[논문]임계전류밀도 변화에 따른 고온초전도 코일의 자화손실 추정

김영일; 이지영; 이세연; 박상호; 김우석; 이지광; 최경달

임계전류밀도 변화에 따른 고온초전도 코일의 자화손실 추정
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김영일 (한국산업기술대) , 이지영 (한국산업기술대) , 이세연 (한국산업기술대) , 박상호 (한국산업기술대) , 김우석 (한국산업기술대) , 이지광 (우석대) , 최경달 (한국산업기술대)

최근에 개발되고 있는 2세대 고온초전도 선재는 77.3 K의 액화질소보다 높은 임계온도를 가진다. 응용기기의 특성에 따라 액화질소 온도 이하의 다양한 온도 범위에서 운전되고 있다. 이러한 운전 온도의 차이는 초전도 선재의 임계전류 차이를 가져오고, 높아진 임계전류는 시스템의 안정도 측면에서 장점을 가지는 것으로 알려져 있다. 본 논문에서는 다양한 운전 온도 조건에 따른 임계전류에 의한 교류손실 측면의 연구를 진행하였다. 다양한 초전도 권선 형태에서의 임계온도에 따른 교류손실 특성을 수치해석을 통해 확인하고, 시스템의 안정성 향상에 필요한 운전온도에 대한 기본적인 특성 연구를 수행하였다.

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문제 정의

이는 임계전류 특성을 높이기 위한 운전온도의 변화가 시스템의 임계전류를 증가 시키지만 교류손실의 증가 혹은 감소를 가져올 수 있음을 의미한다. 따라서 본 논문에서는 임계전류 차이에 따른 교류손실 특성 파악을 위한 연구를 진행하였다.[1]-[2]
본 논문에서는 다양한 운전범위에서 사용이 가능한 고온초전도 선재의 운전온도에 따른 교류손실 측면의 연구로서, 고온초전도 코일에서의 임계전류 차이에 의한 교류손실 특성에 대한 계산 및 해석을 진행하였다. α, β를 가변하여 다양한 코일의 형태를 선정하고, 운전온도 차이에 따른 교류손실의 계산을 진행하였다.

제안 방법

α, β를 가변하여 다양한 코일의 형태를 선정하고, 운전온도 차이에 따른 교류손실의 계산을 진행하였다.
각 모델 코일의 I_OP는 그림 2에서의 임계 전류 비율과 모델코일의 자석상수 함수를 참고하여 결정하였고, 각 모델 코일의 계산된 손실 값의 단위는 [W]이다. 계산된 손실 계산 결과값은 동일 모델일 때, 77 K에서의 손실값 대비 65 K에서의 손실값 비율로 확인하여 특성을 파악한다.
해석 모델의 선정을 위해 운전온도가 다른 두 가지를 조건으로 선택하였고, 서브-쿨링을 통한 운전온도가 65 K이 주로 사용되기 때문에 액화질소를 사용한 운전온도 77 K과 65 K을 선정하였다. 그림 2에 77 K, 65 K에서의 초전도 선재의 외부인가 수직자기장에 대한 임계전류 특성을 나타내었다.

데이터처리

고온초전도 코일의 형태에 따른 교류손실의 계산을 위해서 상용 수치 해석 프로그램을 사용하였다. 모델 코일의 형상은 α, β로 결정되며, 각각의 값에 따라 독립적인 전류밀도가 적용되어 계산된다.

이론/모형

본 논문에서는 모델 코일의 교류손실을 계산하기 위해서 Brandt와 Indenbom의 strip 모델을 사용하였으며, 식 1에 표시하였다. 식의 K는 초전도 선재의 형상계수, B_C 는 임계침투 자기장, β_⊥는 B/B_C 의 비율을 나타낸다.

성능/효과

그림 5에는 동일한 α, β 조건을 갖는 모델 코일에 대한 65 K 운전 온도에서의 계산 결과를 나타내었다. 77 K 운전온도에서의 교류손실과 비교하면 동일한 운전 전류에서 더 높은 교류손실을 가지는 것으로 확인되었고, 이러한 교류손실의 증가는 임계전류의 증가가 전류 측면에서의 마진을 높이는 것과는 다르게 교류 손실의 측면에서는 시스템의 안정성을 저하시키는 요인으로 작용할 수 있음을 보여주고 있다.
77 K과 65 K에서의 손실값을 확인하였고 α, β에 따른 손실 발생 정도의 차이는 다르지만, 65 K에서의 손실 발생가능성이 더 높은 것을 확인할 수 있었다.
계산 결과 α, β의 증가에 따라 교류손실의 크기가 증가 하는 것을 확인할 수 있다.
손실 비율은 α, β에 따라 분포되고 α보다는 β의 증가로 인한 두 운전온도에 따른 손실값의 차이가 적어짐을 확인할 수 있었다.

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