Pinning force is the mechanism between a superconductor and a permanent magnet and it provides a stable levitation. However, when external force greater than the pinning force such as the earthquake exerts, the levitated object may lose the levitating characteristic. In order to achieve more stabili...
Pinning force is the mechanism between a superconductor and a permanent magnet and it provides a stable levitation. However, when external force greater than the pinning force such as the earthquake exerts, the levitated object may lose the levitating characteristic. In order to achieve more stabilized levitation, the copper plate was inserted in between a superconductor and permanent magnets. And by applying the eddy current effect caused from the relationship between a copper plate and permanent magnets, more stabilized levitation can be established. In this study, an optimized design was found based on various configurations of permanent magnet's polarity, thickness and area of copper plate, and the gap distance between copper plate and permanent magnet. As results, higher eddy current value was obtained at where the change of polarity exists in permanent magnet configuration, and the highest eddy current value was observed at the copper plate thickness of 5 mm and the area of 80 mm ${\times}$ 80 mm. From the resulted optimized conditions above, which are 7 mm gap distance between a superconductor and permanent magnets and 80 mm ${\times}$ 80 mm ${\times}$ 5 mm dimension of a copper plate, the stiffness value was 65 % increased comparing to without any copper plate insertion.
Pinning force is the mechanism between a superconductor and a permanent magnet and it provides a stable levitation. However, when external force greater than the pinning force such as the earthquake exerts, the levitated object may lose the levitating characteristic. In order to achieve more stabilized levitation, the copper plate was inserted in between a superconductor and permanent magnets. And by applying the eddy current effect caused from the relationship between a copper plate and permanent magnets, more stabilized levitation can be established. In this study, an optimized design was found based on various configurations of permanent magnet's polarity, thickness and area of copper plate, and the gap distance between copper plate and permanent magnet. As results, higher eddy current value was obtained at where the change of polarity exists in permanent magnet configuration, and the highest eddy current value was observed at the copper plate thickness of 5 mm and the area of 80 mm ${\times}$ 80 mm. From the resulted optimized conditions above, which are 7 mm gap distance between a superconductor and permanent magnets and 80 mm ${\times}$ 80 mm ${\times}$ 5 mm dimension of a copper plate, the stiffness value was 65 % increased comparing to without any copper plate insertion.
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문제 정의
특히 값비싼 문화재, 전기기기 장비들도 지진에 그대로 노출되어 있다. 본 논문에서는 지진 및 외부 충격으로부터 문화재 및 전기기기를 초전도 자기부상을 이용하여 보호하고자 한다.
식 (2)에서 보여 주듯이, 구리판의 두께 (d)가 두꺼울수록 와상전류 효과는 크게 나타난다는 것을 예상할 수 있다. 하지만 무한정 두꺼운 구리판을 사용할 수 없기 때문에 포화 점 (saturation point)을 찾고자 한다.
가설 설정
식 (2)의 d에 따르면, 와상전류는 구리판으로 침투하는 자속량에 비례한다는 것을 알 수 있다. 즉, 영구자석과 구리판 사이의 간격이 멀어지면 구리판으로 침투하는 자속량을 적어질 것이다. 하지만 초전도 자기부상을 하기 위해서는 gap이 존재하여야 한다.
제안 방법
최적화된 조건을 초전도 자기부상에 적용하여 stiffness를 측정하고자 한다. 구리판을 초전도 벌크위에 강력접착제를 이용하여 접착 시킨 후 field-cooling을 하였다.
2(d)는 외경이 40 mm, 내경이 12 mm인 영구자석이다. 균인한 자속분포를 위해 영구자석 윗면에 철판 2 mm를 붙여 실험하였다 [7]. Fig.
5 mm로 가진하였다[4]. 또한, 와상전류 효과를 향상시킬 수 있는 방법으로, 영구자석 배열방법, 구리판의 두께, 넓이, 영구자석과 구리판 사이의 간격을 최적화시킨 후 초전도 자기부상에 직접 적용하였다.
와상전류는 식 (2)와 (3)에 의해 자속밀도, 주파수 (자속변화), 구리판의 두께 등으로 결정된다. 본 실험에서는 지진강도 6.5에 해당하는 가진기 조건 4 Hz, 16.5 mm에서 와상전류 향상을 위해 영구자석 배열, 구리판의 두께 및 넓이, 영구자석과 구리판 간격을 최적화하였다. 최적화된 영구자석은 가진기가 움직이는 방향으로 자속변화를 갖는 영구자석 배열 (Fig.
본 실험에서는 지진강도 6.5에 해당하는 조건을 묘사하기 위해 가진기를 이용하여 4 Hz, ±16.5 mm로 가진하였다[4].
하지만 본 논문에서는 자기부상 안정화를 위해 기계적 관점으로부터 검토되었다. 실험방법은 영구자석과 구리판 (copper plate)를 이용하여 영구자석이 구리판위를 지나갈 때 발생하는 와상전류 (eddy current)를 초전도 자기부상에 적용한다. 댐핑 (damping) 효과 향상을 위해 초전도 자기부상 열차 및 초전도 베어링에 구리판을 적용하여 실험한 사례 [1-3]가 있다.
실험순서는 영구자석의 배열과 구리판의 넓이, 두께를 최적화 하고, 영구자석과 구리판 사이의 간격을 최적화한다.
실험을 통해 영구자석 배열, 구리판의 두께를 최적화 시켰다. 식 (2)의 d에 따르면, 와상전류는 구리판으로 침투하는 자속량에 비례한다는 것을 알 수 있다.
초전도 벌크와 영구자석의 간격은 구리판의 두께 5 mm를 고려하여 7 mm, 9 mm, 10 mm로 조건을 정했다. 초전도 벌크와 영구자석 사이의 간격이 11 mm 이상이 되면 불안정한 자기부상으로 외부 충격이 있을 때 부상된 영구자석이 불안정한 현상을 확인하였다.
영구자석의 배열방법, 구리판의 조건 (80 mm x 80 mm x 5mm), 영구자석과 구리판의 간격 2 mm가 최적화 되었다. 최적화된 조건을 초전도 자기부상에 적용하여 stiffness를 측정하고자 한다. 구리판을 초전도 벌크위에 강력접착제를 이용하여 접착 시킨 후 field-cooling을 하였다.
대상 데이터
임계온도가 92 K인 Y1B2C3O7-x bulk (40 mm x 40 mm x 15 mm)를 사용하였다. 영구자석은 0.4 T의 자속밀도를 갖는 원형, 링형 (round type), 사각영구자석 배열 (2가지)로 4가지 형태가 사용되었으며 Fig. 2 (top view of permanent magnet)에 나타내었다. Fig.
와상전류 측정을 위해 투자율이 진공 (CGS 단위계: 1)과 거의 비슷한 구리판 (CGS 단위계:0.999991)을 사용하였다. 구리판을 선택한 이유는 가격이 저렴하면서 전도성 (conductivity of copper: 59.
1에서와 같이 로드셀을 사용하였다. 임계온도가 92 K인 Y1B2C3O7-x bulk (40 mm x 40 mm x 15 mm)를 사용하였다. 영구자석은 0.
이론/모형
5 mm로 움직인다. 지진 6.5는 Tsuboi 공식을 이용하였다.
성능/효과
위 조건을 초전도 자기부상에 적용하여 로드셀 (load cell)로 stiffness 측정결과, 초전도 벌크와 영구자석 사이가 7 mm (구리판 두께 5 mm 포함)에서 stiffness가 65 % 향상된 값을 보였다. 또한 초전도 벌크와 영구자석 사이가 9 mm와 10 mm에서는 각각 36 %와 18.7 % 향상된 값을 보였다.
2a)과 80 mm x 80 mm x 5 mm의 구리판에서 최대의 와상전류가 측정되었다. 위 조건을 초전도 자기부상에 적용하여 로드셀 (load cell)로 stiffness 측정결과, 초전도 벌크와 영구자석 사이가 7 mm (구리판 두께 5 mm 포함)에서 stiffness가 65 % 향상된 값을 보였다. 또한 초전도 벌크와 영구자석 사이가 9 mm와 10 mm에서는 각각 36 %와 18.
즉, 지진강도 6.5에 해당하는4 Hz, ±16.5 mm에서 구리판 두께 5 mm에서 와상전류가 포화되었다는 것을 확인할 수 있다.
초전도 벌크와 영구자석의 간격은 구리판의 두께 5 mm를 고려하여 7 mm, 9 mm, 10 mm로 조건을 정했다. 초전도 벌크와 영구자석 사이의 간격이 11 mm 이상이 되면 불안정한 자기부상으로 외부 충격이 있을 때 부상된 영구자석이 불안정한 현상을 확인하였다. Fig.
초전도 벌크와 영구자석 사이의 간격이 9 mm일 때 구리판이 없을 때는 ±12.5 N/m, 구리판이 있을 때는 ±17 N/m로 구리판을 적용하였을 때 36 % 향상되었으며, 초전도 벌크와 영구자석 사이의 간격이 10 mm일 때 구리판이 없을 때는 ±11.8 N/m, 구리판이 있을 때는 ±14 N/m로 구리판을 적용하였을 때 18.7 % 향상된 stiffness를 보여준다.
초전도 벌크와 영구자석의 간격이 7 mm일 때 구리판이 없을 때는 ±14.6 N/m, 구리판이 있을 때는 ±23 N/m로 약 65 % 향상된 stiffness값을 측정하였다.
5 mm에서 와상전류 향상을 위해 영구자석 배열, 구리판의 두께 및 넓이, 영구자석과 구리판 간격을 최적화하였다. 최적화된 영구자석은 가진기가 움직이는 방향으로 자속변화를 갖는 영구자석 배열 (Fig. 2a)과 80 mm x 80 mm x 5 mm의 구리판에서 최대의 와상전류가 측정되었다. 위 조건을 초전도 자기부상에 적용하여 로드셀 (load cell)로 stiffness 측정결과, 초전도 벌크와 영구자석 사이가 7 mm (구리판 두께 5 mm 포함)에서 stiffness가 65 % 향상된 값을 보였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
초전도 자기부상은 무엇에 의존하는가?
초전도 벌크 (superconductor bulk)와 영구자석을 이용한 초전도 자기부상은 초전도 벌크의 pinning force와 영구자석의 자속밀도 (B), 초전도 벌크와 영구자석 사이의 간격에 의존한다. 초전도 자기부상 상태에서 외부 충격이 가해지면 부상되어 있는 영구자석이 불안정해진다.
초전도 자기 부상을 하기 위한 gap은 최소 몇 mm 이상 되어야 하는가?
하지만 초전도 자기 부상을 하기 위해서는 gap이 존재하여야 한다. 외부충격에 의해 부상되어있는 영구자석이 흔들려서 초전도 벌크와 충돌 할 수 있는 점을 감안하여 간격은 최소 2 mm 이상 되어야 한다[3].
와상전류는 무엇에 비례하는가?
위 식에 따르면 와상전류는 자속밀도, 주파수, 구리판의 두께에 비례한다. 식 (2)에서, 주파수 (f)가 빠르면 와상전류는 향상되는 반면 식 (3) 에서는 주파수가 클수록 침투깊이 (penetration depth)가 감소되어 와상전류가 향상되는 것을식 (2)와 (3)을 통해서 알 수 있다.
참고문헌 (7)
J. Zheng, Z. Deng, Y. Zhang, W. Wang, S. Wang, J. Wang, IEEE Trans. Appl. Supercond. 19 (2009) 2148.
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