[논문]회전자 내부에 철심을 배치한 고온초전도모터 설계 방안

백승규; 김석환; 손명환; 서무교; 조영식; 권영길; 류강식

[국내논문] 회전자 내부에 철심을 배치한 고온초전도모터 설계 방안
Design Considerations of HTS Synchronous Motor arranged with Magnetic Core inside of Magnet Vessel 원문보기

백승규 (한국전기연구원) , 김석환 (한국전기연구원) , 손명환 (한국전기연구원) , 서무교 (한국전기연구원) , 조영식 (한국전기연구원) , 권영길 (한국전기연구원) , 류강식 (차세대초전도응용기술개발사업단)

HTS motors and generators have some advantages over LTS machines because of higher operating temperature. Very low temperature nakes LTS machines need higher refrigeration cost and large facilities. However, HTS machines are expected to be comparable with conventional counterparts at smaller machine ratings than LTS generators in terms of efficiency and size. As the operating temperature increases, the magnetic flux density generated by HTS field coils decreases relatively. For example, 1000hp HTS synchronous motor developed in a few years ago has maximum field density of 1.5T. At this point, magnetic material used in conventional machines is able to pass magnetic flux easily with high permeability. In order to investigate the effect, we arranged magnetic core only inside of magnet vessel of a 100hp target machine. By way of FEM analysis, we concluded that the magnetic core can reduce amount of expensive BSCCO conductor so much.

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문제 정의

5T 정도의 비교적 낮은 자장에서는 자성체가 크게 포화되지 안고도 기기를 설계할 수 있기 때문에 기기내부에 철심을 넣어서 설계하는 것도 고려해 볼 수가 있다. 본 논문에서는 당 연구그룹에서 과학기술부의 21세기 프론티어연구개발사업 의 일환으로 진행하고 있는 고온초전도 모터개발 계획의 1단계인 100마력급 동기전동기에 이러한 방안을 적용하여 보고자 한다.
설계할 수 있다. 이러한 과정을 통하여 100마력급의 고온초전도 전동기를 기본적으로 설계하여 보고 철심을 이용하고자 하는 설계의 기본모델로 삼았다.
5727T 이었으며, 실제 팬케이크선재들이 배치되는 형태의 자장분포를 보기 위해서 도면과 동일하게 유한요소해석 모델을 구성하였다. 또한, 철심의 영향을 보기 위해서 냉매를 가두어두는 용기(Magnet Vessel) 내부에 기계실드에 사용된 것과 동일한 재료로 자성체를 배치하여 FEM 모델을 구성하여 그 영향을 보고자 한다.
이렇게 되면 한극당 lkm 정도 필요한 고가의 고온초전도 선재의 사용량을 절반이하로 줄일수 있을 것이다. 이러한 결과를 이용하여 선재사용량을 줄여서 그 자장을 해석해 보기로 한다.

제안 방법

1.1 기본 모델의 횡단면 설계
설계프로그램을 이용하여 계자 및 전기자코일, 댐퍼와 기계실드의 원통좌표상의 반경을 결정한 후, 기기의 단면을 Fig.1 과 같이 전자기적으로 배치 · 설계한다[2]. 계자코일은 BSCCO-2223 테이프형 고온초전도선재가 팬케이크 모양으로 몇 개의 층을 이루어 보빈에 감기게 되고, 각 자극(pole)은 레이스트랙형의 코일로 제작이 되므로 그림에서와 같이 보빈과 계자코일이 고속회전시 이탈을 방지하는 덮게나 고정부 등의 여유공간을 두어 그 단면을 계단형상으로 배치시킨다.
테이프형태의 BSCCO-2223 고온초전도 선재를 사용하여 설계 프로그램의 계산된 결과에 따라 한극당 1075 턴씩 배치시켰다. Fig.
1 의 1점쇄선으로 구성된 권선각 60°와 이론적 해석으로부터 얻어진 회전자 내 · 외경 ∅222mm~∅264mm 안에 전류방향이 동일한 도체들이 배치된다. 설계된 팬케이크는 총 8 층으로 설계하였고 최상층부터 각각 102, 145, 145, 191, 156, 156, 90, 90 턴으로 배치시켰다. 비선형의 B-H 곡선을 갖는 철심은 기기의 최외각인 기계실드(Machine Shield) 에만 존재하고, 그 외의 기기내부는 모두 공기와 같은 투자율을 갖는 공심형의 구조이다.
비선형의 B-H 곡선을 갖는 철심은 기기의 최외각인 기계실드(Machine Shield) 에만 존재하고, 그 외의 기기내부는 모두 공기와 같은 투자율을 갖는 공심형의 구조이다. 이 모델을 기본으로 하여 2차원 유한요소해석(FEM)을 통해 정자장해석을 해보기로 한다.
이를 통한 자속선의 분포를 그림에서 볼 수 있다. 또한, 철심을 회전자 내부에 배치시켰을 때의 영향을 보기 위해서 Magnet Vessel 안에만 기계실드와 동일한 재료의 철심으로 모델링하였다. 이는 기기의 무게를 크게 증가시키지 안고 전기자부에는 철심을 사용하지 안도록 하여 왜형률이 낮은 자장분포를 얻기 위해서이며, 전기자의 교번자계가 Magnet Vessel 과 전기자사이에 배치되는 댐퍼에 의해서 차폐가 되기 때문에 내부의 철심에는 히스테레시스나 와류손과 같은 교류손실이 거의 없을 것으로 예상이 된다.
이는 기기의 무게를 크게 증가시키지 안고 전기자부에는 철심을 사용하지 안도록 하여 왜형률이 낮은 자장분포를 얻기 위해서이며, 전기자의 교번자계가 Magnet Vessel 과 전기자사이에 배치되는 댐퍼에 의해서 차폐가 되기 때문에 내부의 철심에는 히스테레시스나 와류손과 같은 교류손실이 거의 없을 것으로 예상이 된다. 철심은 고온초전도 코일부와 5mm 간격을 이루게 하였으며 자극면은 계자코일외경 ∅264 mm 에 의한 원호를 이루도록 하였다. 이를 Fig.
받는다. 따라서, 전기자코일의 중심부(∅360mm)에서 계자코일에 의해 발생되는 성분중 토오크발생에 직접적으로 기여하는 radial 방향 자장성분을 상호 비교하여 보았다.
Fig.1 에 보이는 8층의 팬케이크 중에서 102, 145, 145, 191 의 턴수를 가지는 상부의 4개 팬케이크를 제거시킨 후 FEM 모델링을 하고자 한다. 이렇게 되면 초기 설계시 암페어-턴의 45.

대상 데이터

Fig.1의 1점쇄선으로 나타나는 이론적 해석에 따른 계자코일부에서의 최대자장은 0.5727T 이었으며, 실제 팬케이크선재들이 배치되는 형태의 자장분포를 보기 위해서 도면과 동일하게 유한요소해석 모델을 구성하였다. 또한, 철심의 영향을 보기 위해서 냉매를 가두어두는 용기(Magnet Vessel) 내부에 기계실드에 사용된 것과 동일한 재료로 자성체를 배치하여 FEM 모델을 구성하여 그 영향을 보고자 한다.

데이터처리

77% 에 해당하는 값을 갖게 된다. 이에 따라 구성된 형태는 Fig.6과 같고 총 3582개의 요소를 사용하여 Mesh 를 나누었으며 동일한 계자코일 동작전류값으로 해석하였다. 마찬가지로 BSCCO 테이프면에 수직으로 작용하는 자장성분은 최상부 팬케이크의 상부를 따라 존재하며 이 값을 Fig.

이론/모형

위 모델은 Vector Field 사의 OPERA-2D Software 를 이용하였고 총 4708 개의 요소를 이용하여 Mesh 를 구성하였다. 이를 통한 자속선의 분포를 그림에서 볼 수 있다.

후속연구

기존기기에 사용되는 철심은 3T 이상의 고자장이 되면 자기적으로 완전히 포화가 되어 투자율이 공기와 같게 되어버린다. 하지만 2T 이하에서는 공기보다 수백·수천배의 투자율을 가지므로 고온초전도선재를 사용할 때 자장이 철심을 크게 포화시키지 안는 범위에 있다면, 본 논문에서와 같이 철심을 부분적으로 사용하는 것도 고려해볼 수 있을 것이다. 설계된 100마력급의 전동기는 한극당 1km 정도의 선재를 필요로 하며, 2000년 6월 현재 American Superconductor 에서 제작되는 고온초전도선재의 가격은 $18.
6×1000×4 = $74400 의 고온초전도선재 사용비용이 든다. 반면에, 본 논문에서와 같이 철심을 이용한 방법을 적용한다면 고온초전도 선재에 필요한 비용을 절반이하로 줄일 수 있을 것이다.

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