부와 상기 초전도선재 하측면과 접합되는 접합부를 구비하여, 초전도선재 권선 시 상기 초전도선재를 고정시킴으로써 종래 문제점을 해결하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 초전도선재 권선을 위한 보빈은 초전도선재의 권선공간을 제공하는 한 쌍의 센터링; 상기 센터링 사이에 구비되어, 상기 권선공간을 양분하는 메인플레이트; 및 상기 센터링 좌우측에 구비되는 사이드플레이트;를 포함한다.
상기 센터링은 외주면 일측으로부터 기설정된 높이만큼 돌출되는 돌출부; 일측이 함몰되어 형성되는 함몰부; 및 상기 함몰부에 결합되며, 상기 초전도선재와 접합되어 초전도선재를 고정시키는 접합부;를 포함한다.
이때, 최초 권선 시 상기 초전도선재가 상기 돌출부에 걸림 고정된다.
상기 접합부는 상기 초전도선재와 접합 가능한 구리 또는 스테인리스강 소재로 형성된다.
상기 돌출부는 상면과 하면의 중심점을 잇는 중심선으로부터 연장되는 직선이 상기 센터링의 중심점을 지나도록 센터링에 구비된다.
본 발명의 실시예에 따른 초전도선재 권선 방법은 초전도선재의 걸림 고정을 위한 돌출부를 포함하는 접합부가 센터링에 결합되는 보빈 준비 단계; 상기 초전도선재가 상기 돌출부에 걸림 고정되고 난 후, 상기 접합부와 초전도선재가 접합되는 초전도선재 준비 단계; 및 기설정된 권선 방향으로 상기 초전도선재가 권선되되, 권선 두께가 기설정된 두께에 도달할 경우 권선이 종료되는 권선 단계;를 포함한다.
상기 권선 단계는 최초 권선 시 상기 초전도선재가 상기 센터링에 1회 감기는 제1권선 단계; 상기 센터링에 1회 감겨있는 초전도선재 상측면에 기설정된 길이의 다른 초전도선재가 적층되되, 상기 적층된 초전도선재가 메인플레이트 일측에 형성된 슬릿을 통해 타측에 위치한 센터링으로 관통됨으로써, 한 쌍의 센터링에 각각 권선되는 초전도선재가 서로 전기적으로 연결되는 전기적 연결 단계; 포함한다.
본 발명은 초전도선재 권선 시 상기 초전도선재를 고정하여 상기 초전도선재의 손상을 최소화하면서 균일하게 적층함으로써, 전자력에 의해 발생되는 퀸치 현상을 미연에 방지하고, 높은 자기장을 얻을 수 있다.
도 1 은 종래기술에 따른 보빈에 초전도선재가 고정되는 것을 나타내는 도면.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 초전도선재 권선을 위한 보빈을 정면에서 바라본 단면도.
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 센터링의 측면도.
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 초전도선재 권선을 위한 보빈을 측면에서 바라본 단면도.
도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 초전도선재의 개략적인 단면도.
도 6 은 본 발명의 실시예에 따른 초전도선재가 센터링 외주면에 고정되는 과정을 나타내는 도면.
도 7 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 돌출부 배치를 나타내는 도면.
도 8 은 본 발명의 실시예에 따른 초전도선재 권선을 위한 보빈을 좌측면에서 바라본 단면도.
도 9 는 본 발명의 실시예에 따른 초전도선재 권선을 위한 보빈을 우측면에서 바라본 단면도.
도 10 은 본 발명의 실시예에 따른 초전도선재 권선을 위한 보빈을 이용한 권선 방법을 나타내는 순서도.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않는다.
도 2에는 본 발명의 실시예에 따른 초전도선재 권선을 위한 보빈을 정면에서 바라본 단면도가 도시된다.
이를 살펴보면, 상기 보빈은 더블 팬 케이크 코일 형태로 권선하기 위한 것이며 한 쌍의 센터링(200), 메인플레이트(300) 및 사이드플레이트(400)를 포함한다.
상기 센터링(200)은 초전도선재(100)가 팬케이크 형태로 권선되도록 권선공간을 제공한다.
상기 메인플레이트(300)는 상기 한 쌍의 센터링(100) 사이에 구비되어 상기 권선공간을 양분한다.
이하에서는 상기 한 쌍의 센터링(300)을 도 2에서의 상기 메인플레이트(300) 기준으로 좌측에 위치한 센터링을 제1센터링, 우측에 위치한 센터링을 제2센터링으로 정의한다.
상기 사이드플레이트(400)는 상기 제1센터링 좌측 및 제2센터링 우측에 각각 구비된다.
도 3에는 본 발명의 실시예에 따른 센터링의 측면도가 도시된다. 도 4에는 본 발명의 실시예에 따른 초전도선재 권선을 위한 보빈을 측면에서 바라본 단면도가 도시된다.
이들 도면을 살펴보면, 상기 센터링(200)은 함몰부(210), 접합부(220) 및 돌출부(230)를 포함한다.
상기 함몰부(210)는 상기 센터링(200)의 일측이 함몰됨으로써 형성된다.
상기 접합부(220)는 상기 함몰부(210)에 결합되며, 상기 초전도선재(100)의하측면과 접합됨으로써 상기 초전도선재(100)를 고정시킨다.
상기 돌출부(230)는 상기 센터링(200) 외주면 일측 또는 상기 접합부(220) 일측에 하나 이상 구비되되, 기설정된 높이만큼 돌출된다.
이때, 상기 초전도선재(100)는 최초 권선 시 상기 돌출부(230)에 걸림 고정된다.
이 경우, 상기 초전도선재(100)의 일측에는 상기 돌출부(230)와 대응되는 형상의 걸림홀(101)이 하나 이상 형성될 수 있다.
그리고 상기 돌출부(230)는 상기 초전도선재(100)가 권선되는 센터링(200)의 표면을 기준으로 가로 및 세로 중 어느 하나 이상의 방향으로 기설정된 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다.
자세히 설명하면, 복수개의 상기 돌출부(230)는 권선 방향으로 기설정된 거리만큼 이격되어 배치될 수 있고, 권선 방향과 수직인 방향으로 기설정된 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다.
상기 돌출부(230)의 돌출되는 높이는 초전도선재(100) 두께보다 낮으나, 권선 시 상기 초전도선재(100)와 돌출부의 결합이 해제되는 것을 방지하기 위하여 초전도선재(100) 두께의 1/3 이상이 되도록 할 수 있다.
만약, 상기 높이가 초전도선재(100) 두께보다 높을 경우에는 초전도선재(100)를 최초 1회 권선한 이후에도 돌출된 부분이 존재하므로, 상기 돌출된 부분과 접하는 부분에 상기 걸림홀(101)을 형성해야하는 문제점이 발생한다.
상기 돌출부(230)는 상기 센터링(220) 또는 상기 접합부(220) 일측에 구비되되, 상기 돌출부(230)의 중심선으로부터 연장되는 직선이 상기 센터링(300)의 원점을 지나도록 구비될 수 있다.
즉, 상기 돌출부(230)는 함몰부(210)가 형성되지 않은 센터링(220) 일측에 구비될 수 있다.
상기 중심선은 돌출부(230) 상면에서의 중심점과 하면에서의 중심점을 잇는 직선을 의미한다.
상기 메인플레이트(300)의 일측에는 슬릿(310)이 형성되며, 기설정된 길이를 가진 초전도선재가 상기 슬릿(310)을 관통한다.
이하에서는 상기 센터링(300)에 권선되는 초전도선재(100)를 제1초전도선재로 정의하고, 상기 슬릿(310)을 관통하는 기설정된 길이를 가진 초전도선재를 제2초전도선재로 정의한다.
자세히 설명하면, 상기 제2초전도선재는 제1 또는 제2센터링에서 타측에 위치한 센터링으로 관통하여 제1초전도선재 상측에 적층된다.
이때, 상기 제2초전도선재를 통해 제1 및 제2센터링에 권선되는 제1초전도선재가 서로 전기적으로 연결된다.
도 5에는 본 발명의 실시예에 따른 초전도선재의 개략적인 단면도가 도시된다.
이를 살펴보면, 상기 초전도선재(100)는 제1보호층(110), 제2보호층(120) 및 초전도 도체층(130)을 포함한다.
그리고 상기 초전도선재(100)는 금속기판(미도시) 및 상기 금속기판 상면에 금속산화물 박막의 다층을 포함하는 박막층(미도시)을 더 포함하여 구성될 수 있다.
이 경우, 상기 금속기판은 자성의 니켈 또는 니켈 합금 등의 금속으로 형성될 수 있다.
아울러, 상기 제1보호층(110)은 구리(Cu) 형성될 수 있고, 상기 제2보호층(120)은 은(Ag)으로 형성될 수 있다.
상기 초전도선재(100)의 구조에 대해 설명하면, 상기 초전도 도체층(130) 상면에 제2보호층(120) 및 제1보호층(110)이 차례로 형성되고, 상기 초전도 도체층(130) 하면에 제2보호층(120) 및 제1보호층(110)이 차례로 형성된다.
자세히 설명하면, 상기 버퍼층 상면에 상기 초전도 도체층(130)이 형성되고, 상기 금속기판의 하면 및 상기 초전도 도체층(130) 상면에 제2보호층(120)이 형성되고, 상기 제2보호층(120) 외측면에 제1보호층이 형성된다.
도 6에는 본 발명의 실시예에 따른 제1초전도선재가 센터링 외주면에 고정되는 과정을 나타낸 도면이 도시된다.
이를 살펴보면, 상기 제1초전도선재의 하측 일부분(ST)과 상기 접합부(220)의 상측 일부분(ST)은 표면처리가 된다.
상기 표면처리를 통해 상기 제1초전도선재의 표면에 형성된 산화피막을 제거하고, 접합부(220)의 표면을 균일하게 함으로써 상기 제1초전도선재와 접합부(220) 간의 접합력을 향상시킨다.
상기 표면처리로는 연마재를 분사하여 금속 표면을 다듬는 샌드블라스트(sand blast) 등이 적용될 수 있다.
상기 접합부(220) 및 돌출부(230)의 소재는 상기 제1초전도선재의 표면처리되는 부분(ST)인 제1보호층(110)과 동일한 소재 또는 스테인리스강으로 형성될 수 있다.
상기 제1초전도선재 및 접합부(200) 간 접합방법으로는 납땜이 적용될 수 있다.
접합방법에 대해서 자세히 설명하면, 상기 제1초전도선재의 일측 끝부분 즉, 권선되는 방향에 위치한 끝부분을 먼저 상기 접합부(220)와 부착한다.
그리고 부착된 부분을 우선적으로 납땜하고, 계속해서 상기 제1초전도선재의 뒷부분을 상기 접합부(220)와 부착하며 납땜한다.
이때, 상기 제1초전도선재의 하측면과 상기 접합부(220)의 상측면이 납땜을 통해 접합된다.
도 7에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 돌출부 배치를 나타내는 도면이 도시된다.
이를 통해, 권선 방향에 따른 상기 돌출부(230)의 배치 위치를 설명한다.
권선 방향이 반시계 방향일 경우, 상기 돌출부(230)는 상기 센터링(200)의 종방향 중심선을 기준으로 좌측에 위치한다.
권선 방향이 시계 방향일 경우, 상기 돌출부(230)는 상기 센터링(200)의 종방향 중심선을 기준으로 우측에 위치한다.
그리고 상기 걸림홀(101)은 권선되는 방향의 끝부분에 형성될 수 있다.
이로 인해, 상기 제1초전도선재는 걸림홀(101)을 통해 상기 돌출부(230)에 걸림 고정되어 권선 방향으로 회전하되, 상기 제1초전도선재의 끝부분이 상기 센터링(200)의 외측면으로부터 탈착되는 것을 방지한다.
상기 제1초전도선재의 끝부분이 탈착되었을 경우에는 1회전 이후, 탈착된 부분에 적층되려는 제1초전도선재와 접하면서 상기 탈착된 부분이 구부러지는 문제점이 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 보빈은 상기 문제점을 미연에 방지하여 초전도선재의 손상을 최소화하면서 균일하게 적층할 수 있다.
도 8에는 본 발명의 실시예에 따른 초전도선재 권선을 위한 보빈을 좌측면에서 바라본 단면도가 도시된다. 도 9에는 본 발명의 실시예에 따른 초전도선재 권선을 위한 보빈을 우측면에서 바라본 단면도가 도시된다.
이들 도면을 살펴보면, 본 발명의 실시예에 따른 더블 팬 케이크 형태의 보빈에 구비되는 한 쌍의 센터링(200)은 권선되는 방향이 상이하다.
예를 들어, 상기 제1센터링에 권선되는 제1초전도선재는 배면 방향으로 권선되고, 상기 제2센터링에 권선되는 제1초전도선재는 정면 방향으로 권선된다.
도 10에는 본 발명의 실시예에 따른 초전도선재 권선을 위한 보빈을 이용한 권선 방법을 나타내는 순서도가 도시된다.
이를 살펴보면, 상기 권선 방법은 보빈 준비 단계(S100), 초전도선재 준비 단계(S200) 및 권선 단계(S300)을 포함한다.
상기 보빈 준비 단계(S100)에서는 접합부(220)가 센터링(200)의 함몰부(210)에 결합되되, 상기 접합부(220)의 일측에 제1초전도선재의 걸림 고정을 위한 돌출부(230)가 구비된다.
상기 초전도선재 준비 단계(S200)는 초전도선재 결합 단계(S210) 및 초전도선재 접합 단계(S220)를 포함한다.
상기 초전도선재 고정 단계(S210)에서는 최초 권선 시 하나 이상의 상기 돌출부(230)에 상기 제1초전도선재가 걸림 고정된다.
상기 초전도 접합 단계(S230)에서는 상기 단계(S210) 이후 상기 접합부(220)와 상기 제1초전도선재가 납땜을 통해 접합된다.
자세히 설명하면, 상기 접합부(220)의 상측면과 상기 제1초전도선재의 하측면이 납땜을 통해 접합되되, 상기 제1초전도선재의 일측 끝부분 즉, 권선되는 방향에 위치한 끝부분의 하측면과 상기 접합부(220)의 상측면이 부착된 부분이 우선적으로 납땜된다.
이 경우, 상기 제1초전도선재에 형성된 걸림홀(101)과 상기 걸림홀(101) 내측에 결합된 돌출부(230)도 납땜을 통해 접합될 수 있다.
상기 권선 단계(S300)는 제1권선 단계(S310), 전기적 연결 단계(S320) 및 제2권선 단계(S330)를 포함한다.
상기 제1권선 단계(S310)에서는 상기 제1초전선재가 상기 접합부(220) 및 돌출부(230) 중 하나 이상에 의해 고정된 후, 상기 제1초전도선재가 센터링(200)에 최초로 1회 감긴다.
상기 전기적 연결 단계(S320)에서는 상기 센터링(200)에 1회 감겨져있는 상기 제1초전도선재 상측면에 상기 제2초전도선재가 적층되되, 상기 메인플레이트(300) 일측에 형성된 슬릿(310)으로 상기 제2초전도선재가 관통된다.
상기 제2권선 단계(S330)에서는 상기 제1초전도선재가 제2초전도선재를 덮으며 계속해서 권선되되, 권선 두께가 기설정된 두께에 도달할 경우 권선이 종료된다.
본 발명의 범위는 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상을 바탕으로 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 초전도선재
101 : 걸림홀
110 : 제1보호층
120 : 제2보호층
130 : 초전도 도체층
200 : 센터링
210 : 함몰부
220 : 접합부
230 : 돌출부
300 : 메인플레이트
310 : 슬릿
400 : 사이드플레이트

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 초전도선재의 걸림 고정을 위한 돌출부를 포함하는 접합부가 센터링에 결합되는 보빈 준비 단계;
    상기 초전도선재가 상기 돌출부에 걸림 고정되고 난 후, 상기 접합부와 초전도선재가 접합되는 초전도선재 준비 단계; 및
    기설정된 권선 방향으로 상기 초전도선재가 권선되되, 권선 두께가 기설정된 두께에 도달할 경우 권선이 종료되는 권선 단계;를 포함하고,
    상기 권선 단계는,
    최초 권선 시 상기 초전도선재가 상기 센터링에 1회 감기는 제1권선 단계와,
    상기 센터링에 1회 감겨있는 초전도선재 상측면에 기설정된 길이의 다른 초전도선재가 적층되되, 상기 적층된 초전도선재가 메인플레이트 일측에 형성된 슬릿을 통해 타측에 위치한 센터링으로 관통됨으로써, 한 쌍의 센터링에 각각 권선되는 초전도선재가 서로 전기적으로 연결되는 전기적 연결 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도선재의 권선 방법.
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