WO2023106566A1 - 고온초전도 마그넷 - Google Patents

고온초전도 마그넷 Download PDF

Info

Publication number
WO2023106566A1
WO2023106566A1 PCT/KR2022/013272 KR2022013272W WO2023106566A1 WO 2023106566 A1 WO2023106566 A1 WO 2023106566A1 KR 2022013272 W KR2022013272 W KR 2022013272W WO 2023106566 A1 WO2023106566 A1 WO 2023106566A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
superconducting
bobbin
layers
pancake coil
superconducting wire
Prior art date
Application number
PCT/KR2022/013272
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
손명환
김성규
하홍수
김준일
Original Assignee
한국전기연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전기연구원 filed Critical 한국전기연구원
Publication of WO2023106566A1 publication Critical patent/WO2023106566A1/ko

Links

Images

Classifications

    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S505/00—Superconductor technology: apparatus, material, process
    • Y10S505/70—High TC, above 30 k, superconducting device, article, or structured stock
    • Y10S505/704—Wire, fiber, or cable
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S505/00—Superconductor technology: apparatus, material, process
    • Y10S505/725—Process of making or treating high tc, above 30 k, superconducting shaped material, article, or device
    • Y10S505/739—Molding, coating, shaping, or casting of superconducting material
    • Y10S505/74—To form wire or fiber

Definitions

  • the present invention relates to a high-temperature superconducting magnet, and more particularly, in order to prevent a decrease in critical current at the edge (both ends) of a bobbin, the number of superconducting wires wound around the edge of a bobbin is kept constant while superconducting wires having different numbers of stacks are wound. By doing so, it relates to a high-temperature superconducting magnet capable of miniaturizing the magnet while improving critical current (Ic) and shielding current characteristics.
  • Ic critical current
  • High-temperature superconducting magnets used in MRI or NMR are generally manufactured using superconducting wires.
  • Such a magnet for a high magnetic field is generally composed of a form in which several pancake coils are stacked in a plurality of stages, rather than a single coil.
  • U.S. Patent No. 9117578 discloses "No-insulation multi-width winding for high temperature superconducting magnets". A high-temperature superconducting magnet in the form of increasing the width of the superconducting wire is proposed.
  • FIG. 1 shows a high-temperature superconducting magnet according to the prior art and a high-temperature superconducting magnet having a variable width.
  • Non-Patent Document 1 Since the increase in the width of the superconducting wire has a problem of increasing the shielding current (see Non-Patent Document 1), there is a need for improvement.
  • Non-Patent Document 1 Hiroshi Ueda et al, “Reduction of Irregular Magnetic Field Generated by Screening Current in REBCO Coil”, IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL 25, NO 3, JUNE 2015
  • FIG. 2 is a view showing a conventional high-temperature superconducting magnet having a variable number of turns (N), in which the number of turns (N) of the superconducting wire is increased in order to increase the critical current without increasing the width of the superconducting wire located at the edge. can confirm.
  • the width of the superconducting wire 21 wound around the center 12 and the edge 11 is the same.
  • the total height (length) of does not increase, the thickness of the edge 11 is increased more than the center 12 according to the difference in the number of windings (N).
  • the superconducting wire 21 composed of the metal substrate 211, the buffer layer 212, the superconducting layer 213, and the protective layer 214 is wound once around the center 12 of the bobbin 1, and the width is the same.
  • the superconducting wire 21 having a multilayer structure is wound multiple times around the edge 11 of the bobbin 1, the thickness increases toward the edge 11, so that the assembly and application of the high-temperature superconducting magnet are not easy.
  • a technical problem to be solved by the present invention is a high-temperature superconducting magnet to which a high-temperature superconducting wire having a structure in which a multi-layered superconducting layer is stacked is applied to compensate for a relatively low critical current (Ic) at the edge of a multi-layered high-temperature superconducting magnet. is to provide
  • the technical problem to be solved by the present invention is to increase the ratio of the superconducting layer per unit area of the edge while maintaining the same width of the high-temperature superconducting wire wound at the center and the edge, thereby reducing the shielding current (SC) at the edge. It is to provide a high-temperature superconducting magnet whose stability is improved by reducing the linkage area of the
  • the present invention provides a pancake coil in a high-temperature superconducting magnet in which a superconducting wire is wound at a uniform number of times in each stage in the form of a pancake coil constituting a plurality of stages.
  • the bobbin constituting the center of the bobbin and the superconducting wire wound for each stage along the outer circumferential surface of the bobbin have the number of stacked superconducting layers designated according to the position of the stage, and the superconducting wire is arranged so that the number of stacks increases toward the edge of the bobbin.
  • the present invention provides a high-temperature superconducting magnet in which a superconducting wire is wound at a uniform number of times in each stage in the form of a pancake coil constituting a plurality of stages, including a bobbin constituting the center of the pancake coil and an outer circumferential surface of the bobbin.
  • the superconducting wire wound in each stage has the same width, but the ratio of the superconducting layer per unit area is different from each other according to the location of the pancake coil stage, and the ratio of the superconducting layer is included in the superconducting wire constituting each stage Characterized in that it is determined by the number of stacked superconducting layers.
  • the superconducting wire includes a metal substrate, a first superconducting layer and a first protective layer formed on the upper side of the metal substrate, and a superconducting wire having a natural number n of 2 or more has a superconducting layer and a protective layer on top of the first protective layer. It is characterized in that the superconducting layer and the protective layer are alternately and repeatedly laminated so that the number of layers is cumulatively stacked to n ⁇ 1 layers.
  • the number of superconducting wires of the pancake coil end located at the center of the bobbin is 1, and the number of superconducting wires of the pancake coil end located at both ends of the bobbin is any one of 2 to 4. It is characterized in that it is configured to be symmetrical.
  • the high-temperature superconducting magnet according to the present invention has a smaller size (height) and has the same or It can provide better performance.
  • the width of the superconducting wire of each pancake coil located at the center and the edge is formed to be the same, it is possible to reduce the screening current when compared to the conventional structure using a variable width, and thus the stability of the high-temperature superconducting magnet. can improve
  • FIG. 1 is a diagram showing a comparison between a conventional high-temperature superconducting magnet and a high-temperature superconducting magnet having a variable width
  • N is a variable number of turns
  • FIG. 3 is a view showing a high-temperature superconducting magnet having a variable number of stacks according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram for showing a difference in critical current according to the number of layers of high temperature superconducting wires for a pancake coil configuration according to an embodiment of the present invention.
  • 5 is a diagram showing the comparison of the magnitude of shielding current according to the width of high-temperature superconducting wires and the total current distribution accordingly;
  • the superconducting wire 21 is uniformly wound in the form of a pancake coil forming a plurality of stages
  • the number of turns N for each stage, the bobbin 1 A pancake coil 2 wound along the outer circumferential surface of the bobbin 1 and a superconducting wire 21 constituting the pancake coil 2 and having a designated number of layers according to the position of the pancake coil 2 are included.
  • the superconducting wire 21 is provided with a high-temperature superconducting magnet disposed in a form in which the number of layers increases toward the edge 11 of the bobbin 1 .
  • the 'pancake coil position' may mean a stage or position where the pancake coils are stacked.
  • FIG. 3 shows a high-temperature superconducting magnet composed of a pancake coil having 10 stages/positions.
  • a 'pancake coil position' in order to explain more clearly by distinguishing it from 'layer' in 'stacked superconducting wires'.
  • the superconducting wire 21 may include a metal substrate 211 (metal layer), a superconducting layer 213 and a protective layer 214 .
  • a buffer layer 212 may be further included between the metal substrate 211 and the superconducting layer 213 .
  • a plurality of oxide buffer layers 212 are coated on top of a tape-shaped metal substrate 211, and a superconducting layer 213 is coated on top of the buffer layer 212 by physical or chemical methods to obtain superconducting wire 21 as described above. can be manufactured.
  • a protective layer 214 may be formed on the top of the superconducting layer 213 by additionally coating silver (Ag).
  • the metal substrate 211 may be made of hastelloy or stainless steel having oxidation resistance.
  • the superconducting layer 213 may be a material having a biaxial orientation structure and including a magnetic flux pinning point or a rare earth element-barium-copper-oxygen (RE-Ba-Cu-O)-based material containing rare earth elements.
  • RE-Ba-Cu-O rare earth element-barium-copper-oxygen
  • the protective layer 214 is made of a noble metal material, and the noble metal includes silver (Ag), gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), and iridium (Ir). , osmium (Os), rhenium (Re), and mixtures thereof.
  • the number of layers of the superconducting wires 21 may be configured by the following manufacturing method.
  • a pair of superconducting wires 21 composed of a metal substrate 211, a superconducting layer 213, and a protective layer 214 are prepared.
  • the superconducting wires 21 are heat treated to bond the protective layers 214 together.
  • the metal substrate 211 is separated from the superconducting layer (or the superconducting wire 21) on one side.
  • the superconducting wire 21 stacked in two layers may be formed by stacking the protective layer 214 on top of the superconducting layer 213 whose surface is exposed after the metal substrate 211 is separated.
  • the superconducting wire 21 in which n superconducting layers 213 are stacked in n layers can be formed.
  • 'Number of windings (N)' means the number of times the superconducting wire 21 is wound on the bobbin 1 in an overlapping manner
  • 'the number of layers' means how many superconducting layers are formed in one superconducting wire 21. ) means that it is laminated.
  • the meaning that the number of windings (N) of the superconducting wire 21 is uniform for each pancake coil position means that the same/similar number of turns is applied to minimize the change in the thickness (D) of the superconducting wire 21 for each stage of the pancake coil 2. It means winding, and preferably means winding the same number of times.
  • the meaning of having a designated number of layers according to the location of the pancake coil means, for example, that the superconducting wire 21 having one number of layers is wound around the center 12 of the bobbin 1, and three around the edge 11. This means winding the superconducting wire 21 having the number of layers of the number of layers.
  • the number of layers increases as the number of layers increases toward the edge 11 of the bobbin 1.
  • a two-layer or three-layer superconducting wire 21 may be applied to the pancake coil 2 located outside it (direction approaching the top or bottom), and the pancake coil located outside it ( 2) means that the three- or four-layer superconducting wire 21 can be applied.
  • the superconducting wire 21 wound for each stage along the outer circumferential surface of the bobbin 1 is a superconducting wire with a large number of superconducting layers stacked so that the ratio of superconducting layers per unit area increases toward the edge 11 of the bobbin 1. (21) applies.
  • the superconducting wire 21 includes a metal substrate 211, a first superconducting layer 213 stacked on top of the metal substrate 211, and a first protective layer stacked on top of the first superconducting layer 213.
  • the superconducting wire 21 including the layers 214 and having a natural number n of 2 or more is superconducting so that the superconducting layer and the protective layer are stacked on top of the first protective layer 214 so that the number of superconducting layers and the protective layer is n ⁇ 1.
  • the layer and the protective layer may be alternately and repeatedly laminated.
  • the superconducting layer and the protective layer which are stacked and stacked in the superconducting wire 21 configured as described above, increase the thickness by about 5 ⁇ m, so that the number of windings (N) of the pancake coil 2 is increased for each pancake. Even if it is kept the same for each coil stage, the thickness deviation does not appear large.
  • the high-temperature superconducting magnet can be designed more easily.
  • FIG. 4 is a view for showing the difference in critical current according to the number of layers of superconducting wires for a pancake coil configuration according to an embodiment of the present invention, when the superconducting layer is single (FIG. 4a) and two layers (FIG. 4a). 4b) and the case of the 4th floor (FIG. 4c) are separately shown.
  • the high-temperature superconducting magnet according to the present invention checks the critical current value according to the number of superconducting layers stacked as described above, and utilizes this to determine the center 12, the edge 11, and the superconducting wire 21 positioned therebetween. It is possible to manufacture a high-temperature superconducting magnet by determining
  • a superconducting single-layer structure with a critical current of 237.2 A is applied to the central part 12 of the bobbin 1
  • a superconducting four-layer structure with a critical current of 795.0 A is applied to the edge 11 of the bobbin 1.
  • a high-temperature superconducting magnet may be configured to have a vertically symmetrical structure with respect to the center 12 of the bobbin 1 by applying a superconducting two-layer structure with a critical current of 458.8 A between (12) and the edge (11).
  • the number of superconducting wires 21 stacked may be determined within a range that satisfies the critical current design condition of the pancake coil 2 located at both ends of the bobbin 1.
  • a shielding current (SC) is generated by a changing magnetic flux line, and as described above, the shielding current increases as the area to be linked is wider.
  • FIG. 5 is a diagram showing the comparison of the magnitude of shielding current according to the width of superconducting wires and the resulting total current distribution. Referring to the figure, the larger the width of the wound wire, the wider the cross-link area, so the magnitude of the shielding current increases. do.
  • the shielding current induced as described above acts as shown in FIG. 5A, so that the distribution of the total current flowing through the superconducting wire is non-uniform as a whole.
  • the shielding current induced in the superconducting wire having a relatively small width is reduced, thereby stabilizing the total current distribution, thereby improving the stability of the superconducting magnet. can have an enhancing effect.
  • the width of the superconducting wire wound on the bobbin 1 is reduced between the center 12 and the edge 11. All of them are applied in the same size, but by applying the superconducting multilayer structure to the superconducting wire wound around the edge 11, the effect of the shielding current is reduced and the ratio of the superconducting layer per unit area is increased, thereby increasing the stability of the high temperature superconducting magnet.
  • the high-temperature superconducting magnet according to the present invention is configured to prevent a decrease in critical current at both ends of the high-temperature superconducting magnet while uniformly maintaining the width of the superconducting wire at each stage of the pancake coil.

Abstract

본 발명은 고온초전도 마그넷에 관한 것으로, 더 상세하게는 보빈 가장자리(양단)에서의 임계전류 감소를 방지하기 위하여 보빈 가장자리에 권선되는 초전도선재의 권선 수는 일정하게 유지하면서 적층 수가 다른 초전도선재를 권선함으로써, 임계전류 및 차폐전류 특성이 개선되면서 마그넷의 소형화가 가능한, 고온초전도 마그넷에 관한 것이다. 본 발명은 복수의 단(stage)을 이루는 팬케이크 코일 형태로 초전도 선재가 각 단별 균일한 횟수로 권선되어 이루어지는 고온초전도 마그넷에 있어서, 팬케이크 코일의 중심을 이루는 보빈과, 상기 보빈의 외주면을 따라 각 단별 권선되는 초전도선재는 단의 위치에 따라 지정된 초전도층 적층 수를 가지며, 상기 초전도선재는 상기 보빈의 가장자리로 갈수록 적층 수가 증가하도록 배치된다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 고온초전도 마그넷의 크기를 보다 소형화 하면서도 성능 저하를 방지하고, 보다 안정적인 성능을 가지는 고온초전도 마그넷을 제공할 수 있다.

Description

고온초전도 마그넷
본 발명은 고온초전도 마그넷에 관한 것으로, 더 상세하게는 보빈 가장자리(양단)에서의 임계전류 감소를 방지하기 위하여 보빈 가장자리에 권선되는 초전도선재의 권선 수는 일정하게 유지하면서 적층 수가 다른 초전도선재를 권선함으로써, 임계전류(critical current, Ic) 및 차폐전류 특성이 개선되면서 마그넷의 소형화가 가능한 고온초전도 마그넷에 관한 것이다.
고자장에 대한 연구가 발전함에 따라 고온초전도 마그넷은 의료분야 뿐만 아니라 전력, 에너지 분야에까지 응용되고 있다.
MRI나 NMR에 사용되는 고온초전도 마그넷은 초전도선재를 이용하여 제작되는 것이 일반적이다.
높은 전류를 인가할 수 있는 초전도선재를 이용하면 고온초전도 마그넷의 부피와 무게를 줄이는 것이 가능하며, 구리와 같은 상전도체의 저항에 의해 발생하는 손실을 줄일수 있다.
이러한 고자장용 마그넷은 일반적으로 단일한 코일이 아니라 여러 개의 팬케이크 코일(pancake coil)을 복수의 단(stage)으로 쌓아올린 형태로 구성된다.
이 때, 가장자리에 위치한 코일에서는 수직한 성분을 가지는 자장이 발생되므로 초전도선재의 임계전류가 수직 자장에 반비례하여 감소하게 되어 원하지않은 조기 켄치(quench)를 발생시킬 수 있다.
미국등록특허 제9117578호에는 "No-insulation multi-width winding for high temperature superconducting magnets"가 개시되어 있으며, 상기 특허문헌에서는 보빈 양단에 위치한 초전도선재의 수직 자장에서의 임계전류를 높일 수 있도록 양단에서의 초전도선재의 폭을 증가시키는 형태의 고온초전도 마그넷을 제안하고 있다.
도 1에는 상기와 같은 종래 기술에 따른 고온초전도 마그넷과, 가변 폭을 가지는 고온초전도 마그넷이 도시되어 있다.
도 1을 참조하면 종래 기술의 가변 폭을 가지는 고온초전도 마그넷에서는 고온초전도 마그넷의 총 높이(길이)가 커져 고온초전도 마그넷의 부피가 커진다는 한계점이 있다.(가장자리에서의 임계전류를 증가시키기 위해 가장자리에 위치한 초전도선재의 폭을 증가시켰기 때문)
또한, 초전도선재의 폭 증가는 차폐전류를 증가시키는 문제점을 안고 있으므로(비특허문헌 1 참조) 개선의 필요성이 있다.
(비특허문헌 1) Hiroshi Ueda et al, “Reduction of Irregular Magnetic Field Generated by Screening Current in REBCO Coil”, IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL 25, NO 3, JUNE 2015
한편, 도 2 에는 종래 가변 권선 수(N)를 가지는 고온초전도 마그넷을 나타낸 도면으로, 가장자리에 위치한 초전도선재의 폭을 증가시키지 않고서 임계전류를 높이기 위하여 초전도선재의 권선 수(N)를 증가시킨 모습을 확인할 수 있다.
하지만, 권선 수(N)를 가변시킨 고온초전도 마그넷은 도 1 에서 가변 폭에 따른 종래 기술과 달리 중심부(12)와 가장자리(11)에 권선된 초전도선재(21)의 폭은 동일하여 고온초전도 마그넷의 총 높이(길이)는 증가하지 않으나, 권선 수(N)에 차이를 가짐에 따라 중심부(12) 보다 가장자리(11)의 두께가 증가하게 되는 문제점을 가진다.
즉, 금속기판(211), 완충층(212), 초전도층(213) 및 보호층(214)으로 구성되는 초전도선재(21)를 보빈(1)의 중심부(12)에 1회 권선하고, 동일한 폭과 적층구조의 초전도선재(21)를 보빈(1)의 가장자리(11)에 복수회 권선하게 되면, 가장자리(11)로 갈수록 두께가 증가하게 되어 고온초전도 마그넷의 조립 및 적용이 용이하지 못한 문제점을 가진다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 적층형 고온초전도 마그넷의 가장자리에 상대적으로 낮아지는 임계전류(critical current, Ic)를 보상하기 위하여 초전도층이 다층으로 적층된 구조의 고온초전도 선재가 적용된 고온초전도 마그넷을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 중심부와 가장자리에 권선되는 고온초전도 선재의 폭은 동일하게 유지하면서 가장자리의 단위면적당 초전도 층의 비율을 증가시킴으로써, 가장자리에서 차폐전류(Screening Current, SC)의 쇄교면적을 줄여 안정성이 향상되는 고온 초전도 마그넷을 제공하는 것이다.
본 발명은 전술한 바와 같은 종래 고온초전도 마그넷의 문제점을 개선하기 위하여, 복수의 단(stage)을 이루는 팬케이크 코일 형태로 초전도 선재가 각 단별 균일한 횟수로 권선되어 이루어지는 고온초전도 마그넷에 있어서, 팬케이크 코일의 중심을 이루는 보빈과, 상기 보빈의 외주면을 따라 각 단별 권선되는 초전도선재는 단의 위치에 따라 지정된 초전도층 적층 수를 가지며, 상기 초전도선재는 상기 보빈의 가장자리로 갈수록 적층 수가 증가하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
다른 측면에서 본 발명은 복수의 단(stage)을 이루는 팬케이크 코일 형태로 초전도 선재가 각 단별 균일한 횟수로 권선되어 이루어지는 고온초전도 마그넷에 있어서, 팬케이크 코일의 중심을 이루는 보빈과, 상기 보빈의 외주면을 따라 각 단별 권선되는 초전도선재는 각각 동일한 폭을 가지되, 팬케이크 코일 단의 위치에 따라 단위면적당 초전도층의 비율이 서로 다르게 형성되며, 상기 초전도층의 비율은 각 단을 구성하는 초전도 선재에 포함되는 초전도층 적층 수에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
상기 초전도선재는 금속기판과, 상기 금속기판의 상측에 형성되는 제1초전도층과 제1보호층을 포함하며, 적층수가 2 이상의 자연수 n인 초전도선재는 제1보호층의 상측으로 초전도층 및 보호층의 적층수가 n-1층으로 누적 적층되도록 초전도층과 보호층이 교대로 반복 적층된 형태인 것을 특징으로 한다.
상기 보빈의 중심부에 위치한 팬케이크 코일 단의 초전도선재는 적층 수가 1이고, 상기 보빈의 양단에 위치한 팬케이크 코일 단의 초전도선재는 적층수가 2 내지 4 중 어느 하나이며, 상기 보빈의 중심부를 기준으로 양쪽이 대칭되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 고온초전도 마그넷의 양단에 배치된 팬케이크 코일에서의 임계전류 감소를 방지하면서도 각 팬케이크 코일 단(stage)의 초전도선재 폭을 균일하게 유지할 수 있다.
따라서, 종래 기술에서 임계전류 감소를 보상하기 위하여 가장자리에 위치되는 팬케이크 코일의 초전도선재 폭을 증가시켜 제조되는 경우와 달리, 본 발명에 따른 고온초전도 마그넷은 보다 작은 크기(높이)를 가지면서도 동등하거나 더 우수한 성능을 제공할 수 있다.
또한, 중심부와 가장자리에 위치되는 각 팬케이크 코일의 초전도선재 폭이 모두 동일하게 형성됨에 따라 종래 가변 폭을 이용한 구조와 대비할 경우 차폐전류(screening current)를 저감시킬 수 있으며, 이에 따라 고온초전도 마그넷의 안정성을 향상시킬 수 있다.
아울러, 초전도선재를 단순히 한 층에 여러 번(여러 층) 권선하는 방식이 아니라 초전도층이 복수개 적층된 초전도선재를 권선하는 방식의 제조 방법/구조를 적용함으로써, 고온초전도 마그넷 양단(가장자리)에서의 팬케이크 코일 두께 증가를 최소화할 수 있다.
따라서, 보다 콤팩트한 구조로 성능 향상된 안정적인 고온초전도 마그넷을 제공할 수 있으며, 이를 바탕으로 보다 다양한 분야의 초전도 응용기기에 용이하게 적용 될 수 있다.
도 1 은 종래 고온초전도 마그넷과, 가변 폭을 가지는 고온초전도 마그넷을 비교하여 나타낸 도면.
도 2 는 종래 가변 권선 수(N)를 가지는 고온초전도 마그넷을 나타낸 도면.
도 3 은 본 발명의 실시 예에 따른 가변 적층 수를 가지는 고온초전도 마그넷을 나타낸 도면.
도 4 는 본 발명의 실시 예에 따른 팬케이크 코일 구성을 위한 고온초전도 선재의 적층수에 따른 임계전류의 차이를 보이기 위한 도면.
도 5 는 고온초전도 선재의 폭에 따른 차폐전류의 크기 및 이에 따른 총 전류 분포를 비교 도시한 도면.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세히 설명한다.
각 도면을 통한 실시 예의 설명에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 설명을 간략히 하거나 생략하였으며, 이하 설명되는 실시 예들은 본 발명의 목적, 구성 및 효과를 본 발명이 속하는 기술분야에 속하는 통상의 기술자들에게 알려주기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위는 청구항의 기재에 의해 정의된다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 복수의 단(stage)을 이루는 팬케이크 코일 형태로 초전도선재(21)가 각 단별 권선수(N)가 균일하게 권선된 고온초전도 마그넷에 있어서, 보빈(1)과, 상기 보빈(1)의 외주면을 따라 권선된 팬케이크 코일(2) 및 상기 팬케이크 코일(2)을 구성하며, 팬케이크 코일(2) 위치에 따라 지정된 적층 수를 가지는 초전도선재(21)가 포함되며, 상기 초전도선재(21)는, 보빈(1)의 가장자리(11)로 갈수록 적층 수가 증가하는 형태로 배치되는 고온초전도 마그넷이 제공된다.
상기 '팬케이크 코일 위치'는, 팬케이크 코일이 쌓아올려진 단(stage) 또는 위치를 의미할 수 있다. 예를 들어, 도 3 에는 10개의 단/위치를 가지는 팬케이크 코일로 구성된 고온초전도 마그넷이 도시되어 있다. 이하, '적층된 초전도선재'에서의 '층(layer)'과 구분하여 보다 명확히 설명하기 위해, '팬케이크 코일 위치'로 표현한다.
상기 초전도선재(21)는 금속기판(211)(금속층), 초전도층(213) 및 보호층(214)으로 구성될 수 있다.
이 때, 금속기판(211)과 초전도층(213) 사이에는 완충층(212)이 더 포함될 수 있다.
테이프 형태의 금속기판(211)의 상부에 복수의 산화물 완충층(212)을 코팅하고, 완충층(212)의 상부에 초전도층(213)을 물리적 또는 화학적 방법으로 코팅하여상기와 같은 초전도선재(21)가 제조될 수 있다.
상기 초전도층(213)의 상부에는 은(Ag)을 추가로 코팅하여 보호층(214)을 형성할 수 있다.
상기 금속기판(211)은 내산화성을 지닌 하스텔로이(hastelloy) 또는 스테인레스 스틸(stainless steel)로 구성될 수 있다.
상기 초전도층(213)은 이축배향 구조를 가지며 자속고정점을 포함하는 소재또는 희토류가 포함된 희토류원소-바륨-구리-산소(RE-Ba-Cu-O) 계 소재일 수 있다.
상기 보호층(214)은 귀금속 소재로 구성되며, 상기 귀금속은 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 오스뮴(Os), 레늄(Re) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 초전도선재(21)의 적층 수는, 아래와 같은 제조 방법에 의해 구성될 수 있다.
먼저, 금속기판(211), 초전도층(213) 및 보호층(214)으로 구성된 초전도선재(21) 한 쌍을 준비한다.
상기 한 쌍의 초전도선재(21)를 보호층(214) 이 서로 마주보도록 적층한 뒤, 적층된 상기 초전도선재(21)를 열처리하여 상기 보호층(214)을 접합시킨다.
보호층이 접합된 후에는 일측의 초전도층(또는 초전도선재(21))으로부터 상기 금속기판(211)을 분리한다.
상기 금속기판(211)이 분리되어 표면이 노출된 초전도층(213)의 상부에 보호층(214)을 적층함으로써 2층으로 적층된 초전도선재(21)를 구성할 수 있다.
이러한 과정을 (n-1)회 반복함으로써, 초전도층(213)이 n층으로 적층된 초전도선재(21)를 구성할 수 있다.
상기와 같이 적층된 초전도선재(21)를 고온초전도 마그넷을 구성하는 보빈(1)의 가장자리(11)에 권선함으로써 고온초전도 마그넷 가장자리(11)에서의 임계전류 감소를 방지할 수 있다.
상기 기재에서, '권선 수(N)' 및 '적층 수'는 서로 다른 의미를 나타낸다. '권선 수(N)'란 보빈(1)에 초전도선재(21)가 중첩적으로 감겨지는 횟수를 의미하며, '적층 수'란 하나의 초전도선재(21)에서 초전도층이 몇 개의 층(layer)으로 적층되었는지를 의미한다.
팬케이크 코일 위치마다 초전도선재(21) 권선 수(N)가 균일하다는 의미는, 팬케이크 코일(2)의 단(stage) 별 초전도선재(21)의 두께(D) 변화를 최소화하도록 동일/유사한 횟수만큼을 권선하는 것을 의미하며, 바람직하게는 동일한 횟수만큼을 권선하는 것을 의미한다.
팬케이크 코일 위치에 따라 지정된 적층 수를 가진다는 의미는, 예를 들어 보빈(1)의 중심부(12) 부근에서는 하나의 적층 수를 가지는 초전도선재(21)를 권선하고, 가장자리(11) 부근에서는 세 개의 적층 수를 가지는 초전도선재(21)를 권선하는 것을 의미한다.
보빈(1)의 가장자리(11)로 갈수록 적층 수가 증가하는 형태로 배치된다는 의미는, 예를 들어 보빈(1)의 중심부(12) 부근에 위치한 팬케이크 코일(2)에는 1층짜리 초전도선재(21)가 적용되었을 때, 그보다 바깥쪽(상단 또는 하단에 가까워지는 방향)에 위치한 팬케이크 코일(2)에는 2층 또는 3층짜리 초전도선재(21)가 적용될 수 있으며, 그보다 더 바깥쪽에 위치한 팬케이크 코일(2)에는 3층 또는 4층짜리 초전도선재(21)가 적용될 수 있다는 것을 의미한다.
즉, 상기 보빈(1)의 외주면을 따라 각 단별 권선되는 초전도선재(21)는 상기 보빈(1)의 가장자리(11)로 갈수록 단위면적당 초전도층의 비율이 높아지도록 초전도층의 적층수가 많은 초전도선재(21)가 적용된다.
그리고, 상기 초전도선재(21)는 금속기판(211), 상기 금속기판(211)의 상부에 적층된 제1초전도층(213) 및 상기 제1초전도층(213)의 상부에 적층된 제1보호층(214)을 포함하되, 적층수가 2 이상의 자연수 n인 초전도선재(21)는, 제1보호층(214)의 상측으로, 초전도층 및 보호층의 적층수가 n-1층으로 누적 적층되도록 초전도층과 보호층이 교대로 반복 적층되어 구성될 수 있다.
또한, 본 실시 예에서 상기와 같이 구성되는 초전도선재(21)는 누적 적층되는 초전도층 및 보호층은 대략 5um 정도의 두께 증가를 가져옴에 따라 팬케이크 코일(2)의 권선 수(N)를 각 팬케이크 코일 단 마다 동일하게 유지하더라도 두께 편차가 크게 나타나지 않는다.
따라서, 고온초전도 마그넷의 전체 높이는 물론 부피 변화를 줄일 수 있으므로, 고온초전도 마그넷의 설계가 보다 용이하게 이루어질 수 있다.
한편, 도 4 에는 본 발명의 실시 예에 따른 팬케이크 코일 구성을 위한 초전도 선재의 적층수에 따른 임계전류의 차이를 보이기 위한 도면으로, 초전도층이 단층인 경우(도 4a)와 2층인 경우(도 4b) 및 4층인 경우(도 4c)가 구분 도시된다.
따라서, 본 발명에 따른 고온초전도 마그넷은 상기와 같이 초전도층이 적층 수에 따른 임계전류 값을 확인하고, 이를 활용하여 중심부(12)와 가장자리(11) 및 그 사이에 위치되는 초전도선재(21)를 결정하여 고온초전도 마그넷을 제조할 수 있다.
일 예로, 상기 보빈(1)의 중심부(12)는 임계전류 237.2A의 초전도 단층 구조가 적용되고, 보빈(1)의 가장자리(11)에는 임계전류 795.0A의 초전도 4층구조를 적용하며, 중심부(12)와 가장자리(11) 사이에는 임계전류 458.8A의 초전도 2층구조를 적용하여 보빈(1)의 중심부(12)를 기준으로 상하 대칭구조를 가지도록 고온초전도 마그넷이 구성될 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 고온초전도 마그넷은 상기 보빈(1)의 양단에 위치한 팬케이크 코일(2)의 임계전류 설계 조건을 만족하는 범위 내에서 상기 초전도선재(21)의 적층 수가 결정될 수 있다.
한편, 팬케이크 코일(2)의 경우 변화하는 자속선에 의해 차폐전류(SC)가 발생되는데, 이와 같은 차폐전류는 전술한 바와 같이 쇄교되는 면적이 넓을수록 커진다.
도 5 는 초전도 선재의 폭에 따른 차폐전류의 크기 및 이에 따른 총 전류 분포를 비교 도시한 도면으로, 도면을 참조하면, 권선된 선재의 폭이 넓을수록 쇄교면적이 넓어 차폐전류의 크기가 증가하게 된다.
상세히, 소정 크기의 폭을 가지는 하나의 초전도 선재가 권선되어 전송전류(Transport Current)가 초전도 선재에 흐르게 되면, 초전도 선재를 원주형태로 감싸는 자기장(self-field)이 형성되고, 차폐전류(Screening Current)가 유도된다.
그리고, 상기와 같이 유도되는 차폐전류는 도 5a와 같이 작용하여 초전도 선재에 흐르는 총 전류(Total Current)의 분포가 전체적으로 불균일하게 형성된다.
반면, 도 5a의 절반의 폭을 가지는 초전도 선재가 권선된 도 5b의 전류분포를 살펴보면, 상대적으로 작은 폭의 초전도 선재에 유도되는 차폐전류가 감소됨으로써 총 전류 분포가 보다 안정화되어 초전도 마그넷의 안정성이 향상되는 효과를 가져올 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 고온초전도 마그넷에서는 전술한 바와 같이 차폐전류의 크기가 초전도 선재의 폭에 비례하여 증가함에 따라 보빈(1)에 권선되는 초전도 선재의 폭을 중심부(12)와 가장자리(11) 모두 동일한 크기로 적용하되, 가장자리(11)에 권선되는 초전도 선재를 초전도 다층 구조로 적용함으로써 차폐전류의 영향은 줄이고 단위면적당 초전도층의 비율을 증가시켜 고온초전도 마그넷의 안정성을 높일 수 있다.
본 발명에 따른 고온초전도 마그넷은 팬케이크 코일 각 단(stage)의 초전도선재 폭을 균일하게 유지하면서 고온초전도 마그넷의 양단에서 임계전류 감소를 방지하도록 구성된다.
따라서, 종래 고온초전도 마그넷 대비 소형화를 구현하면서 보다 안정적이고 우수한 성능의 고온초전도 마그넷을 제공할 수 있다.
따라서, 전력생산, 전력계통, 에너지 다소비 산업은 물론 저자장분야와 저온 고자장분야 등에 적용 가능하며, 이를 바탕으로 보다 다양한 제품분야로 응용될 수 있다.
또한, 세계 초전도 시장 규모가 2050년 1130억 달러를 초과할 것으로 추정되는 가운데 초전도 기술 육성을 위한 국가별 정책동향에 힘입어 초전도 시장 규모 및 적용 범위는 더욱 확대될 것으로 전망되고 있으므로, 본 발명의 산업상 이용가능성은 보다 높아질 것으로 예상된다.

Claims (4)

  1. 복수의 단(stage)을 이루는 팬케이크 코일 형태로 초전도 선재가 각 단별 균일한 횟수로 권선되어 이루어지는 고온초전도 마그넷에 있어서,
    팬케이크 코일의 중심을 이루는 보빈;
    상기 보빈의 외주면을 따라 각 단별 권선되는 초전도선재는 단의 위치에 따라 지정된 초전도층 적층 수를 가지며,
    상기 초전도선재는 상기 보빈의 가장자리로 갈수록 적층 수가 증가하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 고온초전도 마그넷.
  2. 복수의 단(stage)을 이루는 팬케이크 코일 형태로 초전도 선재가 각 단별 균일한 횟수로 권선되어 이루어지는 고온초전도 마그넷에 있어서,
    팬케이크 코일의 중심을 이루는 보빈;
    상기 보빈의 외주면을 따라 각 단별 권선되는 초전도선재는 각각 동일한 폭을 가지되, 팬케이크 코일 단의 위치에 따라 단위면적당 초전도층의 비율이 서로 다르게 형성되며,
    상기 초전도층의 비율은 각 단을 구성하는 초전도 선재에 포함되는 초전도층 적층 수에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 고온초전도 마그넷.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 초전도선재는,
    금속기판과,
    상기 금속기판의 상측에 형성되는 제1초전도층과 제1보호층을 포함하며,
    적층수가 2 이상의 자연수 n인 초전도선재는,
    제1보호층의 상측으로 초전도층 및 보호층의 적층수가 n-1층으로 누적 적층되도록 초전도층과 보호층이 교대로 반복 적층된 형태인 것을 특징으로 하는 고온초전도 마그넷.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 보빈의 중심부에 위치한 팬케이크 코일 단의 초전도선재는 적층 수가 1이고,
    상기 보빈의 양단에 위치한 팬케이크 코일 단의 초전도선재는 적층수가 2 내지 4 중 어느 하나이며,
    상기 보빈의 중심부를 기준으로 양쪽이 대칭되도록 구성되는 고온초전도 마그넷.
PCT/KR2022/013272 2021-12-09 2022-09-05 고온초전도 마그넷 WO2023106566A1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2021-0176042 2021-12-09
KR1020210176042A KR20230087253A (ko) 2021-12-09 2021-12-09 고온초전도 마그넷

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023106566A1 true WO2023106566A1 (ko) 2023-06-15

Family

ID=86730567

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2022/013272 WO2023106566A1 (ko) 2021-12-09 2022-09-05 고온초전도 마그넷

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR20230087253A (ko)
WO (1) WO2023106566A1 (ko)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07142245A (ja) * 1993-11-17 1995-06-02 Mitsubishi Electric Corp 高温超電導マグネット、その設計方法および運転方法、並びに高温超電導テープ材の製造方法
US20150213930A1 (en) * 2012-03-13 2015-07-30 Massachusetts Institute Of Technology No-Insulation Multi-Width Winding for High Temperature Superconducting Magnets
JP5826442B1 (ja) * 2014-11-26 2015-12-02 三菱電機株式会社 超電導マグネットおよび超電導マグネットの製造方法
KR101651486B1 (ko) * 2015-12-07 2016-08-26 한국기초과학지원연구원 병렬방식을 이용한 초전도 마그넷 장치
WO2021101086A1 (ko) * 2019-11-20 2021-05-27 주식회사 서남 유연성 있는 선재와 그의 가공 방법

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9117678B2 (en) 2013-12-13 2015-08-25 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Ltd. Semiconductor devices

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07142245A (ja) * 1993-11-17 1995-06-02 Mitsubishi Electric Corp 高温超電導マグネット、その設計方法および運転方法、並びに高温超電導テープ材の製造方法
US20150213930A1 (en) * 2012-03-13 2015-07-30 Massachusetts Institute Of Technology No-Insulation Multi-Width Winding for High Temperature Superconducting Magnets
JP5826442B1 (ja) * 2014-11-26 2015-12-02 三菱電機株式会社 超電導マグネットおよび超電導マグネットの製造方法
KR101651486B1 (ko) * 2015-12-07 2016-08-26 한국기초과학지원연구원 병렬방식을 이용한 초전도 마그넷 장치
WO2021101086A1 (ko) * 2019-11-20 2021-05-27 주식회사 서남 유연성 있는 선재와 그의 가공 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20230087253A (ko) 2023-06-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4657921B2 (ja) 超電導線材及びそれを用いた超電導コイル
US7106156B2 (en) Superconductor cables and magnetic devices
JP4558517B2 (ja) 超電導コイル
WO2021185012A1 (zh) 一种全耦合磁性元件
EP1691381A2 (en) Fault current limiting superconducting coil
US5171941A (en) Superconducting strand for alternating current
CZ20012988A3 (cs) Kabel, způsob jeho výroby a pouľití tohoto kabelu
CN102484198A (zh) 多丝导体及其制造方法
WO2014208843A1 (ko) 라미네이트 구조를 갖는 초전도 선재 그 제조방법
US7698804B2 (en) Method for producing a fully transposed high Tc composite superconductor and a superconductor produced by said method
CA2018681C (en) Process for reducing eddy currents in a superconductor strip, and a superconductor arrangement
US5604473A (en) Shaped superconducting magnetic coil
WO2023106566A1 (ko) 고온초전도 마그넷
JPH11506261A (ja) 撚られた個別導体から成る２つの同心の導体配置を有する交流ケーブル
JP2007305386A (ja) 超電導線材、超電導導体、超電導機器、超電導線材の製造方法、および超電導導体の製造方法
WO2011062344A1 (ko) 초전도선재의 다중전위방법
JP4774494B2 (ja) 超電導コイル
AU694296B2 (en) Variable profile superconducting magnetic coil
WO2019198937A1 (ko) 초전도층이 적층된 고온초전도선재 및 그 제조방법
WO2021054707A1 (ko) 평판 스피커용 가동 코일
WO2021107248A1 (ko) 확산접합을 이용한 고온초전도코일의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 고온초전도코일
WO2019027265A1 (ko) 듀얼 코어 평면 트랜스포머
JP2011076924A (ja) 超電導ケーブル
WO2017099408A1 (ko) 병렬방식을 이용한 초전도 마그넷 장치
US11587701B2 (en) Series-connected superconducting magnet cables

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22904401

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1