KR20220088876A - 초전도 스위치 - Google Patents

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KR20220088876A
KR20220088876A KR1020227016099A KR20227016099A KR20220088876A KR 20220088876 A KR20220088876 A KR 20220088876A KR 1020227016099 A KR1020227016099 A KR 1020227016099A KR 20227016099 A KR20227016099 A KR 20227016099A KR 20220088876 A KR20220088876 A KR 20220088876A
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switch
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로드니 앨런 배드콕
크리스토퍼 윌리엄 범비
지안자오 겡
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빅토리아 링크 엘티디
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Abstract

초전도 전기 스위치에 관한 발명이다. 스위치는 루프에 초전도 재료의 두 개의 병렬 브랜치들, 및 루프의 축에 대체로 평행한 방향으로 루프를 통해 시변 자기장을 생성하는 자기장 생성기를 포함한다. 자기장 생성기는 낮은 저항 상태와 더 높은 저항 상태 사이에서 전기적 스위치를 스위칭하기 위해 선택적으로 활성화 및 비활성화된다. 낮은 저항 상태에서는, 루프를 통한 자기장이 없으며 루프를 통해 트랜스포트 전류가 흐른다. 더 높은 저항 상태에서는, 루프를 통한 자기장이 스크리닝 전류를 유도함으로써, 트랜스포트 전류와 스크리닝 전류의 합이 초전도 재료의 임계 전류보다 크거나 이와 실질적으로 동일하도록 한다. 스위치는, 예컨대, 정류기 또는 고장 전류 리미터에 이용될 수 있다.

Description

초전도 스위치
본 발명은 전기 스위치에 관한 것이다. 본 발명의 특정한 응용으로 초전도 스위치가 있지만, 이는 발명에 대한 제한으로 간주되어서는 안된다.
초전도 회로에서 유사하게 낮은 또는 제로인 저항 도전성 경로를 가진 성분들을 도입하는 것은 보통 어려운 일이다. 초전도성이 아닌 성분들을 도입하는 것은 회로 성능의 저하를 야기할 수 있으며, 이는 전체 회로의 효율을 떨어지게 한다. 또한, 고전류 초전도 회로에 저항이 추가되는 경우에, 저항성 성분의 발열에 대응하기 위해 더 많은 냉각이 필요하다.
초전도 회로에 저항성 성분들을 도입하는 것과 관련한 추가의 문제점은 상기 회로에 흐르는 임의의 DC 전류가 전류 공급이 제거될 경우 즉시 감쇠할 것이라는 점이다. 이에 반해서, 초전도 회로에서, 전류는 회로의 시간 상수(L/R)에 따라 감쇠한다. 다시 말해서, 초전도성인 회로는 공급이 턴 오프된 이후 오랜 동안 DC 전류의 흐름을 지원할 수 있는 이점을 갖는다. 이러한 초전도 회로에서의 전류 감쇠율은 회로 내의 상전도(normal-conducting) 조인트와 연관된 임의의 비제로(non-zero) 저항에 의해 결정된다.
따라서, 초전도 회로에서 그 성능을 많이 저하시키지 않으면서 효율적으로 작동할 수 있는 성분들 또는 배열들을 제공할 필요가 있다.
이러한 초전도 회로에서 이용되는 하나의 유형의 성분은 가변 저항 전류 스위치이다. 그러나, 기존의 전류 스위치 소자에 관하여 알려진 여러 단점들이 있다. 예컨대, 열 제어식 스위치는 일반적으로 반응이 느리며 고속 스위칭 응용에 이용하기에 부적합하다. 전류 제어 스위치는 보통 초전도체의 임계 전류를 초과하는 전류 펄스를 적용하며, 그 결과 이러한 유형의 스위치 소자는 성능이 저하되기 쉽다. 기존의 자기장 제어 스위치 소자는 고강도 자기장에 의해 제어되지만, 활성인 경우에, 이러한 자기장 제어 스위치 소자의 단위 길이 당 저항은 작으며, 스위칭 속도는 일반적으로 적용되는 계자 코일(field coil)의 큰 인덕턴스에 의해 제한된다.
발명의 목적
본 발명은 전기 스위치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 대안으로, 본 발명은 더 높은 저항 상태와 더 낮은 저항 상태 사이에서 제어 가능하게 스위칭될 수 있는 전기 스위치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
대안으로, 본 발명은 초전도 전기 스위치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
대안으로, 본 발명은 적어도 몇몇 기존의 초전도 전기 스위치들 보다 더 작고/작거나, 더 효율적이고/이거나, 비용이 더 적게 들고/들거나, 스위칭이 더 빠르며/빠르거나, 더 높은 스위칭 저항을 가진 초전도 전기 스위치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
대안으로, 본 발명은 초전도 전기 스위치를 포함하는 정류기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
대안으로, 본 발명은 초전도 전기 스위치를 이용하는 고장 전류 리미터(limiter)를 제공하는 것을 목적으로 한다.
대안으로, 본 발명은 적어도 공중에 유용한 선택을 제공하는 것을 목적으로 한다.
발명의 요약
본 발명의 제1 양상에 따라 전기 스위치가 제공된다.
본 발명의 제2 양상에 따라 낮은 저항 상태로부터 더 높은 저항 상태로 그 단자(terminal)들 사이에 흐르는 전류에 의해 겪게되는 저항을 스위칭하도록 구성된 전기 스위치가 제공된다.
본 발명의 추가의 양상에 따라,
초전도 재료의 루프(loop)로서, 루프는 제1 브랜치 및 제2 브랜치를 포함하며, 제1 브랜치 및 제2 브랜치는 제1 단자와 제2 단자 사이에 병렬로 전기적으로 연결된 것이고, 루프는 루프의 평면에 실질적으로 수직인 축을 갖는 것인, 초전도 재료의 루프; 및
루프를 통한 자기장의 방향이 루프의 축에 일반적으로 평행하거나 일반적으로 평행한 성분을 갖는 루프를 통해 시변(time-varying) 자기장을 생성하도록 구성된 자기장 생성기를 포함하는 전기 스위치가 제공되며,
루프는 제1 단자와 제2 단자 사이에서 트랜스포트 전류를 전달(carry)하도록 구성된 것이고,
자기장 생성기는 낮은 저항 상태와 더 높은 저항 상태 사이에서 전기적 스위치를 스위칭하기 위해 선택적으로 활성화 및 비활성화되도록 구성된 것이며,
낮은 저항 상태에서, 자기장 생성기는 루프를 통해 시변 자기장을 생성하지 않으며 트랜스포트 전류가 두 단자 사이에서 루프를 통해 흐르고, 더 높은 저항 상태에서, 자기장 생성기는 루프를 통해 시변 자기장을 생성하여, 루프에 스크리닝 전류(screening current)를 유도하여, 하나 이상의 브랜치에서의 트랜스포트 전류와 스크리닝 전류의 합이 초전도 재료의 임계 전류에 근접하거나 그렇지 않으면 임계 전류보다 크거나 임계 전류와 실질적으로 동일하게 한다.
바람직하게는, 초전도 재료는 고온 초전도체이다. 고온 초전도체의 이용은 유리하게도 본 발명이 더 높은 온도에서 이용되도록 할 수 있으며, 이는 전기 스위치의 비용을 감소시키고 실행 가능한 작동 온도의 범위를 증가시킬 수 있다. 예컨대, 초전도 재료는 희토류 바륨 구리 산화물(ReBCO; rare-earth barium copper oxide) 또는 임의의 다른 적절한 고온 초전도체를 포함할 수 있다. 예컨대, 희토류 성분은 이트륨(Y; yttrium), 가돌리늄(Gd; gadolinium), 사마륨(Sm; samarium), 네오디뮴(Nd; neodymium) 또는 임의의 다른 적절한 요소를 포함할 수 있다. 본 발명의 대안의 실시예들에서, 초전도 재료는 마그네슘 디보라이드(magnesium diboride, MgB2) 또는 비스무트 스트론튬 칼슘 구리 옥사이드(BSCCO; bismuth strontium calcium copper oxide) 또는 니오븀 티타늄 합금(niobium-titanium alloy, NbTi)과 같은 전통적인 저온 초전도체일 수 있다.
바람직하게는, 초전도 재료는 테이프의 일부로서 포함될 수 있는데, 예컨대, 테이프는 금속 기판 및/또는 세라믹 층들 상에 퇴적된 초전도체의 박막을 포함할 수 있다. 몇몇의 경우에, 이러한 박막은 그 후 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 추가의 외부 금속 보호층으로 코팅된다. 그러나, 이는 본 발명에 대한 제한으로 간주되어서는 안된다. 예컨대, 초전도 재료는 금속 매트릭스 내에 임베디드된 하나 이상의 필라멘트, 또는 초전도 재료의 와이어를 포함할 수 있다.
바람직한 실시예들에서, 전기 스위치는 각 단자에서의 초전도 재료의 브랜치들의 조이닝과 같은 스위치의 초전도 소자들 사이의 하나 이상의 조인트를 포함할 수 있다. 추가적으로, 조인트들은 초전도 재료의 브랜치들 사이에 제공될 수 있다. 이들 조인트들은 비초전도(non-superconducting) 재료로 구성되거나 그렇지 않으면 비제로 저항을 가질 수 있는데, 예컨대, 조인트는 납 주석(lead-tin, PbSn) 합금 또는 인듐 은(indium-silver, InAg) 합금과 같은 회로의 작동 온도에서 비제로 저항을 갖는 상전도 금속 솔더에 의해 형성될 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예들에서, 스위치는 브랜치들 사이에 조인트들이 없도록 구성될 수 있는데, 예컨대, 브랜치들은 두 개의 완전하게 조이닝된 브랜치들을 만들기 위하여 초전도 재료 또는 테이프의 연속 스트립을 분할함으로써 형성될 수 있다.
바람직하게는 초전도 재료의 브랜치들은 각각 초전도 재료의 하나 이상의 코일을 또한 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 브랜치는 적어도 하나의 코일을 포함할 수 있으며, 제2 브랜치는 적어도 하나의 코일을 포함할 수 있다. 초전도 코일들의 사용은 유리하게도 자기장 생성기와 루프 사이의 더 나은 커플링을 가능하게 할 수 있다. 대안의 실시예들에서, 코일들이 이용되지 않을 수 있다.
초전도 재료의 각 코일은 하나 이상의 턴(turn)을 포함할 수 있다는 점이 이해될 것이다. 이들 턴들은 공통 축 둘레에 배치될 수 있다. 공통 축 둘레에 하나 이상의 턴을 제공하는 것은 유리하게도 더 간단한 구성 및/또는 시변 자기장 생성기와 초전도 재료 사이의 더 나은 커플링을 가능하게 할 수 있다.
코일들이 사용되는 경우에, 루프의 각 브랜치의 코일(들)은 역회전하는 방향으로 권취되는 것이 유리할 수 있다(즉, 오른(right-handed) 나선의 형태를 취하는 하나의 코일 및 왼(left-handed) 나선의 형태를 취하는 다른 코일). 예컨대, 두 개의 브랜치들 중 제1 브랜치의 코일은 시계 방향으로 권취될 수 있는 한편, 두 개의 브랜치들 중 제2 브랜치의 코일은 반시계 방향으로 권취될 수 있다. 다시 말해서, 제1 브랜치의 코일들은 제1 회전 방향으로 권취될 수 있고, 제2 브랜치의 코일들은 제2 회전 방향으로 권취될 수 있으며, 여기에서 제1 회전 방향은 제2 회전 방향과는 상이한 것이다. 이러한 배열은 유리하게도 루프 내의 스크리닝 전류의 생성을 더 촉진할 수 있다. 또한, 코일들을 반 권취(counter-winding)함으로써 스위치의 단자들 사이의 총 인덕턴스에 대응하거나 이를 최소화하는 것이 가능할 수 있다.
바람직하게는, 자기장 생성기는 AC 전류 또는 전압원과 같은 교류 전력원 형태의 공급부를 포함할 수 있다. 예컨대, 자기장 생성기는 도전체의 하나 이상의 턴을 통해 초전도 재료의 루프에 자기적으로 커플링된 교류 전력원을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 자기장 생성기는 코어에 의해 초전도 재료의 루프에 자기적으로 커플링될 수 있다. 바람직한 실시예들에서, 코어는 철 또는 페라이트(ferrite)를 포함하는 자기 또는 페러스 코어(magnetic or ferrous core)이지만, 대안의 실시예들에서 코어는 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 공심(air core) 또는 비자기 코어일 수 있다. 페라이트 코어의 이용은 스위치가 고주파에서 이용되는 경우에 특히 유익할 수 있다.
자기 코어가 이용되는 실시예들에서 자기 코어는 자기 재료의 폐루프로 구성되는 것이 유리할 수 있다. 폐루프의 이용은 자기장 생성기에 의해 생성되는 자기장이 초전도 재료의 브랜치들에 자기적으로 커플링되는 것을 더 가능하게 할 수 있다.
바람직하게는, 자기장 생성기는 도전체의 하나 이상의 턴으로 구성된 자기장 생성기 코일을 포함할 수 있다. 이러한 생성기 코일은 하나 이상의 턴을 통해 교류 전력원으로부터의 전류를 코어에 커플링함으로써 코어에 자기장을 생성하도록 배열될 수 있다. 예컨대, 생성기 코일은 코어 둘레에 랩핑된 하나 이상의 턴을 포함할 수 있다. 코어에 생성된 자기장은 코어의 적어도 일부분 주위의 초전도 재료를 루핑(looping)함으로써 초전도 재료의 루프에 자기적으로 커플링될 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 바와 같이 초전도 재료의 루프에 코일들이 추가되는 경우에, 이러한 코일들은 자기장을 초전도 루프에 커플링하는 데에 이용될 수 있다. 다시 말해서, 코일들은 자기장 생성기와 초전도 루프 사이의 자기 커플링을 증가시키기 위해 자기 코어 둘레에 권취될 수 있다.
본 발명의 다른 형태들에서, 자기장 생성기 코일은 초전도 재료의 루프 및/또는 코일들의 내부에 배치될 수 있다. 대안으로, 생성기 코일은 초전도 재료의 루프 및/또는 코일들 둘레에 권취될 수 있다. 추가의 대안으로, 생성기 코일은 루프 및/또는 코일들에 대한 공통 축을 따라 배치될 수 있다. 상술한 배열들 각각에서, 생성기 코일과 초전도 루프 및/또는 코일들이 서로 같은 축을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 다시 말해서, 생성기 코일은 생성기 코일의 축이 초전도 루프 및/또는 루프의 코일들의 축에 대체로 평행하도록 배열되며, 루프 및/또는 코일들 통해 생성기 코일에 의해 생성되는 자기장의 방향은 루프의 축에 대체로 평행하다. 코일들이 이용되지 않는 본 발명의 실시예들에서 상술한 배열들은 루프에만 적용될 수 있음이 또한 이해될 것이다.
바람직하게는, 생성기 코일에 이용되는 전도체는 구리 또는 알루미늄과 같은 비초전도 재료일 수 있다. 비초전도 재료의 이용은 유리하게도 저비용의 자기장 생성기를 가능하게 할 수 있다. 그러나, 이는 본 발명에 대한 제한으로 간주되어서는 안되며, 대안의 실시예들에서 생성기 코일은 이트륨 바륨 구리 옥사이드(YBCO; yttrium barium copper oxide)와 같은 하나 이상의 초전도체를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 자기장 생성기는 루프의 축에 실질적으로 평행한 방향으로 루프를 통해 시변 자기장을 생성하도록 구성된다. 실질적으로 평행한 성분을 가진 방향으로 루프를 통해 시변 자기장을 통과하는 것은 유리하게도 루프의 하나 이상의 도전체를 통해 자기장을 통과하는 것보다 더 효율적일 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예에서, 전기 스위치의 단자들 사이를 통과하는 트랜스포트 전류는 직류(DC; direct current)일 수 있다. 대안의 실시예들에서 교류(AC; alternating current)가 이용될 수 있다.
바람직하게는, 자기장 생성기는, 활성화될 때, ??칭(quenching) 없이 초전도 재료에 저항성 소실(resistive dissipation)을 야기하기에 충분한 브랜치들에서의 스크리닝 전류를 유도하도록 구성될 수 있다. 초전도 재료의 ??칭은 온도가 임계 온도를 초과할 때 발생한다는 점이 이해될 것이다. 따라서, 초전도 재료를 임계 온도 이하로 유지하기에 충분한 냉각이 있다면, 초전도 재료의 총 전류가 ??칭 없이 초전도체에 대한 임계 전류를 초과하도록 하는 것이 가능하다. 다시 말해서, 초전도 재료에서의 국부적 열 방출이 열이 제거될 수 있는 속도를 초과한다면, ??칭할 가능성이 크다. 예컨대, 본 발명의 하나 이상의 응용에서, 초전도체를 ??칭되지 않은(unquenched) 상태로 작동시키는 것이, 특히 빠른 스위칭 속도를 필요로 하는 정류기의 스위치 성분과 같은 응용에서 유익할 수 있다.
본 발명의 대안의 실시예에서, 자기장 생성기는, 활성화될 때, 브랜치에서의 총 에너지 소실이 초전도 재료를 ??칭하기에 충분하게끔 브랜치들에 충분히 큰 스크리닝 전류를 유도하도록 구성될 수 있다. 초전도 재료의 ??칭이 시스템의 냉각에 관한 함수인 한편, 하나 이상의 실시예에서, 초전도 재료의 ??칭은 트랜스포트 전류와 스크리닝 전류의 합이 초전도 재료의 임계 전류와 같거나 이보다 클 때 발생하도록 구성될 수 있음을 이해할 것이다. 이러한 ??칭된 상태는 고장 전류 리미터에 전기 스위치가 이용될 때 더 높은 전류 제한 저항을 생성하는 것이 가능할 수 있기 때문에 특히 유리할 수 있다.
바람직하게는, 자기장 생성기가 비활성화될 때, 자기장 생성기는 실질적으로 자기장을 생성하지 않거나 일정한 자기장을 생성하거나, 또는 다른 방법으로 브랜치들의 저항을 증가시키는 스크리닝 전류를 유도하기에 불충분한 자기장을 생성할 수 있다.
바람직하게는, 낮은 저항 상태에 있을 때 초전도 재료의 브랜치들은 초전도성일 수 있다. 예컨대, 낮은 저항 상태에서 초전도 재료의 브랜치들이 실질적으로 제로인 저항을 갖는 것이 유리할 수 있다. 초전도 재료의 브랜치들 사이의 조인트는 본 발명의 형태 내에 여전히 포함되면서 본 명세서에 설명된 바와 같이 일부 비제로 저항을 가질 수 있다는 점을 이해할 것이다.
바람직하게는, 자기장 생성기가 활성일 때, 브랜치들은 여전히 초전도성인 더 높은 저항 상태에 있을 수 있다. 예컨대, 초전도 재료의 브랜치들이 낮은 저항 상태에서의 초전도 재료의 저항 보다 더 높은 저항을 여전히 가지면서 초전도성인 것은 유리할 수 있다. 그러나, 이는, 예컨대, 더 높은 저항 상태에서 초전도 재료의 브랜치들은 비초전도성일 수 있는 것, 예컨대, 초전도 재료는 ??칭되었을 수 있는 것 또는 전류는 초전도체의 임계 전류를 달리 초과할 수 있는 것과 같은 본 발명에 대한 제한으로 간주되어서는 안된다.
본 발명에 관한 추가 양상에 따르면, 본 명세서에 설명된 바와 같은 전기 스위치를 포함하는 정류기 및 교류 전류원으로부터의 전류를 정류하기 위해 낮은 저항 상태와 더 높은 저항 상태 사이에서 적어도 하나의 전기 스위치 각각을 제어하도록 구성된 제어 매커니즘이 제공된다.
바람직하게는, 정류기는 1차 측 및 2차 측을 포함하는 변압기를 포함하며, 여기에서 적어도 하나의 전기 스위치가 변압기의 2차 측에 연결된다. 제어 매커니즘은 변압기에서의 교류의 흐름 방향에 기초하여 낮은 저항 상태와 더 높은 저항 상태 사이에서 적어도 하나의 전기 스위치 각각을 제어할 수 있다. 예컨대, 제어 매커니즘은 변압기의 1차 측에서의 교류의 흐름 방향에 기초하여 적어도 하나의 전기 스위치를 제어하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 정류기는 반파 정류기(half-wave rectifier)일 수 있다. 대안의 실시예들에서, 정류기는 전파 전류기(full-wave rectifier)일 수 있다.
바람직하게는, 정류기는 본 발명에 따른 하나 이상의 스위치를 포함할 수 있다.
본 발명에 관한 추가 양상에 따르면, 본 명세서에 설명된 바와 같은 전기 스위치를 포함하는 고장 전류 리미터 및 고장이 검출될 때 적어도 하나의 전기 스위치를 더 높은 저항 상태에 두도록 구성된 제어 매커니즘이 제공된다.
바람직하게는, 고장 전류 리미터는 본 발명에 따른 하나 이상의 스위치를 포함할 수 있다.
앞서의 설명으로부터 본 발명이 종래의 스위치들과 비교하여 다음을 포함하는 하나 이상의 이점을 제공할 수 있음이 명백해진다.
Figure pct00001
더 높은 스위칭 저항, 즉, 낮은 저항 상태에서는 초전도성을 유지하는 한편 더 높은 저항 상태에서는 더 높은 저항(초전도성이거나 아님);
Figure pct00002
특히 생성기 코일과 초전도 코일이 동축 정렬되는 경우의 실시예들에서 더 컴팩트한 스위치;
Figure pct00003
초전도 루프에서 저항이 생성됨에 따라, 이전 스위치들에 비하여 더 작은 자기 코어를 이용하여 작동할 수 있는 스위치;
Figure pct00004
극저온계에서 감소된 총 손실을 또한 가질 수 있는 더 효율적인 스위치
Figure pct00005
기존의 초전도 스위치들에 비하여 더 낮은 비용의 더 간단한 구조;
Figure pct00006
기존의 스위치들에 비하여 낮은 저항 상태와 더 높은 저항 상태 사이에서 더 빠르게 전이할 수 있는 스위치;
Figure pct00007
특히 스위치가 비유도성(non-inductive)이거나 다르게 낮은 인덕턴스를 갖는 경우의 실시예들에서, 기존의 스위치들에 비하여 더 작은 자기장 생성기 전류 및 전압을 고려하는 스위치;
Figure pct00008
초전도체의 표면에 수직인 방향으로 자기장이 인가될 필요가 없음에 따라 더 작은 자기장 생성기 코일 사이즈를 이용하여 작동 가능한 스위치 구조;
Figure pct00009
자기장이 초전도 재료를 관통할 필요가 없음에 따라 더 작은 인가 자기장을 이용하여 작동 가능한 스위치; 및
Figure pct00010
초전도체에서 국소 핫 스팟들의 발생을 완화 또는 다르게 감소시킬 수 있는 스위치.
모든 신규한 양상들에서 고려되어야 하는 본 발명에 관한 추가 양상들이 본 발명의 실제 응용에 관한 적어도 하나의 예시를 제공하는 이하의 설명을 읽음으로써 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백해질 것이다.
이하의 도면들을 참조하여, 본 발명의 하나 이상의 실시예가 단지 예시를 통해 제한하려는 의도 없이 이하에서 설명될 것이다.
도 1은 고온 초전도체에 대한 예시적인 전계 대(versus) 전류 그래프를 나타낸다.
도 2a는 본 발명에 따른 스위치의 제1 실시예를 나타낸다.
도 2b는 낮은 저항 상태에 있는 도 2a의 스위치를 나타낸다.
도 2c는 더 높은 저항 상태에 있는 도 2a의 스위치를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 스위치의 추가 실시예를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따라 자기장 생성기를 스위치에 커플링하는 방법을 나타낸다.
도 5는 시변 자기장의 존재 및 부재 하에서 초전도 스위치의 단자들을 가로질러 측정된 전압을 비교하는 그래프를 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 스위치에 자기장 생성기를 커플링하는 대안의 방법을 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 스위치들을 채택한 전파 정류기에 관한 간략화된 도식을 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 스위치들을 채택한 반파 정류기에 관한 간략화된 도식을 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따른 스위치들을 채택한 전파 정류기를 구성하는 하나의 방법을 나타낸다.
도 10은 도 9의 실시예에 따라 구성된 전파 정류기에 대한 모범적인 전류 및 전압 파형을 나타낸다.
도 11은 본 발명에 따른 스위치들을 채택한 고장 전류 리미터에 관한 간략화된 도식을 나타낸다.
배경 기술
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 독자는 다음을 포함하는 초전도 용어에 익숙해야 한다.
Figure pct00011
초전도체에 대한 임계 온도; 및
Figure pct00012
초전도체에 대한 임계 전류
그러나, 독자를 위하여 이하에서 이들 개념들을 간략하게 논의한다.
초전도체에 대한 임계 온도는, 그 이하에서 초전도체의 전도성이 제로로 또는 제로 가까이로 떨어지는 것인 온도로 기존에 정의된다. 다시 말해서, 초전도체는 초전도체의 온도가 임계 온도 이하일 때 초전도 상태에 있는 것이라 하며 임계 온도 이상일 때 비초전도 상태에 있는 것이라 한다. 많은 초전도체들이 절대 영도에 가까운 임계 온도를 갖는데, 예컨대, 수은은 4.1K의 임계 온도를 갖는 것으로 알려져 있다. 그러나, 몇몇 재료들은 30 내지 125K와 같이 훨씬 더 높은 임계 온돌르 가질 수 있는 것으로 또한 알려져 있는데, 예컨대, 마그네슘 디보라이드는 약 39K의 임계 온도를 갖는 한편, 이트륨 바륨 구리 옥사이드(YBCO)는 약 92K의 임계 온도를 갖는다. 이들 초전도체들은 종종 고온 초전도체(HTS; high-temperature superconductor)라 일반적으로 지칭한다.
고온 초전도체 와이어 또는 테이프에 대한 임계 전류는 100 ㎶/m (= 1 ㎶/cm)의 와이어를 따라 전계 드롭을 야기하는 고온 초전도체 와이어/테이프에 흐르는 전류로 기존에 정의된다. 임계 전류는 이용되는 초전도 재료, 및 초전도 재료의 물리적 배열 양자 모두에 관한 함수라는 점을 이해할 것이다. 예컨대, 더 넓은 테이프/와이어는 동일한 재료로 구성된 더 얇은 테이프/와이어에 비하여 더 높은 임계 전류를 가질 수 있다. 그러나, 본 명세서 전반에 걸쳐서 초전도체/초전도 재료의 임계 전류에 대한 언급은 논의를 간단하게 하기 위해 이루어짐을 이해할 것이다.
초전도체/초전도 재료에서, 전류 I가 임계 전류 I c 와 대략적으로 동일할 경우, 초전도체의 저항은 비제로이지만 작다. 그러나, I가 임계 전류 I c 보다 훨씬 더 클 경우 초전도체의 저항은 초전도체를 그 임계 온도 이상의 온도로 가열할 수 있는 열 방출을 야기할 만큼 충분히 커지며, 이는 결국 그것이 더 이상 초전도성이 아니도록 만든다. 이러한 상태는 때때로 "??치"라고 지칭하며, 초전도체 자체를 손상시킬 수 있다. 몇몇 고장 전류 리미터들은 전력 회로로의 큰 저항의 빠른 단 한 번의 스위칭을 얻기 위해 초전도체들의 ??칭 효과를 이용한다. 이들 고장 전류 리미터들은 일반적으로 재설정 및 재사용될 수 있으나, 이는 반도체 재료를 그 임계 온도 이하로 재냉각할 필요성으로 인해 보통 더딘 프로세스이다.
도 1은 고온 초전도체에 대한 내부 전계 대(versus) 전류 곡선을 도시한 대표적인 도표를 나타낸다. 이 도표에 나타낸 전계는 아래의 식을 통해 저항과 관련된다는 점을 이해할 것이다.
Figure pct00013
여기서,
Figure pct00014
E는 전계이고,
Figure pct00015
I는 초전도체를 통과하는 전류이고,
Figure pct00016
R은 와이어의 저항이며,
Figure pct00017
L은 와이어의 길이이다.
따라서, 도 1의 도표는 초전도체에 대한 단위 길이 당 저항과 관련되며, 도시된 곡선이 비선형이기 때문에, 초전도체에 대한 결과적인 저항은 전류에 대해 비선형이다.
이 도면에서 초전도체에서의 전계 강도가 초전도체에 대한 임계 전류(I c ) 이하에서 실질적으로 제로임을 알 수 있다. 초전도체의 전류가 임계 전류에 근접함에 따라, 초전도체에서의 전계가 증가하기 시작한다. 임계 전류에서는, 초전도체에서의 전계가 100 ㎶/m이다. 임계 전류 이상으로 초전도체에서의 전류를 더 증가시키는 것은 초전도체에서의 전계 강도의 빠른 증가를 야기한다.
본 명세서 전반에 걸쳐서 초전도 스위치 및 이의 성분들의 상대적 저항에 대해 언급한다는 점을 이해할 것이다. 초전도 재료가 초전도 상태에 있을 때 제로 또는 실질적으로 제로인 저항을 가질 수 있으며, 이에 따라 이들 저항들은 주어진 전류에 대하여 초전도 재료를 가로질러 존재하는 전계의 측면에서 더 흔하게 표현된다는 점이 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해될 것이다. 그러나, 상술한 논의를 간단하게 하기 위해 본 명세서 전반에 걸쳐서 상대적 저항, 낮은 저항 및 더 높은 저항 상태들에 대해 언급되었다.
발명의 형태들
도 2a는 본 발명에 따른 스위치(200)에 관한 개략도이다.
스위치(200)는 제1 단자(204)와 제2 단자(206) 사이에 연결된 초전도 재료(202)를 포함한다. 본 명세서에서 본 발명을 설명함에 있어서, 스위치는 이의 성분들을 포함하여 "초전도(superconducting)"라 지칭한다. 이러한 용어가 본 발명의 범위를 제한하려는 의도가 아님을 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확해야 하며, 일정한 조건 하에서 스위치 및 이의 성분들은 초전도 상태에 있지 않을 수 있음, 즉, 스위치가 초전도성(superconductive)이라고 설명되지만 초전도 상태(superconducting)는 아닐 수 있음이 이해될 것이다. 그러나, 일관성을 위해, 스위치 및 이의 성분들은 본 명세서 전반에 걸쳐서 "초전도(superconducting)"라고 설명될 수 있다.
본 발명에 관한 바람직한 실시예에서 초전도 재료(202)는 희토류 바륨 구리 옥사이드(ReBCO) 테이프, 예컨대, 이트륨 바륨 구리 옥사이드 테이프 또는 가돌리늄 바륨 구리 옥사이드 테이프를 포함한다. 그러나, 이를 본 발명에 대한 제한으로 간주해서는 안되며, 본 발명은 고온 초전도체들을 포함하는 다른 초전도 재료들과 호환됨을, 그리고 테이프의 사용을 제한으로 간주하지 않아야 함을 이해할 것이다.
실제에서 트랜포트 전류 I t 는 제1 단자(204)와 제2 단자(206) 사이에서 흐르도록 선택적으로 공급된다. 다시 말해서, 트랜포트 전류 I t 는 필요에 따라 턴오프 및 턴온될 수 있다.
도 2a에서는 앞서의 논의를 간단하게 하기 위해 제1 단자(204)가 양극 단자로 도시되며 제2 단자(206)가 음극 단자로 도시됨을 이해할 것이다. 유사하게, 트랜포트 전류 I t 는 기존에 정의된 직류(DC) 전압에 대해 예상되는 바에 따라 제1(양극) 단자(204)로부터 제2(음극) 단자(206)로 흐르는 것으로 도시된다. 그러나, DC 전압의 이용은 앞서의 논의로부터 명백해지듯이 본 발명에 대한 제한으로 간주되어서는 안된다. DC 전류가 이용되는 경우에, 초전도 재료(202)의 낮은, 제로 또는 제로에 가까운 저항으로 인해 초전도 재료는 무시 가능한 손실을 겪게 됨을 또한 이해할 것이다. AC 전류가 이용되는 경우에, 비록 동등한 비초전도 재료에 비하여 총 손실은 현저히 더 적지만, 기생 효과로 인해 손실은 일반적으로 더 클 것이다.
두 단자들(204, 206) 사이의 초전도 재료(202)는 두 개의 전기적으로 병렬인 초전도 브랜치들(212a, 212b)을 포함하는 루프(210)로 형성된다.
초전도 브랜치들(212a, 212b)은, 비제로 조인트 저항을 제공하는 방법을 포함하는 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 알려진 방법을 이용하여 둘 이상의 초전도 재료들 결합함으로써 형성될 수 있다. 대안으로, 브랜치들(212a, 212b)은 실질적으로 제로인 저항 조인트를 제공하는 임의의 방법을 이용하여, 예컨대 초전도 테이프를 두 개의 병렬 브랜치들로 분할함으로써, 형성될 수 있다.
실제에서 트랜스포트 전류는, 제1 단자(204)와 제2 단자(206) 사이에 연결된 전기 회로(미도시)를 이용하여, 제1 단자(204)와 제2 단자(206) 사이에 인가된다. 이 전기 회로는 전압원 또는 전류원과 같은 전력원, 변압기 또는 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 알려진 임의의 다른 적절한 전자 회로를 포함할 수 있다. 시변 자기장 B app (t)은 그 후 루프(210)의 평면에 수직인(또는 수직인 성분을 가진), 즉, 루프(210)의 축이 루프(210)의 평면에 수직인 경우에 루프(210)의 축에 평행한 방향으로 루프(210)에 또는 그 안에 선택적으로 인가된다. 도 2a에서, 시변 자기장은 자기장이 루프(210)를 통과하도록 루프(210)에 인가된다. 초전도 재료(202)를 관통하는 또는 관통하려고 시도하는 자기장으로 인해 달리 발생되는 손실들을 감소시키기 위해 루프의 평면에 실질적으로 또는 적어도 부분적으로 수직인 방향으로 시변 자기장을 제공하는 것이 유리할 수 있다.
이러한 시변 자기장은 B app (t)은 루프(210)에서의 플럭스 변화에 대항하기 위해 스크리닝 전류 I s 가 루프(210)의 브랜치들(212a, 212b) 사이에서 빙 돌며 흐르도록 한다. 이러한 스크리닝 전류 I s 는 루프(210) 주위에 흐르는 트랜스포트 전류에 부가되며 그 결과 총 전류 흐름이 증가한다. 이러한 전류의 증가는 (예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이 전류가 임계 전류 I c 보다 작을 때) 초전도 재료의 저항의 미미한 증가 또는 (예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이 전류 I c 가 초전도체에 대한 임계 전류에 가깝거나, 그보다 크거나, 그와 동일할 때) 초전도 재료의 저항의 상당한 증가를 야기할 수 있다.
시변 자기장이 없을 때에 또는 시변 아닌(non-time-varying) 자기장이나 약한 시변 자기장이 있을 때에 도 2a의 스위치(200)가 어떻게 작동하는지를 나타내는 도 2b를 이제 참조한다. 도 2b에서 루프(210)를 통과하여 흐르는 전류는 트랜포트 전류 I t 와 실질적으로 동일함을 알 수 있다. 시변 자기장이 인가됨에 따라, 또는 자기장의 크기가 증가하거나 감소함에 따라, 도 2c에 도시된 바와 같이 스크리닝 전류 I s 가 루프(210) 둘레에 흐른다. 브랜치들(212a, 212b) 중 어느 하나에서 트랜포트 전류 I t 와 스크리닝 전류 I s 의 합이 초전도체의 임계 전류에 근접하거나 이를 초과하는 경우에, 브랜치들(212a, 212b)의 실효 저항이 증가한다. 그 결과, 시변 자기장이 인가되어 스위치를 낮은 저항 상태와 더 높은 저항 상태 사이에서 전이시킬 수 있다.
스위치(200)의 낮은 저항 상태는 스위치(200)의 폐쇄 상태와 동일한 것으로 간주될 수 있는 한편 더 높은 저항 상태는 스위치(200)의 개방 상태와 유사하다. 그러나, 더 높은 저항 상태는 기계적 스위치에 대해 일반적인 것처럼 전기적 개방 회로가 아니라, Tc 이상의 후속 가열이 또한 일어나지 않는다면, 루프가 초전도 상태에서 유지되는 것인 더 높은 저항의 전도 상태를 나타낸다.
몇몇 실시예들에서, 저저항 상태는 루프(210)의 브랜치들(212a, 212b)의 저항이 제로에 가깝거나 실질적으로 제로인 초전도 상태일 수 있다. 다시 말해서, 바람직한 실시예에서, 스위치의 저저항 상태에서는 루프(210)의 적어도 일부분이 초전도 상태에 있다. 그러나, 이는 본 발명에 대한 제한으로 간주되어서는 안되며, 대안의 실시예에서 저저항 상태는 부분적으로 초전도 상태일 수 있다. 예컨대, 상전도 금속 솔더링 조인트에 의해, 루프의 초전도 요소들 사이에 하나 이상의 저저항 조인트가 형성된다.
유사하게, 고저항 상태는 루프(210)의 브랜치들(212a, 212b)의 저항이 제로에 가깝지만 저저항 상태에서의 저항보다는 큰 초전도 상태일 수 있다. 본 발명에 대한 하나의 응용에서, 고저항 상태에 있는 루프(210)의 브랜치들(212a, 212b)의 저항은 실질적으로 비제로일 수 있다. 예컨대, 루프(210)는 비초전도 상태에 있거나 부분적으로 초전도 상태에 있을 수 있다.
따라서, 본 발명은 시변 자기장에 노출될 때 또는 시변 자기장의 크기가 변화할 때 저저항 상태와 고저항 상태 사이에서 전이할 수 있는 스위치를 제공한다는 점을 이해할 것이다. 이는 유리하게도 종래의 전류 스위치들에 비하여 더 신뢰할만한 더 빠른 스위칭의 비접촉 스위치의 구성을 가능하게 할 수 있다. 다른 잠재적 이점들은 다음과 같은 스위칭 요소들을 생성하는 능력을 포함한다:
Figure pct00018
앞서의 논의로부터 명백해지는 바와 같이, 종래의 스위치들에 비하여 더 컴팩트함;
Figure pct00019
스위치의 더 높은 저항 상태가 초전도 상태인 응용에서 특히, 열 스위치보다 더 빠른 스위칭;
Figure pct00020
기존의 AC 필드 제어 스위치들에 비하여 더 높은 오프 저항을 달성할 수 있음;
Figure pct00021
초전도체에서의 자기장 축출로 인해 초전도체에서의 소실이 감소되기 때문에 종래의 스위치들에 비하여 더 효율적임;
Figure pct00022
스위치가 비접촉식이며 더 낮은 소실을 갖기 때문에 기존의 스위치들에 비하여 더 신뢰할 만함; 그리고
Figure pct00023
자기장 생성기에 대한 더 낮은 전력 구동원을 고려한 더 낮은 인덕턴스.
본 발명에 따른 스위치(300)에 관한 추가 실시예가 도 3에 도시된다. 앞서 설명된 실시예에서와 같이, 초전도 재료(202)는 두 개의 전기적으로 병렬인 브랜치들(312a, 312b)을 포함하는 루프(310)에 배열된다. 그러나, 이 실시예에서는, 각각의 브랜치(312a, 312b)가 초전도 재료의 코일(314a, 314b)을 포함하며 각각의 코일은 하나 이상의 턴을 포함한다.
본 발명의 루프는 둘 이상의 전기적으로 병렬인 도전성 경로들을 포함한다는 점이 도면 및 상술한 내용을 참조로 이해될 것이다. 반면에 본 발명의 코일들 각각은 하나 이상의 턴으로 구성된 단일의 도전성 경로를 갖는다.
실제에서, 시변 자기장 B app 은 루프(310) 및/또는 코일들(314a, 314b)의 평면에 수직인(또는 수직인 성분을 가진) 방향으로 (314a, 314b) 양자 모두를 가로질러 루프(310)를 통과하여 선택적으로 인가된다. 이는 스크리닝 전류 I s 가 두 개의 병렬 연결된 브랜치들(312a, 312b)에 의해 형성된 폐루프(310) 둘레에 흐르도록 한다. 이러한 스크리닝 전류는, 상술한 실시예들에 따라, 스위치(300)를 낮은 저항 상태와 더 높은 저항 상태 사이에서 선택적으로 전이시키는 데에 이용될 수 있다.
제1 브랜치(312a)가 시계 방향으로 권취된 하나 이상의 코일(314a)을 포함하는 것이 바람직할 수 있는 한편, 제2 브랜치(312b)는 반시계 방향으로 권취된 하나 이상의 코일(314b)을 포함하며, 그 반대로도 가능하다. 이러한 배열은 제1 코일(314a)의 스크리닝 전류가 제2 코일(314b)의 스크리닝 전류와 동일한 방향으로 유도되는 것을 보장함으로써, 스크리닝 전류가 루프(310) 둘레에 흐르도록 하는 데에 유용할 수 있다. 또한, 코일들(314a, 314b)의 이용은 유리하게도 각 브랜치(312a, 312b)의 인덕턴스를 실제로 동등하게 하는 것을 보다 쉽게 만들 수 있다. 예컨대, 하나 이상의 턴을 가진 코일들(314a, 314b)을 이용함으로써, 각 브랜치(312a, 312b) 사이의 기하학적 차이는 각 브랜치의 전류 턴들의 수의 더 작은 부분이 된다.
이러한 배열에 관한 추가의 잠재적 이점은 각 브랜치에서의 더 긴 스위칭 길이들로 인해 앞서의 실시예에 비하여 더 높은 스위칭 저항들을 고려할 수 있다는 점이다.
도 4는 도 3의 스위치(300)에 대한 하나의 실제 응용을 나타내는 개략도이다. 이 실시예에서, 시변 자기장 생성기(402)와 스위치(404) 사이의 커플링은 코어(406)를 통과하도록 자속을 지향시킴으로써 개선될 수 있다. 이러한 방식으로 도 4의 배열은 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 잘 알려진 바와 같은 변압기의 배열과 유사하게 된다.
코어(406)는 바람직하게는 철 코어와 같은 고투자율 자기 코어이지만, 이는 앞서의 논의로부터 명백해지듯이 본 발명에 대한 제한으로 간주되어서는 안된다.
간단함을 위하여 자기장 생성기(402)는 하나 이상의 턴을 포함하는 코일(410)을 통해 코어에 자기적으로 커플링된 AC 소스(408)로 도시된다. 그러나 이는 본 발명에 대한 제한으로 간주되어서는 안되며, 시변 자기장을 생성하는 대안의 방법들이 예컨대 DC 전류원을 스위칭함으로써 이용될 수 있다.
앞서의 논의를 간단하게 하고, 자기장 생성기의 코일(410)을 스위치(402)의 코일들(414a, 414b)과 구별하기 위해, 본 명세서에서 자기장 생성기의 코일(410)을 자기장 생성기 코일(410) 또는 단순히 생성기 코일이라 언급할 것이다.
자기장 생성기 코일(410)은 YBCO와 같은 초전도 재료들 또는 구리 및 알루미늄과 같은 비초전도 재료들을 포함하는 임의의 적절한 도전성 재료로 구성될 수 있다는 점이 또한 이해될 것이다. 바람직한 실시예에서, 생성기 코일(410)은 구리로 구성된다. 이는 유리하게도 초전도 생성기 코일들(410)을 이용하는 유사한 스위치들에 비하여 더 낮은 비용의 스위치를 제공할 수 있다.
변압기 비유를 계속하면, 생성기 코일(410)을 변압기의 1차 측으로 생각할 수 있는 한편, 코일들(414a, 414b)을 변압기의 2차 측으로 생각할 수 있다.
그러나 전통적인 변압기와는 다르게 스위치(404)의 초전도 코일들(414a, 414b)은 역회전(counter-rotating) 방향으로 코어(406) 둘레에 권취되며, 서로 전기적으로 병렬로 연결된다. 그 결과, 2차 권취 코일들은 짧아지며 코일들(414a, 414b)에 의해 둘러싸인 넷 플럭스(net flux)는 코일들(414a, 414b) 각각이 동일한 수의 턴들을 가질 경우에 대략 제로이다. 코어(406)의 목적은 루프(416)를 형성하는 코일들(414a, 414b)의 쌍에 인가된 자기장을 커플링하는 것이다. 그 결과 루프(416)에 생성되는 스크리닝 전류가 자기장 생성기(402)로부터의 플럭스 변화에 저항하게 된다.
실제에서, 자기장 생성기(402)는 스위치(404)를 낮은 저항 상태와 더 높은 저항 상태 사이에서 전이시키기 위해 필요에 따라 선택적으로 인에이블되거나, 그 크기가 다른 방법으로 달라질 수 있다.
자기장 생성기(402)가 코어(406)에 시변 자기장을 생성하지 않거나, 다른 방법으로 코어(406)에 약한 자기장을 생성하는 것인 낮은 저항 상태에서, 트랜스포트 전류 I t 는 두 개의 병렬 브랜치들(412a, 412b) 사이에서 균등하게 공유되는 경향이 있다. 이러한 상태에서, 이들 브랜치들(412a, 412b)은 제로 또는 제로에 가까운 저항을 가지며, 또한, 코일들(414a, 414b)이 역회전 방향으로 권취되기 때문에, 단자들(204 및 206)을 가로질러 인덕턴스가 거의 존재하지 않는다. 또한, 코일들(414a, 414b)이 역회전 방향으로 권취되며 병렬로 연결되기 때문에, 코일들(414a, 414b)로부터 코어(406)로 유도되는 플럭스 또한 실질적으로 제로이거나 그렇지 않으면 아주 적다.
자기장 생성기(402)가 활성화될 때, 또는 인가되는 자기장의 크기가 증가 또는 감소할 때, 상술한 바와 같이 초전도 와이어의 루프(416)에 스크리닝 전류 I s 가 형성된다. 브랜치들(412a, 412b) 중 하나 또는 양자 모두에서의 트랜스포트 전류 I t 와 스크리닝 전류 I s 의 합이 초전도 재료의 임계 전류에 가깝거나, 이와 동일하거나, 이를 초과할 경우에, 브랜치(들)에 비제로 저항이 있을 것이다. 따라서, 스위치(404)를 낮은 저항 상태와 더 높은 저항 상태 사이에서 전환시키기 위해, 자기장 생성기(402)가 활성화 되거나, 대안으로, 자기장 생성기의 크기가 달라질 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 형태에 따라 스위치의 단자들(204, 206)을 가로질러 측정된 전압의 예시를 나타낸다. 이 도면에서, 스위치를 가로지르는 전압은 스위치의 단자들(204, 206) 사이에서 측정되는 전압이다. 자기장 생성기 전류는 자기장 생성기(402)에 의해 생성기 코일(410)에 인가되는 전류의 크기를 반영한다.
완전성을 위해, 전류원을 이용하여 단자들(204, 206)을 가로질러 약 80 Amps의 DC 전류가 인가된 점에 주의한다. 초전도 코일들(414a, 414b) 각각은 4mm 폭의 YBCO 테이프의 단일 턴으로 구성되며, 생성기 코일은 200 턴의 구리 와이어를 이용한다.
시변 자기장이 없을 때(약 80.5 초 이후), 단자들(204, 206)을 가로질러 측정된 전압은 실질적으로 제로임을 알 수 있다. 다시 말해서, 시변 자기장이 없을 때, 초전도 재료는 초전도성이다. 이는 스위치의 낮은 저항 상태를 나타낸다. 이에 반해, 시변 자기장이 인가된 경우(80.5 초 이전) 단자들을 가로질러 측정된 전압은 변동하며, 이는 초전도 재료의 저항의 변화를 나타낸다. 또한, 이러한 시변 자기장이 인가된 경우에 단자들을 가로질러 피크 전압이 관찰된다. 이는 스위치의 더 높은 저항 상태를 나타낸다. 이러한 스위치의 더 높은 저항 상태는 스위치의 응용 대상에 따라 초전도 또는 비초전도 상태를 나타낼 수 있다는 점을 이해할 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 스위치(600)의 다른 추가 실시예를 나타낸다. 이러한 실시예에서, 시변 자기장 생성기(402)의 생성기 코일(410)은 스위치(600)의 코일들(414a, 414b)과 동축 정렬된다. 이는 유리하게도 스위치(600)의 초전도 코일들(414a, 414b)과 생성기 코일(410) 사이의 자기장 커플링을 개선할 수 있다.
도시된 실시예에서, 스위치(600)의 초전도 코일들(414a, 414b)의 턴들은 생성기 코일(410)의 턴들과 인터레이싱되어 있다. 그러나 이는 결코 본 발명에 대한 제한으로 간주되어서는 안된다. 예컨대, 초전도 코일들(414a, 414b)은 생성기 코일(410)의 내부에 축의 방향으로 배치될 수 있다. 대안으로, 생성기 코일(410)은 초전도 코일들(414a, 414b)의 내부에 축의 방향으로 배치될 수 있다. 다른 추가적인 대안으로, 생성기 코일(410)은 코일들(414a, 414b)로부터 세로로 이격될 수 있다. 제1 초전도 코일(414a)이 제2 초전도 코일(414b)에 대한 대안의 위치에 배치될 수 있음을 또한 상정할 수 있는데, 예컨대, 제1 초전도 코일(414a)이 생성기 코일(410)의 아래에 배치될 수 있으며, 제2 초전도 코일(414b)이 생성기 코일(410)의 위에 배치된다.
생성기 코일(410)과 초전도 코일들(414a, 414b)을 동축 정렬하는 것의 추가 이점은 비자기 코어 또는 에어 코어(602)가 이용될 수 있다는 점이다. 이는 유리하게도, 스위치의 크기, 무게 및 비용을 감소시킬 수 있다. 코어를 포화시키지 않으면서 더 높은 스크리닝 전류를 유도할 수 있는 능력과 같은, 에어 코어를 이용하는 것에 관한 추가 이점들이 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 또한 명확할 것이다.
발명의 응용들
도 7 및 도 8은 각각 본 발명의 형태들에 따른 전파 정류기(700) 및 반파 정류기(800)에 관한 대표적인 회로도들을 나타낸다. 이들 예시들은 본 발명의 스위치에 대한 응용들을 나타내며, 결코 본 발명의 범위에 대한 제한으로 간주되어서는 안된다. 스위치에 관한 추가 응용들이 당업자에게 명확해질 것이고, 특히, 본 발명의 초전도 스위치는 기존의 전류 스위치들에 관한 개선일 수 있는 것으로 보이며, 초전도 자석, 자기 공명 이미징(MRI; magnetic resonance imaging), 핵 자기 공명(NMR; nuclear magnetic resonance), 플럭스 펌프, 고장 전류 리미터, 및 자기 에너지 저장 시스템에 응용될 수 있다. 대안으로, 본 발명의 스위치는, 넓은 범위의 응용으로 AC 필드 스위치와 같은 전통적인 스위치, 반도체 스위치, 및/또는 기계 스위치를 대체하는 데에 이용될 수 있다.
이들 실시예들에서, 앞서의 논의를 간단히 하기 위해 스위치들 S 1 , S 2 은 상징적으로 표현되었다. 그러나, 이들 스위치들 S 1 , S 2 이 본 명세서에서 설명된 방법들 중 어느 하나를 이용하여 구성될 수 있다는 점을 이해할 것이다. 또한, 앞서의 논의를 간단히 하기 위하여, 두 스위치 심볼들은 모두 본 발명에 따른 초전도 스위치를 나타내는 것으로 가정한다. 그러나, 도시된 스위치들 중 하나 이상은 그 대신에 AC 필드 스위치와 같은 전통적인 스위치, 트랜지스터와 같은 반도체 스위치, 릴레이 또는 레지스터와 같은 기계 스위치일 수 있음을 이해할 것이다.
도 7을 우선 참조하면, 전체 회로 토폴로지는 알려진 전파 정류기(700)에 관한 것임을 알 수 있다. 변압기(704)는 적어도 하나의 코일을 포함하는 1차 측(702a) 및 적어도 하나의 코일을 포함하는 2차 측(702b)을 갖는다. 1차 측(702a)에 교류원이 제공된다. 변압기(704)의 2차 측(702b)에 두 개의 스위치들 S 1 , S 2 이 연결된다. 제1 단자(708)와 제2 단자(710) 사이에 스위치들 S 1 , S 2 과 병렬로 부하(706)가 연결된다. 제1 단자(708)는 변압기(704)의 2차 측(702b)의 중간 권취부에, 예컨대, 공통의 중앙 분기된 연결을 통해 연결된다.
이러한 회로에 관한 일반적인 원리는 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 잘 알려져 있을 것이지만, 명확성을 위해 그 동작을 간략하게 요약한다.
실제에서, 교류 I 1 가 변압기(704)의 1차 측(702a)에 인가된다. 이 전류는 변압기의 2차 측(702b) 전류 흐름 I 2 을 유도한다. 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 알려진 바와 같이, 2차 측(702b) 전류에 대한 1차 측(702a) 전류의 비는 변압기(704)의 2차 측(702b) 상의 턴들의 수에 대한 변압기(704)의 1차 측(702a) 상의 턴들의 수의 비에 관한 함수이다.
정류기(700)는 제어 메커니즘(미도시)을 포함한다. 제어 메커니즘은 교류원을 정류하기 위해 스위치들 S 1 , S 2 각각의 상태를 제어하도록 구성된다. 예컨대, 제어 메커니즘은 각 스위치의 상태가 변압기(704)의 1차 측(702a) 또는 2차 측(702b)에서의 교류의 흐름 방향에 기초하도록 스위치들 S 1 , S 2 각각을 제어한다. 교류의 흐름 방향이 교류의 위상에 의존하기 때문에, 제어 메커니즘은 스위치들 S 1 , S 2 각각의 상태를 일정 시간 후 작동하도록 장치한 방식으로 제어한다.
변압기(704)의 2차 측(702b)에서의 전류가 제1 방향으로 흐를 때(예컨대, 전류가 포지티브일 때), 제1 스위치 S 1 는 이의 낮은 저항 상태로 놓여지는 한편, 제2 스위치 S 2 는 이의 더 높은 저항 상태로 놓여진다. 이는 회로의 상부 절반 둘레에 하위 임피던스 경로를 야기하며, 제1 단자(708)로부터 제2 단자(710)로 부하(706)를 통과하는 전류 흐름을 야기한다. 이러한 상태에서, 제1 스위치 S 1 는 부하와 직렬인 반면, 제2 스위치 S 2 는 부하와 병렬이다. 이러한 부하는 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 알려진 임의의 적절한 부하일 수 있다. 예컨대, 이는 부하 코일 또는 저항성 요소일 수 있다. 다른 추가의 실시예에서, 부하는 단순히 개방 회로 전압을 제공하기 위해 실질적으로 개방 회로이거나 클 수 있다.
본 기술에 대한 하나의 응용은 부하로서 초전도 코일을 부착하는 것이다. 이러한 초전도 코일은 본 발명에 관한 형태들 내에 포함되면서 상전도 솔더 조인트들을 이용하여 부착될 수 있다.
변압기(704)의 2차 측(702b)에서의 전류가 제2 방향으로 흐를 때(예컨대, 전류가 네거티브일 때), 제1 스위치 S 1 는 이의 더 높은 저항 상태로 놓여지는 한편, 제2 스위치 S 2 는 낮은 저항 상태로 놓여진다. 이러한 상태에서, 제1 스위치 S 1 는 부하와 병렬인 반면, 제2 스위치 S 2 는 부하와 직렬이다. 이는 회로의 하부 절반 둘레에 하위 임피던스 경로를 야기하며, 제1 단자(708)로부터 제2 단자(710)로 부하(706)를 통과하는 전류 흐름을 야기한다.
이러한 방식으로, 변압기(704)의 2차 측(702b)으로 유도되는 전류의 방향과 관계 없이, 전류는 항상 양극 단자로부터 음극 단자로 단일 방향으로 부하를 통과하여 흐른다. 따라서, 변압기(704)의 1차 측(702a)의 교류는 부하(706)를 통해 직류로 전파 정류된다.
예시들에서, 스위치들 S 1 , S 2 을 더 높은 저항 상태로부터 낮은 저항 상태로 또는 그 반대로 전이시킬 때, 그 외에 스위칭 중에 존재할 수 있는 임의의 단락 회로 또는 "크로우바(crowbar)" 전류를 감소시키기 위해 제어 메커니즘이 스위치들 S 1 , S 2 양자 모두를 우선 일시적으로 더 높은 저항 상태로 전이시킬 수 있도록, 제어 메커니즘이 구성될 수 있다.
2차 측(702b) 상의 전류 경로가 실질적으로 초전도성인 방식으로 전파 정류기가 구성될 수 있음을 이해할 것이다. 이는 유리하게도 기존의 설계들에 비하여 더 컴팩트하거나 그 외에 더 효율적인 전파 정류기를 제공할 수 있다. 더 나아가 정류기는 실질적으로 초전도성인 2차 측 전류 경로를 유지하는 한편 비초전도성인 성분들을 또한 포함할 수 있음을 이해할 것이다. 예컨대, 변압기의 1차 측(702a)은 구리 또는 알루미늄과 같은 비초전도성 재료들을 이용하여 구성될 수 있으며, 스위치들 S 1 , S 2 의 생성기 코일들(미도시)은 본 명세서에 설명된 바와 같이 비초전도성 성분들을 또한 채택할 수 있다. 또한, 초전도성 요소들의 조인트들을 포함하는 본 발명의 임의의 성분들 사이의 조인트들은 본 발명에 관한 형태들 내에 여전히 포함되면서 금속 솔더와 같은 비초전도성 재료들을 이용하여 형성될 수 있다.
정류기 응용에서 고저항 상태와 저저항 상태 간의 스위칭 시간이 짧은 것이 중요할 수 있음을 이해할 것이다. 이들 응용에서, 초전도 재료의 ??칭은 그 동안 초전도체가 이의 작동 온도로 다시 냉각되어야 하는 스위칭 이후에 열적 타임 래그(time lag)를 도입할 수 있기 때문에, 초전도 재료가 이의 임계 온도 이하로 유지되는 것이 바람직할 수 있다.
이제 도 8을 참조하면, 개괄적인 회로 토폴로지는 알려진 반파 정류기(800)에 관한 것임을 알 수 있다. 변압기(704)는 적어도 하나의 코일을 포함하는 1차 측(702a) 및 적어도 하나의 코일을 포함하는 2차 측(702b)을 갖는다. 1차 측(702a)에 교류원이 제공된다. 도시된 바와 같이, 변압기(704)의 2차 측(702b)에 두 개의 스위치들 S 1 , S 2 이 연결된다. 스위치들 중 하나, 도 8의 예시에서는 S 2 를 가로질러 병렬로 부하(706)가 연결된다. 부하(706)는 제1 단자(708)와 제2 단자(710) 사이에 연결된다.
이러한 회로에 관한 일반적인 원리는 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 잘 알려져 있을 것이지만, 명확성을 위해 그 동작을 간략하게 요약한다.
이전의 실시예에서와 같이, 변압기(704)의 1차 측(702a)에는 변압기의 2차 권취부(702b)에 교류 I 2 를 유도하는 교류 I 1 가 공급된다.
정류기(800)는 제어 메커니즘(미도시)을 포함한다. 제어 메커니즘은 교류원을 정류하기 위해 스위치들 S 1 , S 2 각각의 상태를 제어하도록 구성된다. 예컨대, 제어 메커니즘은 각 스위치의 상태가 변압기(704)의 1차 측(702a) 또는 2차 측(702b)에서의 교류의 흐름 방향에 기초하도록 스위치들 S 1 , S 2 각각을 제어한다. 교류의 흐름 방향이 교류의 위상에 의존하기 때문에, 제어 메커니즘은 스위치들 S 1 , S 2 각각의 상태를 일정 시간 후 작동하도록 장치한 방식으로 제어한다.
2차 측 전류 I 2 가 제1 방향으로 흐를 때(즉, 전류가 포지티브일 때), 제1 스위치 S 1 는 이의 낮은 저항 상태로 놓여지고, 제2 스위치 S 2 는 이의 더 높은 저항 상태로 놓여진다. 이와 같이 변압기 2차 측(702b)으로부터, 스위치 S 1 을 통과하고 제1 단자(708)로부터 제2 단자(710)로 부하(706)를 가로질러 루프의 외측 둘레에 낮은 저항 경로가 형성된다. 전류의 극성이 (예컨대, 포지티브로부터 네거티브로) 변화함에 따라, 스위치 S 1 는 이의 높은 저항 상태로 전이하고, 스위치 S 2 는 낮은 저항 상태로 전이한다. S 1 의 더 높은 저항 상태는 변압기로부터의 전류 흐름을 방해하여, 네거티브 극성 전류 흐름에 대한 어느 정도의 차단을 제공한다. 동시에, S 2 의 낮은 저항 상태는, 비록 감쇠하는 동안일지라도, 부하에서의 전류 흐름이 계속되도록 하는 경로를 제공한다. 따라서, 부하를 통과하는 전류 흐름은 반파 정류된다.
당해 기술 분야의 통상의 기술자는 도 7 및 8에 도시된 본 발명에 관한 형태의 스위치들 S 1 , S 2 의 상태가 설명되는 바와 같이 제어되도록 하는 적절한 제어 메커니즘을 이해할 것이다. 예컨대, 스위치들 S 1 , S 2 은 낮은 저항 상태 및 더 높은 저항 상태를 달성하기 위해 변압기 전류(1차 또는 2차 중 어느 하나)의 극성과 동기된 상태로 활성화되는 개별적인 시변 자기장 생성기들을 가질 수 있다. 이는 반파 정류된 전류 신호를 자기장 생성기를 활성화시키는 수단으로 이용하는 것을 포함하는 임의의 알려진 제어 메커니즘들을 이용하여 달성될 수 있다. 이러한 반파 정류된 전류 신호는 변압기(704)에 대한 추가적인 2차 권취로서 또는 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 알려진 임의의 다른 방법을 이용하여 제공될 수 있다.
그러나, 자기장 생성기들이 변압기 전류와 동기된 상태로 활성화되지 않아도 된다는 점이 이해될 것이다. 예컨대, 변압기 전류에 대한 제로 크로싱(zero crossing) 주위에 (S 1 또는 S 2 중 어느 하나도 활성화 되지 않은/낮은 저항 상태에 있지 않은) 약간의 데드 타임(dead-time)을 갖는 것이 유리할 수 있다.
본 명세서에 설명된 반파 정류기(800) 및 전파 정류기(700)와 같은 다수의 스위치들이 제공된 실시예들에서, 단일 자기장 생성기는 하나 이상의 스위치에 스크리닝 전류를 생성하도록 구성될 수 있다는 점이 또한 이해될 것이다. 예컨대, 자기장 생성기는 개별 스위치들 각각을 가로질러 시변 자기장을 생성하도록 각각 구성된 둘 이상의 생성기 코일들을 가질 수 있다. 자기장 생성기는 그 후 조절될 전류의 극성에 기초하여 생성기 코일들 중 구동되는 것을 교대하도록 구성될 수 있다. 그러한 일 실시예에서, 정류기의 제어 메커니즘은 자기장 생성기가 이러한 방식으로 작동하도록 제어하는 메커니즘을 포함한다. 정류기 응용에서 단일 자기장 생성기의 이용은 유리하게도 결과적인 정류기의 크기, 비용 및/또는 복잡성을 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따라 도 7의 전파 정류기(900)가 어떻게 구성될 수 있는지에 관한 일 예시를 나타내는 도 9를 이제 참조한다. 이 실시예에서, 회로에 대한 구동 전류 또는 트랜스포트 전류 I t /I 2 를 생성하는 구동 변압기(902)가 제공된다. 바람직한 실시예에서, 구동 변압기(902)는 감압(step-down) 변압기이며, 다시 말해서, 구동 변압기(902)는 초전도 회로에서 이용되는 고전류를 달성하기 위해 그의 2차 측(904b)에 비하여 그의 1차 측(904a) 상에 더 많은 수의 턴들을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, 이 구동 변압기(902)는 300:1과 600:1 사이의 턴들의 비를 가질 수 있다. 도시된 실시예에서 변압기는 450:1의 비에 대하여 약 900번의 1차 턴들 및 두 번의 2차 턴들을 갖는다. 또한, 구동 변압기(902)의 2차 측(904b) 상의 턴들의 수를 감소시키는 것은 비교적 적은 고가의 초전도 재료의 턴들을 필요로 하게 됨에 따라 비용을 감소시킬 수 있다. 큰 턴들의 비를 이용하는 것은 상전도 1차 전류를 이용하여 큰 초전도 AC 2차 전류를 생성하는 데에 또한 유용할 수 있다. 이를 달성하기 위해 더 적은 수의 1차 턴들을 이용하는 것은 크기를 작게 유지하면서 1차 측에서의 저항성 손실들을 감소시킨다. 플럭스 누설을 감소시키는 것이 유리한 대안의 응용들에서, 2차 측 상의 턴들의 수를 증가시키는 것이 유리할 수 있다.
이 구동 변압기(902)는 도 7의 변압기(704)를 실질적으로 있는 그대로 반영한다는 점이 이해될 것이다.
이 도면에는 제1 스위치(906) 및 제2 스위치(908)가 또한 도시된다. 각각의 스위치는 커플링 코어(910a, 910b) 및 시변 자기장 생성기(912a, 912b)를 포함한다. 커플링 코어들(910a, 910b)은 도 7의 스위치들 S 1 및 S 2 을 활성화시키기 위해 생성기 코일들(914a, 914b)에서 생성된 자기장을 각각의 코일들(916a, 916b, 916c, 916d)에 커플링하는 데에 이용된다. 도시된 코어들(910a, 910b)은 바람직하게는 페라이트 코어들 또는 라미네이트된 강/철 코어들이다. 그러나, 작동 주파수에서 높은 비투자율(relative permeability)을 가진 대안의 코어들이 또한 이용될 수 있다는 점이 이해될 것이다. 본 발명에 관한 대안의 실시예들에서, 코어들은 도 6에 관하여 설명된 바와 같은 에어 코어 또는 실질적으로 비자기 재료를 그 대신에 포함할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 스위치들(906, 908)은 초전도 코일들(916a, 916b, 916c, 916d)에서의 턴들의 수에 비하여 생성기 코일들(914a, 914b)에서 더 많은 수의 턴들을 포함한다. 이러한 비율은 유리하게도 비교적 고가인 초전도 재료의 많은 수의 턴들을 필요료 하지 않으면서 초전도체의 코일들에서의 더 큰 플럭스 밀도를 가능하게 할 수 있다. 예컨대, 각각의 스위치(906. 908)는 50:1 과 150:1 사이의 턴들의 비를 가질 수 있다. 도시된 실시예에서, 스위치들(906 및 908) 각각은 100:1의 비에 대하여 약 200번의 1차(생성기 코일) 턴들 및 2번의 2차(초전도체 코일) 턴들을 갖는다.
도 9에 도시된 구조의 한 이점은 구동 변압기의 1차 측(904a) 상의 권취가 구동 변압기(902)의 2차 측(904b) 상의 초전도체 권취와 전기적으로 절연된다는 점이다. 또한, 각 스위치(906, 908)의 생성기 코일들(914a, 914b)은 초전도 재료의 각 코일들(916a, 916b, 916c, 916d)과 전기적으로 절연된다. 이는 유리하게도 기존의 정류기 회로들에 비하여 더 안전한 구조를 야기할 수 있으며, DC 자석들이 고전류로 작동하는 동안 하전되는 것을 또한 가능하게 할 수 있다.
본 토폴로지가 도 7의 토폴로지를 있는 그대로 반영한다는 점이 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 따라서, 도 7의 작동에 관한 논의는 도 9의 실시예에도 또한 적용된다.
일 형태에서 스위치들(906 및 908)의 상태를 낮은 저항 상태와 더 높은 저항 상태 사이에서 변화시키는 것에 관한 타이밍을 제어하는 적절한 제어 메커니즘은 구동 변압기(902)의 1차 측(904a)에서의 1차 전류 I 1 과 스위치들(906 및 908)의 생성기 코일들(914a 및 914b)에서의 전류들 I s1 및 I s2 사이의 연결을 포함할 수 있다. 대안으로, 전류들 I s1 및 I s2 은 2차 전류 I 2 에 기초하거나 구동 변압기(902)에 커플링된 제3 코일(미도시)에 의하여 제어될 수 있다. 예컨대, 구동 변압기(902)의 1차 측(904a)에서의 1차 전류 I 1 가 제1 방향으로 흐를 때(예컨대, 포지티브일 때) I s1 가 흐르고, 구동 변압기(902)의 1차 측(904a)에서의 1차 전류 I 1 가 제2 방향으로 흐를 때(예컨대, 네거티브일 때) I s1 가 흐르지 않도록, 그리고 구동 변압기(902)의 1차 측(904a)에서의 1차 전류 I 1 가 제2 방향으로 흐를 때(예컨대, 네거티브일 때) I s2 가 흐르고, 구동 변압기(902)의 1차 측(904a)에서의 1차 전류 I 1 가 제1 방향으로 흐를 때(예컨대, 포지티브일 때) I s2 가 흐르지 않도록 연결이 구성될 수 있다. 앞서 언급된 바와 같이, 제어 메커니즘이 변압기 전류에 대한 제로 크로싱(zero crossing) 주위에 (스위치(906, 908) 중 어느 하나도 낮은 저항 상태에 있지 않은) 데드 타임(dead-time) 주기를 포함하는 것이 유리할 수 있다.
본 발명에 관한 일 예시에서, 제어 메커니즘은 전류들 I s1 및 I s2 을 공급하는구동 변압기(902)에 연결된 하나 이상의 권취를 포함한다. 앞서 언급된 바와 같이, 전류들 I s1 및 I s2 은 구동 변압기(902)의 전류와 동기화되는 방식으로 활성화되는 것이 유리할 수 있다. 예컨대, 구동 전류가 포지티브일 때, 전류 I s1 는 활성화될 수 있으며, 전류 I s2 는 비활성화된다. 유사하게, 구동 전류가 네거티브일 때, 전류 I s1 는 활성화될 수 있으며, 전류 I s2 는 활성화된다(또는 그 반대이다). 이는 다이오드 및 트랜지스터와 같은 반도체 스위치를 포함하는 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 알려진 임의의 조절 방법들을 이용하여 달성될 수 있다. 예컨대, 시변 자기장 생성기들(912a, 912b)을 구동 전류의 각 위상들과 동기된 상태로 활성화시키기 위해 다이오드가 제공될 수 있다. 몇몇 예시들에서, 반도체 스위치(예컨대, 다이오드)의 순방향 전압 강하는 스위치 중 어느 하나도 전도성이 아닐 때 회로에 데드 타임 주기를 제공할 수 있다.
본 명세서에 설명된 본 발명에 관한 다른 예시들에서, 전류들 I s1 및 I s2 은 구동 전류보다 더 높은 주파수에서 작동하는 것이 유리할 수 있다. 이들 예시들에서, 제어 메커니즘은 구동 전류의 극성에 기초하여 전류들 I s1 및 I s2 을 활성화시키도록 구성될 수 있다. 예컨대, 구동 전류는 구동 전류의 극성에 기초하여 시변 자기장 생성기들(912a, 912b)을 인에이블하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 구동 전류가 포지티브일 때 시변 자기장 생성기(912a)를 턴온하고, 구동 전류가 네거티브일 때 시변 자기장 생성기(912b)를 턴온하는 데에 트랜지스터와 같은 반도체 스위치가 이용될 수 있다. 대안으로, 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백한 방법들을 이용하여 스위치들(906 및 908) 사이에서 시변 자기장 생성기의 출력을 스위칭하는 데에 단일 시변 자기장 생성기가 이용될 수 있고, 구동 전류의 위상이 이용될 수 있다.
도 10은 도 9의 실시예에 따라 구성된 회로 상에서 측정된 결과적인 전류 및 전압 파형들을 나타낸다. 이 도면은 다음의 위에서 아래까지 도시한 5개의 그래프들을 포함한다.
Figure pct00024
구동 변압기(902)의 1차 코일(904a)에 인가되는 전류;
Figure pct00025
구동 변압기(902)의 2차(초전도) 코일(904b)에서 측정되는 전류;
Figure pct00026
제1 시변 자기장 생성기(912a)의 생성기 코일(914a)에 인가되는 전류;
Figure pct00027
제2 시변 자기장 생성기(912b)의 생성기 코일(914b)에 인가되는 전류; 및
Figure pct00028
단자들(204, 206)을 가로질러 측정되는 결과적인 개방 회로 전압.
이들 그래프들로부터 구동 변압기(902)에 인가되는 전류의 주파수가 스위치들(906, 908)의 생성기 코일들(914a, 914b)에서 생성되는 전류의 주파수보다 더 낮음을 알 수 있다. 실제에서 구동 주파수는 약 4 Hz이고 스크리닝 전류는 약 200 Hz이다. 생성기 코일들(914a, 914b)에서 더 높은 주파수를 이용함으로써 스위치들(906. 908)에 동력이 공급되는 시간 동안에 스크리닝 전류의 적어도 한 사이클이 완료되는 것을 보장할 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이 스위치에 동력이 공급되는(즉, 그의 더 높은 저항 상태에 있는) 동안에, 이것이 더 안정한 더 높은 저항 상태를 제공할 수 있기 때문에, 스위치들이 스크리닝 전류의 둘 이상의 사이클을 완료하는 것이 또한 유리할 수 있다.
단자들(204, 206)을 가로질러 결과적인 개방 회로 전압 파형은 전파 정류된 것으로 도시된다. 다시 말해서, 구동 변압기(902)의 전류의 극성과 관계 없이, 단자들(204, 206)을 가로지르는 전압은 스위치들(906, 908) 각각의 높은 저항 상태들에 대응하는 네거티브 전압 피크들을 갖는다. 조절 중에 단자들(204, 206)을 가로지르는 전압이 일관된 극성(네거티브)을 가짐에 따라 단자들(204, 206) 사이에서 부하(706)로 흐르게 되는 결과적인 전류가 유사하게 일관될 것이며, 이에 의해 스위치들 중 하나 이상이 더 높은 저항 상태에 있는 주기 동안 전파 정류된다. 다시 말해서, 도 9의 회로는 초전도 조건 하에서 AC 전류를 DC로 변환할 수 있다.
스위치들(906, 908) 양자 모두가 비활성일 때 정류기의 단자들(204. 206)을 가로지르는 출력 전압이 실질적으로 제로임을 알 수 있다. 이러한 정류된 DC 전압에 대한 하나의 응용은 초전도 자석의 하전일 것이다. 그러나, 이는 본 발명에 대한 제한으로 간주됨을 의미하는 것이 아니며, 다른 응용들이 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백해질 것이다.
도 11은 본 발명의 일 형태에 따라 스위치(1102)를 채택한 활성 고장 전류 리미터(1100)를 나타낸다.
이 실시예에서, AC 전력원(1104)은 스위치(1102) 및 부하(1106)와 직렬로 연결된다. 실제에서, 루프(1102)의 브랜치들(1110a, 1110b) 각각을 통과하는 전류가 초전도 재료(1114)의 임계 전류를 초과하지 않도록, 스위치(1102)의 시변 자기장 생성기(1108)가 비활성이거나 충분히 작은 크기의 시변 자기장을 생성한다. 이는 스위치(1102)에서의 저저항 상태와, 초전도 재료(1114)에 걸친 최소 전압 강하를 야기한다. 과도 부하 또는 단락 회로와 같은 고장(fault)(1116)이 회로에 적용될 때 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 알려진 임의의 방법들을 이용하여 전류의 증가가 검출될 수 있다. 그러한 검출 시에 스위치(1102)를 더 높은 저항 상태로 전이시킴으로써 고장(1116)으로 전달될 총 전력을 제한하기 위해 제어 메커니즘은 시변 자기장 생성기(1108)가 활성화되도록 하거나 그의 구동 전류를 증가시키도록 구성될 수 있다.
고장 전류 리미터(1100)가 국내 AC 또는 그리드 전력 애플리케이션(일반적으로 50 내지 60 Hz)에서 채택되는 경우에 시변 자기장 생성기(1108)를 수 킬로헤르츠 이상, 예컨대, 2 kHz 내지 100 kHz의 주파수로 구동시키는 것이 유리할 수 있다. 이는 소스 전압의 각 사이클에 대하여 다수의 스크리닝 사이클들이 제공됨을 보장할 수 있으며, 이는 결국 회로에서 더 안정된 전류의 제한을 제공할 수 있다.
본 발명의 고장 전류 리미터(1100)는 기존의 고장 전류 리미터들에 비하여 다음과 같은 여러 이점들을 가질 수 있다.
Figure pct00029
스위치(1102)를 더 높은 저항 상태로 빠르게 전이시키는 능력; 예컨대, 고장 전류 리미터(1100)는 고장 상태를 검출한 후 밀리초 이내에 활성화될 수 있다.
Figure pct00030
임의의 기준에 기초하여 고장 전류 리미터(1100)를 능동적으로 인에이블하는 능력; 예컨대, 고장 전류 리미터(1100)가 활성화되는 전류를 선택하거나, 고장 전류 리미터(1100)가 비활성화되는 때는 결정하거나, 예컨대, 회로에서의 전류 부하에 기초하여 트리거링 고장 전류를 동적으로 조절하는 것이 가능하다.
Figure pct00031
AC 전력원(1104)에 안전한, 낮은 리바운드 전압을 제공하는 것. 다시 말해서, 스위치(1102)가 낮은 또는 실질적으로 제로인 인덕턴스 구성으로 구성될 수 있으므로, 실질적으로 저항성인 부하를 이용하여 전류 흐름을 제한함으로써 유도성 요소들의 스위칭으로 인해 발생할 수 있는 스파이크들을 감소시킬 수 있다.
본 발명은 핫스팟들로 인한 손상에 대한 더 큰 회복력을 가능하게 할 수 있다는 점을 또한 이해할 것이다. 일반적으로 말하면, 핫 스팟들은 초전도 와이어의 임계 전류 I c 의 국부적 감소로 인해 초전도 재료가 트랜스포트 전류에 의해 국부적으로 가열되는 현상을 나타낸다. 이러한 I c 의 국부적 감소는 초전도 재료의 결함들에 의해, 또는 결국 국부화된 가열을 야기하고 상당한 국부적 온도 상승을 야기할 수 있는 국부화된 열적 또는 자기 상태에 의해 일어날 수 있다. 이러한 온도 상승은, 결국 초전도체를 손상시킬 수 있다. 이러한 상황은 고장 전류 리미터들에서 특히 위험할 수 있다.
본 발명이 초전도 재료의 풀(full) 루프 둘레에 흐르는 스크리닝 전류를 생성할 수 있기 때문에, 초전도체의 전부가 아니더라도 상당한 부분이 더 높은 저항 상태로 유도될 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 스위치는 기존의 스위치들에 비하여 초전도 와이어의 더 긴 길이를 따라 더 균질하게 ??칭함으로써 국부화된 가열 효과를 감소시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 대한 응용들은 초전도 자석, 자기 공명 이미징(MRI), 핵 자기 공명(NMR), 플럭스 펌프, 고장 전류 리미터 및 자기 에너지 저장 시스템을 포함한다.
문맥상 명확히 다르게 요구되지 않는다면, 상세한 설명 및 청구 범위에 걸쳐서, "포함하는(comprise)", "포함하는(comprising)" 등의 단어들은 배타적 또는 소모적 의미와는 반대되는 포함적 의미, 다시 말해서, "이에 제한되지는 않으나, 포함하는"의 의미로 해석되어야 한다.
만약 있다면, 앞서 그리고 이하에서 인용되는 모든 출원, 특허 및 공개문헌들의 모든 개시 내용들은 참조로 본 명세서에 병합된다.
본 명세서에서 임의의 선행 기술에 대한 참조는 해당 선행 기술이 전 세계 임의의 국가에서 노력이 이루어지는 분야의 공통적인 일반 상식의 일부를 형성함을 인정하는 것 또는 임의의 형태로 제시하는 것은 아니며 그러한 것으로 간주되어서도 안된다.
본 발명의 특징은 또한 대체로 본 출원의 명세서에 언급되거나 나타낸 부분들, 요소들, 및 피처들에 있으며, 상기 부분들, 요소들, 또는 피처들 중 둘 이상에 관한 임의의 또는 모든 조합들에 있는 것이라 할 수 있다.
앞서의 설명에서 정수 또는 이의 알려진 균등물을 가진 성분들을 언급하는 경우에, 그러한 정수들은 개별적으로 제시되는 것처럼 본 명세서에 포함된다.
본 명세서에 설명된 바람직한 실시예들에 대한 다양한 변경들 및 변형들이 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백함을 이해할 것이다. 그러한 변경들 및 변형들은 본 발명의 취지 및 범위로부터 벗어나지 않으면서, 그리고 그에 수반되는 이점들을 약화시키지 않으면서 이루어질 수 있다. 따라서, 그러한 변경들 및 변형들은 본 발명에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (26)

  1. 전기 스위치에 있어서,
    초전도 재료의 루프(loop)로서,
    상기 루프는 제1 브랜치 및 제2 브랜치를 포함하고, 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치는 제1 단자와 제2 단자 사이에 병렬로 전기적으로 연결되고, 상기 루프는 상기 루프의 평면에 실질적으로 수직인 축을 가지며,
    상기 루프는 상기 제1 단자와 제2 단자 사이에서 트랜스포트 전류를 전달(carry)하도록 구성된 것인, 상기 초전도 재료의 루프; 및
    자기장 생성기로서,
    상기 자기장 생성기는, 상기 루프를 통한 자기장의 방향이 상기 루프의 축에 일반적으로 평행하거나 일반적으로 평행한 성분을 갖는 상기 루프를 통해 시변 자기장(time-varying magnetic field)을 생성하도록 구성되는 것인, 상기 자기장 생성기
    를 포함하고,
    상기 자기장 생성기는 낮은 저항 상태와 더 높은 저항 상태 사이에서 상기 전기적 스위치를 스위칭하기 위해 선택적으로 활성화 및 비활성화되도록 구성되고,
    상기 낮은 저항 상태에서, 상기 자기장 생성기는 상기 루프를 통해 상기 시변 자기장을 생성하지 않으며 상기 트랜스포트 전류가 상기 두 단자 사이에서 상기 루프를 통해 흐르고, 상기 더 높은 저항 상태에서, 상기 자기장 생성기는 상기 루프를 통해 상기 시변 자기장을 생성하여, 상기 루프에 스크리닝 전류(screening current)를 유도하여, 상기 제1 브랜치 및 상기 제2 브랜치 중 하나 이상에서의 상기 트랜스포트 전류와 상기 스크리닝 전류의 합이 상기 초전도 재료의 임계 전류에 근접하거나, 상기 임계 전류와 동일하거나 또는 상기 임계 전류보다 크게 하는 것인, 전기 스위치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 초전도 재료는 고온 초전도체를 포함하는 것인, 전기 스위치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 초전도 재료는 희토류 바륨 구리 산화물(ReBCO; rare-earth barium copper oxide)을 포함하는 것인, 전기 스위치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초전도 재료는 테이프의 일부로서 포함되는 것인, 전기 스위치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 스위치는 조인트들을 더 포함하고, 상기 조인트들은 상기 제1 브랜치 및/또는 제2 브랜치를 상기 제1 단자 및/또는 제2 단자에 연결하는 것인, 전기 스위치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 조인트들은 비초전도 재료(non-superconducting material)를 포함하는 것인, 전기 스위치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 브랜치는 상기 초전도 재료의 하나 이상의 코일을 포함하는 것인, 전기 스위치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 브랜치는 상기 초전도 재료의 하나 이상의 코일을 포함하는 것인, 전기 스위치.
  9. 제7항을 인용할 때의 제8항에 있어서, 상기 제1 브랜치의 코일들은 상기 제2 브랜치의 코일들과 동일한 축 둘레에 권취되는 것인, 전기 스위치.
  10. 제7항을 인용할 때의 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 제1 브랜치의 코일들은 제1 회전 방향으로 권취되고 상기 제2 브랜치의 코일들은 제2 회전 방향으로 권취되며, 상기 제1 회전 방향은 상기 제2 회전 방향과 상이한 것인, 전기 스위치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기장 생성기는 교류 전력원을 포함하는 것인, 전기 스위치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기장 생성기는 코어에 의해 상기 초전도 재료의 루프에 자기적으로 커플링되는 것인, 전기 스위치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 코어는 철 또는 페라이트(ferrite)를 포함하는 자기 또는 페러스 코어(magnetic or ferrous core)인 것인, 전기 스위치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 코어는 자기 재료의 폐루프를 포함하는 것인, 전기 스위치.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기장 생성기는 도전체의 하나 이상의 턴(turn)을 포함하는 자기장 생성기 코일을 포함하는 것인, 전기 스위치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 도전체는 비초전도 재료를 포함하는 것인, 전기 스위치.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기장 생성기가 비활성화될 때, 상기 자기장 생성기는 실질적으로 자기장을 생성하지 않거나 일정한 자기장을 생성하는 것인, 전기 스위치.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 더 높은 저항 상태에서 상기 초전도 재료의 브랜치들은 초전도성인 것인, 전기 스위치.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 전기 스위치 및 교류 전류원으로부터의 전류를 정류하기 위해 상기 낮은 저항 상태와 상기 더 높은 저항 상태 사이에서 상기 적어도 하나의 전기 스위치 각각을 제어하도록 구성된 제어 매커니즘을 포함하는, 정류기.
  20. 제19항에 있어서, 상기 정류기는 1차 측 및 2차 측을 포함하는 변압기를 포함하고, 상기 적어도 하나의 전기 스위치는 상기 변압기의 2차 측에 연결되는 것인, 정류기.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제어 매커니즘은 상기 변압기에서의 교류의 흐름 방향에 기초하여 상기 낮은 저항 상태와 상기 더 높은 저항 상태 사이에서 상기 적어도 하나의 전기 스위치 각각을 제어하는 것인, 정류기.
  22. 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정류기는 반파 정류기(half-wave rectifier)인 것인, 정류기.
  23. 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정류기는 전파 전류기(full-wave rectifier)인 것인, 정류기.
  24. 제19항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기장 생성기의 활성화는 ??칭(quenching) 없이 상기 초전도 재료에 증가된 저항성 소실(resistive dissipation)을 야기하는 브랜치들에서의 스크리닝 전류를 유도하는 것인, 정류기.
  25. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 전기 스위치 및 고장이 검출될 때 상기 적어도 하나의 전기 스위치를 상기 더 높은 저항 상태에 두도록 구성된 제어 매커니즘을 포함하는, 고장 전류 리미터.
  26. 제25항에 있어서, 상기 자기장 생성기의 활성화는 상기 초전도 재료를 ??칭하게 하는 브랜치들에서의 스크리닝 전류를 유도하는 것인, 고장 전류 리미터.
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