[논문]No-insulation 기법을 적용한 소용량 고온 초전도 코일의 영구전류 특성에 관한 연구

이태성; 이우승; 최석진; 조현철; 김형준; 이지호; 강재식; 권오준; 이해근; 고태국

doi:10.9714/sac.2012.14.3.023

No-insulation 기법을 적용한 소용량 고온 초전도 코일의 영구전류 특성에 관한 연구
A Study on the Basic Characteristics of Persistent Current Mode Operation for Small Scale High Temperature Superconducting Coil with No-insulation Winding Method 원문보기

한국초전도·저온공학회논문지 = Superconductivity and cryogenics, v.14 no.3, 2012년, pp.23 - 27

이태성 (연세대 대학원 전기전자공학과) , 이우승 (연세대 대학원 전기전자공학과) , 최석진 (연세대 대학원 전기전자공학과) , 조현철 (연세대 대학원 전기전자공학과) , 김형준 (연세대 대학원 전기전자공학과) , 이지호 (연세대 대학원 전기전자공학과) , 강재식 (연세대 대학원 전기전자공학과) , 권오준 (고려대 대학원 신소재공학과) , 이해근 (고려대 공과대학 신소재공학과) , 고태국 (연세대 공과대학 전기전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper aims to evaluate the feasibility of using no-insulation High Temperature Superconducting (HTS) coil in persistent current mode system. A HTS coil in persistent current mode system usually includes one or more non-superconducting joints in its circuit. And the current decaying rate of the coil is affected by the resistance of joint in persistent current circuit. If the resistance of joint is large, decaying rate of the current drastically increases. Therefore, reducing the joint resistance of the HTS coil is very important in persistent current mode system. In this paper, the no-insulation HTS coil is suggested as a way to reduce the joint resistance with the embedded parallel contact resistance naturally made by no-insulation winding method. Two small coils are fabricated with insulation and no-insulation winding method, and persistent current mode system experiment of each coil is preformed and analyzed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 GdBCO 선재를 이용하여 insulation 및 no-insulation 권선 방법으로 PCS 운전을 위한 소용량 더블 팬케이크 코일을 제작하고, 영구전류 모드의 전류 감쇄율의 차이를 실험을 통하여 비교 분석 하였다. Insulation 코일에서 측정된 코일의 저항 값은 RL회로의 전류 감쇄 현상을 통하여 추론된 식 (1)을 통하여 산출된 값과, 접합 저항 측정을 위한 4단자법을 이용하여 측정한 값이 2 % 차이를 보이며 이는 오차 범위로 보인다.
본 연구에서는 no-insulation 권선기법을 적용한 코일과 기존의 방법에 따라 제작된 insulation 코일을 각각 제작하고, 영구 전류 모드에서의 전류 감쇄율의 차이를 비교하는 실험을 수행하였다. 실험결과를 이용하여 no-insulation 코일의 접촉저항을 산출 하였다.

제안 방법

영구전류 모드를 운전을 하기위해서는 폐회로를 만들어야 하며, 폐회로를 만든 후에는 코일의 임계전류 측정을 할 수 없다. 따라서 코일을 폐회로로 만들기 전에 개방 상태에서 임계전류를 측정했다.
본 실험은 77 K 액체질소 온도 하에서 이루어졌으며 I_op를 44 A, I_op/I_c를 37 %로 설정하여 두 번의 실험을 수행하였다. 그림 5는 초전도 자석의 충전모드 운전을 나타낸 그림이다.
산출된 저항 값이 접합저항의 차이에 의해서 나타난 것인지 확인하기 위해서 코일 양단의 접합 부위를 잘라서 접합저항을 측정하였다. 그림 7은 4단자법을 이용하여 접합저항을 측정한 그래프이다.
본 연구에서는 no-insulation 권선기법을 적용한 코일과 기존의 방법에 따라 제작된 insulation 코일을 각각 제작하고, 영구 전류 모드에서의 전류 감쇄율의 차이를 비교하는 실험을 수행하였다. 실험결과를 이용하여 no-insulation 코일의 접촉저항을 산출 하였다.
실험을 통해서 얻어진 값을 토대로 no-insulation 코일의 접촉 저항을 계산을 하였다. 식 (2)는 병렬저항의 등가회로에서 합성저항을 구하는 식을 나타낸 것이다.
영구전류 모드에서의 전류 감쇄율을 비교하기 위해서 insulation과 no-insulation 더블 팬케이크 코일을 제작하였다.
임계전류 측정 후, 영구전류 운전을 위한 폐회로를 구성하기 위해서 고온초전도 선재를 접합하였다. 그림 3과 같이 접합저항을 동일하게 만들기 위해서 고안한 접합 장치를 이용하였다[5].
를 동일하게 하기 위하여 (c)의 파워서플라이의 전류를 Insulation 코일은 27 A No-insulation 코일은 31 A로 변경하여 실험을 수행하였다. 전류 감쇄율은 초전도 자석의 중심에 위치한 홀센서를 이용하여 측정을 하였다.
그림 4는 완성된 코일의 사진이다. 코일의 접합 부위에 니크롬선을 이용하여 히터를 설치하였다. 히터와 선재사이에는 E type의 열전대(Thermocouple)을 사용하여 온도를 측정하였고 단열조건을 만들기 위해서 에폭시로 함침을 하였다.
코일의 접합 부위에 니크롬선을 이용하여 히터를 설치하였다. 히터와 선재사이에는 E type의 열전대(Thermocouple)을 사용하여 온도를 측정하였고 단열조건을 만들기 위해서 에폭시로 함침을 하였다.

대상 데이터

표 1은 고온초전도 코일의 사양을 나타낸 것이다. GdBCO 선재를 사용했으며 각 층별 25턴 총 50턴으로 구성 되어 있다. 코일의 인덕턴스는 0.
그림 3과 같이 접합저항을 동일하게 만들기 위해서 고안한 접합 장치를 이용하였다[5]. Sn62.8 % Pb36.8 % Ag0.4 % 으로 구성된 솔더를 사용하였고, 접합 선재 간 동일한 압력을 가하기 위하여 토크렌치를 사용하여 동일한 토크로 선재에 가하는 압력을 동일하게 만들어 주었다.

성능/효과

4단자법 측정결과 insulation 코일의 접합저항은 1.04 μΩ, no-insulation 코일의 접합저항은 0.5 μΩ으로 측정되었다.
Insulation 코일에서 측정된 코일의 저항 값은 RL회로의 전류 감쇄 현상을 통하여 추론된 식 (1)을 통하여 산출된 값과, 접합 저항 측정을 위한 4단자법을 이용하여 측정한 값이 2 % 차이를 보이며 이는 오차 범위로 보인다. 하지만 no-insulation 코일의 저항값의 경우 식 (1)을 통하여 산출한 값과, 4단자법을 이용한 측정한 값 사이에 40 %의 차이가 존재함을 확인하였다. 이는 no-insulation 코일이 가지는 특성상 발생하는 턴과 턴 사이의 접촉저항에 의한 영향으로 판단된다.

후속연구

No-insulation 코일의 턴과 턴 사이의 접촉저항은 등가회로상 병렬저항으로 해석되며, 이를 이용하면 고온 초전도 코일의 영구전류 운전에서 접촉저항의 구조를 가지지 않는 코일에 비하여 더 낮은 전류 감쇄율을 가질 수 있도록 코일을 설계할 수 있다. 따라서 no-insulation 권선 방법을 적용한다면 낮은 전류 감쇄율을 요구하는 고온 초전도 코일을 사용하는 기기의 효율을 향상 시킬 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초전도 기기의 고자장을 만들기 위해 무엇을 사용하는가?	초전도 기기들은 고자장을 만들기 위해 초전도 자석은 사용하며, 고온 초전도 자석을 제작할 경우에 절연은 필수적이라고 고려된다[1].
	고온 초전도 자석을 제작할 경우에 무엇이 필수적인가?	초전도 기기들은 고자장을 만들기 위해 초전도 자석은 사용하며, 고온 초전도 자석을 제작할 경우에 절연은 필수적이라고 고려된다[1].
	no-insulation 코일의 장점은?	No-insulation 고온 초전도 코일은 퀜치가 발생하면 전류가 다른 턴으로 바이패스가 발생하기 때문에 국부적인 온도상승을 막아주어 열적인 안정도를 증가시키며, 과전류에서도 안전하다. 그리고 크기가 작아지는 장점도 존재한다[1,2].

참고문헌 (5)

Seungyong Hahn, Dong Keun Park, Juan Bascunan, and Yukikazu Iwasa, "HTS Pancake Coils Without Turn-to-Turn Insulation", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 21, no. 3, pp. 1592-1595, June 2011.

상세보기
Sukjin Choi, Hyun Chul Jo, Young Jin Hwang, Seungyong Hahn and Tae Kuk Ko, "A Study on the No insulation Winding Method of the HTS Coil", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 22, no. 3, in press, June 2012.

상세보기
Seungyong Hahn, Dong Keun Park, Juan Bascunan, and Yukikazu Iwasa, "No-insulation(NI) HTS Inserts for> 1 GHz LTS/HTS NMR Magnets", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 22, no. 3, in press, June 2012.

상세보기
조현철, 장기성, 장재영, 김형준, 정윤도, 운용수, 고태국, "BSCCO Magnet 제작 및 영구전류모드에서의 전류 보상 운전 특성", 한국초전도 저온공학회논문집, 12권 1호, pp. 56-60, 2010년.
김형준, 조현철, 장기성, 양민규, 안민철, 고태국, "고온초전도 마그넷 적용을 위한 YBCO Coated Conductor의 곡률 접합방법 연구", 한국초전도 저온공학회 논문집,12권 1호, pp. 17-21, 2010년.

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