KR20170121220A - 유도성-저항성 전류 제한을 위한 전기 코일 시스템 - Google Patents

유도성-저항성 전류 제한을 위한 전기 코일 시스템 Download PDF

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KR20170121220A
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Abstract

초킹 코일 및 초킹 코일 내부에 배열된 베어링 바디를 갖는 전기 코일 시스템이 개시되며, 폐쇄 링을 형성하고 그리고 폐쇄 링을 형성하는 적어도 하나의 초전도성 층을 갖는 적어도 하나의 초전도성 전도체 엘리먼트가 베어링 바디 상에 배열된다. 이러한 전기 코일 시스템을 갖는 유도성-저항성 전류-제한 시스템, 및 코일 시스템을 제조하기 위한 방법이 또한 개시된다. 제조 방법은 베어링 바디의 표면 상에 폐쇄 링을 형성하는 초전도성 층을 침전시키는 단계를 포함한다.

Description

유도성-저항성 전류 제한을 위한 전기 코일 시스템
본 발명은 유도성-저항성 전류 제한(inductive-resistive current limitation)을 위한 초킹 코일(choking coil)을 갖는 전기 코일 시스템(electric coil system)에 관한 것이다. 본 발명은 추가로, 유도성-저항성 전류 제한 시스템 및 이러한 전기 코일 시스템을 이용한 제조 방법에 관한 것이다.
초킹 코일들은, 단락 전류들의 제한을 위해 그리고 전기 전도체들에 대한 고주파 전류 컴포넌트(high-frequency current component)들의 감소를 위해 빈번하게 이용되는 유도성 AC 저항들이다. 이들은 일반적으로 낮은 DC 저항을 가지며, 그에 따라 결과적으로, DC 손실들이 낮게 유지될 수 있다. AC 네트워크(AC network)들에서, 초킹 코일들은 또한, 직렬 저항기로서의 역할을 하기 위해 컨슈머(consumer)와 직렬로 연결되어, 그에 따라 컨슈머 상에 존재하는 AC 전압을 감소시킬 수 있다.
중간-전압 AC 네트워크들에서, 구리 또는 알루미늄(aluminum)과 같은 정상-전도성 재료(normally-conducting material)들로 이루어진 권선들을 갖는 초킹 코일들은 통상적으로, 전류 제한을 위해 또는 전류 특징들의 평활화(smoothing)를 위해 이용된다. 이러한 초킹 코일들의 사용은 네트워크 안정성(network stability)을 감소시키는데, 네트워크 안정성은, 특히 다수의 분산형 전기 공급원들에 의한 전기 에너지(electrical energy)의 주입의 경우, 변화하는 에너지 정책을 고려하면, 점점 더 중요한 요인(factor)이다. AC 전기 네트워크들의 안정성을 개선하기 위해서는, 정상 듀티(normal duty)에서, 초킹 코일의 인덕턴스(inductance)가 낮지만, 그럼에도 불구하고 오동작의 경우 또는 전류 제한의 경우에서 신속하게 높은 값을 취할 수 있는 것이 특히 바람직하다.
매우 가변적인 인덕턴스를 갖는 초킹 코일의 제공을 위한 하나의 옵션(option)은, 종래 기술로부터 알려진 "그라운드-폴트 뉴트럴라이저(ground-fault neutralizer)"의 개념에 의해 제공된다. 이러한 타입(type)의 그라운드-폴트 뉴트럴라이저들에서, 이동가능 철-함유 코어(movable iron-containing core), 또는 "플런저 코어(plunger core)"가 코일의 중심에 삽입되거나 또는 코일의 중심으로부터 제거된다. 이러한 방식에서, 초크(choke)의 인덕턴스가 변화될 수 있지만, 이러한 변동과 연관된 기계적 움직임은 첫 번째로, 능동적 제어 설비를 요구하고, 두 번째로, 비교적 긴 시간 스케일(time scale)의 변동을 요구하며, 따라서, 상태-관련 단락 전류 제한을 작동시키는 데는 실제로 사용가능하지 않다. 이러한 솔루션(solution)은, 추출된 상태의 플런저 코어를 이용하더라도, 초킹 코일의 내부에는 자기장들이 없어지지 않는다는 점에서 추가의 단점을 갖는다. 따라서, 심지어 이러한 상태에서도, 초킹 코일의 인덕턴스 및 결과적으로 임피던스(impedance)는, 실질적으로 자기장들이 없는 내부를 갖는 코일에서보다 더 크다.
DE 10 2010 007 087 A1은 가변적 코일 임피던스를 갖는 전류-제한 디바이스(current-limiting device)를 설명한다. DE 10 2010 007 087 A1에서 설명된 전류 제한기에서, 초킹 코일의 내부에서의 초전도성 코일의 사용에 의해, 초킹 코일의 인덕턴스 및 따라서 임피던스가 상당히 감소된다. 이는 초전도성 코일에서 유도되며, 정상 듀티에서, 초킹 코일의 자기장을 보상하는 전류들에 의해 달성된다. 특정 전류 값의 오버슈트(overshoot) 시에, 초전도체는 정상-전도성 상태(normally-conducting state)로 스위칭(switch)되고, 인덕턴스가 증가되며, 이에 의해 전류가 제한된다. 과도하게 높은 전류의 스위칭-아웃(switch-out) 시에, 초전도체는 짧은 시간 인터벌(time interval) 내에 독립적으로 초전도성 상태로 되돌아가며, 정상 듀티가 재개될 수 있다.
초전도성 스크리닝 코일(superconducting screening coil)을 갖는 이러한 알려진 초킹 코일에서, 내측 초전도성 코일에 대한 권선들의 제조가 비교적 복잡하다는 것은 단점이다. 특히, 폐쇄 링 전류(closed ring current)들의 플럭스(flux)를 허용하기 위해, 개별 권선들, 복수의 권선들 또는 전체 내측 코일이 단락되어야 한다. 이를 위해, 종래 기술에 따르면, 최적의 전도율의 정상-전도성 전기 연결들은, 상업적으로 입수가능한 초전도성 스트립 전도체(superconducting strip conductor)들의 꼬리 단부(tail end)들 사이에, 예컨대 납땜 접촉들에 의해 구성된다. 초전도성 스트립들의 계층화된 어레인지먼트(layered arrangement)에서, 본딩 구역(bonding region)에서의 양호한 전도율의 층들의 제공에 의해 전류 본딩이 달성되어야 한다. 특히, 일 측 상에 고저항 층들을 갖는 스트립 전도체들에서, "플립 접촉(flip contact)" 방식으로 양호한 전도율의 층들을 통해 전류 경로가 라우팅되도록(routed), 스트립 전도체의 짧은 추가의 피스(piece)를 링의 단부들에 연결하는 것이 적절할 수 있다. 그러나, 결과적인 연결 저항은 또한, 내측 코일에서 유도된 전류 플럭스와 연관된 전기 손실들을 발생시키며, 이는 결국 또한, 초전도성 코일의 냉각에 있어서 고도의 복잡성을 초래한다. 코일 권선들의 후속적인 연결의 추가의 단점은 접촉 포인트(contact point)들의 복잡한 제조 및 고장에 대한 접촉 포인트들의 민감성이다.
그러므로, 본 발명의 목적은, 위에서 언급된 단점들을 제거하는 유도성-저항성 전류 제한을 위한 전기 코일 시스템의 개시이다. 특히, 정상 듀티 및 단순화된 제조에서의 낮은 전기적 손실들의 동시적인 달성과 함께, 초킹 코일의 인덕턴스의 신속하고 신뢰적인 변동이 달성되어야 한다. 본 발명의 추가의 목적들은 이러한 타입의 코일 시스템을 갖는 유도성-저항성 전류 제한 시스템, 및 이러한 타입의 코일 시스템의 제조를 위한 방법의 개시이다.
이러한 목적들은 제1항에서 설명되는 전기 코일 시스템, 제12항에서 설명되는 전류 제한 시스템, 및 제13항에서 설명되는 제조 방법에 의해 충족된다.
본 발명에 따른 코일 시스템은 초킹 코일, 및 초킹 코일 내부에 배열된 베어링 바디(bearing body)를 갖는다. 베어링 바디 상에, 적어도 하나의 폐쇄 환형 초전도성 전도체 엘리먼트(closed annular superconducting conductor element)가 배열되고, 그리고 적어도 하나의 폐쇄 환형 초전도성 전도체 엘리먼트는 적어도 하나의 폐쇄 환형 초전도성 층을 갖는다. 폐쇄 환형 초전도성 층은 본원에서, 균일한 초전도성 재료에 의해 환형 어레인지먼트로 자체-폐쇄되는 연속적인 초전도성 층으로서 이해되어야 한다. 따라서, 어떠한 추가의 전기 접촉들 ― 이에 의해, 초전도성 재료가 예컨대, 정상-전도성 재료들에 의해 전기적으로 연결됨 ― 도 존재하지 않아야 한다. 대신에, 초전도성 층의 침전(precipitation)에 의해 환형 초전도성 전도체 루프(annular superconducting conductor loop)가 형성된다. 그에 따라 형성된 적어도 하나의 환형의, 그리고 이러한 링을 통한 연속적인 초전도성 전도체에서, 그에 따라, 초킹 코일의 가변 자기장에 의해 초킹 코일의 내부 상에서 링 전류들이 유도될 수 있으며, 링 전류들은 결국 초킹 코일의 자기장을 보상한다. 이러한 방식에서, 적어도 하나의 환형 전도체 엘리먼트의 내부 상의 구역은 본질적으로 자기장이 없으며, 이로써, 이러한 방식으로 자기장-보상되지 않는 어레인지먼트와 비교하여, 초킹 코일의 인덕턴스 및 그에 따라 또한 임피던스를 상당히 감소시킨다. 따라서, 이러한 코일 시스템을 갖는 유도성-저항성 전류-제한 시스템은, 이러한 보상의 부재 시에 발생할 손실들보다 더 낮은 손실들로 동작될 수 있다. 오동작의 경우에, 즉, 미리 결정된 임계값을 초과하는 초킹 코일의 전류들의 존재 시에, 폐쇄 환형 초전도성 층에 유도된 전류들이, 임계 전류 밀도가 초과되고 상기 층에서의 초전도가 파괴되는 정도까지 상승하도록, 코일 시스템이 적절히 설계된다. 따라서, 초킹 코일의 인덕턴스는 초킹 코일의 내부에서의 자기장 보상의 부재에 대한 응답으로 상승되고, 초킹 전류가 포함된, 외부 회로에 흐르는 고장 전류(fault current)가 효과적으로 제한될 수 있다. 이러한 제한은 매우 신속하게 그리고 코일 내로의 플런저 코어의 삽입을 위해 요구되는 타입의 어떠한 추가의 제어 기능 없이 진행된다.
후속적으로 전기적으로 본딩되는(bonded) 초전도성 스트립 전도체들로 형성되는 초전도성 링 전도체들을 갖는 알려진 코일 시스템들과 비교하여, 본 발명에 따른 코일 시스템은, 후속적으로-통합되는 접촉들, 특히 오믹 접촉(ohmic contact)들의 부재로 인해, 환형 전도체 엘리먼트들에서의 추가의 저항들이 회피될 수 있다는 장점을 갖는다. 대신에, 링 전류가 연속적인 초전도성 층에서 흐르며, 그에 따라, 상기 초전도성 층에서의 열의 생성이 감소된다. 적어도 하나의 초전도성 전도체 엘리먼트가, 코일 시스템의 동작을 위해 자신의 임계 온도 미만의 온도로 냉각될 필요가 있기 때문에, 상기 전도체 엘리먼트들의 구역에 냉각 시스템이 적절히 제공된다. 유리하게, 환형 전도체 엘리먼트들에서의 전기적 손실들이 더 작을수록, 이러한 냉각 시스템의 필수 냉각 능력이 더 낮아진다. 연속적인 초전도성 환형 층에서, 이러한 손실들이 감소된다.
본 발명에 따른 설계의 코일 시스템의 추가의 장점들은 적어도 하나의 환형 전도체 엘리먼트의 더 간단한 제조와 연관된다. 스트립 전도체의 단부 구역들의 후속적인 본딩에 의한 이러한 전도체 엘리먼트의 제조와 비교하여, 더 적은 프로세스 단계(process step)들이 요구된다. 더욱이, 이러한 스트립 전도체에 대해 마찬가지로 복잡한 권선 프로세스가 또한 생략될 수 있다. 스트립 전도체를 위한 납땜 디바이스들과 함께, 권선 머신(winding machine)들, 권선 디바이스들 및 권선을 위한 지지 구조들에 대한 요건은 더 이상 적용되지 않으며, 베어링 바디에 대한 코팅(coating)의 적용을 위한 단지 하나의 디바이스만이 요구된다. 결과적으로, 제조 프로세스의 복잡성 및 제조 비용들 둘 모두가 감소될 수 있다.
마지막으로, 추가의 장점은, 예컨대 베어링 바디 상에 직접적으로 침전되는 연속적인 초전도성 층의 더 큰 고장 허용한계와 연관된다. 특히 폐쇄 환형 초전도성 층이, 폭이 단지 수 mm인 스트립 전도체들로 통상적으로 형성되는 폐쇄 환형 권선보다 더 넓도록 훨씬 더 용이하게 구성될 수 있다는 것을 근거로, 좁은 스트립 전도체(narrow strip conductor)들로 구성되는 권선과 비교하여, 비-초전도성 구역들의 형태에서 마이너 결함(minor defect)들은 더 용이하게 용인될 수 있다. 후속적으로-형성되는 전기 접촉들의 구역에서, 이러한 종래의 스트립 전도체들의 초전도성 특성들은 약간 손상될 수 있으며, 이에 의해, 추가의 전기적 및 열적 손실들이 초래된다.
본 발명에 따른 유도성 전류 제한 시스템은 본 발명에 따른 전기 코일 시스템을 갖는다. 설명된 특징들에 부가하여, 이러한 전류 제한 시스템은 외부 회로의 초킹 코일의 통합을 위한 전기 접촉들을 갖는다. 이러한 외부 회로는 예컨대, AC 전력 네트워크, 특히 중간-전압 AC 네트워크일 수 있다. 종래 기술과 비교하여, 이러한 타입의 유도성 전류 제한의 장점들은, 본 발명에 따른 코일 시스템의 설명된 장점들과 유사한 방식으로 진행된다.
본 발명에 따른 전기 코일 시스템을 제조하기 위한 방법은, 베어링 바디의 표면 상에 폐쇄 환형 초전도성 층을 침전시키는 단계를 특징으로 한다. 제조 방법은, 예컨대 초킹 코일의 제조 및 그에 따라 코팅된(coated) 베어링 바디의, 초킹 코일 내부로의 삽입을 포함하는 복수의 추가의 단계들을 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명은, 특히 코팅 단계에서 그리고 전기 접촉들의 후속적인 적용 없이, 적어도 하나의 폐쇄 환형 전도체 엘리먼트를 제조하기 위한, 폐쇄 환형 및 연속적 초전도성 층의 제조를 특징으로 한다. 이 제조 방법의 장점들은 본 발명에 따른 코일 시스템의 장점들과 함께 이미 매우 상세하게 설명되었다.
본 발명의 유리한 구성들 및 추가의 개발들은 제1항 및 제13항을 인용하는 청구항들로부터 진행된다. 코일 시스템, 전류 제한 시스템 및 제조 방법의 특징들은 본원에서 유리하게 상호 조합될 수 있다.
초킹 코일, 및 적어도 하나의 초전도성 전도체 엘리먼트를 갖는 베어링 바디는 공통 중심 축을 가질 수 있다. 다시 말해, 초킹 코일 및 베어링 바디는 상호 동축 어레인지먼트로 구성될 수 있으며, 베어링 바디는 초킹 코일 내부 상에 동축으로 포지셔닝된다(positioned). 이러한 타입의 동축 어레인지먼트는, 전체 어레인지먼트의 내부에 존재하는, 특히 적어도 하나의 환형 전도체 엘리먼트의 내부에 존재하는 전체 자기장의 가장 광범위한 가능한 보상의 달성에 특히 적합하다. 본원에서 중심 축은 적절하게는, 초킹 코일 및/또는 베어링 바디의 대칭 축일 수 있다. 예컨대, 초킹 코일 및/또는 베어링 바디가 회전적으로 대칭적일 수 있지만, 더 낮은 차수의 대칭, 예컨대 2-폴드(two-fold) 또는 다중 회전 대칭이 또한 가능하다. 특히 유리하게, 초킹 코일 및 베어링 바디는 동일한 대칭적 특성들을 갖는다.
베어링 바디는 적어도 하나의 원통형 표면을 포함할 수 있으며, 적어도 하나의 원통형 표면 상에는 적어도 하나의 폐쇄 환형 초전도성 층이 배열된다. 따라서, 초전도성 층 그 자체는 또한 원통형 셸 표면(cylindrical shell surface)의 형상을 가질 수 있다. 이 셸 표면은 단일 초전도성 층에 의해 정의될 수 있거나, 또는 복수의 이러한 폐쇄 환형 층들이 공통 원통형 셸 표면 상에 또한 배열될 수 있다.
위에서 언급된 셸 표면은 직선형 원통의 셸 표면일 수 있다. 일반적인 기하학적 정의에 따르면, 직선형 원통은 본원에서, 평면 베이스 표면(planar base surface)에 수직하는 직선을 따른 평면 베이스 표면의 변위에 의해 획득되는 바디로서 이해되어야 한다. 따라서, 이 형상은 원형 베이스 표면을 갖는 원통들로 제한되지 않는다. 대안적으로, 예컨대 타원형, 달걀-형상 또는 직사각형 베이스 표면들이 또한 제공될 수 있다. 베이스 표면들의 정의를 위해 직각 다각형들 이외의 다각형들이 또한 이용될 수 있으며, 다각형들의 모서리들은 예리하거나 둥글 수 있다.
원통형 셸 표면에 적용되는 초전도성 층을 갖는 명시된 실시예에 대한 대안으로서, 층 기하학적 구조는 또한 다른 셸 표면들에 의해 지시될 수 있다. 예컨대, 베어링 바디의 코팅된 표면은 또한, 오목 및/또는 볼록 곡선형 표면으로서 구성될 수 있다. 유리하게, 이러한 타입의 곡선형 셸 표면은 또한, 중심 축에 대해 대칭적인 구성을 보일 수 있다. 베어링 바디는 또한, 사다리꼴 단면을 가질 수 있다.
베어링 바디는 중공 바디(hollow body), 예컨대 중공 원통으로서 구성될 수 있다. 이러한 실시예의 하나의 장점은 재료의 적은 소비이다. 중공 바디의 내부 상에서, 정상 동작 상태에서, 차폐부는 본질적으로 자기장이 없는 공간을 제공하며, 이 공간에서 추가의 전자기적-활성 재료들이 반드시 요구되지는 않는다. 따라서, 코일 시스템은 유리하게, 코어리스 설계(coreless design)로 베어링 바디의 내부에 구성될 수 있다. 그러나, 선택적으로, 추가의 컴포넌트들, 예컨대 정지 코어(stationary core) 또는 플런저 코어(plunger core)로서 구성될 수 있는 추가의 연자성 코어(soft magnetic core)가 또한, 이러한 중공 바디의 내부 상에 배열될 수 있다.
그런 다음, 적어도 하나의 폐쇄 환형 초전도성 층이, 중공 바디로서 구성되는 베어링 바디의 내측 표면 상에 배열될 수 있다. 이는 예컨대, 베어링 바디가, 냉각제 리셉터클(coolant receptacle)의 엘리먼트로서, 크라이오스탯(cryostat)의 파티션(partition)으로서, 또는 일반적으로는, 냉각될 초전도성 층의 구역에 대한 열 절연 및/또는 냉각 시스템의 엘리먼트로서 동시에 기능하는 경우, 특히 유리할 수 있다. 초전도성 층이 중공 바디의 내측 셸 상에 배열되는 경우, 베어링 바디가 본질적으로, 비-전기-전도성 재료들, 이를테면, 예컨대, 플라스틱(plastic), 세라믹 재료(ceramic material)들, 유리 섬유-강화 플라스틱(glass fiber-reinforced plastic), 탄소 섬유-강화 플라스틱(carbon fiber-reinforced plastic), 라미네이티드 섬유(laminated fabric) 또는 라미네이티드 종이(laminated paper)로 형성된다면, 일반적으로 유리하다. 주로 전도성 재료로 이루어진 베어링 바디가 이용되는 경우, 연속적인 비-전도성 구역이 유리하게, 적어도 길이 방향으로 제공될 것이며, 이는 베어링 바디에서 유도되는 와전류(eddy current)들을 방지한다. 초전도성 층을 에워싸는 베어링 바디를 갖는 구성에서, 비-전기-전도성 재료들은, 초킹 코일의 자기장에 의한 전류들의 유도가 방지된다는 장점을 갖는다. 따라서, 추가의 전기 및 열적 손실들이 낮게 유지될 수 있다. 더욱이, 임피던스의 변동에 대한, 바람직하지 않게 유도된 전류들의 영향이 감소된다.
대안적으로 또는 부가적으로, 중공 바디로서 구성된 베어링 바디는 또한, 그 외측 셸 표면 상에 적어도 하나의 폐쇄 환형 초전도성 층이 제공될 수 있다. 이러한 타입의 실시예에서, 초전도성 층에 의해 전자기적으로 차폐된 구역에 비-전기-전도성 재료들이 배열되고, 그에 따라, 베어링 바디에서의 유도 전류들의 생성이 이러한 차폐에 의해 유리하게 방지되기 때문에, 베어링 바디는 전기-전도성 및/또는 비-전기-전도성 재료들로 형성될 수 있다. 단락 전류 제한 동안 유도 전류 차폐 효과가 감소되기 때문에, 베어링 바디는 유리하게 비-전도성 재료들로 구성된다. 예컨대, 베어링 바디는 또한, 위에서 언급된 비-전도성 재료들 및/또는 예컨대 강철, 특수 강철 또는 합금들, 이를테면, 하스텔로이(Hastelloy) 또는 니켈-텅스텐 합금(nickel-tungsten alloy)들을 비롯한 금속성 재료들로 형성될 수 있다. 여기서 또한, 베어링 바디는, 냉각제 리셉터클의 엘리먼트로서, 크라이오스탯의 파티션으로서, 또는 일반적으로는, 냉각될 초전도성 층의 구역에 대한 열 절연 및/또는 냉각 시스템의 엘리먼트로서 동시에 기능할 수 있다.
대안적으로, 베어링 바디는 또한, 솔리드 바디(solid body)로서 구성될 수 있으며, 외측 표면에는 적어도 하나의 폐쇄 환형 초전도성 층이 제공된다. 예컨대, 솔리드 원통이 여기에서 이용될 수 있다. 솔리드 바디를 위한 재료들은, 외부적으로-코팅된 중공 바디의 경우와 유사하게 비제약된 방식으로 선택될 수 있으며, 따라서, 예컨대 이전의 문단에서 명시된 재료들의 목록으로부터 선택될 수 있다.
적어도 하나의 폐쇄 환형 초전도성 층은 고온 초전도성 재료를 포함할 수 있다. 고온 초전도체(HTS; high-temperature superconductor)들은 25 K 초과의 그리고 일부 재료 클래스(material class)들, 예컨대 컵레이트 초전도체(cuprate superconductor)들의 경우에서는 77 K 초과의 임계 온도를 갖는 초전도성 재료들이며, 여기서 액체 헬륨(liquid helium) 이외의 극저온 재료들로 냉각시킴으로써 서비스 온도(service temperature)가 달성될 수 있다. 그러므로, HTS 재료들이 또한, 특히 매력적인데, 그 이유는 이러한 재료들이, 선택된 서비스 온도에 따라, 높은 초임계 자기장들 및 높은 임계 전류 밀도들을 나타낼 수 있기 때문이다. 고온 초전도성 층은 예컨대, 마그네슘 이붕소화물(magnesium diboride) 또는 세라믹 산화물 초전도체, 예컨대 REBa2Cu3Ox 타입(짧게 REBCO)의 화합물을 포함할 수 있으며, 여기서 "RE"는 희토류 엘리먼트 또는 이러한 엘리먼트들의 혼합물을 나타낸다. REBCO 화합물들을 포함하는 층들의 침전의 경우, 고품질 초전도성 층들의 달성을 위해, 적용가능한 경우 시딩 기판(seeding substrate)으로서 구성된 하나 또는 그 초과의 중간 층들이 또한 제공될 수 있는 미리-구조화된 기판 표면이 유리하다는 것을 근거로, 금속성 베어링 바디들이 특히 적절하다. 그러나, 명시된 재료들에 대한 대안으로서, 금속성 초전도체들이 또한, 환형 전도체 엘리먼트에서 이용될 수 있다.
일반적으로, 상호 평행한 방식으로 이어지고, 적어도 하나의 폐쇄 환형 초전도성 층을 각각 포함하는 복수의 폐쇄 환형 초전도성 전도체 엘리먼트들이 베어링 바디 상에 배열될 수 있다. 다시 말해, 복수의 이러한 전도체 엘리먼트들은 베어링 바디 상에 축방향으로 변위된 어레인지먼트로 구성될 수 있으며, 각각의 전도체 엘리먼트는 어떠한 오믹 접촉들도 없이, 자립적이고 연속적인 초전도성 전도체 루프(self-contained and continuous superconducting conductor loop)를 구성한다. 예컨대, 개별적인 환형 전도체 엘리먼트들은 상호 전기 절연될 수 있지만, 또한 전기적으로 본딩될 수 있다. 이들은 예컨대, 전기-전도성 베어링 바디에 의해 정상-전도성 어레인지먼트로 상호연결될 수 있거나, 또는 다양한 상호 축방향으로 변위된 부분-링(part-ring)들이 초전도성 브리지(superconducting bridge)들에 의해 상호연결될 수 있다. 다양한 부분-링들은, 적용가능한 경우 이러한 브리지들과 함께, 공통 코팅 단계에서 베어링 바디 상에 침전될 수 있다.
단지 단일 환형 전도체 엘리먼트만이 존재하는지 또는 복수의 이러한 전도체 엘리먼트들이 존재하는지와 무관하게, 이러한 전도체 엘리먼트들 각각은 적어도 1 mm, 특히 적어도 20 mm의 축방향 디멘션(axial dimension)을 가질 수 있다. 따라서, (전도체 엘리먼트들의 환형 평면에 대해 수직으로 측정된) 전도체 엘리먼트들의 폭은, 예컨대 상업적으로 입수가능한 초전도성 스트립 전도체들의 환형 단락에 의해 달성될 수 있는 것보다 상당히 더 클 수 있다.
환형 전도체 엘리먼트들에 부가하여, 베어링 바디의 코팅된 셸 표면은 또한, 코팅되지 않은 서브구역(uncoated subregion)들을 포함할 수 있다. 이러한 어레인지먼트는, 단지 단일 전도체 엘리먼트만을 갖는 실시예들, 및 특히 복수의 인접하게 배열된 부분-링들을 포함하는 실시예들에서 적용될 수 있다.
적어도 하나의 환형 전도체 엘리먼트는 또한, 예컨대, 층의 두께 또는 폭을 예상된 자기장 분포에 적응시키기 위해, 가변적 층 구성으로 초전도성 층을 가질 수 있다.
전기 코일 시스템은 적어도 하나의 초전도성 층의 냉각을 위한 냉각 시스템을 포함할 수 있으며, 냉각 시스템은 크라이오스탯을 포함한다. 따라서, 이러한 냉각 시스템에 의해, 초전도성 층은 초전도성 재료의 임계 온도보다 더 낮은 서비스 온도로 냉각될 수 있다. 따뜻한 외부 환경으로부터의, 초전도성 층의 열 절연에 의해, 이러한 타입의 극저온(cryogenic temperature)이 연속적으로 유지될 수 있는 것이 냉각 시스템에 의해 달성될 수 있다. 초킹 코일의 권선이 정상-전도성 전도체로 구성되는 경우, 초킹 코일은 크라이오스탯 외부에 배열될 수 있다. 대안적으로, 특히, 초킹 코일의 권선이 또한 초전도성 권선인 경우, 초킹 코일의 권선이 마찬가지로 크라이오스탯 내부에 배열되는 것이 또한 가능하다.
적어도 하나의 환형 전도체 엘리먼트 이외에는 어떠한 추가의 전기 컴포넌트들도 크라이오스탯 내부에 배열될 필요가 없는 실시예들에서, 크라이오스탯은 특히 유리하게 어떠한 전기적 부싱(electrical bushing)들도 없이 구성될 수 있다. 따라서, 이는, 매우 낮은 열 손실들을 갖는, 실질적으로 폐쇄 베셀(closed vessel)로서 구성될 수 있는데, 그 이유는 폐쇄 환형 전도체 엘리먼트의 차폐 효과를 위해 외부 회로와의 어떠한 전기적 본딩도 요구되지 않기 때문이다.
폐쇄 환형 초전도성 층은 크라이오스탯의 하나의 벽 상에 배열될 수 있다. 다시 말해, 초전도성 층을 베어링(bear)하는 베어링 바디는 크라이오스탯의 제한 벽(limiting wall)들 중 하나를 구성할 수 있다. 이러한 타입의 제한 벽은, 예컨대 진공 절연 및/또는 초절연성 층(super-insulating layer)들에 의해, 따뜻한 주변 환경으로부터 열적으로 절연될 수 있다.
전기 코일 시스템을 제조하기 위한 방법에서, 폐쇄 환형 초전도성 층은 유리하게 에어로졸 증착(aerosol deposition)에 의해 침전될 수 있다.
본 맥락에서, 에어로졸 증착은 에어로졸로부터의, 즉, 기체 중의 고체 입자들의 분산으로부터의 층의 침전으로서 이해되어야 한다. 이를 위해, 특히, 초전도성 층을 위한 소스 재료(source material)는 기체 중에 분산되는 파우더(powder)를 포함할 수 있다. 파우더 에어로졸로부터 침전되는 이러한 타입의 층은, 소스 파우더의 과립형 구조를 근거로, 예컨대 물리적 또는 화학적 기체상 침전(gas-phase precipitation)과 같은 다른 종래의 알려진 코팅 방법들에 의해 제조되는 층들과 용이하게 구분된다. 에어로졸 증착 방법에 의해, 초전도성 층들은 본 경우에서 고려되는 베어링 바디의 셸 표면과 같은 비-평면 표면들 상에, 종래의 방법들보다 훨씬 더 간단하게 침전될 수 있다.
초전도성 층은 유리하게 마그네슘 이붕소화물을 포함할 수 있다. 특히 유리하게, 마그네슘 이붕소화물은 이러한 초전도성 층의 주요 구성성분일 수 있거나 또는 이러한 초전도성 층은 심지어 본질적으로 마그네슘 이붕소화물로 구성될 수 있다. 파우더 에어로졸로부터의 마그네슘 이붕소화물 층의 침전은, 예컨대 DE 10 2010 031741 B4에서 설명된 바와 같이 특히 효과적으로 달성될 수 있다. 소스 재료로서 이용되는, 에어로졸에서 분산된 파우더는 이미 마그네슘 이붕소화물의 형태로 존재하거나, 또는 원소형태의 마그네슘 및 붕소의 파우더화된 혼합물(powdered mixture)의 형태로 존재하거나, 또는 모두 3개의 구성성분들, 즉, 마그네슘 이붕소화물, 마그네슘 및 붕소의 혼합물의 형태로 존재할 수 있다.
에어로졸 증착에 의해, 초전도성 마그네슘 이붕소화물은 예컨대 1 ㎛ 내지 100 ㎛의 두께의 정의된 층들로 형성될 수 있다. 에어로졸 증착에 의해 침전된 마그네슘 이붕소화물 층은 또한, 그 표면 구조의 에뮬레이션(emulation)에 의해 비-평면 기판들에 연속적 코팅의 형태로 적용될 수 있다. 기체상 침전 방법들(예컨대, 화학적 기체상 침전, 스퍼터링(sputtering) 또는 기화를 포함함)과 대조적으로, 에어로졸 증착에 의해, 실질적으로 더 두꺼운 초전도성 층들이 간단한 방식으로 침전될 수 있다. 유리하게, 초전도성 층의 층 두께는 본원에서 적어도 0.5 ㎛이며, 특히 유리하게는 적어도 5 ㎛ 만큼이다.
마그네슘 이붕소화물은 대략 39 K의 임계 온도를 가지며, 따라서, 고온 초전도체로 간주되지만, 이러한 임계 온도는 다른 HTS 재료들과 비교하여 다소 낮다. 세라믹 산화물 고온 초전도체들과 비교하여 이러한 재료의 장점들은, 그 제조 용이성과 연관되며, 이에 의해, 기판 재료들 및 기판 기하학적 구조들의 매우 유연한 선택을 허용한다.
대안적으로 또는 부가적으로, 초전도성 층은 세라믹 산화물 고온 초전도체를 포함할 수 있다. 특히, 이는 REBa2Cu3Ox 타입의 재료일 수 있다. 이러한 재료 클래스는 유리하게, 예컨대 마그네슘 이붕소화물의 경우보다 더 높은 서비스 온도들을 갖는 전기 전도체들의 개발을 허용한다.
폐쇄 환형 초전도성 층은 유리하게 용액으로부터 침전될 수 있다. 특히, 이는 유리하게, 더 두꺼운 세라믹 산화물 초전도성 층들의 침전을 허용할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 몇몇 바람직한 예시적 실시예들에 대해 이하 설명되며, 도면들에서:
도 1은 종래 기술에 따른 코일 시스템의 개략적 단면 사시도를 도시하고,
도 2는 제 1 예시적 실시예에 따른 코일 시스템의 개략적 단면 사시도를 도시하고,
도 3은 제 2 예시적 실시예에 따른 베어링 바디의 개략적 사시도를 도시하고,
도 4는 제 3 예시적 실시예에 따른 코일 시스템의 개략적 단면도를 도시하고,
도 5는 제 4 예시적 실시예에 따른 코일 시스템의 개략적 단면도를 도시하고,
도 6은 제 5 예시적 실시예에 따른 코일 시스템의 개략적 단면도를 도시한다.
도 1은, 코일 시스템(1)의 중심을 지나는 반단면으로, 종래 기술에 따른 코일 시스템의 개략적 사시도를 도시한다. 코일 시스템(1)의 외측 원주 상에 배열된 초킹 코일(3)이 표현되며, 초킹 코일(3)은 예시된 코일 시스템(1)의 다른 컴포넌트들을 반경방향으로 에워싼다. 이러한 초킹 코일(3)의 기능은, 더 높은-레벨의 전력 회로(higher-level power circuit)에서의 단락 전류의 제한 및 전류 특징의 평활화이다. 이를 위해, 초킹 코일(3)은, 여기서 더 상세하게 표현되지 않은, (전류(I)가 흐르는) 전력 회로에 2개의 단자들(19)에 의해 연결된다. 이러한 전력 회로가 예컨대, 중간-전압 AC 네트워크일 수 있지만, 초킹 코일(3)은 또한, 다른 산업 또는 로컬 네트워크(local network)들을 위한 일반적 설계로 구성될 수 있다. 따라서, 초킹 코일(3)은 예컨대, 100 V 내지 1,000 V의 AC 전압들의 저전압 네트워크들, 또는 대안적으로 1 kV 내지 52 kV의 전압들의 중간-전압 네트워크들, 또는 52 kV 초과의 전압들의 고전압 네트워크들을 위한 정격을 가질 수 있다. 특히, 초킹 코일은 적어도 250 kVA, 특히 적어도 400 kVA, 또는 심지어 적어도 630 kVA의 전력 범위를 위한 정격을 가질 수 있다.
초킹 코일(3)의 내부에는, 크라이오스탯(13)이 배열되며, 현재 예에서, 크라이오스탯(13)은 배쓰 크라이오스탯(bath cryostat)으로서 구성되며, 냉각제(14)를 포함한다. 크라이오스탯 내에는, 복수의 초전도성 전도체 엘리먼트들(7)의 어레인지먼트가 배열되며, 이러한 전도체 엘리먼트들(7) 각각은 초전도성 스트립 전도체 재료(8)의 단락 링(short-circuited ring)으로서 구성된다. 초킹 코일에 의해 생성된 자기장에 의해, 링 전류가 환형 전도체 엘리먼트들(7)에 유도된다. 스트립 전도체(8)의 초전도성 특성들의 결과로서, 이러한 링 전류가 사실상 무-손실 방식으로 흐른다. 크라이오스탯(13) 내의 냉각제(14)에 의해, 초전도성 전도체 엘리먼트들(7)이, 초전도성 전도체 엘리먼트들(7)의 임계 온도 미만에 있는 서비스 온도까지 냉각된다. 유도된 링 전류들은 코일 시스템(1)의 추가의 내부 구역에서 초킹 코일(3)의 자기장의 차폐 효과를 실행한다. 이러한 효과는 도 1의 최하부에 도시된 도면에서 개략적으로 표현된다. 이 도면은 반경 포지션(radial position)(r)의 함수로써 자기장 세기(H)의 특징을 도시한다. 실질적으로 초킹 코일(3) 외부에 놓이는 큰 값들의 반경(r)에서, 자기장 세기는 사실상 제로(zero)이다. 초킹 코일의 반경방향 외측 구역에서, 자기장 세기는 정량적으로 높고, 그 후에, 초킹 코일의 반경방향 내측 구역을 향해 자기장 세기의 최대 값(H1)까지 다시 상승하기 전에, 초킹 코일의 내부 상에서 제로-크로싱(zero-crossing)을 겪는다. 크라이오스탯 벽들의 비-전기-전도성 설계의 결과로서, 현재 예에서, 초킹 코일의 내부의 자기장 세기는, 폐쇄 환형 전도체 엘리먼트들(7)의 차폐 작용의 결과로서 제로에 가까운 값으로 다시 강하되기 전에, 초기에 값(H1)으로 비교적 일정하게 유지된다. 따라서, 자기장은 코일 시스템(1)의 반경방향 내측 구역에서 보상된다. 따라서, 초킹 코일(3)의 인덕턴스, 및 따라서 더 높은-레벨의 전력 회로에서의 전체 코일 시스템(1)의 임피던스가 상당히 감소되며, 이에 의해, 전기 손실들이 낮게 유지된다. 그러나, 표현된 초전도성 스트립 전도체들(8)로 폐쇄 환형 전도체 엘리먼트들(7)을 형성하기 위해서는, 스트립 전도체들(8)이 복잡한 어레인지먼트로 감겨야 하며, 그 후에는, 후속적으로 피팅되는(fitted) 오믹 접촉들에 의해 전기 전도성 방식으로 본딩되어야 한다. 결과적으로, 종래 기술에 따른 전도체 엘리먼트들(7)에서 유도된 전류 플럭스는 전혀 손실이 없지는 않다.
도 2는 본 발명의 제 1 예시적 실시예에 따른 전기 코일 시스템(1)을 유사한 개략적 사시도로 도시한다. 코일 시스템(1)은 마찬가지로 초킹 코일(3)을 포함하며, 초킹 코일(3)은 차례로, 예시된 코일 시스템(1)의 다른 컴포넌트들을 반경방향으로 에워싼다. 그 내부 상에는, 배쓰 크라이오스탯(13)이 또한 배열되지만, 이 경우, 배쓰 크라이오스탯(13)은 원통형 베어링 바디(5)를 포함하며, 원통형 베어링 바디(5)의 외측 면(5b)은 연속적인 초전도성 층(9)으로 코팅된다.
그에 따라, 폐쇄 환형 전도체 엘리먼트(7)가 제조되며, 폐쇄 환형 전도체 엘리먼트(7)는 균일한 초전도성 재료로 형성되고, 오믹 접촉들의 후속적인 적용에 의한 본딩을 요구하지 않는다. 표현된 제 1 예시적 실시예에서, 단일 폐쇄 환형 전도체 엘리먼트가 존재하고, 주축(A)을 따르는 단일 폐쇄 환형 전도체 엘리먼트의 축방향 디멘션은 초킹 코일(3)의 축방향 디멘션과 유사한 크기를 갖는다. 표현된 코일 시스템(1)은 원형 원통형 코일들의 어레인지먼트를 포함한다. 초킹 코일(3) 및 환형 전도체 엘리먼트(7)는 공통 시스템 축(A)을 중심으로 동심으로 정렬된다. 이러한 정렬은, 이러한 정렬이 코일 시스템의 내부의 자기장의 매우 효과적인 보상 및 코일들에 작용하는 가로방향 힘(transverse force)들의 감소를 제공한다는 점에서 유리하다.
반경(r)의 함수로서의 자기장 세기(H)의 특징은, 도 1과 유사한 방식으로 도 2의 하부 부분에 개략적으로 표현된다. 여기서 또한, 코일 시스템(1)의 내부의 자기장(H)의 실질적 보상은 초전도성 층(9)의 차폐 효과에 의해 달성된다.
도 2에 도시된 베어링 바디는, 원칙적으로 비-전도성 또는 전기-전도성 재료로 형성될 수 있는 원형 원통형 중공 바디이다. 외측 초킹 코일(3)의 형상에 따라, 베어링 바디는 또한, 예컨대, 비-원형 대칭적 베이스 표면들을 갖는 원통형 형상들 또는 셸-타입 표면(shell-type surface)들을 갖는 비-원통형 기하학적 오브젝트(geometric object)들을 비롯한 다른 기하학적 구조들을 취할 수 있다. 초전도성 층(9)에 의해 자기장(H)이 이미 상당히 보상되었기 때문에, 정상 듀티에서의 베어링 바디의 전자기적 특성들은 추가의 내부 구역의 자기장 특징과는 더 이상 관련이 없다. 중공 바디로서의 베어링 바디(5)의 구성은 유리하게, 재료의 절약을 허용하고, 그리고 또한 냉각될 질량을 감소시킨다. 초전도성 층(9)은 예컨대, 에어로졸 증착에 의해 유리하게 침전될 수 있는 마그네슘 이붕소화물 층일 수 있다. 그러나, 대안적으로, 예컨대 REBCO 타입의 다른 고온 초전도체들을 비롯한 다른 초전도성 재료들이 이용될 수 있다. 이러한 타입의 초전도성 재료들은 기체상(gaseous phase)으로부터 또는 용액으로부터 침전될 수 있다. 어떠한 후속적으로-적용되는 그리고 정상-전도성인 접촉도 요구되지 않도록, 초전도성 층(9)이 베어링 바디(5)의 폐쇄 환형 표면 상에 연속적인 초전도성 코팅으로서 구성되는 것이 중요하다. 초전도성 층(9)이 균일한 층 두께로 구성될 수 있지만, 층 두께는 또한 원칙적으로, 예컨대 축 방향에서의 자기장(H)의 비일관성들을 보상하기 위해, 변화될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제 2 예시적 실시예에 따라 코일 시스템에서 이용될 수 있는 대안적 베어링 바디(5)를 도시한다. 예컨대, 코일 시스템의 나머지 컴포넌트들은 도 2에 도시된 표현과 유사하게 배열될 수 있다. 도 3에 도시된 베어링 바디(5)는 마찬가지로 중공 원통형 바디이며, 그 외측 셸 표면은 초전도성 층(9')으로 코팅된다. 그러나, 제 1 예시적 실시예와 대조적으로, 이 초전도성 층(9')은 복수의 환형 전도체 엘리먼트들(7')로 세분된다. 따라서, 평행한 어레인지먼트의 복수의 폐쇄 환형 전도체 엘리먼트들이 제공되며, 그 각각에는 도 1에서 표현된 종래 기술과 유사한 방식으로, 폐쇄 링 전류가 흐를 수 있다. 그러나, 이에 대한 차이로서, 개별적인 환형 전도체 엘리먼트들(7')은 여기서, 전기 접촉들의 후속적인 적용에 대한 어떠한 요건도 없이, 연속적인 초전도성 층(9')으로서 각각 구성된다. 개별적인 전도체 엘리먼트들(7')은 단일 코팅 절차에서 동시에 적용될 수 있다. 여기서, 그 구조화는 예컨대, 섀도우 마스크(shadow mask)들에 의해 코팅 프로세스 동안 수행될 수 있거나, 또는 층의 적용 후에 내부공간들(10)로부터의 재료의 제거에 의해 달성될 수 있다. 여기서 도시된 5개의 병렬 환형 전도체 엘리먼트들(7')의 어레인지먼트는, 본원에서 단지 예시적인 것으로서 이해되어야 하며, 더 적은 또는 실질적으로 더 많은 수의 전도체 엘리먼트들(7')이 존재할 수 있다. 개별적인 전도체 엘리먼트들(7')의 축방향 디멘션은 또한 여기서, 도 1에서 표현된 종래 기술보다 실질적으로 더 크도록 선택될 수 있는데, 그 이유는 개별적인 링들의 디멘션이 상업적으로-입수가능한 초전도성 스트립 전도체들(8)의 사이즈(size)에 의해 제한되지 않기 때문이다. 개별적인 부분-링들로의 초전도성 층(9')의 세분, 즉, 이러한 링들 사이의 코팅되지 않은 구역들(10)의 존재는 유리하게, 축 방향에서의 원하지 않는 유도 전류들을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 추가의 예시적 실시예에 따른 전기 코일 시스템(1)의 개략적 단면도를 도시한다. 여기서 또한, 초킹 코일(3)은 반경방향으로 외측 어레인지먼트로 구성된다. 내부 구역에서, 크라이오스탯(13)이 또한 배열되는데, 크라이오스탯(13)은 본 예에서, 내측 크라이오스탯 벽(15a) 및 외측 크라이오스탯 벽(15b)을 갖는 중공 원통형 컨테이너(hollow cylindrical container)로서 구성된다. 차례로, 2개의 크라이오스탯 벽들(15a 및 15b) 사이에, 중공 원통형 베어링 바디(5)가 배열되며, 중공 원통형 베어링 바디(5)는 여기서 또한, 중공 원통형 베어링 바디(5)의 외측 면 상에 초전도성 층(9)이 코팅된다. 차례로, 이러한 초전도성 층(9)은, 도 2에 도시된 것과 유사한 방식으로, 단일 폐쇄 환형 원통형 셸로서 구성될 수 있거나, 또는 도 3에 도시된 것과 유사한 방식으로, 병렬 방식으로 이어지는 복수의 폐쇄 환형 전도체 엘리먼트들로서 구성될 수 있다.
도 4에 표현된 실시예의 하나의 장점은, 크라이오스탯의 내부가 재료 없이 유지될 수 있고, 그에 따라 또한 냉각제가 없다는 것이다. 따라서, 코일 시스템(1)은 비교적 재료-절약적 설계일 수 있다. 선택적으로, 내측 크라이오스탯 벽의 내부 상의 구역은 부가적으로, 플런저 코어를 위한 공간으로서 이용가능할 수 있는데, 플런저 코어는, 예컨대 오동작의 경우, 인덕턴스를 증가시키기 위해 코일 시스템(1)의 내부에 삽입될 수 있다. 대안적으로, 연자성 코어가 또한, 코일 시스템(1)의 내부 상에 영구적으로 로케이팅될(located) 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 4 예시적 실시예에 따른 코일 시스템(1)의 추가의 개략적 단면도를 도시한다. 여기서, 초킹 코일(3)은 또한, 반경방향 외측 어레인지먼트로 구성된다. 여기서 또한, 내측 면 상에서, 크라이오스탯(13)은 초킹 코일(3)에 인접하게 배열된다. 이 경우, 크라이오스탯 벽(15b) 내에는, 솔리드 원통형 베어링 바디(5)가 배열되며, 솔리드 원통형 베어링 바디(5)는 솔리드 원통형 베어링 바디(5)의 외측 면 상에 초전도성 층(9)이 코팅된다. 여기서 또한, 상기 층(9)은 단일 전도체 엘리먼트로서 또는 복수의 전도체 엘리먼트들로서 베어링 바디의 외측 면에 적용될 수 있다. 솔리드 원통의 재료는 유리하게, 비-자성 재료, 이를테면, 예컨대 유리 섬유-강화 플라스틱 또는 특수 강철일 수 있다. 대안적으로, 베어링 바디는 또한, 연자성 재료로 형성될 수 있어서, 오동작의 경우에서 인덕턴스가 증가된다. 정상 듀티에서, 코어는 초전도성 층에 의해 전자기적으로 차폐된다.
도 6은 본 발명의 추가의 예시적 실시예에 따른 전기 코일 시스템(1)을 개략적 단면도로 도시한다. 또한, 이러한 제 5 예시적 실시예에서, 코일 시스템(1)은 반경방향 외측 초킹 코일(3)을 갖고, 반경방향 외측 초킹 코일(3)은 크라이오스탯 벽(15b)에 의해 반경방향 외측 초킹 코일(3)의 내측 면 상에 반경방향으로 인접한다. 여기서 또한, 크라이오스탯(13)의 내부 상에, 중공 원통형 베어링 바디(5)가 배열되며, 본 예에서, 중공 원통형 베어링 바디(5)의 내측 셸 표면은 초전도성 층(9)으로 코팅된다. 그에 따라 코팅된 베어링 바디(5)의 내부에는, 액체 냉각제(14)가 흐르거나 수용되며, 액체 냉각제(14)의 기능은 초전도성 층의 냉각이다. 이러한 냉각제는 예컨대, 액체 질소, 헬륨 또는 네온(neon)일 수 있다. 따라서, 베어링 바디(5)는 초전도성 층을 위한 캐리어(carrier) 및 냉각제(14)를 위한 리셉터클로서의 역할을 동시에 할 수 있다. 선택적으로, 도 6에 표현된 구성에서, 부가적인 외측 크라이오스탯 벽(15b)이 또한 생략될 수 있으며, 베어링 바디(5)는 동시에 외측 크라이오스탯 벽으로서 기능할 수 있다. 도 6에 도시된 베어링 바디(5) ― 베어링 바디(5)의 내측 벽은 초전도성 재료(9)로 코팅됨 ― 는 유리하게, 비-전기-전도성 재료로 구성되는데, 그 이유는 초킹 코일의 자기장이 초전도성 층(9)에 의해 그 내부에서만 보상되기 때문이다. 이 경우, 전도성 재료의 베어링 바디(5)는 상기 베어링 바디(5)에서의 원하지 않는 그리고 추가의 유도 전류를 초래하고, 이에 의해 불필요한 전자기적 손실들이 초래될 것이다. 그럼에도 불구하고, 베어링 바디(5)에 대한 비-전기-전도성 재료의 선택에 의해, 자기장은 여기서 사실상 손실이 없는 방식으로 초전도성 층들(9)에 의해 보상될 수 있다.
추가의 잠재적 예시적 실시예들은, 베어링 바디의 셸 표면 상에 배열되는 적어도 하나의 초전도성 층을 갖는 코일 시스템들을 포함하며, 그 내부 상에는 복수의 환형 및 단락 코일 섹션들이 차폐 목적들을 위해 반경 방향으로 인접하게 배열된다.

Claims (15)

  1. 전기 코일 시스템(electric coil system)(1)으로서,
    초킹 코일(choking coil)(3), 및
    상기 초킹 코일(3) 내부에 배열된 베어링 바디(bearing body)(5)를 갖고,
    상기 베어링 바디(5) 상에, 적어도 하나의 폐쇄 환형 초전도성 전도체 엘리먼트(closed annular superconducting conductor element)(7)가 배열되고, 그리고 상기 적어도 하나의 폐쇄 환형 초전도성 전도체 엘리먼트(7)는 적어도 하나의 폐쇄 환형 초전도성 층(9)을 갖는,
    전기 코일 시스템(1).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 초킹 코일(3), 및 상기 적어도 하나의 초전도성 전도체 엘리먼트(7)를 갖는 상기 베어링 바디(5)는 공통 중심 축(A)을 갖는,
    전기 코일 시스템(1).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 베어링 바디(5)는 적어도 하나의 원통형 표면(5a, 5b)을 포함하고, 상기 적어도 하나의 원통형 표면(5a, 5b) 상에 상기 적어도 하나의 폐쇄 환형 초전도성 층(9)이 배열되는,
    전기 코일 시스템(1).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베어링 바디(5)는 중공 바디(hollow body)로서 구성되는,
    전기 코일 시스템(1).
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 폐쇄 환형 초전도성 층(9)은 상기 중공 바디의 내측 표면(5a) 상에 배열되는,
    전기 코일 시스템(1).
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베어링 바디(5)는 솔리드 바디(solid body)로서 구성되는,
    전기 코일 시스템(1).
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 폐쇄 환형 초전도성 층(9)은 상기 베어링 바디(5)의 외측 표면(5b) 상에 배열되는,
    전기 코일 시스템(1).
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 폐쇄 환형 초전도성 층(9)은 고온 초전도성 재료를 포함하는,
    전기 코일 시스템(1).
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 폐쇄 환형 초전도성 층(9')을 각각 포함하는, 상호 평행한 방식으로 이어지는 복수의 폐쇄 환형 초전도성 전도체 엘리먼트들(7')이 상기 베어링 바디(5) 상에 배열되는,
    전기 코일 시스템(1).
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    크라이오스탯(cryostat)(13)을 포함하는 냉각 시스템(11)을 갖는,
    전기 코일 시스템(1).
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 폐쇄 환형 초전도성 층(9)은 상기 크라이오스탯(13)의 하나의 벽(15) 상에 배열되는,
    전기 코일 시스템(1).
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 청구된 전기 코일 시스템(1)을 갖는 유도성-저항성 전류 제한 시스템(inductive-resistive current limitation system)(17).
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 청구된 전기 코일 시스템(1)을 제조하기 위한 방법으로서,
    베어링 바디(5)의 표면(5a, 5b) 상에 폐쇄 환형 초전도성 층(9)을 침전시키는 단계를 포함하는,
    전기 코일 시스템(1)을 제조하기 위한 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 폐쇄 환형 초전도성 층(9)은 에어로졸 증착(aerosol deposition)에 의해 침전되는,
    전기 코일 시스템(1)을 제조하기 위한 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 폐쇄 환형 초전도성 층(9)은 용액(solution)으로부터 침전되는,
    전기 코일 시스템(1)을 제조하기 위한 방법.
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016221029A1 (de) * 2016-10-26 2018-04-26 Siemens Aktiengesellschaft Elektrische Spuleneinrichtung zur Strombegrenzung mit Kryostat
DE102017217524A1 (de) * 2017-10-02 2019-04-04 Siemens Aktiengesellschaft Strombegrenzereinrichtung und Verfahren zur Fehlerfall-Bestimmung
JP7332508B2 (ja) * 2020-03-17 2023-08-23 株式会社東芝 超電導コイル及び超電導機器
CN114300218B (zh) * 2021-12-30 2024-09-24 深圳供电局有限公司 一种大气隙超低温电源变压器结构

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20060082437A (ko) * 2005-01-12 2006-07-18 넥쌍 낮은 인덕턴스를 가진 코일 형상의 소형 초전도 전류 제한부품
JP2013507753A (ja) * 2009-10-09 2013-03-04 マグネティック−エレクトロスタティック・コンファインメント・（エムイーシー）・コーポレイション 超伝導磁石の電気的、機械的、熱的隔離方法および装置
DE102012202513A1 (de) * 2012-02-17 2013-08-22 Schneider Electric Sachsenwerk Gmbh Vorrichtung zur Strombegrenzung

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH677549A5 (ko) * 1988-08-02 1991-05-31 Asea Brown Boveri
GB2297432A (en) * 1995-01-28 1996-07-31 Gec Alsthom Ltd Superconductive fault current limiters
DE19851047C2 (de) * 1997-11-18 2001-09-27 Back Joo Strombegrenzungsanordnung mit Dämpfelement
US20070032384A1 (en) * 2005-07-26 2007-02-08 The Regents Of The University Of California Structure for improved high critical current densities in YBCO coatings
CN100505356C (zh) * 2006-03-07 2009-06-24 中国科学院物理研究所 一种闭合的超导环状多层膜及其制备方法和用途
CN100415680C (zh) * 2006-10-09 2008-09-03 西南交通大学 一种无氟的化学溶剂沉积制备钇钡铜氧高温超导涂层导体的方法
DE102010007087A1 (de) 2010-02-06 2011-08-11 Karlsruher Institut für Technologie, 76131 Vorrichtung zur Strombegrenzung mit einer veränderbaren Spulenimpedanz
DE102010031741B4 (de) 2010-07-21 2012-09-20 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und Anordnung zur Herstellung von supraleitenden Schichten auf Substraten

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20060082437A (ko) * 2005-01-12 2006-07-18 넥쌍 낮은 인덕턴스를 가진 코일 형상의 소형 초전도 전류 제한부품
JP2013507753A (ja) * 2009-10-09 2013-03-04 マグネティック−エレクトロスタティック・コンファインメント・（エムイーシー）・コーポレイション 超伝導磁石の電気的、機械的、熱的隔離方法および装置
DE102012202513A1 (de) * 2012-02-17 2013-08-22 Schneider Electric Sachsenwerk Gmbh Vorrichtung zur Strombegrenzung

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