KR20130010785A - Superconducting race track coil using superconducting wire without insulation - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A superconduction race track coil using a superconducting wire without insulation is provided to prevent a quench phenomenon by forming a metal layer in a superconducting wire. CONSTITUTION: A metal layer(120) is formed on the surface of a superconducting wire(140). The metal layer is formed between superconduction race track coils(100). A driving current turns around the metal layer if the driving current is larger than a first transient current. The driving current turns round the superconducting wire if the driving current is larger than a second transient current. The metal layer includes a conductive material having high thermal conductivity.

Description

절연처리를 하지 않은 초전도 선재를 이용한 초전도 레이스 트랙 코일{SUPERCONDUCTING RACE TRACK COIL USING SUPERCONDUCTING WIRE WITHOUT INSULATION}Superconducting race track coil using superconducting wire without insulation {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.The present invention relates to a superconducting coil, and more particularly, to a superconducting race track coil using a superconducting wire that is not electrically insulated.

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.In general, superconductivity refers to a phenomenon in which the electrical resistance becomes "0" when the temperature, the magnetic field, and the current are kept below a certain threshold. Some materials exhibit a loss of resistance at or below a certain temperature, and these materials allow electricity to flow without generating heat, resulting in no energy loss. Such materials are called superconductors, and superconducting phenomena appear only in certain materials and are affected by temperature, magnetic field, and conduction current.

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.The superconductor may be energized without resistance only at or below the superconducting transition temperature (Tc) and below the critical magnetic field (Hc), and there exists a critical current density (Jc) which is the maximum conduction current density that can be energized without resistance. In the application of the superconductor is processed in the form of a line or tape, it is widely used in a superconducting electromagnet that generates a high magnetic field using the processed superconductor.

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.Superconducting wire processed in the form of tape is produced by winding with coils of various geometric shapes, and when a current flows through the wire, a magnetic field is generated from the coil. If the wire is a superconductor, there is no power loss due to resistance and it is a superconducting coil. It is called).

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.Superconducting Race Track Coils are used in high-temperature superconducting synchronous motors, which are currently under development, and insulation technology is an important element that wires used in such coils should have.

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.1A is a cross-sectional view of a conventional superconducting race track coil 10, and FIG. 1B is a partial perspective view of the superconducting race track coil, as shown in b of FIG. 1, outside the superconducting wire 12 The current applied by the electrical insulator 14, which is coated or attached, only flows through the superconducting wire 12.

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.Since the superconducting wires 12 used in the superconducting race track coil 10 must be protected and stable to prevent accidents, insulation between turns in windings is essential when high voltage is applied in the cryogenic state.

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. For this purpose, an electrical insulator 14 is formed on the surface of the superconducting wire 12 constituting the superconducting race track coil 10, or an electric insulator is inserted between turns of the superconducting wire 12 during the winding of the superconducting race track. .

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.That is, the superconductor was electrically insulated by using an insulating layer on the surface of the superconducting wire 12 in order to allow the current to flow to the superconductor (superconducting wire 12) in the normal operation state (superconducting state).

또한, 절연이 확보되었을 때, 의도한 성능과 출력을 낼 수 있고, 안정성도 확보할 수 있어야 한다. In addition, when insulation is secured, it should be able to produce the intended performance and output, and ensure stability.

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.However, the conventional superconducting coil 10 is only insulated by the electrical insulator 14, and even when a current exceeding the threshold current is applied to the superconducting wire 12, a current flows through the superconducting wire 12 to generate a Quench phenomenon. If serious, there was a problem of burning the superconducting coil.

본 발명의 실시예들은 초전도 선재에 금속층을 형성하여 임계전류를 초과하는 전류 통전시에도 Quench에 의한 손상을 방지할 수 있는 초전도 레이스 트랙 코일을 제공하고자 한다. Embodiments of the present invention to provide a superconducting race track coil that can form a metal layer on the superconducting wire to prevent damage by Quench even when the current flow exceeds the threshold current.

또한, 초전도 레이스 트랙 코일의 턴과 턴 사이에도 별도의 전기적 절연물을 사용하지 않고도 전기적 절연을 유지할 수 있는 초전도 레이스 트랙 코일을 제공하고자 한다.Another object of the present invention is to provide a superconducting race track coil that can maintain electrical insulation even between turns of the superconducting race track coil without using a separate electrical insulator.

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.In one or more embodiments of the present invention, in a superconducting race track coil in which a superconducting wire is wound in a race track shape, the superconducting wire is surface treated with a metal layer, and the metal layer is formed between turns of the superconducting race track coil. Superconducting race track coils may be provided that are formed to neighbor.

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.In one or more embodiments of the present invention, when the operating current is greater than the primary transient current, the operating current may flow along the superconducting wire and then bypass the metal layer.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 상기 운전전류가 2차 과도전류보다 커지면 상기 운전전류는 이웃하는 초전도 선재로 우회할 수 있는 것을 특징으로 한다.In one or more embodiments of the present invention, when the operating current is greater than the secondary transient current, the operating current may be bypassed by a neighboring superconducting wire.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 상기 금속층은 열전도도가 높은 도전성 물질로서, 구리, 황동, 스테인레스 중 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In one or more embodiments of the present invention, the metal layer is a conductive material having high thermal conductivity, and is characterized in that it is made of at least one of copper, brass, and stainless steel.

본 발명의 실시예들은 열전도도가 높은 금속성 절연물을 사용함으로써 초전도 레이스 트랙 코일의 턴과 턴 사이의 냉각 특성을 향상시킬 수 있다.Embodiments of the present invention can improve the cooling characteristics between turns of the superconducting race track coil by using a metallic insulator having high thermal conductivity.

또한, 구조적 강도가 좋은 금속을 절연층으로 사용함으로써 초전도 레이스 트랙 코일의 구조적 변형을 방지하고 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.In addition, by using a metal having good structural strength as an insulating layer, it is possible to prevent structural deformation of the superconducting race track coil and to improve mechanical strength.

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.Furthermore, the self-stability of the superconducting race track coil, such as the electrical resistance of the superconducting race track coil or the quench recovery characteristics, can be improved.

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.1 illustrates a conventional superconducting race track coil.
2 illustrates a superconducting race track coil according to an embodiment of the invention.
Figure 3 is a superconducting race track coil and detailed cross-sectional view according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a detailed cross-sectional view for explaining the current flow in the superconducting race track coil according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph of charge / discharge over time of a superconducting race track coil.
6 is a graph showing the results of transient current energization.
7 is a graph showing the results of transient current energization under continuous charging / discharging according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 위주로 설명한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.

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.
It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are intended to be illustrative of the invention, and are not intended to limit the scope of the inventions. I will do it.

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.First, FIG. 2 is a cross-sectional view of a superconducting race track coil 100 and a partial perspective view of a wire rod according to an embodiment of the present invention. Referring to this, it can be seen that the superconducting wire rod 140 is surface-treated with a metal layer 120. have.

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.The superconducting race track coil 100 has a tape-shaped superconducting wire 140 wound in a track shape. The superconducting race track coil 100 has a turn and a turn metal layer 120 as shown in FIG. Abutting each other by This is to allow the current to flow through the metal layer 120 at the portion where the quench is generated when the operating current flowing through the superconducting wire 140 in the normal state exceeds the threshold current.

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.The metal layer 120 is made of a conductive material having high thermal conductivity, thereby improving cooling characteristics between turns of the superconducting race track coil 100.

상기 금속층(120)의 구성 물질로는 구리, 황동, 스테인레스 등의 물질 중 하나 이상을 사용한다.
As the constituent material of the metal layer 120, one or more of materials such as copper, brass, and stainless steel are used.

이하에서는 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 초전도 레이스 트랙 코일(100)에서의 운전전류의 흐름에 대하여 설명한다.Hereinafter, the flow of the operating current in the superconducting race track coil 100 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 4.

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. 4 is a partial cross-sectional view of the superconducting race track coil 100 according to the embodiment of the present invention, and the arrow indicates the driving current 150. First, as shown in FIG. 4A, in the normal state, that is, when the driving current 150 is smaller than the threshold current, no quench occurs and no heat is generated inside the coil, so that the driving current is a superconducting wire 140 having zero resistance. It flows along and performs its function as a superconductor.

초전도체가 초전도성을 나타내기 위해서는 특정 온도, 자장, 전류 이하에서 운전을 해야 하며, 상기 세 가지 기준을 임계온도, 임계자장, 임계전류라고 한다. In order to show superconductivity, the superconductor must operate under a specific temperature, magnetic field, and current. The three criteria are referred to as critical temperature, critical magnetic field, and critical current.

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.If any of the above three are not satisfied, the superconductor loses its superconductivity, which is called Quench. When the quench phenomenon occurs in the superconductor, the portion where the quench is generated generates resistance like the phase conductor, and the superconductor after the quench has a larger resistance than the normal phase conductor (metal).

상기와 같은 이유로 초전도 선재(140)에는 임계전류를 초과하는 전류를 통전시키지 않는 것이 무엇보다 중요하다.For the same reason as above, it is most important that the superconducting wire 140 does not carry a current exceeding a threshold current.

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. However, as shown in FIG. 4B, when the driving current 150 is larger than the primary transient current, that is, when the driving current 150 is larger than the threshold current, a portion of the superconducting wire 140 has a Quench region ( 170 is generated and the portion loses superconductivity and becomes a phase conductor, so that heat is generated in the quench region 170 because it has an electrical resistance component as in the case of a general metal. Since the electrical resistance of the superconducting wire 140 increases due to the heat generation, the driving current 150 flows through the metal layer 120 lower than the electrical resistance in the quench region 170. In this case, a portion of the driving current 150 passes through the metal layer 120 in one turn, while in a neighboring turn, the driving current 150 flows through the superconducting wire 140 normally.

상기에서 1차 과도전류란 초전도 선재(140)에서 부분적인 Quench가 발생하여 초전도 선재(140)에서 발생한 저항이 초전도 선재(140) 표면의 금속층(120)의 저항보다 큰 경우로서 이웃한 턴의 초전도 선재(140)로 우회하지 않을 정도의 운전전류를 말한다. The first transient current is a case where a partial quench occurs in the superconducting wire 140 and the resistance generated in the superconducting wire 140 is greater than the resistance of the metal layer 120 on the surface of the superconducting wire 140. The driving current of the degree that does not bypass the wire rod 140.

본 발명의 실시예에 따르면 운전전류(150)가 상기 1차 과도전류보다 큰 경우에는 운전전류(150) 일부가 금속층(120)을 통하여 우회 통전하게 하여 초전도 선재(140)의 Quench 확대를 방지하도록 한다. 이때, Quench 영역에서는 운전전류의 제곱에 비례하는 양의 열이 발생된다.According to an exemplary embodiment of the present invention, when the driving current 150 is greater than the first transient current, part of the driving current 150 is bypassed through the metal layer 120 to prevent the Quench of the superconducting wire 140 from expanding. do. At this time, heat is generated in the Quench region in an amount proportional to the square of the operating current.

계속하여 운전전류를 상승시켜 운전전류(150)가 2차 과도전류보다 높은 경우에는 임계전류의 여유가 있는 이웃한 층의 초전도 선재(140)로 운전전류(150)가 우회하여 통전된다. 상기에서 2차 과도전류란 한 턴에서의 금속층(120)의 저항이 이웃한 초전도 선재(140)에서의 저항보다 큰 경우로서, 한 턴에서의 금속층(120)의 통전 용량이 이웃한 초전도 선재(140)의 통전 용량보다 적은 경우를 말한다.Subsequently, when the driving current is increased and the driving current 150 is higher than the secondary transient current, the driving current 150 is bypassed and energized by the superconducting wire 140 of the adjacent layer having the margin of the critical current. As described above, the secondary transient current is a case where the resistance of the metal layer 120 in one turn is larger than the resistance in the neighboring superconducting wire 140, and the conduction capacity of the metal layer 120 in one turn is adjacent to the superconducting wire ( It is less than the carrying capacity of 140).

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.As a result, when the secondary transient current is applied, as shown in FIG. 4C, in one turn, the quench region 170 is generated by the secondary quench phenomenon in the superconducting wire 140 by a very large amount of heat, and the superconducting wire In addition to the 140, the metal layer 120 is in a state in which current cannot flow. At this time, the applied driving current 150 flows by bypass to the superconducting wire 140 of the adjacent turn. In this way, burnout in the superconducting race track coil 100 can be prevented.

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.If, after the end of the energization of the transient current to reduce the current below the threshold current, the current flowing in the coil is energized only as a superconductor as the first time, the superconducting race track coil 100 can be restored to its normal state.

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.
The superconducting race track coil 100 according to the embodiment of the present invention may improve the cooling characteristics between the turns and the turns to improve the cooling characteristics of the entire superconducting race track coil 100.

이하에서는 본 발명의 실험예를 통하여 본 발명의 효과에 대하여 설명한다.Hereinafter, the effects of the present invention will be described through experimental examples of the present invention.

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.Figure 5a is a graph showing the charge and discharge current (Charge and Discharge Current) with time of the superconducting race track coil 100, b of Figure 5 is the time for the superconducting coil having an electrical insulation layer in the comparative example 5 is a graph showing the Hall sensor voltage over time of the superconducting race track coil 100 surface-treated with a metal layer according to an embodiment of the present invention. .

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. The experiment is a comparative example in which a conventional electrically insulating layer is formed and an experimental example surface treated with a metal layer 120 according to an embodiment of the present invention. The parameters of the superconducting race track coil 100 used in the experiment are as follows. Table 1 is as follows. The following experiment was carried out in an atmosphere of 77 K liquid nitrogen, the threshold current of the superconducting race track coil 100 of the comparative example is 31A, and the threshold current of the superconducting race track coil 100 of the experimental example is 30A.

레이스 트랙 코일의 변수들Parameters of Race Track Coils 변수variable 비교예Comparative example 실험예Experimental Example 선재 타입Wire rod type BSCCOBSCCO BSCCOBSCCO 선재의 폭[mm]Width of wire rod [mm] 4.24.2 선재의 두께[mm]Wire thickness [mm] 0.230.23 내경:외경:높이[mm]Inner diameter: Outer diameter: height [mm] 20:31:4.220: 31: 4.2 20:33.2:4.220: 33.2: 4.2 직선 길이[mm]Straight length [mm] 6060 코일의 전체 길이Full length of coil 14.114.1 17.317.3 절연 타입Insulation type Kapton 테이프Kapton Tape -- 절연층의 폭:두께[mm]Insulation layer width: thickness [mm] 4.2:0.0264.2: 0.026 -- 턴수(Number of Turn)Number of Turns 5050 6060 Quench 전압[V]Quench Voltage [V] 1.411.41 1.731.73

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.Figure 5a is a graph showing the magnitude of the charge and discharge current with time of the superconducting race track coil 100 of the comparative example and the experimental example having the variables of Table 1, the flow of current with the increase from 10A to 60A As shown, it can be seen that it is discharged while having a constant slope even after being charged with a certain slope.

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. Figure 5b is a graph showing the Hall sensor voltage in the comparative example, Figure 5c is a graph showing the Hall sensor voltage in the experimental example according to the present invention, the Hall sensor voltage in the comparative example is linear with the current In the experimental example, it can be seen that the slope changes after the critical current 30A.

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. This result means that there is a current bypassed by the contact between the turn and the turn in the experimental example. That is, as shown in b of FIG. 4, it can be seen that a current flowing along the superconducting wire 140 flows by bypassing the metal layer 120. In Comparative Examples and Experimental Examples, a stable charge / discharge pattern is maintained below the critical current.

이때, 상기 홀 센서는 코일의 중심에 위치한 분리된 플레이트 상에 놓여 있다.The Hall sensor is then placed on a separate plate located in the center of the coil.

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. FIG. 6 is a graph showing changes in hall sensor voltage and power supply current according to time when a transient current flows through the superconducting race track coil 100 of the experimental example and the comparative example. Figure 6a is a graph of an experimental example of the present invention, "A" is a point indicating the threshold current, it can be seen that the slope of the Hall sensor voltage is reduced based on this point, the operating current is critical This is because the current pattern is changed due to the primary current classification in the coil in excess of the current.

"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. At " B " and " C ", the Hall sensor voltage and the Coil Terminal Voltage of the superconducting race track coil 100 begin to decrease rapidly. This is because the operating current increases more than several times of the critical current, and the current that was bypassed to the stabilizer 120 surrounding the first superconducting wire 140 is transferred to the superconducting wire 140 of a neighboring turn with a margin of conduction current capacity. This is because the entire superconducting race track coil 100 has the same characteristics as a mass of a conductor as it moves, thereby sharing current in each turn of the superconducting race track coil 100, thereby changing the current density. Therefore, the slope at the point "B" is changed.

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.In addition, at the points "C" and "D", the slope of the Hall sensor voltage and the coil voltage is abruptly smoothed, which is due to the characteristic of establishing the steady state condition of the coil itself even in the state of the secondary transient current. In the experiment according to the embodiment of the present invention, the superconducting race track coil 100 was energized 200A, which is more than 6 times the critical current, and no burnout was caused by Quench inside the coil even after the 200A current was charged.

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.6B is a graph showing the experimental results in the comparative example, when the superconducting race track coil 100 burned at 98A when tested under the same conditions as the experimental example. That is, in the experiment on the transient current, it can be seen that the superconducting race track coil 100 of the experimental example is superior to the superconducting race track coil 100 of the comparative example.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 초전도 레이스 트랙 코일(100)의 연속적인 충/방전 하에서의 과도 전류를 흘린 결과를 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing a result of the transient current flowing through the continuous charge / discharge of the superconducting race track coil 100 according to an embodiment of the present invention.

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. The primary charging current is 170A and the secondary charging current is 200A, and it can be seen that it operates stably even when the current is higher than the threshold current. This is because it prevents the coil from being damaged by Quench, and the characteristics of the magnetic field can be recovered immediately after the Quench disappears.

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.That is, in FIG. 7, the Quench area during the first charge is formed between about 150 to 250 seconds, which is about 170 A, and then immediately enters the Recovery area to recover the Quench. In addition, during the secondary charging, the Quench region was formed between about 470 to 580 seconds, which is about 200 A, and then recovered over about 150 seconds.

이는 본 발명에 따른 실험예의 초전도 레이스 트랙 코일(100)은 Quench에 의해 영향을 받지 않고, 정상적인 충/방전이 반복될 수 있음을 의미한다. This means that the superconducting race track coil 100 of the experimental example according to the present invention is not affected by Quench, and normal charging / discharging can be repeated.

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.As can be seen above, the superconducting race track coil 100 according to the embodiment of the present invention has higher stability than the conventional superconducting race track coil 100 and does not require a quench prevention system.

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. While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, And all changes to the scope that are deemed to be valid.

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 영역10: superconducting race track coil 12: superconducting wire rod
14: electrical insulation 100: superconducting race track coil
120: metal layer 140: superconducting wire
150: operating current 170: Quench area

Claims (5)

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 코일.In the superconducting race track coil, the superconducting wire wound around the race track shape,
The superconducting wire is surface-treated with a metal layer, and the superconducting race track coil is formed so that the metal layer is adjacent between turns of the superconducting race track coil. 제1항에 있어서,
운전전류가 1차 과도전류보다 커지면 상기 운전전류는 상기 초전도 선재를 따라 흐르다가 상기 금속층으로 우회할 수 있는 초전도 레이스 트랙 코일.The method of claim 1,
And the operating current flows along the superconducting wire when the operating current is greater than the primary transient current and bypasses the metal layer. 제2항에 있어서,
상기 운전전류가 2차 과도전류보다 커지면 상기 운전전류는 이웃하는 초전도 선재로 우회할 수 있는 초전도 레이스 트랙 코일.The method of claim 2,
A superconducting race track coil capable of bypassing a neighboring superconducting wire when the operating current is greater than a secondary transient current. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속층은 열전도도가 높은 도전성 물질인 것을 특징으로 하는 초전도 레이스 트랙 코일.4. The method according to any one of claims 1 to 3,
The metal layer is a superconducting race track coil, characterized in that the conductive material having a high thermal conductivity. 제4항에 있어서,
상기 금속층은 구리, 황동, 스테인레스 중 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초전도 레이스 트랙 코일.5. The method of claim 4,
The metal layer is a superconducting race track coil, characterized in that made of at least one of copper, brass, stainless.
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