초록 ▼

본 연구사업의 연구개발 최종목표는 3~5MW 급의 고효율 산업용 초전도 모터 시스템을 개발하는 것으로서, 1단계 2년 9개월 동안 100마력급 고온초전도 모터 모델기를 개발하고 이 과정에서 대용량기 개발에 필요한 핵심요소기술을 확보하였다.
연구개발 1차년도에는 100마력급 고온초전도 모터를 개발하기 위한 초전도 동기모터 설계 및 계자코일의 권선기술 등 요소기술 개발이 이루어 졌고, 2차년도에는 모델기에 필요한 각 주요부품을 제작하고 그 기본적인 성능평가를 마쳤으며, 3차년도에는 제작된 부품들을 조립하고 구동장치를 제작하여 1

본 연구사업의 연구개발 최종목표는 3~5MW 급의 고효율 산업용 초전도 모터 시스템을 개발하는 것으로서, 1단계 2년 9개월 동안 100마력급 고온초전도 모터 모델기를 개발하고 이 과정에서 대용량기 개발에 필요한 핵심요소기술을 확보하였다.
연구개발 1차년도에는 100마력급 고온초전도 모터를 개발하기 위한 초전도 동기모터 설계 및 계자코일의 권선기술 등 요소기술 개발이 이루어 졌고, 2차년도에는 모델기에 필요한 각 주요부품을 제작하고 그 기본적인 성능평가를 마쳤으며, 3차년도에는 제작된 부품들을 조립하고 구동장치를 제작하여 100마력 고온초전도 모터 시스템을 완성하였다. 이 과정을 통해 고온초전도 모터 설계기술과 주요부품의 기능 및 원리를 이해하여 초전도모터의 핵심요소기술을 익히고, 2단계 및 3단계에서 실용화급의 대용량 산업용 고온초전도 모터의 개발가능성을 확보했다고 여겨진다.
본 과제는 국제적으로 일본의 Kyoto 대학과 공동연구가 진행되어서 초전도모터의 개념적인 설계 방법에서 도움을 받았다. 국내에서는 한국과학기술원, 창원대학교, 성균관대학교에서 위탁연구기관으로 참여하여 과제 기간 동안 빈번한 상호 교류와 연구자회의 등을 통하여 연구소와 학교간의 연구체계을 구축하였다. 특히, 국내의 대표적인 대용량 발전기 제작 업체인 두산중공업(주)에서 참여하게 되어, 1단계에서 개발된 100마력급의 고온초전도모터의 제작에 기여를 하였으며 향후 초전도모터의 산업적인 활용에 있어서 주도적인 역할을 할 것이다

Abstract ▼

Development of HTS motor design and core technologies
- 100hp HTS motor prototype design
- Supercondcting motor design software development
- Supercondcting motor analysis software development
- HTS conductor selection and winding technology development
- Development of rotor cryostat

Development of HTS motor design and core technologies
- 100hp HTS motor prototype design
- Supercondcting motor design software development
- Supercondcting motor analysis software development
- HTS conductor selection and winding technology development
- Development of rotor cryostat and cooling system design technologies
- Development of precise design technologies of air-cored stator coil and slot
- Development of quench detection and protection method
Development of 100hp HTS prototype motor
- Core component manufacturing of 100hp HTS prototype motor
- Development of HTS field coil
- Development of coolant supply system
- Development of cryogenic rotor
- Development of air-cored stator
- Development of driving and control system
- Assembling and integration of HTS motor system
Development of superconducting motor operating and test technology
- Establishment of superconducting motor performance test technologies
- Cooling performance test of cryogenic rotor
- Driving and vibration performance tests
- Parameter evaluation by short and open circuit tests
- Parameter evaluation by load test
- Comparison and analysis of actual and design parameters
- Stability test of stator at short and load conditions
- Comparison with heat and electromagnetic analysis results

목차 Contents

• 표지 ...1
• 제출문 ...3
• 초록 ...5
• 요약문 ...7
• SUMMARY ...11
• CONTENTS ...15
• 목차 ...21
• 제1장 연구개발 과제의 개요 ...27
• 제1절 연구개발의 목적 ...27
• 1. 개 요...27
• 2. 고온초전도 동기모터란?...28
• 3. 연구개발 목적...30
• 제2절 연구개발의 필요성 및 범위 ...31
• 1. 연구개발의 필요성...31
• 2. 연구개발의 범위...34
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ...37
• 제1절 국외의 기술 동향 및 수준 ...37
• 1. 미국...37
• 2. 독일...42
• 3. 영국...43
• 제2절 국내의 기술 동향 및 수준 ...43
• 제3절 앞으로의 전망 ...45
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ...46
• 제1절 초전도 모터 설계기술 개발 ...46
• 1. 개요 ...46
• 2. 초전도 모터 설계법 고찰 ...46
• 가. 초전도 모터의 구조 ...46
• 나. 초전도 모터의 전자장 설계 개념...48
• 3. 100마력 고온 초전도 모터의 설계...54
• 가. 100마력급 고온초전도모터의 사양 검토 ...54
• 나. 이론적 방법에 의한 모델기 설계...56
• 다. 100마력급 고온초전도모터의 개념 설계 ...71
• 4. 100마력 고온 초전도 모터의 특성 해석 ...80
• 가. OPERA를 이용한 초전도 모터의 특성해석 ...80
• 5. 요약 ...85
• 제2절 초전도 모터용 계자권선 개발 ...86
• 1. 개요 ...86
• 2. 초전도 모터용 도체 평가 기법 개발...86
• 가. 짧은 도체의 특성 평가...86
• 나. 인장력, 굽힘 응력 및 자장에 따른 Ic 특성...87
• 다. 샘플 코일의 Ic 측정 ...91
• 라. 장선의 Ic 측정 ...92
• 마. 접합의 I-V 특성...93
• 바. 결론 ...95
• 3. 계자코일 설계 및 제작기법 개발 ...96
• 가. 고온 초전도도체를 고려한 계지코일의 최적구조 설계 ...96
• 나. 계자코일 제작 ...105
• 4. 100마력 고온 초전도 모터용 계자코일의 성능평가 ...117
• 가. Sub coil 평가 ...117
• 나. Field winding 조립 후 성능평가 ...118
• 다. Field winding의 Joule 열 ...120
• 5. 요약 ...122
• 제3절 초전도 모터의 회전자 개발 ...123
• 1. 개요 ...123
• 2. 초전도 모터의 회전자 용기 구조 ...123
• 가. 자료 조사 ...123
• 나. 회전자 용기의 설계 ...124
• 다. 토오크 튜브 축의 설계 ...129
• 라. 제작한 토크 튜브의 비틀림 강도 실험 ...132
• 3. 회전자의 냉각구조 ...136
• 가. 열 침입 량 계산 ...138
• 나. 계자코일의 운전온도 및 토크튜브 형상에 따른 열 침입량 ...138
• 다. 냉매유량, 열교환기 형상 및 냉매 주입 방법에 따른 HTS 계자코일 내의 온도 분포 ...140
• 4. 100마력 고온 초전도 모터의 회전자 제작 ...141
• 가. 계자권선 모듈 제작 및 조립 ...141
• 나. 회전자 외통 제작 및 조립 ...146
• 다. 회전자 진동해석 ...153
• 5. 요약 ...157
• 제4절 냉각시스템 개발 ...158
• 1. 개요 ...158
• 2. 냉각시스템의 선정 ...158
• 가. 냉동기의 선정 ...159
• 3. 냉동기를 이용한 네온 액화기 설계 및 제작 ...160
• 가. 진공쳄버 ...161
• 나. 응축기 ...161
• 다. 액화 용기 ...162
• 라. 진공 펌프 ...163
• 마. 온도센서, 히터 ...164
• 4. 네온액화기 성능평가 ...165
• 가. 실험 방법 ...165
• 나. 실험 결과 ...166
• 5. 요약 ...172
• 6. 추가 검토 사항 ...173
• 제5절 초전도 모터의 고정자 개발 ...175
• 1. 개요 ...175
• 2. 100마력 초전도 모터용 고정자 구조 설계 ...175
• 가. 100마력급 모델기용 고정자 개념 설계 ...175
• 나. 고정자 냉각구조 설계 ...179
• 3. 100마력 초전도 모터용 고정자 제작 ...182
• 가. 100마력 초전도 모터용 고정자 제작 ...182
• 나. 100마력 초전도 모터용 고정자 검사 ...185
• 4. 요약 ...187
• 제6절 구동 및 감시제어 시스템 개발 ...188
• 1. 개요 ...188
• 2. 감시제어 시스템 설계 및 제작 ...188
• 가. 제어부분의 전체적 방법 모색 및 계략도 ...189
• 나. 속도 검출 센서 ...191
• 다. 온도 및 자장 센서 ...194
• 3. 구동장치 설계 및 제작 ...195
• 가. 구동 시스템의 구성 ...195
• 나. 구동 장치의 선정 ...197
• 4. 요약 ...202
• 제7절 100마력 고온 초전도 모터 조립 및 성능 평가 ...203
• 1. 개요 ...203
• 2. 고온 초전도 모터 조립 ...203
• 3. 냉각 특성 ...211
• 4. 전기적 특성 평가 ...213
• 가. 무부하 특성 평가 ...213
• 나. 부하특성평가 ...218
• 5. 초전도 모터 운전결과 검토 ...219
• 가. 발전기로 운전 시 결과 검토 ...219
• 나. 모터로서 운전 시 결과 검토 ...222
• 6. 요약 ...229
• 제8절 대용량 고온 초전도 모터 설계 및 성능 해석 ...230
• 1. 개요 ...230
• 2. 1MW 고온 초전도 모터 설계 ...230
• 가. 1MW급 고온 초전도 모터의 사양 결정 ...230
• 나. 설계 변수에 따른 설계안 검토 ...231
• 3. 1MW 고온 초전도 모터 성능해석 ...237
• 가. 자장 해석을 통한 설계안 검토 ...237
• 제9절 결론 ...242
• 제4장 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ...244
• 제1절 연구개발 목표의 달성도 ...244
• 제2절 대외 기여도 ...250
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ...252
• 제1절 추가 연구의 필요성 ...252
• 제2절 타 연구에의 응용 ...252
• 제3절 기업화 추진 방향 ...253
• 제6장 연구개발 과정에서 수집한 해외과학 기술정보 ...255
• 제7장 참고 문헌 ...257
• 부록 ...260
• I. 위탁과제보고서 ...260
• A. 창원대학교 ...262
• B. 성균관대학교 ...291
• C. 부산대학교 ...313
• D. 한국과학기술원 ...335
• E. Kyoto University ...363