KR20120022254A - 와전류 손실 감소를 위한 고온 초전도 자석용 전도냉각판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 와전류 손실 감소를 위한 고온 초전도 자석용 전도냉각판에 관한 것으로서, 고온 초전도 선재로 이루어진 더블팬케이크 코일에 사용되는 전도냉각판에 있어서, 수개로 분할되어 단위 전도냉각판을 이루고, 각 단위 전도냉각판에는 슬롯이 형성되어 시변자계에 의한 와전류 손실을 감소시키는 것을 특징으로 하는 와전류 손실 감소를 위한 고온 초전도 자석용 전도냉각판을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 기존의 전도냉각판을 다수개로 분할하고, 각 분할된 단위 전도냉각판에 슬롯을 형성하여 와전류의 경로를 최대한 짧게 함으로써 와전류손실을 최소화하여 열부하를 감소시켜 고온 초전도 자석의 안정적인 작동이 가능한 이점이 있다.

Description

와전류 손실 감소를 위한 고온 초전도 자석용 전도냉각판{Conduction cooled plate of high temperature superconducting magnet for eddy current loss reduction}

본 발명은 와전류 손실 감소를 위한 고온 초전도 자석용 전도냉각판에 관한 것으로서, 특히 전도냉각판을 다수개로 분할하고, 전도냉각판 내에 다수개의 슬롯을 가공하여 충방전시 발생되는 와전류의 경로를 최대한 짧게 함으로써 와전류 손실을 줄이고자 하는 와전류 손실 감소를 위한 고온 초전도 자석용 전도냉각판에 관한 것이다.

초전도 현상을 발견한 이후로 초전도 기술을 전력분야에 응용하고자 하는 노력들이 선진국을 비롯한 세계 곳곳에서 오늘날까지 계속되고 있으며, 고온 초전도(HTS)의 발견은 액체헬륨을 이용하는 기존의 극저온 냉각방식에서 액체질소나 냉동기를 사용한 냉각방식을 채택하게 함으로써, 냉동기 부분의 부피와 유지비용 등을 대폭적으로 절감하는 것을 가능하게 하였다.

초전도 전력기기에 사용하는 고온 초전도 도체의 재료는 부서지기 쉬운 금속산화물 세라믹으로 형성되어 금속피복재를 가진 테이프 형태의 장선으로 제작되게 되며, 더블팬케이크 코일 모양으로 권선되게 된다. 상기 더블팬케이크 코일은 사용 목적에 따라 솔레노이드형 또는 레이스트랙형 등 다양한 형태가 있다. 본 발명에서는 원통형인 솔레노이드형 더블팬케이크 코일에 대해 살펴보고자 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 솔레노이드형 더블팬케이크 코일(10)은 보빈(12)에 고온 초전도 선재(11)가 1, 2층으로 상호 반대방향으로 권선되어 있으며, 고온 초전도 자석에서 발생된 열을 극저온 냉동기로 신속하게 전달하는 전도냉각판(13)과 전류도입선으로 구성된다.

한편, 전도냉각형 고온 초전도 자석은 액체헬륨이나 액체질소에 의한 강제냉각 방식이 아니고, 매질의 열전도를 통해 열을 전달하는 간접냉각 방식이기 때문에 충방전시 자석의 온도 상승을 최대한 억제하기 위해서는 자석이 만든 강자장에 의해 전도냉각판에 발생되는 와전류 손실을 최소화하여야 한다.

고온 초전도 자석의 충방전시, 발생되는 시변자계에 의해 금속링과 전도냉각판에 와전류(eddy current)가 유도 된다. 특히, 기존의 전도냉각판은 도 2와 같이 원판으로 되어 있기 때문에 충방전시 전도냉각판에 큰 와전류(eddy current)가 유도되어 많은 양의 와전류 손실이 발생하고, 이러한 추가적인 열부하가 냉동기의 냉동능력을 저하시켜서 결국 충방전시 고온 초전도 자석의 온도를 순간적으로 허용치 이상으로 상승시켜 냉각시스템의 냉각부하를 증가시키고, 고온 초전도 자석 내에 열적 켄치(quench)가 발생할 우려가 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전도냉각판을 다수개로 분할하고, 전도냉각판 내에 다수개의 슬롯을 가공하여 충방전시 등에 발생되는 와전류의 경로를 최대한 짧게 함으로써 와전류 손실을 줄이고자 하는 와전류 손실 감소를 위한 고온 초전도 자석용 전도냉각판의 제공을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 고온 초전도 선재로 이루어진 더블팬케이크 코일에 사용되는 전도냉각판에 있어서, 수개로 분할되어 단위 전도냉각판을 이루고, 각 단위 전도냉각판에는 슬롯이 형성되어 시변자계에 의한 와전류 손실을 감소시키는 것을 특징으로 하는 와전류 손실 감소를 위한 고온 초전도 자석용 전도냉각판을 기술적 요지로 한다.

또한, 상기 전도냉각판은 1개~4개로 분할된 단위 전도냉각판으로 구성되는 것이 바람직하며, 상기 단위 전도냉각판에 형성된 슬롯은 1개~20개로 형성되는 것이 바람직하다.

여기에서, 상기 전도냉각판의 내경부, 중앙부 및 외경부 중 어느 하나 또는 혼합되어 위치되는 것이 바람직하다.

상기 과제 해결 수단에 의해 본 발명은, 기존의 전도냉각판을 다수개로 분할하고, 각 분할된 단위 전도냉각판에 슬롯을 형성하여 와전류의 경로를 최대한 짧게 함으로써 와전류 손실을 최소화하여 열부하를 감소시켜 고온 초전도 자석의 안정적인 작동이 가능한 효과가 있다.

도 1 - 일반적인 솔레노이드형 더블팬케이크 코일에 대한 모식도.
도 2 - 종래의 전도냉각판의 형태를 나타낸 모식도.
도 3 - 본 발명에 따른 와전류 손실 감소를 위한 고온 초전도 자석용 전도냉각판에 대한 모식도.
도 4 - 종래의 전도냉각판에 발생되는 와전류 분포를 나타낸 시뮬레이션 결과도.
도 5 - 전도냉각판이 1개로 분할된 경우의 와전류 분포를 나타낸 시뮬레이션 결과도.
도 6 - 전도냉각판이 2개로 분할된 경우의 와전류 분포를 나타낸 시뮬레이션 결과도.
도 7 - 전도냉각판의 분할 개수에 따른 와전류 손실을 나타낸 그래프.
도 8 - 본 발명에 따라 전도냉각판이 1개로 분할되고, 전도냉각판의 내경부에 3개의 슬롯이 형성된 경우에 와전류 분포를 나타낸 시뮬레이션 결과도.
도 9 - 본 발명에 따라 전도냉각판이 1개로 분할되고 전도냉각판의 내경부에 7개의 슬롯이 형성된 경우에 와전류 분포를 나타낸 시뮬레이션 결과도.
도 10 - 본 발명에 따라 전도냉각판의 슬롯 위치 및 개수에 따른 와전류 손실을 나타낸 그래프.

본 발명은 고온 초전도 선재로 이루어진 더블팬케이크 코일에 사용되는 전도냉각판에 관한 것으로서, 기존의 전도냉각판을 다수개로 분할하고, 전도냉각판 내에 다수개의 슬롯을 가공하여 고온 초전도 자석의 충방전시, 발생되는 시변자계에 의한 와전류의 경로를 전도냉각판에서 최대한 짧게 함으로써 와전류 손실을 줄이고자 하는 것이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다.

도 3은 본 발명에 따른 와전류 손실 감소를 위한 고온 초전도 자석용 전도냉각판에 대한 모식도이다. 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 전도냉각판(100)은 1개~4개로 분할되어 1개~4개의 단위 전도냉각판(110)으로 구성되며, 각 단위 전도냉각판(110)에는 1개~20개의 슬롯(120)이 형성되어 시변자계에 의한 와전류의 경로를 최대한 짧게 하고자 한 것이다. 여기에서, 전도냉각판(100)의 분할 개수 및 슬롯(120)의 개수는 코일의 용량이나 크기에 따라 적절하게 가변할 수 있으며, 분할 및 슬롯의 개수가 증가할수록 와전류 손실은 감소하게 되나, 너무 많은 단위 전도냉각판이나 슬롯을 형성하는 경우에는 전도냉각판 자체의 내구성이 떨어질 염려가 있으므로 적절히 형성시키는 것이 바람직하다.

그리고 상기 슬롯은 도시된 바와 같이 필요에 따라 상기 전도냉각판(100)의 내경부(도 3(a)), 중앙부(도 3(b)) 및 외경부(도 3(c)) 중 어느 하나 또는 여기저기 혼합된 위치에 형성시킬 수 있으나, 솔레노이드 형태의 더블팬케이크 코일에 있어서는 자석의 중심부로 갈수록 자장세기가 증가하게 되므로 내경부에 슬롯(120)을 만드는 것이 와전류 손실을 가장 줄일 수 있게 된다.

도 4는 기존의 고온 초전도 선재로 이루어진 솔레노이드형 더블팬케이크 코일에 있어서, 전도냉각판의 분할이 없는 경우의 와전류 분포를 나타낸 시뮬레이션 결과이다. 도시된 바와 같이 높은 와전류 분포를 보이는 것을 알 수 있다.

도 5는 전도냉각판이 1개로 분할되어 1개의 단위 전도냉각판으로 이루어진 경우의 와전류 분포에 대한 시뮬레이션 결과이며, 도 6은 전도냉각판이 2개로 분할되어 2개의 단위 전도냉각판으로 이루어진 경우로써, 도 4에 비해 와전류 분포가 감소되는 것을 알 수 있으며, 특히 전도냉각판의 분할 개수가 증가할수록 와전류 분포가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 도 7은 전도냉각판의 분할 개수에 따른 와전류 손실을 나타낸 것으로, 분할 개수가 증가할수록 와전류 손실이 감소하였다.

도 8은 본 발명에 따라 전도냉각판이 1개로 분할되고, 전도냉각판의 내경부에 3개의 슬롯이 형성된 경우에 와전류 분포에 대한 시뮬레이션 결과이고, 도 9는 전도냉각판이 1개로 분할되고 전도냉각판의 내경부에 7개의 슬롯이 형성된 경우에 와전류 분포에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이 슬롯이 개수가 증가할수록 와전류 분포가 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

도 10은 전도냉각판의 슬롯 위치 및 개수에 따른 와전류 손실을 나타낸 것으로, 슬롯이 내경부에 형성된 경우 가장 와전류 손실이 적은 것으로 나타났다.

이와 같이 기존의 전도냉각판을 다수개로 분할하고, 각 분할된 단위 전도냉각판에 슬롯을 형성한 경우, 와전류의 경로를 최대한 짧게 함으로써 와전류 손실을 줄일 수 있으며, 전도냉각판의 분할 개수 및 슬롯의 개수가 증가할수록 그 효과가 크며, 특히 전도냉각판의 내경부에 슬롯을 형성하는 경우에 그 효과가 가장 큼을 확인할 수 있었다. 이에 의해 고온 초전도 자석의 충방전시 발생되는 와전류 손실을 최소화하여 열부하를 감소시켜 고온 초전도 자석의 안정적인 작동이 가능하도록 한 것이다.

10 : 더블팬케이크 코일 11: 고온 초전도 선재
12 : 보빈 13 : 전도냉각판
100 : 전도냉각판 110 : 단위 전도냉각판
120 : 슬롯

Claims (4)

1. 고온 초전도 선재로 이루어진 더블팬케이크 코일에 사용되는 전도냉각판(100)에 있어서,
   수개로 분할되어 단위 전도냉각판(110)을 이루고, 각 단위 전도냉각판(110)에는 슬롯(120)이 형성되어 시변자계에 의한 와전류 손실을 감소시키는 것을 특징으로 하는 와전류 손실 감소를 위한 고온 초전도 자석용 전도냉각판.
2. 제 1항에 있어서, 상기 전도냉각판(100)은 1개~4개로 분할된 단위 전도냉각판(110)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 와전류 손실 감소를 위한 고온 초전도 자석용 전도냉각판.
3. 제 1항에 있어서, 상기 단위 전도냉각판(110)에 형성된 슬롯(120)은 1개~20개로 형성되는 것을 특징으로 하는 와전류 손실 감소를 위한 고온 초전도 자석용 전도냉각판.
4. 제 1항 내지 제 3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 슬롯(120)은 상기 전도냉각판(100)의 내경부, 중앙부 및 외경부 중 어느 하나 또는 혼합되어 위치되는 것을 특징으로 하는 와전류 손실 감소를 위한 고온 초전도 자석용 전도냉각판.

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