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제안 방법
- 100마력급 고온 초전도 전동기용 계자 코일을 고강도 Bi-2223 도체를 사용하여 wet winding method로 제작하고 특성평가를 하였다.
- 본 연구에서는 각 더블 팬케이크 코일을 권선한 후 보빈 에 적층하는 방식을 채택하였다. 또한 100마력급 초전도 전동기의 냉각방식을 액체 네온을 이용한 전도냉각으로 구상하였기 때문에 코일의 효과적인 냉각을 위해 액체네온이 증발하는 기화기(evaporator)가 내부에 설치된 주구조물에 보빈이 붙어 있는 보빈 일체형 샤프트를 설계하게 되었다. 그림 5(b)는 제작된 보빈 일체형 주 구조물에 서브코일들이 부착된 계자 코일을 나타낸다.
- 우리나라에서도 2001년 9월부터 21세기 프론티어 연구개발 사업인 차세대초전도 응용기술개발 사업단의 지원을 받아 산업용 HTS 전동기 개발연구를 진행 중인데 1단계 목표가 100마력급 동기전동기의 개발이었다. 본 연구에서는 100마력급 고온 초전도 전동기에 사용될 계자 코일을 특별히 제작한 권선기를 사용하여 레이스트랙형 더블 팬케이크 코일로 설계 및 제작하였으며, 액체질소 온도(77K)에서 성능평가를 한 후 고온 초전도 코일과 코일들 사이의 열결선에서 발생하는 Joule열 을 계산하고 검토하였다.
- 이 두 가지 경우 모두 계자 코일의 형상에 따라 코일이 닿는 부분의 보빈 모양이 결정되기 때문에 같은 형상을 가진다. 본 연구에서는 각 더블 팬케이크 코일을 권선한 후 보빈 에 적층하는 방식을 채택하였다. 또한 100마력급 초전도 전동기의 냉각방식을 액체 네온을 이용한 전도냉각으로 구상하였기 때문에 코일의 효과적인 냉각을 위해 액체네온이 증발하는 기화기(evaporator)가 내부에 설치된 주구조물에 보빈이 붙어 있는 보빈 일체형 샤프트를 설계하게 되었다.
- 테이프 사이의 절연은 Nomex paper type 400을 사용하고 층간절연은 FRP 천을 사용하였으며 wet winding method를 사용하였다. 서브 코일 들의 치수를 일정하게 되도록 직선부 사이의 간격을 치구를 사용하여 고정시켰다. 사용한 에폭시의 경화 조건을 고려하여 전기로를 사용하여 80℃에서 3시간 경화시켰다.
- 각 pole A, B, C, D의 Ic도 비슷하였다. 코일 전체에 전류를 인가하면서 각 서브코일의 Ic를 측정하였다. 또, 각 계자코일의 Ic값과 계자코일을 구성하는 각 더블 팬케이크 코일들의 Ic를 서로 비교하여 그림 8에 나타내었다.
- 즉, HTS 도체가 차지한 위치에서 HTS 도체의 면에 수직한 자장의 세기가 가장.큰 곳이 DP #4 서브 코일이 위치한 곳으로 추정되는데 정확한 위치를 알아보기 위해 HTS 도체의 면에 수직한 자장의 세기 분포를 OPERA를 이용하여 해석하였다. 그림 10에 그 결과를 나타내었는데, 해석시 고려한 운전 전류는 50A이었다.
대상 데이터
- 초전도 전동기의 계자 코일에 사용될 코일은 테이프 모양을 갖는 고온 초전도 도체의 특성상 더블 팬케이크 코일 모양으로 권선된다. 계자 코일에 사용한 도체는 AMSC사의 고강도 Bi-2223 도체로 운전 온도 30K에서 운전 전류를 100A로 정하고 1차년도에 설계한 2차원 평면 설계 결과를 기초로 하여 더블 팬케이크 코일을 배치하였으며, 그 결과를 그림 2에 나타내었다. 계자 코일 한극은 4개의 더블 팬케이크 코일로 구성되고, 총 권선턴수는 500턴이다.
- 코일에 사용한 도체의 Ic와 제작한 더블 팬케이크 코일의 Ic를 그림 6에 나타내었다. 구입한 HTS 도체 중 Ic가 상대적으로 높은 도체를 수직자장의 세기가 가장 큰 영역에 위치할 것으로 예상되는 DP #4용으로 사용하였다. 코일 각각의 Ic는 자체 발생자장 때문에 권선수가 가장 많은 DP #3에서 가장 낮게 나타났다.
- 26T이고, 위치는 DP #4 서브 코일의 바깥쪽 부분이다. 그래서 계자 코일 제작시 서브 코일 DDP#4에는 다른 도체보다 상대적으로 Ic가 높은 125A 이상인 도체를 사용하였다.
- 권선시 도체에 걸리는 인장을 고려하면 인장강도가 높아 취급이 용이한 것을 선정하는 것이 중요하다. 따라서 임계전류(Ic)가 115A 이상이고 stainless steel 테이프가 양면에 부착하여 기계적 인장강도를 높인 AMSC 도체를 100마력 HTS 동기전동기 제작용 도체로 선정하였다. 그림 1과 표 1에 선정한 도체의 단면과 특성을 나타내었다.
- 따라서 계자권선의 운전전류를 산정할 때에는 가장 Ic가 낮은 서브 코일의 Ic값 이하이면서 각 접합에서 발생하는 Joule 열도 충분히 고려하는 것이 시스템이 안정성을 높이는 방법이다. 본 연구에서는 77K의 경우 여유를 가진 운전전류로 30A를 선택할 수 있다.
- 표 2에 나타낸 턴수에 접합의 여유를 고려하여 AMSC사 의 고강도 Bi-2223 도체를 사용하여 서브코일들을 제작하였으며 한극 제작에 사용될 팬케이크 코일들을 그림 4 (a)에 나타내었다. 권선시에 턴 수가 작은 것은 장력을 400gf로 하였고 턴수가 많은 것은 10턴 혹은 20턴씩 줄 때 20gf를 줄이면서 권선을 하였다.
이론/모형
- 도체의 두께가 도체마다 달라서 각 코일 의 턴수도 약간씩 차이가 있다. 테이프 사이의 절연은 Nomex paper type 400을 사용하고 층간절연은 FRP 천을 사용하였으며 wet winding method를 사용하였다. 서브 코일 들의 치수를 일정하게 되도록 직선부 사이의 간격을 치구를 사용하여 고정시켰다.
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