[논문]고온 초전도 전원장치를 이용한 BSCCO Magnet의 충전 및 영구전류 운전 특성

조현철; 양성은; 김영재; 황영진; 윤용수; 정윤도; 고태국

doi:10.9714/psac.2009.11.1.030

문제 정의

결과적으로 BSCCO 테이프의 임계온도가 약 110 K 임을 감안하면 히터트리거 1과 2의 전류는 각각 0.7 A 와 0.45 A에서도 퀜치가 발생함을 알 수 있으나 보다 확실한 실험을 위하여 본 실험에서는 160 K까지 상승되는 히터 전류를 인가해 보았다.
본 논문에서는 21 mH의 인덕턴스를 가진 BSCCO 마그넷을 이용한 고온초전도전원장치를 제작하여 충전 및 영구전류 운전 특성 실험을 수행하였다. 실험에서 히터 1, 2에 같은 전류를 인가하지 않고, 같은 온도가 될 수 있게 각각 다른 전류를 인가하였으며, 전자석에 전류를 인가하였을 때 7 A에서부터 철심의 자기포화를 확인하였다.

가설 설정

1. 히터 1에 일정시간 전류를 인가하면 히터 1에 감겨진 부분은 퀜치로 인하여 초전도 상태에서 상전도 상태로 바뀐다.
3. 자속을 만든 상태에서 히터 1의 전류를 차단하여 상전도 상태에서 초전도 상태로 전환시킨디-.
6. 히터 2의 전류를 차단하여 초전도 상태로-.전환한■다.

제안 방법

이전에 수행한 실험에서는 마그넷의 인덕턴스가 약 1 mH로 영구전류 운전을 제대로 측정하는데 어려움이 있었다 [4, 5], 따라서 본 연구에서는 인덕턴스가 21 mH 인 더블 팬케익형 BSCCO 마그넷과 전류 보상용 히터 트리거 스위치로 고온초전도전원장치를 제작하여 충전 및 영구전류운전을 수행하였다. 향후 상용화 시스템 제작에 필요한 설계 파라미터를 얻을 수 있도록 히터 트리거와 전자석의 동작시간을 총 4가지 모드로 설정하여 실험을 수행하였다.
영구전류운전을 수행하였다. 향후 상용화 시스템 제작에 필요한 설계 파라미터를 얻을 수 있도록 히터 트리거와 전자석의 동작시간을 총 4가지 모드로 설정하여 실험을 수행하였다.
요소에 대한 제원은 표 1과 같다. 전자석과 BSCCO 솔레노이드는 전자석에 인가한 전류가 철심를 통해 솔레노이드 쪽으로 유기될 수 있도록 변압기 형태로 제작하였으며, BSCCO 솔레이 드는 BSCCO 마그넷에서 나온 2개의 BSCCO 테이프 양단에서 한 단을 이용하여 솔레노이드 형태로 10회를 권선하여 제작하였다. 그림 1의 회로도에서 볼 수 있는 것과 같이 마그넷 부하와 솔레노이드를 병렬 연결하였다.
그림 1의 회로도에서 볼 수 있는 것과 같이 마그넷 부하와 솔레노이드를 병렬 연결하였다. BSCCO 솔레노이드와 마그넷 부하 사이의 두 접합부에 각각 약 3 cm 접합 길이로 PbSn 솔더를 사용하여 접합하였다. 히터 트리거 스위치는 BSCCO 테이프에 극저온 NiCr 선을 사용하여 직접 권선하였다.
BSCCO 솔레노이드와 마그넷 부하 사이의 두 접합부에 각각 약 3 cm 접합 길이로 PbSn 솔더를 사용하여 접합하였다. 히터 트리거 스위치는 BSCCO 테이프에 극저온 NiCr 선을 사용하여 직접 권선하였다. 히터전류를 인가하였을 때 온도변화를 측정하기 위하여 권선된 NiCr 선 사이에 열전대를 설치하였고, 권선한 NiCr 선과 열전대는 액체질소로부터의 단열을 위해서 Stycast® 에폭시로 함침하였다.
히터 트리거 스위치는 BSCCO 테이프에 극저온 NiCr 선을 사용하여 직접 권선하였다. 히터전류를 인가하였을 때 온도변화를 측정하기 위하여 권선된 NiCr 선 사이에 열전대를 설치하였고, 권선한 NiCr 선과 열전대는 액체질소로부터의 단열을 위해서 Stycast® 에폭시로 함침하였다.
마그넷 부하에서 충전되는 전류를 비접촉식으로 측정하기 위해서 마그넷 중앙에 홀센서를 설치하였으며, 히터와 전자석에 인가되는 전류의 측정은 각각 shunt 저항을 이용하였다. 온도를 포함한 모든 신호는 DAQ(Data Acquisition) 통해 PC에 전송된다.
전자석과 히터에 인가되는 전류를 시간에 따라 순차적으로 동작시키기 위해 별도의 스위칭 소자를 이용한 제어회로를 제작하였으며, 이 회로를 제어하기위해 LAB-VIEW 프로그램을 이용하였다. 효과적인 충전이 이 루질 수 있도록 히 터 트리거 스위 치 동작 특성 , 전자석의 전류 포화 특성과 동작 주기에 따른 부하의 충전전류 포화특성, 그리고 부하 충전 후, 영구전류모드 운전 순으로 실험을 수행하였다’
프로그램을 이용하였다. 효과적인 충전이 이 루질 수 있도록 히 터 트리거 스위 치 동작 특성 , 전자석의 전류 포화 특성과 동작 주기에 따른 부하의 충전전류 포화특성, 그리고 부하 충전 후, 영구전류모드 운전 순으로 실험을 수행하였다’
전자석과 히터의 전류 인가 시간 및 지연 시간을 변화 시켜가며 적절한 open-close 타이밍을 결정하기 위해 그림 2와 같은 동작 순서로 진행하였다. 여기서 His 는 히터 1 open 시간, Ms는 전자석 전류 인가 시간, Hie는 히터 1 close 시간, H₂s는 히터 2 open 시간, Me는 전자석 인가 전류 중지 시간, H₂e는 히터 2 close 시간으로 각 모드 별 시간과 순서는 표 2에 나타내었다.
여기서 His 는 히터 1 open 시간, Ms는 전자석 전류 인가 시간, Hie는 히터 1 close 시간, H₂s는 히터 2 open 시간, Me는 전자석 인가 전류 중지 시간, H₂e는 히터 2 close 시간으로 각 모드 별 시간과 순서는 표 2에 나타내었다. 홀센서로 측정된 충전 및 영구전류를 환산하기 위하여 BSCCO 마그넷에 직접 전류를 인가하며 자기장에서 세기를 측정하였다. 이 결과를 통해 본 실험에서 측정되어지는 마그넷의 자기장 세기를 전류의 양으로 환산하였다.
않았다. 따라서 본 실험에서는 히터 1과 2에 같은 전류를 인가하지 않고, 두 히터가 같은 온도까지 도달할 수 있도록 히터 1, 2에 각각 전류를 다르게 인가하였다. 표 3은 히터 트리거 스위치 온도에 따른 히터 전류를 나타내었다.
다음으로 BSCCO 솔레노이드에 효율적으로 자속을 공급하기 위해 전자석의 인가 전류를 1 A에서부터 8 A까지 1 A씩 증가시키며 충전 실험을 수행하였다. 그 결과 1 A에서 7 A까지는 충전 전류의 기울기가 증가하였지만 8 A를 인가 하였을 때의 전류 기울기는 7 A 의 기울기와 큰 차이가 없었다.
실험에서 히터 1, 2에 같은 전류를 인가하지 않고, 같은 온도가 될 수 있게 각각 다른 전류를 인가하였으며, 전자석에 전류를 인가하였을 때 7 A에서부터 철심의 자기포화를 확인하였다. 또한 4 가지의 모드로 전류 충전실험을 수행한 결과 주기가 12초인 모드 1이 전류펌핑율과 전류 충전량이 가장 높음을 확인할 수 있었다.

성능/효과

5. 전자석에 인가한 전류를 차단시키면, 페러데이 법칙에 따라 BSCCO 마그넷에서는 변화하는 자속에 반발하여 기전력이 발생하게 되고 마그넷에 전류가 발생하게 된다.
그 결과 1 A에서 7 A까지는 충전 전류의 기울기가 증가하였지만 8 A를 인가 하였을 때의 전류 기울기는 7 A 의 기울기와 큰 차이가 없었다. 이는 실험에 사용한 철심의 자기포화로 인한 결과이다.
01 mA/sec임을 알 수 있다. 모드 1이 전류펌핑율 및 충전량이 제일 큰 것을 확인하였다. 이는 모드 1이 다른 모드에 비해 펌핑주기가 제일 짧아 동일 시간 동안 펌핑횟수를 증가시킬 수 있어 전류펌핑율과 충전량을 증가시킬 수 있기 때문이다.
32시간 경과 후 전류는 20 A로, 초기 40 A에서 절반으로 감소하였으며, 111시간 경과 후에 5 A 까지 감소하였다. 영구전류 운전 결과로 전체 저항 성분을 계산하면 약 46 nQ으로, 이는 BSCCO 솔레노이드와 BSCCO 마그넷과의 상전도 접합으로 이루어진 두 접합부와 자속 크립 (flux creep) 에 의한 저항 값이다 [5], 따라서 각 접합부의 접합 저항은 약 23 nQ 이하 일 것으로 판단된다. 이는 기존에 동일한 접합 길이의 연구 결과인 15 nQ 보다 접합 시 가해지는 압력과 온도의 영향 등에 의해 디소 높게 측정되었다 [7], 하지만 자속 크립에 의한 저항성분을 고려한다면, 각 접합부의 접합저항은 기존 연구 결과와 근소한 차이를 나타낼 것이라 예상된다.
실험에서 히터 1, 2에 같은 전류를 인가하지 않고, 같은 온도가 될 수 있게 각각 다른 전류를 인가하였으며, 전자석에 전류를 인가하였을 때 7 A에서부터 철심의 자기포화를 확인하였다. 또한 4 가지의 모드로 전류 충전실험을 수행한 결과 주기가 12초인 모드 1이 전류펌핑율과 전류 충전량이 가장 높음을 확인할 수 있었다. 본 마그넷의 각 접합부의 접합저항은 약 23 nQ이다.

후속연구

실제 NMR과 같은 분야에서 사용되는 초전도마그넷의 접합저항은 영구전류 운전을 위해서 10质〜I* O₁ 伝 정도의 매우 작은 저항을 가져야한다 [7]. 따라서 현재 수준의 접합 저항을 개선할 수 있는 접합방법의 개발 연구와 고온초전도 선재의 초전도접합이 이루어진다면 낮은 접합저항으로 인한 안정적인 영구전류 운전이 가능할 것으로 예상된다. 히터 스위치의 open-ck)se의 적절한 타이밍 고려와 고온 초전 도선 재의 초전도접합 개선으로 향후 고온 초전도체를 사용한 NMR, MRI SMES등의 부하에 전원 장치로 활용이 가능할 것으로 예상된다.
따라서 현재 수준의 접합 저항을 개선할 수 있는 접합방법의 개발 연구와 고온초전도 선재의 초전도접합이 이루어진다면 낮은 접합저항으로 인한 안정적인 영구전류 운전이 가능할 것으로 예상된다. 히터 스위치의 open-ck)se의 적절한 타이밍 고려와 고온 초전 도선 재의 초전도접합 개선으로 향후 고온 초전도체를 사용한 NMR, MRI SMES등의 부하에 전원 장치로 활용이 가능할 것으로 예상된다.

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