WO2016159507A1 - 병렬저항이 개재된 초전도 코일 - Google Patents

병렬저항이 개재된 초전도 코일 Download PDF

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WO2016159507A1
WO2016159507A1 PCT/KR2016/001207 KR2016001207W WO2016159507A1 WO 2016159507 A1 WO2016159507 A1 WO 2016159507A1 KR 2016001207 W KR2016001207 W KR 2016001207W WO 2016159507 A1 WO2016159507 A1 WO 2016159507A1
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high temperature
parallel resistance
wire
temperature superconducting
superconducting wire
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PCT/KR2016/001207
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English (en)
French (fr)
Inventor
손명환
심기덕
성기철
하동우
Original Assignee
한국전기연구원
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/06—Coils, e.g. winding, insulating, terminating or casing arrangements therefor

Definitions

  • the present invention relates to a superconducting coil having a parallel resistance, and more particularly to a superconducting coil having a parallel resistance that can bypass the current of the high temperature superconducting wire from the corresponding turn to the next turn.
  • Superconducting wire refers to a material with zero electrical resistance of the object, and the liquid nitrogen temperature is higher than that of the liquid helium at low temperature superconductor (LTS) and liquid helium.
  • the material exhibiting superconductivity at 77K is referred to as a high temperature superconductor (HTS).
  • HTS high temperature superconductor
  • superconducting wires exhibit high critical temperatures, critical current densities and critical magnetic fields, they are expected to be applied to power devices such as superconducting magnets, superconducting cables, superconducting motors or superconducting generators.
  • a superconducting magnet using a high temperature superconducting wire is mainly formed in a pancake shape by winding a thin tape-shaped superconducting wire.
  • metal insulation using a metal insulation wire which has a large resistance but a current can flow compared to a coating member of a superconducting wire such as 'US Patent Publication No. 4760365 METALLIC INSULATION FOR SUPERCONDUCTING COILS'.
  • Metallic insulation is used.
  • Metal insulation forms a superconducting coil by winding a metal material together with the superconducting wire instead of the conventional insulating material. This is because the metal material can transmit current, so if a current exceeding a critical current flows or quench occurs in the superconducting wire. The current is allowed to flow from the corresponding turn of the superconducting wire to the next turn.
  • such a superconducting coil has a disadvantage in that the time for applying the current is long because the current must be controlled to flow along the longitudinal direction of the superconducting wire when the current is initially supplied.
  • an object of the present invention is to provide a high temperature superconducting current when a current of more than a threshold current flows through a parallel resistance member or a quench occurs in the high temperature superconducting wire through a parallel resistance member on the upper or lower portion of the coil wound together with the high temperature superconducting wire and the metal insulated wire. It is to provide a superconducting coil with a parallel resistance which can bypass from the corresponding turn of the wire rod to the next turn.
  • the above object is a high temperature superconducting wire material including a covering member; A metal insulated wire having a higher resistance than the covering member and co-winding with the high temperature superconducting wire; Achieved by a superconducting coil having a parallel resistance therebetween; wherein a parallel resistance member of a metal material is disposed above or below the high temperature superconducting wire and the metal insulating wire to electrically connect the high temperature superconducting wire. do.
  • the parallel resistance member bypasses current when a current equal to or higher than a threshold current flows in the high temperature superconducting wire, or a quench occurs, and the parallel resistance member has a bypass between turn-turns of the high temperature superconducting wire. It is preferable to make.
  • the metal insulated wire is disposed between the turn-turns of the high temperature superconducting wire, and a region or magnetic field having a relatively small radius of curvature in which mechanical stress is concentrated in the coil is concentrated, and thus the threshold current value is low. It is preferable that the parallel resistance member is selectively formed in a region.
  • the parallel resistance member is selectively formed in a region requiring resistance control of the coil, and the parallel resistance member is partially inserted between the high temperature superconducting wire material and the metal insulated wire material.
  • FIG. 1 and 2 are a perspective view and a front view of a bobbin unit including a superconducting coil according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a voltage and current graph of the superconducting coil according to the embodiment.
  • the superconducting coil 100 including the metal insulated wire 110 is disposed in the bobbin unit 10.
  • the bobbin unit 10 is fixed to the plate-shaped base plate 300 and the base plate 300, the high temperature superconducting wire 130 and the metal insulating wire 110 is wound on one side of the circumference to have a coil shape
  • the bobbin body 500 is included. On both sides of the bobbin body 500, a pair of fixed blocks 700 for fixing the high temperature superconducting wire 130 and the metal insulating wire 110 to maintain the tension of the high temperature superconducting wire 130 and the metal insulated wire 110. ) Is installed.
  • the high temperature superconducting wire 130 and the metal insulated wire 100 are wound on the bobbin body 500, the high temperature superconducting wire 130 and the metal insulated wire 110 may be prevented from escaping to the outside of the bobbin body 500. It is formed in the bobbin unit 10 including a line guide 900 for guiding each.
  • the superconducting coil 100 wound on the bobbin unit 10 is co-winded with the high temperature superconducting wire 130 and the metal insulating wire 110 including a covering member. That is, the metal insulation wire 110 is disposed between the turn-turns of the high temperature superconducting wire 130.
  • the high temperature superconducting wire 130 is generally formed with a coating member made of a metal having low resistance, such as copper-free oxygen, for stabilization purposes.
  • the current flowing in the superconducting coil 100 does not flow in the longitudinal direction of the high temperature superconducting wire 130, and a part of the current is unnecessarily wound in the superconducting coil It may occur in the radial direction from the central axis of the (100).
  • a high-temperature superconducting wire is wound together with an insulated wire that does not flow current.
  • the high-temperature superconducting wire generates a quench or a problem occurs in which the high-temperature superconducting wire flows a current higher than a critical current, There was a risk of damage.
  • the current may flow, but the resistance is higher than that of the cover member of the high temperature superconducting wire 130, so that the current flows only in the high temperature superconducting wire 130, and the current flows beyond the quench or the threshold current.
  • a metal insulated wire 110 made of a metal material is used.
  • the metal insulated wire 110 has a higher resistance than the cover member of the high temperature superconducting wire 130 such as oxygen-free copper, and is most preferably stainless steel which does not have a risk of breaking by tension during winding, but is not limited thereto. Do not.
  • the superconducting coil 100 has a shape of the high temperature superconducting wire 130-the metal insulated wire 110-as shown in FIG. 3.
  • the high temperature superconducting wire 130 and the metal insulating wire 110 are disposed together to serve to insulate the high temperature superconducting wire 130 between the high temperature superconducting wire 130 and the metal insulating wire 110.
  • the high temperature superconducting wire 130 and the metal insulating wire 110 that are jointly wound are preferably wound with a tension of 5 to 20 kgf. If the tension is less than 5kgf, the contact between the high temperature superconducting wire 130 and the metal insulated wire 110 is not properly made.
  • the tension is more than 20kgf, the high temperature superconducting wire 130 and the metal insulated wire 110 go into a bunch.
  • the wires 110 and 130 may be damaged. Therefore, the superconducting coil 100 can be easily wound between the high temperature superconducting wire 130 and the metal insulated wire 110 while the superconducting coil 100 can be firmly fixed without moving and the winding of the superconducting coil 100 with a tension of 5 to 20 kgf. desirable.
  • Such tension is adjustable according to the cross-sectional area of the high temperature superconducting wire 130 and the metal insulated wire 110, it is preferable to apply a high tension when the cross-sectional area is large, and to apply a low tension when the cross-sectional area is small.
  • the upper or lower portion of the superconducting coil 100 is formed with a parallel resistance member 150 that can bypass the current of the high temperature superconducting wire 130.
  • the parallel resistance member 150 bypasses an amount of current that the high temperature superconducting wire 130 cannot withstand when the current flowing in the high temperature superconducting wire 130 exceeds the threshold current or when the high temperature superconducting wire 130 is quenched ( Bypass) serves to transfer to the region of the high temperature superconducting wire 130 of another turn. That is, the parallel resistance member 150 allows bypass between turn-turns of the high temperature superconducting wire 130.
  • the parallel resistance member 150 is a high-temperature superconducting wire 130 and a metal jointly wound so as to bypass the current from the region of the high-temperature superconducting wire 130 that needs bypass to the other high-temperature superconducting wire 130. Insulating wire 110 is connected in parallel.
  • the parallel resistance member 150 may be selectively formed in a region where the radius of curvature where mechanical stress is concentrated is relatively small or a magnetic field is concentrated in the superconducting coil 100 to have a low threshold current Ic.
  • the bending degree of the high temperature superconducting wire 130 is the same regardless of the winding area, but in the case of the elliptical superconducting coil 100, the degree of bending is different depending on the position. In particular, when the bending degree is large, damage to the high temperature superconducting wire 130 may occur.
  • the parallel resistance member 150 may be formed at this position to bypass the current to prevent the overload of the coil even when the damage occurs.
  • the parallel resistance member 150 may be formed anywhere where there is a possibility that quench of the high temperature superconducting wire 130 may occur. If necessary, a plurality of parallel resistance members 150 may be installed, and may be formed to cover the entire upper or lower portion of the superconducting coil 100 if desired.
  • the superconducting coil 100 manufactured by jointly winding the high temperature superconducting wire 130 and the metal insulating member 110 should have the same resistance every time it is manufactured. However, the superconducting coil 100 may be manufactured with different resistances in the manufacturing process, but even after checking, the resistance of the superconducting coil 100 cannot be changed. Therefore, after the superconducting coil 100 is manufactured, the resistance of each region of the superconducting coil 100 may be measured, and if the resistance is not uniform, a parallel resistance member 150 may be added to adjust the resistance value.
  • the parallel resistance member 150 when the parallel resistance member 150 is installed in the upper or lower portion of the region where the resistance value is higher than other regions, the parallel resistance member 150 has a higher resistance than the cover member of the high temperature superconducting wire 130 and the metal insulating member 110. Since the resistance is lower than the resistance of the high-temperature superconducting wire 130, the resistance between the turn-turns of the high temperature superconducting wire 130 may be reduced than that of the metal insulating member 110.
  • the resistance of the parallel resistance member 150 can be finely adjusted by adjusting the width and thickness of the parallel resistance member 150. If the width and thickness of the parallel resistance member 150 are increased, the resistance of the parallel resistance member 150 is smaller than that of the metal insulating member 110, and thus the resistance thereof decreases, and conversely, the width of the parallel resistance member 150 is increased. And as the thickness decreases, the resistance decreases small.
  • Parallel resistance member 150 has a width formed along the longitudinal direction of the high temperature superconducting wire 130 is made of 0.5 to 3 times the thickness of the superconducting coil 100 wound, the radial direction from the central axis of the superconducting coil 100 It is preferable that the longitudinal width formed along this is made of 1 to 1.2 times the thickness of the superconducting coil 100 wound.
  • the width of the parallel resistance member 150 When the width of the parallel resistance member 150 is less than 0.5 times, the width is narrow so that the bypass function of the current cannot be performed smoothly. When the width exceeds 3 times, there is no abnormality but the parallel resistance member 150 may be wasted. . In addition, when the vertical width of the parallel resistance member 150 is less than 1 times, the innermost and outermost winding of the high-temperature superconducting wire 130 is not able to contact, and may not perform a bypass role properly, and if exceeding 1.2 times superconductivity The parallel resistance member 150 protrudes from the thickness of the coil 100 and is not beautiful in appearance, and the parallel resistance member 150 may be wasted.
  • the parallel resistance member 150 is disposed above or below the superconducting coil 100 and pressurizes the parallel resistance member 150 in a direction toward the superconducting coil 100 so as to supply the high temperature superconducting wire 130.
  • a part of the metal insulating wire 110 is preferably inserted into the arrangement.
  • the parallel resistance member 150 is inserted between the clearances by pressurization to bypass the current. It is preferable that the parallel resistance member 150 is made of a softer metal material than the metal insulated wire 110 so as to be inserted by pressure. Indium (In), copper (Cu), aluminum (Al), zinc (Zn), lead (Pb), silver (Ag), tin (Sn), bismuth (Bi), gallium (Ga), thallium (Tl) And it is preferably selected from the group consisting of a mixture thereof.
  • the parallel resistance member 150 it is preferable to be inserted between 0.01 to 0.5 times the width of the high temperature superconducting wire 130 and the metal insulated wire 110, which is less than 0.01 times the high temperature superconducting wire 130 and Since the contact area with the metal insulated wire 110 is narrow, the current may not be bypassed well. If it exceeds 0.5 times, the high temperature superconducting wire is inserted between the high temperature superconducting wire 130 and the metal insulated wire 110. The 130 and the metal insulated wire 110 may not be in contact with each other and may be spaced apart from each other.
  • the total thickness of the parallel resistance member 150 is preferably 0.1 to 0.5 times the width of the high temperature superconducting wire 130 and the metal insulated wire 110.
  • the thickness of the parallel resistance member 150 is less than 0.1 times, the thickness is thin so that the current cannot be sufficiently bypassed. If the resistance of the parallel resistance 150 is greater than 0.5, the superconducting coil 100 may protrude too much to the top or the bottom of the parallel resistance member and be exposed to external magnetic poles. have.
  • a high temperature superconducting wire with a width of 12mm ⁇ 0.1t and a stainless steel tape of 12mm ⁇ 0.12t with a width of 12mm ⁇ 0.1t are used as the metal insulated wire, and 100 turns of the high temperature superconducting wire and the metal insulated wire together in the bobbin body. was wound. At this time, the high temperature superconducting wire was wound with a tension of 7kgf, and the metal insulated wire was wound with a tension of 10kgf.
  • the bobbin body was insulated using Kapton tape and hard anodized metal tape.
  • a separate parallel resistance member formed a superconducting coil not provided.
  • the voltage tap VT for measuring the voltage of the high temperature superconducting wire is contacted between the high temperature superconducting wire and the metal insulating material to face the high temperature superconducting wire, and the voltage tap is disposed every 10 turns.
  • FIG. 5 is a graph of a coil of a comparative example in which a parallel resistance member that is a parallel resistance is not formed.
  • a graph showing the current and voltage of the superconducting coil over time. The current was applied at a ramping rate of 5 A / sec.
  • Coil threshold current (I c ) is 183A, if more than this current may damage the superconducting coil.
  • I c Coil threshold current
  • a high temperature superconducting wire of 12mm ⁇ 0.1t and a stainless steel tape of 12mm ⁇ 0.12t of width were used as the metal insulated wire, and 100 turns of the high temperature superconducting wire and the metal insulated wire were jointly wound on the bobbin body. At this time, the high temperature superconducting wire was wound with a tension of 7kgf, and the metal insulated wire was wound with a tension of 10kgf.
  • the bobbin body was insulated using Kapton tape and hard anodized metal tape.
  • the parallel resistance member made of indium was placed in parallel on the upper portion of the superconducting coil, and the parallel resistance member was installed by pressing the parallel resistance member to be partially inserted into the superconducting coil.
  • the voltage tap for measuring the voltage of the high temperature superconducting wire was contacted between the high temperature superconducting wire and the metal insulated wire to face the high temperature superconducting wire, and the voltage tap was disposed every 10 turns.
  • the parallel resistance member which is a parallel resistor, is formed on the superconducting coil, and the current and voltage curves of the superconducting coil with time can be confirmed through the graph of FIG. 6.
  • a current was applied to the superconducting coil at a ramping rate of 5 A / sec, and a current was passed up to 400 A. From around 180A, the voltage began to increase from the innermost high temperature superconducting wire zone of the superconducting coil. There was a period in which the voltage temporarily decreased, but above 200A, the voltage tended to increase in other turns.
  • the superconducting coil 100 of the present invention has a critical current through a parallel resistance member 150 on the upper or lower portion of the superconducting coil 100 wound together with the high temperature superconducting wire 130 and the metal insulating wire 110.
  • the current may be bypassed from the corresponding turn of the high temperature superconducting wire 130 to the next turn. Through this, damage to the superconducting coil 100 may be prevented.
  • the present invention relates to a superconducting coil with a parallel resistance interposed therebetween, and more particularly, to a field of a superconducting coil with a parallel resistance capable of bypassing a current of a high temperature superconducting wire from a corresponding turn to the next turn.

Landscapes

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  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Abstract

본 발명은, 병렬저항이 개재된 초전도 코일에 있어서, 피복부재를 포함하는 고온초전도선재; 상기 피복부재보다 높은 저항을 가지며 상기 고온초전도선재와 공동 권선(co-winding)되는 금속절연선재; 상기 고온초전도선재 및 상기 금속절연선재의 상부 또는 하부에 위치하여 상기 고온초전도선재 간을 전기적으로 연결하는 금속소재의 병렬저항부재;가 형성되는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 고온초전도선재와 금속절연선재를 함께 권선한 코일의 상부 또는 하부에 병렬저항부재를 개재하여 임계전류 이상의 전류가 흐르거나, 고온초전도선재에 quench가 발생했을 때 전류를 고온초전도선재의 해당 턴으로부터 다음 턴으로 바이패스할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Description

병렬저항이 개재된 초전도 코일
본 발명은 병렬저항이 개재된 초전도 코일에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고온초전도선재의 전류를 해당 턴으로부터 다음 턴으로 바이패스가능한 병렬저항이 개재된 초전도 코일에 관한 것이다.
초전도선재는 물체의 전기저항이 0인 물질을 의미하며, 액체헬륨의 온도인 4K 근처에서 전류저항이 0에 가까운 물질을 저온초전도선재(Low temperature superconductor, LTS), 액체 헬륨보다 고온의 액체질소 온도인 77K에서 초전도 현상을 보이는 물질을 고온초전도선재(High temperature superconductor, HTS)라 일컫는다. 초전도선재는 높은 임계온도, 임계전류밀도 및 임계자기장을 나타내기 때문에 초전도 마그네트, 초전도 케이블, 초전도 모터 또는 초전도 발전기 등과 같은 전력용 기기에 적용이 기대되고 있다. 그 중 고온초전도선재를 사용하는 초전도 마그네트(Superconducting magnet)는 주로 얇은 테이프 모양의 초전도선재를 권선하여 팬케이크 형상으로 형성된다.
이와 같이 초전도 선재를 권선할 때 종래기술 '대한민국특허청 등록특허 제10-0775986호 초전도 선재 권선장치 및 권선방법'과 같이 초전도선재 권선을 위해 보빈으로부터 초전도선재를 공급할 때 절연소재를 함께 공급하여 권선하는 기술이 알려져 있다. 이와 같이 절연소재를 공급하여 초전도선재 사이에 절연소재를 배치하게 되면 초전도선재의 길이방향을 따라 전류가 흐르게 되며, 초전도선재가 권선된 턴과 턴 사이로 전류가 건너뛰어 흐르는 것이 방지된다. 하지만 초전도선재에 임계전류 이상의 전류가 흐르거나 quench가 발생하는 등과 같은 상황이 발생하게 되면 초전도선재가 전류의 양을 견디지 못하여 손상될 가능성이 매우 높다.
이와 같은 단점을 해결하기 위해 최근에는 '미국특허청 공개특허 제4760365호 METALLIC INSULATION FOR SUPERCONDUCTING COILS'와 같이 초전도선재에의 피복부재에 비해 저항이 크나 전류가 흐를 수 있는 금속절연선재를 사용하여 금속절연(Metallic insulation)를 이용한다. 금속절연은 종래의 절연소재 대신 금속소재를 초전도선재와 함께 권선하여 초전도 코일을 형성하는 것으로, 이는 금속소재가 전류를 전달할 수 있기 때문에 초전도선재에 임계전류 이상의 전류가 흐르거나 quench가 발생하게 되면 권선된 초전도선재의 해당 턴(Turn)으로부터 다음 턴으로 전류가 건너뛰어 흐를 수 있게 된다. 하지만 이와 같은 초전도 코일은 초기에 전류를 공급할 때에 초전도선재의 길이방향을 따라 전류가 흐르도록 조절하여야 하기 때문에 전류를 인가하는 시간(Ramp rate)이 길어진다는 단점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 고온초전도선재와 금속절연선재를 함께 권선한 코일의 상부 또는 하부에 병렬저항부재를 개재하여 임계전류 이상의 전류가 흐르거나, 고온초전도선재에 quench가 발생했을 때 전류를 고온초전도선재의 해당 턴으로부터 다음 턴으로 바이패스할 수 있는 병렬저항이 개재된 초전도 코일을 제공하는 것이다.
상기한 목적은, 피복부재를 포함하는 고온초전도선재; 상기 피복부재보다 높은 저항을 가지며 상기 고온초전도선재와 공동 권선(co-winding)되는 금속절연선재; 상기 고온초전도선재 및 상기 금속절연선재의 상부 또는 하부에 위치하여 상기 고온초전도선재 간을 전기적으로 연결하는 금속소재의 병렬저항부재;가 형성되는 것을 특징으로 하는 병렬저항이 개재된 초전도 코일에 의해 달성된다.
여기서, 상기 병렬저항부재는 상기 고온초전도선재에 임계전류 이상의 전류가 흐르거나 quench가 발생시 전류를 바이패스하며, 상기 병렬저항부재는 상기 고온초전도선재의 턴-턴(turn-turn) 간에 바이패스가 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고온초전도선재의 턴-턴(turn-turn) 사이에 상기 금속절연선재가 배치되며, 상기 코일 중 기계적인 응력이 집중되는 곡률반경이 상대적으로 작은 영역 또는 자장이 집중되어 임계전류 값이 낮은 영역에 상기 병렬저항부재가 선택적으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 코일 중 저항 크기 조절이 필요한 영역에 상기 병렬저항부재가 선택적으로 형성되며, 상기 병렬저항부재는 상기 고온초전도선재와 상기 금속절연선재 사이에 일부가 삽입 배치되는 것이 바람직하다.
상술한 본 발명의 구성에 따르면 고온초전도선재와 금속절연선재를 함께 권선한 코일의 상부 또는 하부에 병렬저항부재를 개재하여 임계전류 이상의 전류가 흐르거나, 고온초전도선재에 quench가 발생했을 때 전류를 고온초전도선재의 해당 턴으로부터 다음 턴으로 바이패스할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초전도 코일을 포함하는 보빈유니트의 사시도 및 정면도이고,
도 3은 초전도 코일 및 병렬저항부재의 정면도이고,
도 4는 초전도 코일 및 병렬저항부재의 단면도이고,
도 5는 비교예에 따른 초전도 코일의 전압 및 전류 그래프이고,
도 6은 실시예에 따른 초전도 코일의 전압 및 전류 그래프이다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 병렬저항이 개재된 초전도 코일(100)을 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 금속절연선재(110)를 포함하는 초전도 코일(100)은 보빈유니트(10)에 배치된다. 이러한 보빈유니트(10)는 판 형상의 베이스플레이트(300)와, 베이스플레이트(300)에 결합고정되며 둘레부의 일측에는 고온초전도선재(130) 및 금속절연선재(110)가 권선되어 코일형상을 가지는 보빈본체(500)를 포함한다. 보빈본체(500)의 양측에는 고온초전도선재(130) 및 금속절연선재(110)의 장력을 유지할 수 있도록 고온초전도선재(130) 및 금속절연선재(110)를 고정하는 한 쌍의 고정블럭(700)이 설치된다. 또한 보빈본체(500)에 고온초전도선재(130) 및 금속절연선재(100)가 권선될 때 보빈본체(500)의 외부로 이탈되는 것을 방지하기 위해 고온초전도선재(130) 및 금속절연선재(110) 각각을 가이드하는 라인가이드(900)를 포함하는 보빈유니트(10)에 형성된다.
이와 같은 보빈유니트(10)에 권선된 초전도 코일(100)은 피복부재를 포함하는 고온초전도선재(130)와 금속절연선재(110)가 공동권선(co-winding)된다. 즉 고온초전도선재(130)의 턴-턴(turn-turn) 사이에 금속절연선재(110)가 배치된다. 여기서 고온초전도선재(130)는 안정화의 목적으로 일반적으로 무산소구리 등과 같이 저항이 작은 금속으로 이루어진 피복부재가 외부에 형성된다.
고온초전도선재(130) 만을 권선하여 초전도 코일(100)을 형성할 경우 초전도 코일(100)에 흐르는 전류가 고온초전도선재(130)의 길이방향으로 흐르지 않고, 전류의 일부가 원하지 않게 권선된 초전도 코일(100)의 중심축으로부터 반경방향으로 흐르는 경우가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 종래에는 고온초전도선재와 함께 전류가 흐르지 않는 절연선재를 함께 권선하였으나 이는 고온초전도선재에 quench가 발생하거나, 고온초전도선재에 임계전류 이상의 전류가 흐르는 문제가 발생하였을 때 고온초전도선재가 손상될 위험이 있었다. 이를 방지하기 위해 전류가 흐를 수는 있으나 고온초전도선재(130)의 피복부재보다 저항이 높아 평소에는 고온초전도선재(130)에만 전류가 흐르도록 하고, quench나 임계전류 이상의 전류가 흐르는 문제가 발생하였을 때 전류가 고온초전도선재(130)의 피복부재와 같이 분배되어 흐를 수 있도록 금속소재로 이루어진 금속절연선재(110)를 사용한다. 여기서 금속절연선재(110)는 무산소구리 등과 같은 고온초전도선재(130)의 피복부재보다 저항이 크며, 권선 시 장력에 의해 끊어질 위험이 없는 스테인레스 스틸(Stainless steel)이 가장 바람직하나, 이는 한정되지 않는다.
고온초전도선재(130)와 금속절연선재(110)가 보빈본체(500)에 권선되면 초전도 코일(100) 형상이 도 3에 도시된 바와 같이 고온초전도선재(130)-금속절연선재(110)-고온초전도선재(130)-금속절연선재(110)와 같이 배치되어 고온초전도선재(130) 사이에 금속절연선재(110)가 고온초전도선재(130)를 절연하는 역할을 한다. 이와 같이 공동 권선되는 고온초전도선재(130)와 금속절연선재(110)는 5 내지 20kgf의 장력으로 권선되는 것이 바람직하다. 장력이 5kgf 미만일 경우 고온초전도선재(130)와 금속절연선재(110) 간에 접촉이 제대로 이루어지지 않으며, 장력이 20kgf를 초과할 경우 고온초전도선재(130)와 금속절연선재(110)에 무리가 가서 선재(110, 130)가 손상이 발생할 수 있다. 따라서 고온초전도선재(130)와 금속절연선재(110)가 용이하게 접촉할 수 있으면서 초전도 코일(100)이 움직이지 않고 견고히 고정될 수 있는 5 내지 20kgf의 장력으로 초전도 코일(100)을 권선하는 것이 바람직하다. 이와 같은 장력은 고온초전도선재(130) 및 금속절연선재(110)의 단면적에 따라 조절 가능한데, 단면적이 클 경우 장력을 높게 가하고 단면적이 작을 경우 장력을 낮게 가하는 것이 바람직하다.
초전도 코일(100)의 상부 또는 하부에는 고온초전도선재(130)의 전류를 바이패스할 수 있는 병렬저항부재(150)가 형성된다. 병렬저항부재(150)는 고온초전도선재(130)로 흐르는 전류가 임계전류를 초과하거나, 고온초전도선재(130)가 quench되었을 때 고온초전도선재(130)가 견딜 수 없는 양의 전류를 바이패스(Bypass)하여 다른 턴(Turn)의 고온초전도선재(130) 영역으로 전달하는 역할을 한다. 즉 병렬저항부재(150)는 고온초전도선재(130)의 턴-턴 간에 바이패스가 이루어지도록 한다. 이러한 병렬저항부재(150)는 바이패스가 필요한 고온초전도선재(130)의 영역에서 다른 고온초전도선재(130)의 영역으로 전류를 바이패스시킬 수 있도록 공동으로 권선된 고온초전도선재(130) 및 금속절연선재(110)를 병렬로 연결한다.
병렬저항부재(150)는 초전도 코일(100) 중 기계적인 응력이 집중되는 곡률반경이 상대적으로 작은 영역 또는 자장이 집중되어 임계전류(Ic) 값이 낮은 영역에 선택적으로 형성되는 것이 바람직하다. 원형의 초전도 코일(100)일 경우 고온초전도선재(130)의 굽힘 정도가 권선 영역에 관계없이 동일하지만, 타원형의 초전도 코일(100)일 경우 위치에 따라 굽힘 정도가 상이하다. 특히 굽힘 정도가 큰 영역일 경우 고온초전도선재(130)의 손상이 발생할 수 있는데 이 위치에 병렬저항부재(150)를 형성하여 손상이 발생하더라도 전류를 바이패스시켜 코일의 과부하를 막을 수 있다. 또한 원형의 초전도 코일(100)이더라도 고온초전도선재(130)의 quench가 발생할 우려가 있는 곳에는 병렬저항부재(150)를 어디든 형성할 수 있다. 필요에 따라서 병렬저항부재(150)는 복수 개가 설치될 수 있으며, 원할 경우 초전도 코일(100)의 상부 또는 하부 전체를 덮도록 형성할 수도 있다.
고온초전도선재(130)와 금속절연부재(110)를 공동 권선하여 제작되는 초전도 코일(100)은 제작될 때마다 동일한 저항을 가지고 있어야 한다. 하지만 제작과정에서 일부 저항이 다른 초전도 코일(100)이 제작될 수 있는데 이를 확인하더라도 제작 후에는 초전도 코일(100)의 저항을 변경할 수 없다. 따라서 초전도 코일(100)을 제작한 후 초전도 코일(100) 각 영역의 저항을 측정하고, 저항이 균일하지 않을 경우 저항값을 조절하기 위하여 병렬저항부재(150)를 추가할 수도 있다. 즉, 다른 영역보다 저항값이 높은 영역의 상부 또는 하부에 병렬저항부재(150)를 설치하게 되면 병렬저항부재(150)가 고온초전도선재(130)의 피복부재보다 저항이 높고 금속절연부재(110)의 저항보다 낮기 때문에 고온초전도선재(130) 턴-턴 사이의 저항을 금속절연부재(110)의 저항보다 감소시킬 수 있다.
병렬저항부재(150)의 넓이 및 두께의 조절을 통해 병렬저항부재(150)의 저항을 세밀하게 조절할 수 있다. 병렬저항부재(150)의 넓이 및 두께가 증가하면 금속절연부재(110)의 저항에 비해 병렬저항부재(150)의 저항이 작기 때문에 그에 따른 저항이 감소하고, 반대로 병렬저항부재(150)의 넓이 및 두께가 감소하면 저항은 작게 감소한다. 병렬저항부재(150)는 고온초전도선재(130)의 길이방향을 따라 형성된 가로폭이 초전도 코일(100)이 권선된 두께의 0.5 내지 3배로 이루어지며, 초전도 코일(100)의 중심축으로부터 반경방향을 따라 형성된 세로폭이 초전도 코일(100)의 권선된 두께의 1 내지 1.2배로 이루어지는 것이 바람직하다. 병렬저항부재(150)의 가로폭이 0.5배 미만일 경우 폭이 좁아 전류의 바이패스 역할이 원활하게 수행되지 못하며, 3배를 초과할 경우 별다른 이상은 없지만 병렬저항부재(150)가 낭비될 수 있다. 또한 병렬저항부재(150)의 세로폭이 1배 미만일 경우 가장 안쪽과 가장 바깥쪽에 권선된 고온초전도선재(130)와 접촉하지 못하여 바이패스 역할을 제대로 수행할 수 없으며, 1.2배를 초과할 경우 초전도 코일(100)의 두께로부터 병렬저항부재(150)가 튀어나와 외관상 미려하지 못하며 병렬저항부재(150)가 낭비될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이 병렬저항부재(150)는 초전도 코일(100)의 상부 또는 하부에 배치되며 초전도 코일(100)을 향하는 방향으로 병렬저항부재(150)를 가압하여 고온초전도선재(130)와 금속절연선재(110)의 사이에 일부가 삽입 배치되도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 병렬저항부재(150)를 고온초전도선재(130)와 금속절연선재(110)의 사이에 배치하게 되면 고온초전도선재(130) 및 금속절연선재(110)와 접촉면적이 넓어져 병렬저항부재(150)가 전류를 바이패스하기 용이해진다. 고온초전도선재(130)와 금속절연선재(110)는 서로 면접촉이 아닌 점접촉을 하기 때문에 이들 사이에는 어느 정도의 여유공간이 존재한다. 따라서 이 여유공간 사이에 병렬저항부재(150)가 가압에 의해 삽입되어 전류를 바이패스할 수 있게 된다. 병렬저항부재(150)가 가압에 의해 삽입할 수 있도록 금속절연선재(110)보다 연질의 금속소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 특히 인듐(In), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 납(Pb), 은(Ag), 주석(Sn), 비스무트(Bi), 갈륨(Ga), 탈륨(Tl) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로 선택되는 것이 바람직하다.
병렬저항부재(150)의 두께 중 고온초전도선재(130) 및 금속절연선재(110) 폭의 0.01 내지 0.5배만큼 사이에 삽입 배치되는 것이 바람직한데, 이는 0.01배 미만일 경우 고온초전도선재(130) 및 금속절연선재(110)와의 접촉면적이 좁아 전류가 바이패스 잘 되지 않을 수 있으며, 0.5배를 초과할 경우 고온초전도선재(130)와 금속절연선재(110) 사이에 삽입되는 폭이 커 고온초전도선재(130)와 금속절연선재(110)가 서로 접촉하지 못하고 이격될 우려가 있다.
이와 같이 병렬저항부재(150)가 삽입되는 두께를 고려하여 병렬저항부재(150)의 전체두께는 고온초전도선재(130) 및 금속절연선재(110) 폭의 0.1 내지 0.5배인 것이 바람직하다. 병렬저항부재(150)의 두께가 0.1배 미만일 경우 두께가 얇아 전류를 충분히 바이패스 시키지 못하며, 0.5배를 초과할 경우 초전도 코일(100)의 상부 또는 하부로 너무 튀어나와 외부의 자극에 노출될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예 및 비교예를 좀 더 구체적으로 설명한다.
<비교예>
폭 12mm×0.1t의 고온초전도선재와, 폭 12mm×0.12t의 스테인레스 스틸(Stainless steel) 테이프를 금속절연선재로 사용하였으며, 고온초전도선재와 금속절연선재를 공동으로 보빈본체에 100턴(turn)을 권선하였다. 이때 고온초전도선재는 7kgf의 장력으로 권선하였으며, 금속절연선재는 10kgf의 장력으로 권선하였다. 또한 보빈본체는 켑톤 테이프(Kapton tape)와 경질의 아노다이징된 금속 테이프를 이용하여 절연하였다. 별도의 병렬저항부재는 구비되지 않은 초전도 코일을 형성하였다.
권선된 초전도 코일의 각 턴마다 고온초전도선재의 전압을 측정하기 위한 전압탭(VT)은 고온초전도선재와 금속절연재 사이에서 고온초전도선재 방향을 향하도록 접촉하며, 전압탭은 10턴마다 배치하였다.
도 5는 병렬저항인 병렬저항부재가 형성되지 않는 비교예의 코일에 관한 그래프이다. 초전도 코일의 시간에 따른 전류 및 전압을 나타낸 그래프로, 5A/초의 Ramping rate로 전류를 인가하였다. 코일 임계전류(Ic)는 183A로 이 이상의 전류를 가할 경우 초전도 코일이 손상될 우려가 있다. 초전도 코일에 전류를 인가하면 권선된 고온초전도선재 중 가장 안 쪽에 권선된 영역부터 전압이 발생하기 시작한다. 100턴으로 권선된 초전도 코일을 각각의 턴에 설치된 전압탭을 이용하여 전압을 측정한 결과 전류가 증가할수록 고온초전도선재의 전압이 계속 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 200A 이상의 전류를 흘릴 경우 quench가 발생할 것으로 예상할 수 있다. 이와 같이 비교예의 경우 병렬저항부재가 없기 때문에 전류를 다른 고온초전도선재 영역으로 전달할 수 없어 임계전류 이상의 전류를 흘리기 어렵다.
<실시예>
폭 12mm×0.1t의 고온초전도선재와, 폭 12mm×0.12t의 스테인레스 스틸 테이프를 금속절연선재로 사용하였으며, 고온초전도선재와 금속절연선재를 공동으로 보빈본체에 100턴(turn)을 권선하였다. 이때 고온초전도선재는 7kgf의 장력으로 권선하였으며, 금속절연선재는 10kgf의 장력으로 권선하였다. 또한 보빈본체는 켑톤 테이프(Kapton tape)와 경질의 아노다이징된 금속 테이프를 이용하여 절연하였다. 초전도 코일의 상부에는 인듐으로 이루어진 병렬저항부재를 병렬로 놓고 초전도 코일 내부로 병렬저항부재가 일부 삽입되도록 가압하여 병렬저항부재를 설치하였다.
권선된 초전도 코일의 각 턴마다 고온초전도선재의 전압을 측정하기 위한 전압탭은 고온초전도선재와 금속절연선재 사이에서 고온초전도선재 방향을 향하도록 접촉하며, 전압탭은 10턴마다 배치하였다.
실시예의 경우 병렬저항인 병렬저항부재가 초전도 코일의 상부에 형성된 것으로, 이러한 초전도 코일의 시간에 따른 전류 및 전압 곡선을 도 6의 그래프를 통해 확인할 수 있다. 비교예와 동일하게 5A/초의 Ramping rate로 초전도 코일에 전류를 인가하였으며, 최대 400A까지 전류를 흘렸다. 180A 근처부터 초전도 코일의 가장 안쪽의 고온초전도선재 영역에서부터 전압이 증가하기 시작했다. 일시적으로 전압이 감소하는 구간도 있었으나, 200A 이상에서는 다른 턴 구간에서도 전압이 상승하는 경향이 나타났다. 400A까지 전류를 흘리더라도 일정하게 전압이 상승하는 것이 아니라 상승 및 감소가 일정하지 않은 것으로 보아 고온초전도선재에 quench가 발생하였을 때 병렬저항부재로 전류분류가 발생하여 바로 회복되고 quench되는 현상들이 반복되어 일어나게 되면서 임계전류 이하의 전류만이 초전도 코일로 흐르는 것을 확인할 수 있었다. 초전도 코일에 최고 400A까지 전류를 흘렸다가 전류의 양을 서서히 감소시켰으며, 감소된 전류가 200A 이하로 내려가면서 각 구간의 전압들이 다시 줄어들기 시작했다. 이를 통해 임계전류가 183A인 고온초전도선재에서 400A까지 전류를 흘린 뒤 전류를 감소시킬 때 전압도 함께 감소하는 것으로 보아 전원장치의 총 전류가 줄어들면서 병렬저항부재로 제대로 바이패스되어 흐르는 전류가 줄어들고 전원장치의 총 전류가 초전도 코일의 임계전류 이하로 줄어들면서 초전도 코일에 발생한 quench가 사라진다는 것을 확인할 수 있다. 즉 400A까지 전류를 흘리더라도 실시예의 고온초전도선재가 권선된 초전도 코일이 안정하다는 것을 확인할 수 있었다.
이와 같은 본발명의 초전도 코일(100)은 고온초전도선재(130)와 금속절연선재(110)를 함께 권선한 초전도 코일(100)의 상부 또는 하부에 병렬저항부재(150)를 개재하여, 임계전류 이상의 전류가 흐르거나 고온초전도선재(130)에 quench가 발생했을 때 전류를 고온초전도선재(130)의 해당 턴으로부터 다음 턴으로 바이패스할 수 있다. 이를 통해 초전도 코일(100)의 손상을 방지할 수 있다.
본 발명은 병렬저항이 개재된 초전도 코일에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고온초전도선재의 전류를 해당 턴으로부터 다음 턴으로 바이패스가능한 병렬저항이 개재된 초전도 코일 분야에 이용가능하다.

Claims (10)

  1. 병렬저항이 개재된 초전도 코일에 있어서,
    피복부재를 포함하는 고온초전도선재;
    상기 피복부재보다 높은 저항을 가지며 상기 고온초전도선재와 공동 권선(co-winding)되는 금속절연선재;
    상기 고온초전도선재 및 상기 금속절연선재의 상부 또는 하부에 위치하여 상기 고온초전도선재 간을 전기적으로 연결하는 금속소재의 병렬저항부재;가 형성되는 것을 특징으로 하는 병렬저항이 개재된 초전도 코일.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 병렬저항부재는 상기 고온초전도선재에 임계전류 이상의 전류가 흐르거나 quench가 발생시 전류를 바이패스하는 것을 특징으로 하는 병렬저항이 개재된 초전도 코일.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 병렬저항부재는 상기 고온초전도선재의 턴-턴(turn-turn) 간에 바이패스가 이루어지는 것을 특징으로 하는 병렬저항이 개재된 초전도 코일.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 고온초전도선재의 턴-턴(turn-turn) 사이에 상기 금속절연선재가 배치되는 것을 특징으로 하는 병렬저항이 개재된 초전도 코일.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 코일 중 기계적인 응력이 집중되는 곡률반경이 상대적으로 작은 영역 또는 자장이 집중되어 임계전류 값이 낮은 영역에 상기 병렬저항부재가 선택적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 병렬저항이 개재된 초전도 코일.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 코일 중 저항 크기 조절이 필요한 영역에 상기 병렬저항부재가 선택적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 병렬저항이 개재된 초전도 코일.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 병렬저항부재는 상기 고온초전도선재와 상기 금속절연선재 사이에 일부가 삽입 배치되는 것을 특징으로 하는 병렬저항이 개재된 초전도 코일.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 병렬저항부재는 상기 금속절연선재보다 연질의 금속소재인 것을 특징으로 하는 병렬저항이 개재된 초전도 코일.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 연질의 금속소재는,
    인듐(In), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 납(Pb), 은(Ag), 주석(Sn), 비스무트(Bi), 갈륨(Ga), 탈륨(Tl) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 병렬저항이 개재된 초전도 코일.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 금속절연선재는 스테인레스 스틸(Stainless steel)인 것을 특징으로 하는 병렬저항이 개재된 초전도 코일.
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