[논문]초전도 특성평가장치용 고온 초전도 마그네트의 개념 설계

최석진; 이세연; 배준한; 손명환; 김우석; 박찬; 이지광; 이상진; 최경달

doi:10.9714/psac.2009.11.1.020

문제 정의

본 논문에서는 초전도 특성평가장치용 마그네트의 개념설계를 하였다. 선재량과 수직 최대 자장, 운전 전류 등을 고려하여 초전도 특성평가장치에 적합한 마그네트의 사양을 결정할 수 있도록 설계를 진행하였다.
2km로 고정시킨 상태에서의 전자장 해석을 수행하였다. 전체 마그네트에 사용되는 선재량은 고정시키고 해석한 이유는, 마그네트의 수에 따른 전자장 분포를 확인하고, 가장적합한 마그네트 수를 정하기 위해서이다. 전체 마그네트에 사용되는 선재량을 고정시켰기 때문에, 마그네트의 권선 turn 수는 정해지며 , Ic/Io를 고려하지 않은 상태에서, 중심자장 3T를 만들어내도록 운전전류를 정하였다.
본 논문에서는 초전도 특성평가장치용 마그네트 설계 기술을 개발하였으며 , 이 설계 기술을 이용하며 , 특성평가 장치에 적합한 마그네트 사양을 결정하였다. 균일도를 고려할 때, 마그네트는 split 형태이어야 하며, 직선부 길이가 110mm이상이 되어야 함을 확인하였다.

제안 방법

하였다. 선재량과 수직 최대 자장, 운전 전류 등을 고려하여 초전도 특성평가장치에 적합한 마그네트의 사양을 결정할 수 있도록 설계를 진행하였다.
특성평가용 초전도 마그네트 코일을 설계하려면 코일의 저장에너지, 코일의 누설자속, 도체에 걸리는 수직 및 수평 자장 분포, 중심자장 등을 정확히 계산할 수 있어야 하며, 냉동기의 냉각용량을 고려하여 코일에서 초전도 선재의 전압-전류 특성에 의해 발생하는 정상 운전 시손실과 교류손실에 관한 연구도 병행 되어야 한다〔2〕. 특성평가용 초전도 마그네트 코일 설계를 위하여 전자장 상용해석프로그램 인 MagNet을 사용하여 전자장 해석을 수행하였다. 초전도 특성평가장치용 마그네트는 스미토모사의 DI-BSCCO 선재를 사용하였으며, 선재의 자장에 따른 임계전류 변화는 그림 2와 같다.
7로 정하였다. 액체질소로 냉각하는 有우와 달리, 전도냉각형 마크 넷의 경우 냉동기의 효율을 고려하여 임계전류에 따른 마진을 주도록 하였다. 전자장 해석 결과와 선재의 사양에 따라 운전전류가 달라진다.
전체 마그네트에 사용되는 선재량를 1.2km로 고정시킨 상태에서의 전자장 해석을 수행하였다. 전체 마그네트에 사용되는 선재량은 고정시키고 해석한 이유는, 마그네트의 수에 따른 전자장 분포를 확인하고, 가장적합한 마그네트 수를 정하기 위해서이다.
전체 마그네트에 사용되는 선재량은 고정시키고 해석한 이유는, 마그네트의 수에 따른 전자장 분포를 확인하고, 가장적합한 마그네트 수를 정하기 위해서이다. 전체 마그네트에 사용되는 선재량을 고정시켰기 때문에, 마그네트의 권선 turn 수는 정해지며 , Ic/Io를 고려하지 않은 상태에서, 중심자장 3T를 만들어내도록 운전전류를 정하였다. 그 결과는 표 3과 같다.
마그네트에 iron 구조물을 설치하는 경우, 마그네트에 걸리는 자장도 높아지지만 중심자장도 커지는 효과가 올 수 있다. 이러한 효과를 알아보기 위하여 전자장 해석을 수행하였다. iron에 대한 해석은 운전전류는 275A, HT type의 4pair 마그네트로 고정하였다.
iron에 대한 해석은 운전전류는 275A, HT type의 4pair 마그네트로 고정하였다. 마그네트의 양쪽에 마그네트와 같은 형태의 iron의 구조물을 설치하였으며, iron의 두께를 It부터 4t까지 늘려가며 전자장 해석을 수행하였고, 그 결과는 표 4와 같다. 그리고, iron의 두께를 It로 고정시키고 iron 구조물과 마그네트와의 간격을 늘려가면서 전자장 해석을 수행하였다.
마그네트의 양쪽에 마그네트와 같은 형태의 iron의 구조물을 설치하였으며, iron의 두께를 It부터 4t까지 늘려가며 전자장 해석을 수행하였고, 그 결과는 표 4와 같다. 그리고, iron의 두께를 It로 고정시키고 iron 구조물과 마그네트와의 간격을 늘려가면서 전자장 해석을 수행하였다. 그 결과는 표5와 같다.
앞의 결과를 토대로 특성평가장치에 적합한 마그네트의 사양을 결정하기 위한 전자장 해석을 수행하였다. 선재의 제 작상 DPC당 마그네트의 선재량은 200m 이하이며, 마그네트가 안정적으로 운전이 가능하도록 Io/Ic = 0.
선재의 제 작상 DPC당 마그네트의 선재량은 200m 이하이며, 마그네트가 안정적으로 운전이 가능하도록 Io/Ic = 0.7로 마진을 주며 , 5mm x 100mm 중심공간에서 균일도가 1%가 유지되는 마그네트를 설계하도록 전자장 해석을 수행하였다.
DPC당 마그네트의 선재 량을 최 대로 하여 , DPC 4pair 의 전자장 해석을 수행하였고, 중심자장을 3T로 만들기 위한 운전전류는 220A였으며, 마그네트에 수직으로걸리는 최대 자장은 4.23T였다. 수직으로 걸리는 최대자장을 고려할 때, Io/Ic = 0.
직선부 길이가 100mm인 모델에서 1%의 균일도를 만족하는 공간은 -45~46mm로 약 91mm에서 1% 의 균일도를 유지할 수 있었다. 균일도가 유지되는 공간을 100mm로 만들기 위하여, 마그네트의 직선부 길이를 크게 하며 전자장 해석을 수행하였다. 마그네트의 직선부 길이가 커지면 균일도가 유지되는 공간이 늘어나는 장점이 있다.

대상 데이터

특성평가용 초전도 마그네트 코일 설계를 위하여 전자장 상용해석프로그램 인 MagNet을 사용하여 전자장 해석을 수행하였다. 초전도 특성평가장치용 마그네트는 스미토모사의 DI-BSCCO 선재를 사용하였으며, 선재의 자장에 따른 임계전류 변화는 그림 2와 같다. 전자장 해석은 최소 굽힘 반경과 코일의 직선부 길이, 그리고 코일간 간격을 고정시킨 다음.

성능/효과

48T였다. 예상한 대로 split 마그네트보다 un-split 마그네트가 Ic/Io를 볼 때 더 안정적으로 운전할 수 있었다. 그러나, 마그네트의 중심공간에서의 자장 분포를 볼 때, 균일도에서 차이가 나는 것을 확인할 수 있었다.
그 결과는 표 3과 같다. 마그네트의 임계전류와 비교할 때 마그네트의 운전전류가 매우 높았으며, 안정적으로 마그네트를 운전하기 위해서는 더 많은 선재량이 필요할 것으로 판단되었다.
86T였다. 중심자장과 마그네트에 걸리는 최대 자장이 예상한대로 증가하고, 마그네트에 걸리는 수직 최대자장은 오히려 작아지는 효과가 있었지만, iron 구조물을 설치한 효과는 미비하였다. 향후 iron의 구조물 형태를 변화시켜 전자장 해석을 수행할 계획이다.
특성평가장치는 중심공간에서 Y 방향 100mm에서 1%의 균일도가 요구된다. 직선부 길이가 100mm인 모델에서 1%의 균일도를 만족하는 공간은 -45~46mm로 약 91mm에서 1% 의 균일도를 유지할 수 있었다. 균일도가 유지되는 공간을 100mm로 만들기 위하여, 마그네트의 직선부 길이를 크게 하며 전자장 해석을 수행하였다.
마그네트의 직선부를 크게 하며 전자장 해석을 수행한 결과는 표 6과 같다. 예상한 바와 같이, 직선부길이가 커짐에 따라 균일도 유지 길이가 증가하지만, Io/Ic값도 증가하였다. 그러나, Io/Ic값의 증가가 그리크지 않으며, 특성평가장치에서 균일도 유지 길이가 100mm를 반드시 넘어야 하므로, 특성평가장치용 마그네트는 직선부 길이 110mm의 형태로 제작하여야 할것이다.
균일도를 고려할 때, 마그네트는 split 형태이어야 하며, 직선부 길이가 110mm이상이 되어야 함을 확인하였다. 향후 마그네트가 받는 힘 등을 상세 설계할 예정이고, 이렇게 설계된 마그네트는 초전도 특성평가장치 제작에 활용될 것이다.
그러나, 마그네트의 중심공간에서의 자장 분포를 볼 때, 균일도에서 차이가 나는 것을 확인할 수 있었다. split 마그네트가 un-split 마그네트보다 좋은 균일도를 가지는 것을 확인할 수 있다. 전도냉각 마그네트의 경우 약 10cm 정도 길이의 초전도 선재를 평가할 수 있는 시편이 차지하는 공간이 필요하고 이 공간에 1% 이하의 자장균일도가 필요하기 때문에, 초전도 특성평가장치용 split 마그네트가 un-split 마그네트보다 불안정한 운전조건이지만, split 형태로 제작되어야 할 것이다.

후속연구

따라서 보다 최적화된 초전도 전력기기의 개발을 위해서는 고온초전도 선재 및 코일의 특성평가 특히 고온초전도 선재의 자장 의존성에 대한 연구가 체계적으로 연구될 필요가 있다.
중심자장과 마그네트에 걸리는 최대 자장이 예상한대로 증가하고, 마그네트에 걸리는 수직 최대자장은 오히려 작아지는 효과가 있었지만, iron 구조물을 설치한 효과는 미비하였다. 향후 iron의 구조물 형태를 변화시켜 전자장 해석을 수행할 계획이다.
균일도를 고려할 때, 마그네트는 split 형태이어야 하며, 직선부 길이가 110mm이상이 되어야 함을 확인하였다. 향후 마그네트가 받는 힘 등을 상세 설계할 예정이고, 이렇게 설계된 마그네트는 초전도 특성평가장치 제작에 활용될 것이다.

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