[논문]고온 초전도 더블 팬케이크의 접합 수 감소를 위한 권선 방법에 관한 연구

강재식; 조현철; 장재영; 황영진; 이지호; 이우승; 박영건; 고태국

doi:10.9714/psac.2012.14.1.030

고온 초전도 더블 팬케이크의 접합 수 감소를 위한 권선 방법에 관한 연구
A Study on the Winding Method for Reducing Joints of the High Temperature Superconducting Double Pancake Coil 원문보기

한국초전도·저온공학회논문지 = Superconductivity and cryogenics, v.14 no.1, 2012년, pp.30 - 33

강재식 (연세대 대학원 전기전자공학과) , 조현철 (연세대 대학원 전기전자공학과) , 장재영 (연세대 대학원 전기전자공학과) , 황영진 (연세대 대학원 전기전자공학과) , 이지호 (연세대 대학원 전기전자공학과) , 이우승 (연세대 대학원 전기전자공학과) , 박영건 (연세대 대학원 전기전자공학과) , 고태국 (연세대 공과대학 전기전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A double pancake winding method is widely used to make the superconducting magnet, using high temperature superconductor (HTS) tape. In the double pancake winding method, the joints with contact resistances between double pancake coils are inevitably needed. The electrical joule heating on the contacts causes refrigerant loss during operation. And a space outside the winding, for splices and mechanical support, is more than that for its layer-wound equivalent. In this paper, a double pancake winding method in order to reduce the number of the joints was proposed. Both of the double pancake coils using the conventional winding method and the proposed winding method have been fabricated and tested to make the solution technically feasible in the double pancake winding method. Especially, critical-current tests of the fabricated double pancake coils were conducted in order to show the same performance and confirm contact resistances between double pancake coils.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

즉, 연속적으로 권선되는 더블 팬케이크 권선 방법은 고온 초전도 선재를 더블 팬케이크 형태로 유지하며 모듈 간에 접합을 하지 않고 권선하는 방식으로 접합부에서 발생하는 저항에 의한 손실을 감소시킬 수 있다. 따라서 본 논문에서는 이와 같이 기존 더블 팬케이크 권선 방법의 취약점을 보완하기 위해 접합 저항을 발생시키지 않고 권선할 수 있는 권선 방법을 제시하였다.
본 연구에서는 더블 팬케이크 형태를 가지며 더블 팬케이크 모듈이 적층되는 마그넷을 만들기 위해 불가피하게 발생되는 접합 저항 없이 연속적으로 고온 초전도 선재를 권선할 수 있는 권선 방법을 제안하였다. 기존의 더블 팬케이크 권선 방법에서 선재를 연장하여 권선하였고, 특별한 권선 장비를 이용하지 않았다.

제안 방법

그리고 새로운 권선 방법의 절차를 설명하고 권선의 신뢰성을 확인하기 위해서 기존의 권선 방법과 새로운 권선 방법을 이용하여 샘플 코일을 제작하였다. 권선 시, 불필요한 고온 초전도 선재의 손상 여부를 확인하기 위해 각 코일의 임계전류를 측정하였다. 또한 퀜치 발생 전, 선형적인 구간에서 발생하는 전압을 이용하여 코일 내부의 접합 저항을 판단하고 그 크기를 추정하였다.
반면에, 샘플코일 2에서는 전압강하가 발생해서 전류가 증가함에 따라 전압도 동시에 증가하고 있다. 그래프의 기울기를 이용하여 코일 내부의 저항 값을 산출해 보기 위해서 선형적인 구간을 선택하였다. 즉, 샘플코일 2에 전류가 인가되고 23 A부터 63 A까지 40 A가 증가하는 동안, 250 μV에서 500 μV로 250 μV의 전압이 발생했으므로, 코일 내 저항이 약 6.
그리고 새로운 권선 방법의 절차를 설명하고 권선의 신뢰성을 확인하기 위해서 기존의 권선 방법과 새로운 권선 방법을 이용하여 샘플 코일을 제작하였다. 권선 시, 불필요한 고온 초전도 선재의 손상 여부를 확인하기 위해 각 코일의 임계전류를 측정하였다.
그리고 선재 접합은 별도의 접합 장치를 이용하지 않고 모듈의 반경을 고려하여 접합부의 길이를 결정하고 접합 길이를 5 cm로 진행하였다[4]. 여기서 접합 물질은 인듐 비스무스를 사용하였다.
하지만, 레이어 권선 방법은 피치부가 연속적으로 발생한다는 단점을 가지고 있다. 따라서 팬케이크 형태를 유지하면서 접합이 발생하지 않도록 권선할 수 있는 권선 방법을 제안하였다. 이것은 더블 팬케이크 권선 방법의 보완된 권선 방법이다.
기존 더블 팬케이크 권선 방법과 연속 더블 팬케이크 권선 방법을 이용하여 두 개의 샘플 코일을 제작함으로써, 새로 제안하는 권선 방법이 기존 더블 팬케이크 권선 방법에서 갖는 접합 저항 4개를 줄이며 권선이 가능하다는 것을 입증하였다. 또한 실험을 진행하여 두 코일을 비교 분석하였다. 즉, 임계전류 측정을 통해 권선 방법에 대한 신뢰성을 입증하였다.
또한 코일 내부의 접합 저항을 확인하기 위해서 임계전류 측정으로부터 얻어진 데이터를 통해서 접합 저항의 크기를 추정하였다. 샘플코일 1은 연속적으로 선재가 권선 되었으므로 접합 저항이 0개이고, 샘플코일 2는 더블 팬케이크 모듈 5개가 적층 되었으므로 접합 저항이 4개이다.
권선 시, 불필요한 고온 초전도 선재의 손상 여부를 확인하기 위해 각 코일의 임계전류를 측정하였다. 또한 퀜치 발생 전, 선형적인 구간에서 발생하는 전압을 이용하여 코일 내부의 접합 저항을 판단하고 그 크기를 추정하였다.
그림 1은 각각 기존의 더블 팬케이크 권선 방법과 제안된 더블 팬케이크 권선 방법에 대한 그림이다. 본 논문에서는 제안된 더블 팬케이크 권선 방법을 연속 더블 팬케이크 권선 방법으로 명명하였다.
연속 더블 팬케이크 권선 방법의 가능성을 확인하기 위해서 샘플 코일을 제작하였다. 그림 3은 각각 연속 더블 팬케이크 권선 방법을 적용한 샘플코일 1과 기존 더블 팬케이크 권선 방법을 적용한 샘플코일 2이다.
연속 더블 팬케이크 권선 시, 고온 초전도 선재의 손상에 대한 권선 방법의 신뢰성을 확인하기 위해서 임계전류 측정을 진행하였다. 동일한 인덕턴스를 갖는 두 코일은 같은 임계전류 값을 가질 것으로 예상하였다.
그림 1(a)의 더블 팬케이크 권선 방법은 보빈의 위층과 아래층에 동일한 선재 길이를 권선한다. 이를 위하여, 한 개의 더블 팬케이크 모듈을 완성하기 위한 총 선재 길이의 절반을 비어있는 릴에 옮긴 후, 다른 절반의 선재를 아래층에 먼저 권선하고 릴에 감아놓은 선재를 위층에 권선한다. 이렇게 완성된 더블 팬케이크 모듈은 한 개의 더블 팬케이크 코일이 된다.
또한 실험을 진행하여 두 코일을 비교 분석하였다. 즉, 임계전류 측정을 통해 권선 방법에 대한 신뢰성을 입증하였다. 각 코일의 임계전류 실제 데이터는 109 A와 107 A이므로 약 1 %의 오차를 나타냈다.

대상 데이터

또한 표 1은 실험에 사용된 샘플 코일의 사양이다. 두 코일은 더블 팬케이크 모듈 5개가 적층된 것으로 총 11.67 m의 고온 초전도 선재를 권선하였다.
그리고 선재 접합은 별도의 접합 장치를 이용하지 않고 모듈의 반경을 고려하여 접합부의 길이를 결정하고 접합 길이를 5 cm로 진행하였다[4]. 여기서 접합 물질은 인듐 비스무스를 사용하였다.
총 선재 길이는 11 m이고 고온 초전도체 퀜치 발생 기준 전압인 1 μV/cm를 적용하여 임계전류를 산출하면, 샘플코일 1의 임계전류 109 A, 샘플코일 2의 임계전류 107 A로 측정되었다.

성능/효과

기존 더블 팬케이크 권선 방법과 연속 더블 팬케이크 권선 방법을 이용하여 두 개의 샘플 코일을 제작함으로써, 새로 제안하는 권선 방법이 기존 더블 팬케이크 권선 방법에서 갖는 접합 저항 4개를 줄이며 권선이 가능하다는 것을 입증하였다. 또한 실험을 진행하여 두 코일을 비교 분석하였다.
각 코일의 임계전류 실제 데이터는 109 A와 107 A이므로 약 1 %의 오차를 나타냈다. 따라서 권선 방법에 대한 신뢰성을 확인하였을 뿐만 아니라, 모듈을 적층하는 과정에서 발생되는 접합 저항을 줄임으로써 두 코일의 임계전류 이하에서의 전압 발생 유무도 확인 할 수 있었다. 연속 더블 팬케이크 권선 방법을 이용한 코일에서는 저항이 0임을 입증하였고, 기존 더블 팬케이크 권선 방법을 이용한 코일에서는 접합 4개에 해당하는 6.
실제 데이터는 109 A와 107 A이므로 약 1 %의 오차이며, 선재의 균등성을 고려한다면 허용 가능한 임계전류가 측정되었다. 따라서 기존의 권선 방법처럼 선재에 손상을 주지 않고 충분히 권선이 이뤄질 수 있다는 것을 알 수 있다. 그리고 샘플코일 2는 접합 저항이 있기 때문에 임계전류 이하의 구간에서 저항으로 인한 전압이 발생하고 있음을 확인할 수 있다.
총 선재 길이는 11 m이고 고온 초전도체 퀜치 발생 기준 전압인 1 μV/cm를 적용하여 임계전류를 산출하면, 샘플코일 1의 임계전류 109 A, 샘플코일 2의 임계전류 107 A로 측정되었다. 실제 데이터는 109 A와 107 A이므로 약 1 %의 오차이며, 선재의 균등성을 고려한다면 허용 가능한 임계전류가 측정되었다. 따라서 기존의 권선 방법처럼 선재에 손상을 주지 않고 충분히 권선이 이뤄질 수 있다는 것을 알 수 있다.
연속 더블 팬케이크 권선 방법을 이용한 코일에서는 저항이 0임을 입증하였고, 기존 더블 팬케이크 권선 방법을 이용한 코일에서는 접합 4개에 해당하는 6.25 μΩ이 발생하였다.

후속연구

향후에 접합이 없는 더블 팬케이크를 이용하여 마그넷을 제작하면 저항에 의한 액체 헬륨의 소비를 줄일 수 있으며, 영구전류로 동작시킬 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연속적으로 권선되는 더블 팬케이크 권선 방법은 어떠한 특징을 가지는가?	여기서 접합 부분은 NMR/MRI같은 응용기기에서 영구전류로 동작시키기 위해서는 전류의 손실을 일으키는 불가피한 저항이 되며[3], 저항에 의하여 발생하는 열 때문에 원치 않는 냉매 손실을 가져올 수 있다. 즉, 연속적으로 권선되는 더블 팬케이크 권선 방법은 고온 초전도 선재를 더블 팬케이크 형태로 유지하며 모듈 간에 접합을 하지 않고 권선하는 방식으로 접합부에서 발생하는 저항에 의한 손실을 감소시킬 수 있다. 따라서 본 논문에서는 이와 같이 기존 더블 팬케이크 권선 방법의 취약점을 보완하기 위해 접합 저항을 발생시키지 않고 권선할 수 있는 권선 방법을 제시하였다.
	더블 팬케이크 권선의 장점은 무엇인가?	고온 초전도체를 이용한 마그넷 연구가 활발히 진행되고 있는 가운데, 마그넷 제작에 더블 팬케이크 권선법이 널리 이용되고 있다. 더블 팬케이크 권선은 얇은 테이프 형태인 고온 초전도체에 용이하며, 여러 개의 더블 팬케이크 모듈을 접합하여 마그넷을 구성 하였을 때, 열이나 기계적 외란에 손상된 팬케이크 모듈을 교체할 수 있다는 장점을 지니고 있다[1]. 그러나 각 더블 팬케이크 모듈을 연결하기 위해서 더블 팬케이크 모듈 사이에 반드시 접합 부분이 발생한다[2].
	더블 팬케이크 권선 방식의 단점을 보완하기 위한 대안으로 무엇이 제시되고 있는가?	그러나 싱글 팬케이크와 마찬가지로 더블 팬케이크 간에 접합이 발생한다. 이것은 더블 팬케이크의 단점으로써, 이를 보완하기 위해서 레이어 권선 방법이 한 가지 대안으로 평가되고 있다[3]. 하지만, 레이어 권선 방법은 피치부가 연속적으로 발생한다는 단점을 가지고 있다.

참고문헌 (5)

Haigun Lee, Juan Bascunan, and Yukikazu Iwasa, 'A High-Temperature Superconducting Double-Pancake Insert for an NMR Magnet', IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 13, no. 2, pp. 1546-1549, June 2003.

상세보기
Jung Ho Kim, Seok Hern Jang, Kyu Tae Kim, Jun Hyung Lim, Jinho Joo, Seyong Choi, and Wansoo Nah, "Fabrication and Characteristics of the Joint Properties in $(Bi,\;Pb)_2Sr_2Ca_2Cu_3O_X$ Closed Double Pancake Coil", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 14, no. 2, pp. 1094-1097, June 2004.

상세보기
K. Shibutani, T. Egi, S. Hayashi, Y. Fukumoto, I. Shigaki, Y. Masuda, R. Ogawa, and Y. Kawate, "Fabrication of superconducting joints for Bi-2212 pancake coils", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 3, no. 1, pp. 935-938, March 1993.

상세보기
Hyun Chul Jo, Sukjin Choi, Jae Young Jang, Young Jin Hwang, Chang Young Lee, Min Cheol Ahn, Yong Soo Yoon, and Tae Kuk Ko, "A Study on the Characteristic Evaluation of An HTS Coil with respect to the Winding Methods", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 12, no. 4, pp. 31-35, November 2010.
김형준, 조현철, 장기성, 양민규, 안민철, 고태국,"고온초전도 마그넷 적용을 위한 YBCO Coated Conductor의 곡률 접합방법 연구", 한국초전도저온공학회논문지, 12권, 1호, pp. 17-21, 2010년 3월.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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