KR20160090529A

KR20160090529A - 초전도 직류 케이블의 발생 자기장을 이용한 자기 부상 장치

Info

Publication number: KR20160090529A
Application number: KR1020150010422A
Authority: KR
Inventors: 심기덕; 조전욱
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2015-01-22
Filing date: 2015-01-22
Publication date: 2016-08-01
Also published as: KR102348816B1

Abstract

본 발명은 초전도케이블을 이용하여 대용량의 전류를 도통하며, 이에 따라 자기장을 형성하는 초전도를 이용한 자기장 발생 케이블 및 초전도를 이용한 자기장 발생 장치와, 이들을 이용한 자기 부상 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일면에 따른 초전도를 이용한 자기장 발생 케이블은 초전도 선재의 다발로 이루어지는 초전도선과, 초전도선을 감싸며, 초전도선의 냉각을 위한 냉매를 포함하는 저온 용기와, 저온 용기로의 열 침입을 방지하기 위한 진공층을 가지며, 저온 용기를 감싸는 진공 용기를 포함하되, 초전도선은 초전도로 대용량의 전류를 도통하여, 진공 용기의 외주면으로부터 이격된 소정의 거리까지 자기장을 형성하는 것을 특징으로 한다.

Description

초전도 직류 케이블의 발생 자기장을 이용한 자기 부상 장치{Magnetic levitation device using a magnetic field generated in the direct current superconducting cable}

본 발명은 초전도 직류 케이블의 발생 자기장을 이용한 자기 부상 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초전도 케이블을 이용하여 대용량의 전류를 도통하며, 이에 따라 자기장을 형성하여 자기 부상을 구현할 수 있도록 하는 초전도 직류 케이블의 발생 자기장을 이용한 자기 부상 장치에 관한 것이다.

일반적으로 자기 부상 기술은 전자기적인 힘을 이용하여 물체를 들어올리는 것을 말한다.

상기한 자기 부상 기술은 예를 들어 자기 부상 열차에 활용되어 선로와의 접촉 없이 소음과 진동이 매우 적고 고속도를 유지할 수 있도록 한다. 이러한 자기 부상 열차는 기존의 고속열차와는 달리 전자석을 이용하여 바퀴를 대체하고 안내 궤도에서 부상하여 어떠한 접촉도 없이 전자기적으로 열차의 추진력이 발생하도록 한다.

자기 부상 방식은 부상력을 발생시키는 궤도에 설치되는 자성체의 종류에 따라 크게 전자석과 강자성체, 영구자석과 강자성체, 전자석과 전자석, 영구자석과 영구자석, 전자석고 영구자석을 이용하는 방식으로 구분이 가능하다. 또한 부상 방식에 따라 흡인력을 이용하는 흡인식 부상 방식과 반발력을 이용하는 반발식 부상 방식으로 구분이 가능하다.

자기 부상 방식 중 널리 사용되는 방식으로는 상전도 흡인식 자기 부상 방식과 초전도 반발식 자기 부상 방식을 들 수 있다.

도1은 종래기술에 따른 상전도 흡인식 자기 부상 장치를 설명하기 위한 개념도이고, 도2는 종래기술에 따른 초전도 반발식 자기 부상 장치를 설명하기 위한 개념도이다.

상전도 흡인식 자기 부상 장치는, 도1에 도시된 바와 같이, 열차(1)의 차상에 설치되는 코일을 이용한 직류전자석(11)과 측방향 안내전자석(13), 궤도(2)에 설치되는 강자성체(12)와 측방향 강자성체(14)를 포함하여, 직류전자석(11)에 인가되는 전류를 조절하여 흡인력을 조절하는 것에 의해 열차(1)의 부상력을 조절하도록 구성된다.

초전도 반발식 자기 부상 장치는, 도2에 도시된 바와 같이, 열차(1)의 차상에 설치되는 초전도코일을 이용하는 직류전자석(21)과, 궤도(2)에 설치되는 8자 형태의 부상용 코일(22)을 포함하여, 흡인력과 반발력을 동시에 이용하여 열차(1)를 부상시키도록 구성된다.

그러나, 종래기술의 상전도 흡인식 자기 부상 장치는 부상을 위한 직류전자석이 추진을 위한 선형 동기 전동기의 계자 역할도 해야 한다. 따라서 복잡한 자기적 메커니즘에 의해 부상하는 직류전자석의 정밀 전류제어가 수반되어야 하는 어려움이 있으며 큰 진동 문제를 포함하여 시스템의 안정도가 떨어진다. 또한 열차의 진행방향이 측방향으로 작용하는 힘을 제어하기 위해 별도로 설치되는 측방향 안내전자석에 대한 별도의 제어를 수행해야 하는 어려움이 있다.

그리고, 종래기술의 반발식 자기 부상 장치는 높은 직류 자장을 만들기 위해 열차의 차상에 설치되는 직류전자석에 고가의 초전도코일이 적용되어야 하며, 초전도코일을 권선하고 기계적으로 고정시키고 냉각채널을 추가해야 하는 등 제작상의 복잡한 과정을 거쳐야 한다. 또한 궤도상에 부상 및 안내를 위해 설치되는 8자 형태의 부상용 코일은 제작 및 유지 보수에 고비용이 소요되는 문제점을 있다. 또한 궤도의 양측면에 추진을 위한 3상 전기자코일과 부상 및 안내를 위한 8자 형태의 부상용 코일이 겹쳐서 설치되므로 자기적 중첩에 의한 자속의 왜곡이 발생하게 되며, 이는 자기부상열차의 고속주행시 소음과 진동에 악영향을 주는 문제점이 있다.

아울러, 상술한 종래기술들은 자기 부상 열차의 부상 높이 및 위치 제어를 필요로 하고, 레일의 유연성이 없어 열차의 경로 전환이 거의 불가능하여 단일 노선만 운행할 수 있는 문제점이 있다. 또한, 부상력을 발생시키는 레일용 자석에 전력을 공급하기 위한 전력장치가 일정 구간마다 설치되어야 하며, 이를 위한 전력 공급망을 갖추어야 하나, 이 전력망을 제대로 활용하지 못하는 문제점이 있다.

KR

10-1170883

B1

KR

10-1137968

B1

앞선 배경기술에서 도출된 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 대용량의 전류 전송을 실현하고 외부로의 자기장 형성이 가능하도록 하는 초전도 직류 케이블의 발생 자기장을 이용한 자기 부상 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

전술한 목적은, 본 발명의 실시예에 따라, 초전도로 대용량의 전류를 도통하여 자기장을 형성하는 초전도 직류 케이블을 소정 간격으로 복수개 배치하여 자기장 패턴을 형성하는 궤도부; 및 상기 초전도 직류 케이블에 의해 형성되는 자기장에 의해 상기 초전도 직류 케이블의 외주면으로부터 소정 거리 이격되어 부상하는 초전도 부상체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 자기장을 이용한 자기 부상 장치에 의해 달성된다.

바람직하게는, 상기 궤도부의 초전도 직류 케이블은, 초전도 선재의 다발로 이루어지는 초전도선과, 상기 초전도선을 감싸며 상기 초전도선의 냉각을 위한 냉매를 포함하는 저온용기와, 상기 저온용기로의 열 침입을 방지하기 위한 진공층을 가지며 상기 저온용기를 감싸는 진공용기를 포함하는 것을 특징으로

바람직하게는, 상기 초전도선은 10만 암페어 내지 150만 암페어의 전류를 도통하여, 상기 진공용기의 중심으로부터 10cm 내지 30cm 범위의 거리에 1 내지 2 테슬라의 자기장을 형성하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 저온용기는 내부용기와 외부용기로 이루어진 이중관 구조를 가지며, 상기 이중관 구조를 통해 액체질소, 액체수소 및 액화천연가스 중 적어도 하나의 냉매가 수송되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 복수개의 초전도 직류 케이블이 각각 형성하는 자기장의 일부 영역을 중첩시켜 상기 자기장 패턴을 형성하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 복수개의 초전도 직류 케이블 중 인접한 각각의 초전도 직류 케이블끼리는 전류의 도통 방향이 반대가 되도록 배열되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 초전도 부상체는 초전도자석으로 이루어져 상기 초전도 직류 케이블이 형성하는 자기장과의 반발력을 이용하여 부상하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 초전도 부상체는 초전도 벌크 또는 초전도 선재로 이루어지며, 상기 초전도 벌크 또는 초전도 선재 내부에는 상기 초전도 직류 케이블이 형성하는 자기장이 인입되지 않도록 하여 부상하는 것을 특징으로 한다.

상술한 실시예에 따른 초전도 직류 케이블의 발생 자기장을 이용한 자기 부상 장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 초전도 직류 케이블을 사용함으로써 레일의 구성 및 설치가 간단하다.

둘째, 대전류 통전이 가능한 초전도 직류 케이블의 특성상 자기 부상에 필요한 강한 자기장을 얻을 수 있다.

셋째, 유연성이 있는 초전도 직류 케이블을 레일에 적용함으로써 자기 부상 레일의 선로 전환이 가능하여 자기 부상 열차 망의 구성이 용이하다.

셋째, 초전도체의 마이스너 효과( Meissner effect)를 이용하므로 종래의 흡인식 및 반발식에 필요했던 부상 간격 및 위치 제어를 생략할 수 있다.

넷째, 대규모 송전을 위한 초전도 직류 케이블을 부상력을 발생시키는 자기장원으로 사용하므로 별도의 레일용 전력 공급 장치를 생략할 수 있다.

다섯째, 초고속 열차를 이용한 장거리 대규모 수송과 대규모 전력 전송을 동시에 구현할 수 있다.

여섯째, 초전도 케이블용 냉매로 액체 수소와 액화 천연가스를 사용하는 것이 가능하여 전력과 연료를 동시에 수송할 수 있다.

도1은 종래기술에 따른 상전도 흡인식 자기 부상 방식을 설명하기 위한 개념도이고,
도2는 종래기술에 따른 초전도 반발식 자기 부상 방식을 설명하기 위한 개념도이고,
도3은 본 발명의 실시예에 따른 초전도 직류 케이블의 발생 자기장을 이용한 자기 부상 장치를 나타내는 개념도이고,
도4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초전도 직류 케이블의 발생 자기장을 이용한 자기 부상 장치를 나타내는 개념도이고,
도5는 본 발명의 실시예에 따른 초전도 직류 케이블의 단면부를 나타내는 예시도이고,
도6은 본 발명의 실시예에 따른 초전도 직류 케이블에 있어서 대용량의 전류를 통전하는 경우의 중심에서부터의 거리에 따른 자기장을 나타내는 그래프이고,
도7 및 도8은 본 발명의 실시예에 따른 초전도 자기장을 이용한 자기 부상 장치가 적용된 자기 부상 열차를 나타내는 예시도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 한편, 해당 기술분야의 통상적인 지식을 가진자로부터 용이하게 알 수 있는 구성과 그에 대한 작용 및 효과에 대한 도시 및 상세한 설명은 간략히 하거나 생략하고 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 상세히 설명하도록 한다.

본 발명은 고온 초전도체의 마이스너 효과( Meissner effect)를 이용한 것으로, 임계 자기장보다 약한 자기장을 초전도체에 가하면 자속선이 완전히 초전도체에서 배제되는 현상이다. 마이스너 효과에 의해 초전도체 내부에서는 자속밀도가 0이 된다(완전 반자성). 이러한 마이스너 효과는 초전도체에 자기장을 가하면 표면에 초전도 전류가 흐르고, 이 전류가 자기장을 형성하여 내부에서 외부 자기장을 상쇄하는 데 기인한다. 이 때문에 초전도체를 자기장 중에 두면 자속은 그 내부로 침입할 수 없으므로 밀려나게 되는 것이다. 즉, 본 발명은 특정한 자기장의 위치에서 초전도체가 고정되는 현상을 이용한 것이다.

이와 같은 기술적 사상에 기반한 본 발명의 실시예에 따른 초전도 자기장을 이용한 자기 부상 장치는, 도3 및 도4에 도시된 바와 같이, 초전도로 대용량의 전류를 도통하여 자기장을 형성하는 초전도 직류 케이블(100)을 소정 간격으로 복수개 배치하여 자기장 패턴(150)을 형성하는 궤도부와, 상기 초전도 직류 케이블(100)에 의해 형성되는 자기장에 의해 상기 초전도 직류 케이블(100)의 외주면으로부터 소정 거리 이격되어 부상하는 초전도 부상체(200)를 포함한다.

여기서, 상기 초전도 직류 케이블(100)은, 도5에 도시된 바와 같이, 초전도 선재의 다발로 이루어지는 초전도선(10)과, 상기 초전도선(10)을 감싸며 상기 초전도선(10)의 냉각을 위한 냉매(21,23)를 포함하는 저온용기(20)와, 상기 저온용기(20)로의 열 침입을 방지하기 위한 진공층을 가지며 상기 저온용기(20)를 감싸는 진공용기(30)를 포함한다.

상기 초전도선(10)은 10만 암페어 내지 150만 암페어의 전류를 도통하여, 상기 진공용기(30)의 중심으로부터 10cm 내지 30cm 범위의 거리에 1 내지 2 테슬라의 자기장을 형성할 수 있다.

이러한 초전도선(10)은 직류에서 손실이 발생하지 않으므로, 무손실의 대용량 전력 전송이 가능하다. 이때, 상기 초전도선(10)이 100만 암페어 내외의 전류를 통전할 수 있는 경우, 10kV 내외의 전압에 있어서도, 기가 와트급의 전력 전송이 가능해진다. 따라서, 수십 킬로와트(kW) 급의 전력 생산이 가능한 태양광과 풍력 발전에 있어서, 발생된 전력을 수요처까지 장거리 전송하는 경우, 발전단 전압의 승압없이 전력 수송이 가능하게 된다.

상기 저온용기(20)는 내부용기와 외부용기로 이루어진 이중관 구조를 가질 수 있으며, 상기 이중관 구조를 통해 액체질소, 액체수소 및 액화천연가스 중 적어도 하나의 냉매가 수송될 수 있다. 따라서, 냉매(21,23)와의 온도차에 따라 상기 초전도선을 냉각하는 역할을 하면서도, 냉매(21,23)를 수요처까지 수송할 수 있게 되는 것이다.

특히, 냉매(21,23)로 이용되는 액체질소, 액체수소 및 액화천연가스는 저온 용기(20)를 통해 공급처에서 사용처까지 공급될 수 있으며, 액체수소 및 액화천연가스 등과 같은 냉매의 경우는, 사용처에서 연료 등으로 이용될 수 있다.

상기 저온용기(20)에 있어 상기 외부용기는 상기 내부용기보다 더 큰 직경을 가지며, 상기 외부용기와 내부용기 사이에 초전도선(10)이 개재될 수 있다. 즉, 도5에 도시된 바와 같이 초전도선(10)이 내부용기를 감싸며, 이 초전도선(10)을 다시 외부용기가 감싸는 형태이다. 이때, 내부용기에 포함되는 냉매(21)는 외부 용기에 포함되는 냉매(23)와 동일하거나 다를 수 있다.

상기와 같은 저온 용기(20)는 알루미늄이나 스탠리스 스틸(Stainless steel)로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기한 실시예에 따른 초전도 직류 케이블(100)은 복수개가 각각 형성하는 자기장의 일부 영역을 중첩시켜 상기 자기장 패턴(150)을 형성할 수 있다.

또한, 복수개의 초전도 직류 케이블(100) 중 인접한 각각의 초전도 직류 케이블끼리는 전류의 도통 방향이 반대가 되도록 배열하는 것이, 후술할 초전도 부상체(200)를 가속으로 이동시키는 데에 바람직하다.

도6은 상기한 실시예에 따른 초전도를 이용한 자기장 발생 케이블(100)에 있어서, 초전도선(10)에 백만 암페어의 전류를 통전하는 경우의 중심에서부터의 거리에 따른 자기장을 나타낸다.

도6을 참조하면, 백만 암페어의 전류가 초전도선(10)에 도통되는 경우, 자기장 발생 케이블(100)의 중심에서의 거리가 0.3[m]인 경우에 있어서 약 1.7 [T]의 자기장을 형성하는 것을 알 수 있으며, 중심에서의 거리가 0.1[m]인 경우에 있어서, 약 2.7 [T]의 자기장이 형성되는 것을 알 수 있다. 또한, 중심에서의 거리가 0.2 [m]인 경우, 약 2 [T]의 자기장을 형성할 수 있는 것을 알 수 있는데, 1 내지 2 [T]의 자기장을 형성하는 경우, 자기장을 이용하여 자기 부상이 가능하게 된다.

한편, 상기 초전도 부상체(200)는 초전도자석으로 이루어져 상기 초전도 직류 케이블(100)이 형성하는 자기장과의 반발력을 이용하여 부상할 수 있다.

또한, 상기 초전도 부상체(200)는 초전도 벌크 또는 초전도 선재로 이루어지며, 상기 초전도 벌크 또는 초전도 선재 내부에는 상기 초전도 직류 케이블(100)이 형성하는 자기장이 인입되지 않도록 하여 부상할 수 있다.

도7 및 도8은 본 발명의 실시예에 따른 초전도 직류 케이블의 발생 자기장을 이용한 자기 부상 장치가 적용된 자기 부상 열차를 나타내는 예시도이다.

예시된 자기 부상 열차(300)의 하측에는 초전도 부상체(200)를 포함하며, 초전도 직류 케이블(100)을 레일로 하여 레일 위를 부상하여 고속 주행이 가능하게 되는 것이다.

즉, 자기 부상 열차(300)는 초전도 직류 케이블(100)로 이루어진 레일을 초전도 직류 케이블(100)에 의해 형성된 자기장에 따라 주행하게 되는 것이다.

지금까지 설명한 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 상술한 실시예들은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상의 범위에서 다양한 수정 및 변경이 가능할 것이다. 이러한 다양한 수정 및 변경 또한 본 발명의 기술적 사상의 범위 내라면 하기에서 기술되는 본 발명의 청구범위에 속한다 할 것이다.

10: 초전도선 20: 저온 용기
21,23: 냉매 30: 진공 용기
100: 초전도 직류 케이블 150: 자기장 패턴
200: 초전도 부상체 300: 자기 부상 열차

Claims

초전도로 대용량의 전류를 도통하여 자기장을 형성하는 초전도 직류 케이블을 소정 간격으로 복수개 배치하여 자기장 패턴을 형성하는 궤도부; 및
상기 초전도 직류 케이블에 의해 형성되는 자기장에 의해 상기 초전도 직류 케이블의 외주면으로부터 소정 거리 이격되어 부상하는 초전도 부상체;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 직류 케이블의 발생 자기장을 이용한 자기 부상 장치.
제1항에 있어서,
상기 궤도부의 초전도 직류 케이블은,
초전도 선재의 다발로 이루어지는 초전도선과,
상기 초전도선을 감싸며 상기 초전도선의 냉각을 위한 냉매를 포함하는 저온용기와,
상기 저온용기로의 열 침입을 방지하기 위한 진공층을 가지며 상기 저온용기를 감싸는 진공용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 직류 케이블의 발생 자기장을 이용한 자기 부상 장치.
제2항에 있어서,
상기 초전도선은 10만 암페어 내지 150만 암페어의 전류를 도통하여, 상기 진공용기의 중심으로부터 10cm 내지 30cm 범위의 거리에 1 내지 2 테슬라의 자기장을 형성하는 것을 특징으로 하는 초전도 직류 케이블의 발생 자기장을 이용한 자기 부상 장치.
제2항에 있어서,
상기 저온용기는 내부용기와 외부용기로 이루어진 이중관 구조를 가지며,
상기 이중관 구조를 통해 액체질소, 액체수소 및 액화천연가스 중 적어도 하나의 냉매가 수송되는 것을 특징으로 하는 초전도 직류 케이블의 발생 자기장을 이용한 자기 부상 장치.
제1항에 있어서,
복수개의 초전도 직류 케이블이 각각 형성하는 자기장의 일부 영역을 중첩시켜 상기 자기장 패턴을 형성하는 것을 특징으로 하는 초전도 직류 케이블의 발생 자기장을 이용한 자기 부상 장치.
제1항에 있어서,
복수개의 초전도 직류 케이블 중 인접한 각각의 초전도 직류 케이블끼리는 전류의 도통 방향이 반대가 되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 초전도 직류 케이블의 발생 자기장을 이용한 자기 부상 장치.
제1항에 있어서,
상기 초전도 부상체는 초전도자석으로 이루어져 상기 초전도 직류 케이블이 형성하는 자기장과의 반발력을 이용하여 부상하는 것을 특징으로 하는 초전도 직류 케이블의 발생 자기장을 이용한 자기 부상 장치.
상기 초전도 부상체는 초전도 벌크 또는 초전도 선재로 이루어지며, 상기 초전도 벌크 또는 초전도 선재 내부에는 상기 초전도 직류 케이블이 형성하는 자기장이 인입되지 않도록 하여 부상하는 것을 특징으로 하는 초전도 직류 케이블의 발생 자기장을 이용한 자기 부상 장치.