[논문]5 T급 고온초전도마그넷의 설계 및 제작

구명환; 김동락; 최연석; 차귀수

doi:10.9714/sac.2012.14.3.028

[국내논문] 5 T급 고온초전도마그넷의 설계 및 제작
Design and Fabrication of 5 T HTS Insert Magnet 원문보기

한국초전도·저온공학회논문지 = Superconductivity and cryogenics, v.14 no.3, 2012년, pp.28 - 32

구명환 (한국기초과학지원연구원 물성과학연구부) , 김동락 (한국기초과학지원연구원 물성과학연구부) , 최연석 (한국기초과학지원연구원 물성과학연구부) , 차귀수 (순천향대 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The critical current of the HTS(High Temperature Superconductor) tape is governed by cooling temperature, magnetic field and its angle to HTS tape originated from its geometrical structure. At the HTS coil design stage, the critical current of the coil is calculated by considering the Ic-B characteristics of the 2G tape and the operating current is determined based on the critical current. The operating current and the structure of the 5 T coil are suggested through the FEM (Finite Elements Method) analysis and calculation. As a part of our on-going research on a 20 T LTS/HTS magnet, we have designed and constructed a 5 T HTS insert coil and tested it in liquid helium temperature.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

고온 초전도선재의 임계전류는 외부자기장에 의해 선재에 인가되는 수직자기장의 영향을 받아 감소된다. 따라서 본 연구에서는 내측마그넷에 인가되는 수직자장의 크기를 고려하여 임계전류를 산정하였다.
본 논문에서는 외측 전도냉각형 15 T 저온초전도마그넷과 내측 고온초전도마그넷으로 구성되는 20T 급의 초전도 마그넷의 설계에서, 2G HTS 선재로 제작되는 5 T 급 내측 고온초전도마그넷의 설계와 제작에 대해서 연구하였다.
모델 해석을 참조한 실험결과의 분석에 의하면 최외각 DPC에 미치는 수직자기장의 영향을 감소시키면 중심 자기장을 증가시킬 수 있음을 알 수 있다. 본 연구를 바탕으로 향후 수직자기장을 완화시킬 수 있는 고온초전도마그넷을 개발하여 15 T LTS 마그넷과 조합한 고자기장 초전도자석 연구를 수행하고자 한다.

제안 방법

stainless steel 테이프는 전자기력에 의한 DPC의 변형을 막는다. DPC 권선을 위하여 권선속도와 선재의 장력제어가 가능하며 2G 선재와 Cu 테이프를 동시에 권선할 수 있는 전용 권선기를 개발하였다[Fig. 7]. Table 3에 HTS insert coil의 주요 값들을 보인다.
8에 제작된 DPC와 16개의 DPC 가 조립된 HTS insert를 보인다. HTS insert의 가운데에 Hall 센서를 설치하여 자기장을 측정하였다.
내측 고온초전도 마그넷의 내경은 35mm이고 외경은 74mm이다[5]. 고온초전도마그넷의 외경은 저온용기 엑체헬륨조 내경 80mm를 고려하였고, DPC(Double Pencake Coil) 보빈과 측정선, 전원공급선 등을 고려하여 벽과의 사이에 3 mm의 틈을 두었다. 높이는 최대 239mm로 외측마그넷의 가장 낮은 높이인 240mm를 넘지 않도록 하였다.
본 논문에서는 15 T 외측마그넷 안에서 동작하는 5T급 HTS 마그넷의 모델설계와 해석을 통하여 중심자장이 최대가 되는 DPC 개수를 산출하였으며, 마그넷에 발생하는 수직자장의 크기와 임계전류, 중심자장을 구하였다. 계산 결과 DP의 개수가 감소함에 따라 임계전류는 증가하였고, 중심자장이 최대가 되는 DP 개수가 존재하는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 앞 절의 모델 해석에서 얻어진 결과를 기반으로, 16개의 DPC로서 구성된 5 T급 고온초전도마그넷을 설계하고 제작하였다. 2G 고온초전도선재[6]는 ㈜서남에서 제작된 GdBCO 선재를 사용하였다.
고온초전도 코일은 G10 재질의 보빈에 권선되었다. 외측 LTS 마그넷의 내경을 고려한 내측 HTS insert coil을 냉각하기 위한 헬륨용기의 내경이 80 mm 인 점을 고려하고, 제작된 DPC 들을 조립하여야 하는 점을 고려하여 G10 보빈에 폭 4.1 mm, 두께 0.1 mm 의 HTS 선재를 층간 절연을 하지 않고 두께 0.1 mm 의 Cu 테이프를 안정층으로 동시에 권선하는 방식으로 내경 35 mm, 외경 74 mm 의 DPC를 제작하였다. DPC에 전극을 부착한 후 최외층은 stainless steel 테이프로서 보강하였으며 완성된 DPC의 외경은 77 mm이었다.
5 A이다. 운전전류는 마그넷의 안정성을 고려하여 임계전류의 70%로 계산하였다.
유한요소해석을 통하여 초전도 마그넷의 임계전류와 중심자장을 계산하였다. Fig.
실험결과에서 수직자기장의 영향이 가장 큰 최하단의 DPC에서 240 A의 임계전류가 관측되었다. 이것을 기반으로 16 개의 DPC로 제작된 고온초전도마그넷에 발생하는 자기장을 분석하여 보았다. 결과를 Fig.

대상 데이터

본 연구에서는 앞 절의 모델 해석에서 얻어진 결과를 기반으로, 16개의 DPC로서 구성된 5 T급 고온초전도마그넷을 설계하고 제작하였다. 2G 고온초전도선재[6]는 ㈜서남에서 제작된 GdBCO 선재를 사용하였다. GdBCO 선재는 YBCO 선재가 자기장 하에서 급격히 Ic가 감소하는데 비해 더 좋은 Ic 특성을 보인다[7].
저온초전도 선재에는 NbTi, Nb₃Sn 등이 있으며, 본 연구의 외측마그넷에 사용되었다. 고온초전도 선재는 1세대(1G) 선재와 2세대(2G) 선재로 구분되며, 본 연구의 내측마그넷은 ReBCO 계열의 2세대 선재가 사용되었다. 해석에 사용된 고온초전도선재의 임계전류는 77 K에서 외부자장이 인가되지 않을 때 80A이고, 실제 동작 온도인 4.
외측마그넷은 NbTi 마그넷과 Nb₃Sn 마그넷으로 구성되어 있다. 외측마그넷의 안쪽 Nb₃Sn 코일의 높이는 240mm, 바깥쪽 NbTi 코일의 높이는 400 mm이며, 상온보아 직경은 102 mm이다. 내측 고온초전도 마그넷의 내경은 35mm이고 외경은 74mm이다[5].
초전도 선재는 저온초전도 선재와 고온초전도 선재로 구분된다. 저온초전도 선재에는 NbTi, Nb₃Sn 등이 있으며, 본 연구의 외측마그넷에 사용되었다. 고온초전도 선재는 1세대(1G) 선재와 2세대(2G) 선재로 구분되며, 본 연구의 내측마그넷은 ReBCO 계열의 2세대 선재가 사용되었다.
고온초전도 선재는 1세대(1G) 선재와 2세대(2G) 선재로 구분되며, 본 연구의 내측마그넷은 ReBCO 계열의 2세대 선재가 사용되었다. 해석에 사용된 고온초전도선재의 임계전류는 77 K에서 외부자장이 인가되지 않을 때 80A이고, 실제 동작 온도인 4.2 K에서는 액체질소 온도에서 보다 약 15 배 높은 임계전류를 갖는다. Table 1 에 계산에 이용된 2G 초전도 선재의 사양을 나타내었다[3].

성능/효과

본 논문에서는 15 T 외측마그넷 안에서 동작하는 5T급 HTS 마그넷의 모델설계와 해석을 통하여 중심자장이 최대가 되는 DPC 개수를 산출하였으며, 마그넷에 발생하는 수직자장의 크기와 임계전류, 중심자장을 구하였다. 계산 결과 DP의 개수가 감소함에 따라 임계전류는 증가하였고, 중심자장이 최대가 되는 DP 개수가 존재하는 것을 확인하였다.
또한 모델 해석에서 얻어진 결과를 기반으로, 5 T급 고온초전도마그넷을 제작하여 액체헬륨 온도에서 성능평가를 한 결과 5.229 T를 얻을 수 있었다. 모델 해석을 참조한 실험결과의 분석에 의하면 최외각 DPC에 미치는 수직자기장의 영향을 감소시키면 중심 자기장을 증가시킬 수 있음을 알 수 있다.
229 T를 얻을 수 있었다. 모델 해석을 참조한 실험결과의 분석에 의하면 최외각 DPC에 미치는 수직자기장의 영향을 감소시키면 중심 자기장을 증가시킬 수 있음을 알 수 있다. 본 연구를 바탕으로 향후 수직자기장을 완화시킬 수 있는 고온초전도마그넷을 개발하여 15 T LTS 마그넷과 조합한 고자기장 초전도자석 연구를 수행하고자 한다.
하나는 임계전류 감소에 의한 중심자기장 감소 요인이고 다른 하나는 턴 수의 증가에 의한 중심자기장 증가 요인이다. 본 모델 해석에서는 18개의 DP일 때에 중심자장이 최대가 되고, 운전전류는 여자 할 때 20.5 T로 목표자장 20 T(내측 5T + 외측 15T)를 만족하는 형상임을 알 수 있다.
향후 실험에서 Ic-B 자료와 외측 LTS 마그넷 자기장 하에서의 실험자료 축적을 통해 보완되어야 할 부분이다. 실험결과에서 수직자기장의 영향이 가장 큰 최하단의 DPC에서 240 A의 임계전류가 관측되었다. 이것을 기반으로 16 개의 DPC로 제작된 고온초전도마그넷에 발생하는 자기장을 분석하여 보았다.
10에 보인다. 제작된 고온초전도마그넷의 제원으로서 해석한 결과는 최대 중심자기장이 5.235 T로 나왔으며 실험결과와 매우 근사한 값을 얻을 수 있었다. Fig.

후속연구

그러나 수직자기장의영향에 대한 실험결과와는 차이가 나며, 주요 원인으로는 계산을 위한 Ic-B 자료의 미흡과 실험상 DPC 턴 수 차이인 것으로 보인다. 향후 실험에서 Ic-B 자료와 외측 LTS 마그넷 자기장 하에서의 실험자료 축적을 통해 보완되어야 할 부분이다. 실험결과에서 수직자기장의 영향이 가장 큰 최하단의 DPC에서 240 A의 임계전류가 관측되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초전도 선재는 무엇으로 구분되는가?	초전도 선재는 저온초전도 선재와 고온초전도 선재로 구분된다. 저온초전도 선재에는 NbTi, Nb3Sn 등이 있으며, 본 연구의 외측마그넷에 사용되었다.
	저온초전도 선재에는 무엇이 있는가?	초전도 선재는 저온초전도 선재와 고온초전도 선재로 구분된다. 저온초전도 선재에는 NbTi, Nb3Sn 등이 있으며, 본 연구의 외측마그넷에 사용되었다. 고온초전도 선재는 1세대(1G) 선재와 2세대(2G) 선재로 구분되며, 본 연구의 내측마그넷은 ReBCO 계열의 2세대 선재가 사용되었다.
	내측 고온초전도마그넷의 높이가 최대 239mm로 외측 마그넷의 가장 낮은 높이인 240mm를 넘지 않게 하는 이유는 무엇인가?	높이는 최대 239mm로 외측 마그넷의 가장 낮은 높이인 240mm를 넘지 않도록 하였다. 이는 내측마그넷이 외측마그넷 보다 클 경우 내측마그넷에 인가되는 수직자기장이 증가하기 때문이다. 내측 고온초전도마그넷의 높이는 DPC의 갯수에 의해 결정되는 것으로 최대로 24 개의 DPC를 사용하는 것이 가능하다.

참고문헌 (7)

Bruker BioSpin, "The World`s First 1 GHz NMR Spectrometer", website :www.bruker.com
Applied Superconductivity Center, website : http://magnet.fsu.edu/-lee/plot/plot.htm
SuperPower Inc, website : www.superpower-inc.com
D. Hazelton, V. Selvamanickam, "SuperPower's YBCO coated High-Temperature Supeconducting (HTS) Wire and Magnet Applications," Proceedings of the IEEE, vol. 97, no. 11, pp. 1831-1836, 2009.
Cryogenic Limited, website : www.cryogenic.co.uk
(주)서남. website : www.i-sunam.com
Hiroyuki Fukushima et.al., " Properties of Long GdBCO Coated Conductor by IBADPLD Method-The First GdBCO Coil Test," IEEE Trans. Appl Supercond., vol. 17, no. 2, pp. 3367-3370, 2007.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증