초록 ▼

2단계에서 개발된 1MW 고온초전도모터는 2극의 3600rpm 의 회전수를 가지며 이는 1단계에서 개발된 100마력급 고온초전도모터의 1800rpm 회전수에 2배에 달하며 발생되는 최대자장 또한 3배정도 높은 2.5 T 정도로 발생된다. 3600rpm 의 초전도동기기는 세계에서 독일에 이은 두 번째이며, 특히 철심을 사용하지 않는 공심형으로 이러한 속도로 개발하는 모터로서는 세계 최초이다. 이러한 고자장과 고속의 특성을 통하여 개발하고자하는 1MW 급의 고온초전도모터는 기존의 공냉식 유도전동기에 비해 그 크기가 1/3 이하가 되며

2단계에서 개발된 1MW 고온초전도모터는 2극의 3600rpm 의 회전수를 가지며 이는 1단계에서 개발된 100마력급 고온초전도모터의 1800rpm 회전수에 2배에 달하며 발생되는 최대자장 또한 3배정도 높은 2.5 T 정도로 발생된다. 3600rpm 의 초전도동기기는 세계에서 독일에 이은 두 번째이며, 특히 철심을 사용하지 않는 공심형으로 이러한 속도로 개발하는 모터로서는 세계 최초이다. 이러한 고자장과 고속의 특성을 통하여 개발하고자하는 1MW 급의 고온초전도모터는 기존의 공냉식 유도전동기에 비해 그 크기가 1/3 이하가 되며 효율도 1% 이상 높은 특성을 가지고 있다. 개발된 모터는 극저온 냉각 장치에 의해 목표한 온도인 30K 까지 냉각할 수 있었으며, 전기연구원의 시험 설비를 이용하여 무부하 특성 시험과 정격 토오크까지 인가하는 시험에 성공하였다. 1MW 고온초전도 모터 개발을 통하여 독자적인 설계기술을 확보하고 이를 통하여 참여기업인 두산중공업에서 미래 기술분야로 지정하여 전략적으로 개발을 추진하고 있는 초전도 회전기 분야의 원천기술을 확보하며, 기존 대형 발전기 제작기술을 기반으로 초전도 모터 제작기술을 개발하고, 아울러 1MW 시제품을 두산중공업내에 설치하여 3단계에서 개발되는 실용화기의 데이터 확보를 위하여 장기실증시험을 통하여 예측 가능한 모든 운전상황에 대하여 데이터를 확보할 계획이다. 또한 2단계에서 얻어진 연구결과는 3단계의 5MW 급 선박추진용 초전도 모터의 개발에 충분히 활용될 것이다.

Abstract ▼

Development of HTS motor design and core technologies
- 1MW class HTS motor prototype design
- Superconducting motor design software development
- Superconducting motor analysis software development
- HTS conductor selection and winding technology development
- Development of rotor cr

Development of HTS motor design and core technologies
- 1MW class HTS motor prototype design
- Superconducting motor design software development
- Superconducting 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 1MW class HTS prototype motor
- Core component manufacturing of 1MW class 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

목차 Contents

• 표지...1
• 제출문...2
• 보고서 초록...3
• 요약문...4
• SUMMARY ...7
• CONTENTS ...10
• 목차 ...15
• 제1장 연구개발과제의 개요 ...21
• 제1절 연구개발의 목적 ...21
• 1. 개요 ...21
• 2. 고온초전도 동기모란? ...22
• 가. 고온초전도 모터의 구조 ...22
• 나. 초전도 모터의 특징 ...23
• 3. 연구개발 목적 ...26
• 제2절 연구개발의 필요성 및 범위 ...27
• 1. 연구개발의 필요성 ...27
• 가. 과학기술적 측면 ...27
• 나. 경제산업적 측면 ...29
• 다. 사회문화적 측면 ...30
• 2. 연구개발의 범위 ...30
• 가. 초전도 동기모터의 기본 개념 ...30
• 나. 초전도 동기모터의 핵심기술 상관도 ...31
• 다. 초전도 동기 모터의 핵심 요소기술 ...32
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ...34
• 제1절 국외의 기술개발 현황 ...34
• 1. 미국의 개발 현황 ...34
• 2. 독일의 개발 현황 ...39
• 3. 일본의 개발 현황 ...41
• 4. 영국의 개발 현황 ...42
• 제2절 국내의 기술개발 현황 ...42
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ...46
• 제1절 초전도 모터 설계기술 개발 ...46
• 1. 개요 ...46
• 2. 2차원적 방법에 의한 1MW 고온초전도 모터의 1차 설계 ...46
• 가. 설계 입력 파라미터 결정 ...46
• 나. 설계 프로그램 실행에 따른 설계안 결정 ...51
• 3. 3차원적 해석 방법에 따른 1MW 초전도모터의 최종 설계 ...54
• 가. 설계 파라미터 범위 결정 ...54
• 나. 3차원 해석을 통한 1MW 초전도 모터의 최종 설계 ...58
• 4. 1MW 고온초전도 모터 3차원 자장 해석 ...65
• 가. 해석 대상 1MW 고온초전도 모터의 구조 ...65
• 나. 1MW 고온초전도 모터의 3차원 정자장 해석 ...65
• 5. 요약 ...74
• 제2절 초전도 모터용 계자코일 개발 ...75
• 1. 개요 ...75
• 2. 고온초전도 모터용 도체 선정 ...75
• 가. 도체의 선정 기준 ...75
• 나. 모터용 도체 ...76
• 다. 모터용 도체의 접합 ...78
• 3. 권선기 및 계자코일 제작 설비 구축 ...79
• 가. 권선기 ...79
• 나. 계자코일 권선용 준비물 ...80
• 다. 권선순서 ...81
• 4. 시험용 보빈 및 sub coil 설계 제작 및 특성평가 ...82
• 가. 초전도 회전자에 적용된 코일들 ...82
• 나. 계자코일 개념 설계 ...86
• 다. 전도냉각 시험용 특성평가 장치 ...88
• 라. 시험용 sub coil 설계, 제작 및 특성평가 ...89
• 5. 모델기 계자코일 및 보빈 설계 ...108
• 가. 1MW 고온초전도 모터용 계자코일 설계 ...108
• 나. 1MW 고온초전도 모터용 계자코일의 수직 자장 해석 ...109
• 다. 계자코일용 보빈 및 주구조물 설계 ...111
• 6. 1MW 초전도모터 계자코일 특성 평가 ...113
• 7. 요약 ...116
• 제3절 초전도 모터의 회전자 개발 ...117
• 1. 회전자의 동역학적 설계 ...117
• 가. 로터-베어링 시스템 ...117
• 나. 로터-베어링 시스템의 모델링 ...117
• 다. 회전자의 고유진동수 및 위험속도 해석 ...122
• 2. 회전자 구조 설계 ...130
• 가. 회전자 개념도 및 작업 절차 ...130
• 나. 토크튜브 설계 ...131
• 다. 진공포트 설계 ...133
• 라. 증발기(Evaporator) 조립 및 신호선 처리 ...135
• 3. 회전자의 냉각 구조 ...136
• 가. 냉각 부하 ...136
• 나. 선재의 열확산 특성 ...142
• 제4절 냉각시스템 연구 및 개발 ...145
• 1. 냉각 시스템 기본 사양 조사 ...145
• 가. GM 극저온 냉동기 선정 ...145
• 나. 냉매의 선정 ...147
• 2. 1MW 초전도 모터 냉각시스템 설계 ...148
• 가. 초전도 코일의 극저온 열전도도 ...148
• 나. 단일 모델 코일의 열전달 해석 ...150
• 다. Heat pipe part 성능 평가 ...152
• 3. 회전형 냉각 시스템 ...158
• 가. 개요 ...158
• 나. 회전형 냉동기 ...159
• 다. 맥동관 회전 효과 해석 ...168
• 제5절 초전도 모터의 고정자 및 구동, 감시 제어시스템 개발 ...174
• 1. 1MW 초전도 모터 고정자 개발 ...174
• 가. 고정자의 기초 설계 ...174
• 나. 고정자 도체 선정 및 관련 주요 치수 결정 ...179
• 다. 고정자 구조설계 ...181
• 2. 1MW 초전도 모터 감시제어 시스템 개발 ...185
• 가. 개요 ...185
• 나. 초전도 모터용 제어 및 감시장치 개발 ...185
• 제6절 1MW 고온초전도 모터 성능 평가 ...191
• 1. 개요 ...191
• 2. 초전도 모터 제작 완료 및 성능시험 준비 ...191
• 3. 1MW 초전도 로터 동특성 시험 ...194
• 4. 1MW 고온초전도 모터 계자코일 통전 시험 ...195
• 가. 초전도 로터 극저온 냉각 시험 ...195
• 나. 1MW 고온초전도 모터 계자코일 특성 측정 ...196
• 다. 1MW 초전도모터 150A 통전 및 무부하시험시 계자코일 특성 ...198
• 라. 1MW 초전도모터 부하시험시 계자코일 특성 ...199
• 5. 1MW 고온초전도 모터 성능 평가 항목 ...203
• 가. 정상상태 발전기 Mode 에서 시험항목 ...203
• 나. 정상상태 모터 Mode 에서 시험항목 ...207
• 다. 삼상 과도 단락 시험 ...210
• 6. 1MW 고온초전도 모터 성능 평가 결과 ...211
• 가. 정상상태 발전기 Mode에서 개방 및 단락 회로 특성 시험 결과 ...211
• 나. 정상상태 모터 Mode에서 부하 시험 결과 ...215
• 7. 요약 ...218
• 제7절 선박추진용 저속형 고온초전도 모터 설계 ...219
• 1. 개요 ...219
• 2. 기존 함정 추진 체계 분석 ...220
• 가. 인류 선박의 발달 과정 ...220
• 나. 함정의 추진 방식 ...221
• 3. 초전도 모터 함정 추진 체계 적용 가능성 ...228
• 가. 초전도 모터의 우수성 ...228
• 나. 기존 모터와 초전도 모터의 정량적 비교, 분석 ...232
• 4. 함정 추진 초전도 모터의 설계 ...234
• 가. 회전 계자형 초전도 동기 모터 설계 ...234
• 나. Homopolar 형 초전도 모터 설계 ...254
• 5. 요약 ...267
• 제8절 실용화기 개발을 위한 특허 분석 ...269
• 1. 개요 ...269
• 2. 초전도모터 특허 분석 ...270
• 가. 초전도 모터 관련 특허 선별 기준 및 키워드 ...270
• 나. 핵심기술별, 출원인별 특허 맵 결과 ...273
• 다. 주요 특허의 권리 분석 및 공백특허 분석 ...275
• 3. 특허 추진전략 ...281
• 가. 타 기관이 확보한 주요특허 대응전략 ...282
• 나. 당 사업을 통한 지적재산권 현황 및 특허 추진 전략 ...285
• 4. 요약 ...288
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ...290
• 제1절 연구개발 목표의 달성도 ...290
• 1. 연구개발의 목표 ...290
• 2. 평가의 착안점 ...291
• 3. 연구개발 목표의 달성도 ...293
• 가. 연구개발 목표의 달성도 ...293
• 나. 평가의 착안점에 따른 목표달성도에 대한 자체 평가 ...294
• 제2절 대외 기여도 ...296
• 1. 사회적 측면 ...296
• 2. 기술적 측면 ...297
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ...298
• 제1절 추가연구의 필요성 ...298
• 제2절 타연구에의 응용 ...299
• 제3절 기업화 추진 방향 ...299
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ...301
• 제7장 참고문헌 ...302