KR20100101869A - Cylindrical type superconducting power supply - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 초전도체 박막(Nb, MgB2)을 이용한 원통형 초전도 전원장치에 관한 것이다.The present invention relates to a cylindrical superconducting power supply using a superconductor thin film (Nb, MgB2).
초전도 전원장치는 초전도 스위치와 변압기를 이용하는 정류형(rectifier type) 초전도 전류 보상장치, 이동자속에 의해 초전도 박막의 상의 변화를 통해 전류를 발생시키는 자속 펌프형(magnetic flux pump) 초전도 전류 보상장치로 분류된다.Superconducting power supplies are classified into rectifier type superconducting current compensators using superconducting switches and transformers, and magnetic flux pump superconducting current compensators that generate current through changes in the phase of the superconducting thin film by moving magnetic flux. .
이중에서, 자속 펌프형 초전도 전류 보상장치는 저온 초전도 박막(Nb)과 고온 초전도 박막을(MgB2) 이용한 방법으로서 안정적인 전류를 발생시킨다.Among them, the flux pump type superconducting current compensator uses a low temperature superconducting thin film (Nb) and a high temperature superconducting thin film (MgB2) to generate stable current.
일반적으로 초전도체는 완전도체 성질, 완전반자성 성질, 그리고 조셉슨 현상을 가진 물질로서, 최근에는 초전도체를 충분히 임계온도 이하로 냉각시킬수 있게 되어, 초전도체를 이용한 다양한 디바이스 제작이 활발히 전개되어져 왔다.In general, the superconductor is a material having a perfect conductor property, a fully diamagnetic property, and a Josephson phenomenon. Recently, the superconductor can be cooled sufficiently below a critical temperature, and various devices using the superconductor have been actively developed.
특히, 초전도 전원장치는 자속 보존의 법칙, 즉, 완전한 초전도 회로를 쇄교하는 자속은 일정하다는 이론을 기초로 하여, 자속과 쇄교하는 초전도 박막에서 생성된 전류를 부하에 공급하는 구성을 가져 다양한 연구가 이루어지고 있다.In particular, the superconducting power supply is based on the law of magnetic flux preservation, that is, the theory that the magnetic flux that bridges the complete superconducting circuit is constant, and has a configuration that supplies the current generated in the superconducting thin film that bridges the magnetic flux to the load. Research is being done.
도 1은 자속 펌프형 초전도 전류 보상장치에 사용되는 회전형 초전도 전원장치의 기본 원리를 설명하기 위해 도시한 그림으로서, 초전도 전원장치의 기본적인 동작 원리를 도 1과 함께 설명한다.FIG. 1 is a diagram illustrating a basic principle of a rotating superconducting power supply device used in a flux pump type superconducting current compensator, and the basic operation principle of the superconducting power supply device will be described with FIG. 1.
저온 초전도체인 20μm 두께의 니오붐(Nb) 판(10)을 초전도 자석(13)과 연결하여 폐루프를 형성한 후에, 이 폐루프를 액체헬륨에 담가 초전도성을 갖게하면 폐루프는 초전도 영구전류모드를 이루게 되어 에너지 손실이 없다.After connecting the niobium (Nb)
이때, 영구자석(12)의 자속을 니오븀 판(10)에 직접 인가시켜 자속의 침투가 생기도록 한다. 이러한 자속의 침투가 이루어지는 영역을 노멀 스팟(11;normal spot)이라 하는데, 노멀 스팟(11) 영역 이외에는 초전도 상태를 유지하고 있는 반면 노멀 스팟(11) 영역은 초전도의 혼합 상태를 유지한다.At this time, the magnetic flux of the
저온 초전도체인 니오븀 판(Nb foil)을 포함한 초전도 폐회로에서 노멀 스팟(11) 영역의 이동이 이루어질 때, 즉, 도 1의 (a)->(b)->(c)의 순서로 이동될 때, 렌츠의 법칙(Lenz's Law)의 법칙에 따라 인가된 자장을 방해하는 방향으로 니오븀 판에 전류가 인가된다. 이러한 전류는 노멀 스팟(11) 영역의 반복 이동으로 전류가 계속 유도된다. 이때, 유도된 전류를 펌핑전류라 하며 이러한 펌핑 전류는 폐회로를 통해 초전도 자석(13)에 충전된다.When the region of the
한편, 초전도 니오븀 박막은 액체핼륨에서(4.2K) 임계자장 값이 μ0Hc1(0.16T) 이상 μ0Hc2(0.3T) 이하의 경우 혼합상태(mixed state)이며 이동자속(시변자속)이 인가하여 상의 변화(초전도 상태->혼합상태)가 있어야 펌핑전류(pumping current)가 유도된다.On the other hand, the superconducting thin film of niobium is less than the case of the (4.2K), the critical magnetic field value at the liquid haelryum μ 0 H c1 (0.16T) or higher μ 0 H c2 (0.3T) is a mix (mixed state), moving the magnetic flux (the time-varying magnetic flux) When applied, there must be a phase change (superconducting state-> mixed state) to induce pumping current.
초전도 니오븀 박막(10)에서 노말 스팟의 이동이 이루어지기 위해서는, 회전체의 회전에 의하여 영구자석이 회전하여 시변자속이 니오븀 박막에 인가되어 노말 스팟의 이동이 이루어지도록 해야 한다. 도 2에 도시한 바와 같이 폐회로를 통해 초전도 자석(13)에 충전되기 위해서는, 별도의 회전체(14)에 의하여 영구자석(12)이 니오븀 박막(10) 위를 회전해야 하고, 이때 니오븀 박막(10)에 노말 스팟(11)의 이동이 이루어지며 펌핑전류를 발생시킬 수 있다.In order to move the normal spot in the superconducting niobium
도 3은 노말 스팟의 이동을 위한 회전형 초전도 전원장치의 또 다른 실시 예를 도시한 것으로서, 저온 초전도체인 니오븀 박막(10)을 실린더 원통형으로 형성하여 초전도 자석(13)과 연결하여 폐루프를 형성하고, 회전체(14)의 의하여 영구자석(12)을 회전시키며 실린더 원통형의 니오븀 박막(10)에 자속을 인가하여 노말 스팟의 이동에 의한 펌핑전류를 발생시킬 수 있다.3 illustrates another embodiment of a rotary superconducting power supply device for moving a normal spot. The niobium
상기 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 회전형 초전도 전원장치는, 니오븀 박막에서 노말 스팟의 이동이 이루어지기 위해서 영구자석(12)을 회전시키기 위한 별도의 회전체(14)를 필요로 하는 불편이 있다. 이러한 회전체는 초전도 전원장치의 구성을 복잡하게 할 뿐만 아니라 제작비용 상승의 원인이 되는 문제가 있다.As shown in FIG. 2 and FIG. 3, the rotation type superconducting power supply device is inconvenient to require a
또한, 종래의 회전형 초전도 전원장치에서와 같이 저온 초전도체인 니오븀 박막을 사용하여 노말 스팟을 생성할 경우, 펌핑전류의 생성 효율이 떨어지는 문제가 있다.In addition, when generating a normal spot using a niobium thin film which is a low temperature superconductor as in the conventional rotary superconducting power supply, there is a problem in that the generation efficiency of the pumping current is lowered.
본 발명은 3상 동기 발전기를 응용하여 초전도체 박막에 이동자속을 인가함으로써 초전도 박막의 전이 현상을 이용한 원통형 초전도 자속펌프 전원장치에 관한 것이다.The present invention relates to a cylindrical superconducting flux pump power supply using a transition phenomenon of a superconducting thin film by applying a moving magnetic flux to the superconducting thin film by applying a three-phase synchronous generator.
본 발명은 코어 형태의 동기 전동기의 회전자 부분에 영구자석을 구비하여, AC코일에 의한 이동자속이 '+' 방향으로 바이어스(bias)되도록 하여 이종이동자속 (homopolar traveling magnetic flux)을 발생시켜 기존의 회전시스템으로 인한 효율저하 문제를 해결했으며, 상기 영구자석 의 외부면을 감싸며 철심코아로 자기포화를 방지했다. 상기 이종이동자속에 의한 펌핑전류를 발생시키는 초전도체 박막과, 상기 영구자석과 철심코어 및 초전도체 박막을 내부의 공극(air gap)에 설치하며, 내부 원주면을 따라 다수의 슬롯이 형성된 원통형 철심과, 상기 슬롯에 감기어 있는 3상 코일을 포함한다.The present invention is provided with a permanent magnet in the rotor portion of the core-type synchronous motor, so that the moving flux by the AC coil is biased in the '+' direction to generate a homopolar traveling magnetic flux (homopolar traveling magnetic flux) It solved the problem of efficiency deterioration due to the rotation system of the system, and wrapped around the outer surface of the permanent magnet to prevent magnetic saturation. A superconductor thin film for generating a pumping current by the heterogeneous magnetic flux, the permanent magnet, the iron core and the superconductor thin film are installed in an air gap, and a cylindrical iron core having a plurality of slots formed along an inner circumferential surface thereof; It includes a three-phase coil wound around the slot.
각 AC코일이 두 개의 슬롯을 한쌍으로 하여 감김을 특징으로 한다.Each AC coil features two slots in pairs.
각 AC코일이 원통형 철심의 내부 원주면 상에서 서로 반대편에 위치하여 마주한 두 개의 슬롯을 한쌍으로 하여 감김을 특징으로 한다.Each AC coil is positioned opposite to each other on the inner circumferential surface of the cylindrical iron core and is wound by pairing two opposite slots.
각 AC코일이 서로 반대편에 위치하여 마주하는 두 개의 슬롯을 한쌍으로 하여 감긴 후, 다음 번째에 있는 서로 반대편에 위치한 두 개의 슬롯의 쌍에 차례로 감기어 나감을 특징으로 한다.Each AC coil is positioned opposite to each other and wound in pairs of two opposite slots, and then wound into a pair of two slots opposite to each other next to each other.
상기 AC코일은, 3상 AC전류가 인가되는 제1AC코일, 제2AC코일, 제3AC코일로 이루어진다.The AC coil includes a first AC coil, a second AC coil, and a third AC coil to which a three-phase AC current is applied.
상기 3상 AC전류가 A상->B상->C상의 위상순을 가질 때, 상기 제1AC코일에 A상이, 상기 제2AC코일에 C상이, 상기 제3AC코일에 B상이 인가된다.When the three-phase AC current has a phase sequence of A phase-> B phase-> C phase, A phase is applied to the first AC coil, C phase is applied to the second AC coil, and B phase is applied to the third AC coil.
본 발명은 원통형의 초전도 박막과 영구자석을 이용한 원통형 자속펌프 전원장치를 제안함으로써, 초전도 전원장치의 제작성 및 효율성을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 원통형 철심에 감긴 AC코일을 이용해 이동자속을 발생시킴으로써, 효율적인 전류제어를 할 수 있는 효과가 있다.The present invention proposes a cylindrical flux pump power supply using a cylindrical superconducting thin film and a permanent magnet, thereby improving the manufacturability and efficiency of the superconducting power supply. In addition, the present invention has the effect of efficient current control by generating a moving magnetic flux using an AC coil wound around a cylindrical iron core.
이하, 본 발명의 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 하기에서 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.Hereinafter, a detailed description of embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the following description of the reference numerals to the components of the drawings it should be noted that the same reference numerals as possible even if displayed on different drawings.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 원통형 자속펌프 전원장치를 부하 마그넷에 연결하여 부하 마그넷에 충전하는 모습을 도시한 그림이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 원통형 자속펌프 전원장치의 단면도를 도시한 그림이다.4 is a view illustrating a state in which a cylindrical magnetic flux pump power supply according to an embodiment of the present invention is connected to a load magnet to charge a load magnet, and FIG. 5 is a cross-sectional view of the cylindrical magnetic flux pump power supply according to an embodiment of the present invention. Is a picture showing.
본 발명의 원통형 자속펌프(Cylindrical type magnetic flux pump)로 구현된 전원장치에서 발생된 펌핑전류는 초전도체로 된 부하 마그넷에 제공되어 부하자석에 일정한 전류를 충전시킨다.The pumping current generated in the power supply device implemented by the cylindrical type magnetic flux pump of the present invention is provided to a load magnet made of a superconductor to charge a constant current in the load magnet.
원통형 자속펌프 전원장치(100)는 초전도체인 박막(Nb 또는 MgB2)의 회전없 이 이동자속을 발생시켜 초전도체 박막(116) 상에서 노말 스팟을 이동시켜 펌핑전류를 발생시킨다. 따라서 초전도체 박막을 회전시키기 위한 별도의 회전체를 필요로 하지 않는다.The cylindrical magnetic flux
초전도체 박막(116)의 회전없이 이동자속을 발생시켜 펌핑전류를 발생시키기 위하여, 원통형 자속펌프 전원장치(100)는 영구자석 코어(110), 영구자석 코어의 외부면을 감싸서 이동자속에 의한 펌핑전류를 발생시키는 초전도체 박막(116), 영구자석 코어(110) 및 초전도체 박막(116)을 내부 공극(air gap)에 두고 슬롯이 내부로 돌출되어 형성된 원통형 철심(120), 상기 슬롯에 감기어 이동자속을 발생시키는 AC코일(130)을 구비한다.In order to generate the pumping current by generating the moving magnetic flux without rotating the superconductor
원통형 철심(120)은 철심 재질로 되어 있으며 내부가 관통되어 뚫려있는 공극(air gap)을 가진 채로, 내부의 원주면에 일정 간격을 가진 다수의 슬롯(122)들이 형성되어 있다.The
틈새를 가지는 다수의 슬롯(122)들이 원통형 철심(120)의 내부 원주면을 따라 내부쪽을 향해 형성된다.A plurality of
상기 슬롯(122)에는 AC코일(130)이 감기는데, AC코일이 두개의 슬롯을 한쌍으로 하여 감긴다. 상기 AC코일은 AC전류를 인가받는 코일을 말하는 것으로서, AC전류 인가를 받음으로써 이동자속을 발생시킨다.The
참고로, 알려진 원통형 회전 모터의 경우, 도 6에 도시한 바와 같이 원통 내부에서 서로 마주보는 방향으로 AC코일들을 권선하여 설치한 후, 3상 AC전류를 흐르게 하면 자속이 발생한다. 즉,For reference, in the case of a known cylindrical rotary motor, as shown in FIG. 6, the AC coils are wound in a direction facing each other inside the cylinder, and then a three-phase AC current flows to generate magnetic flux. In other words,
iaa'(t) = IMsinωt [A]i aa ' (t) = I M sinωt [A]
ibb'(t) = IMsin(ωt-120°) [A]i bb ' (t) = I M sin (ωt-120 °) [A]
icc'(t) = IMsin(ωt-240°) [A]i cc ' (t) = I M sin (ωt-240 °) [A]
상기와 같이 상(phase)을 달리하는 3상 AC전류를 각 AC코일에 인가하면,If a three-phase AC current of different phase as described above is applied to each AC coil,
Haa'(t) = HMsinωt∠0°[Aㆍturn/m]H aa ' (t) = H M sinωt∠0 ° [Aturn / m]
의 방향을 갖는 자계(magnetic field)가 형성된다.A magnetic field having a direction of is formed.
본 발명은 이러한 자계 형성 특성을 이용하여, 원통형 내부의 다수의 슬롯들을 두어, 원통 내부의 원주면에서 서로 마주보는 방향으로 3상 AC전류를 흐르게 함으로써 이동자속을 발생시킨다.The present invention utilizes such a magnetic field formation characteristic to place a plurality of slots in a cylindrical interior, thereby generating a moving magnetic flux by flowing three-phase AC current in the direction facing each other on the circumferential surface of the cylinder.
이하 설명에서는, 바람직하게는 원통형 철심 내부의 외주면에 형성되는 슬롯들이 18개로 이루어지는 예를 들어 설명하겠으나, 이동자속의 발생 형태에 따라 슬롯의 개수는 달리할 수 있을 것이다.In the following description, preferably, for example, 18 slots formed on the outer circumferential surface inside the cylindrical iron core will be described. However, the number of slots may vary according to the generation form of the moving magnetic flux.
AC코일은 3상 AC전류가 각각 인가되는 제1AC코일, 제2AC코일, 제3AC코일로 이루어진다.The AC coil includes a first AC coil, a second AC coil, and a third AC coil to which a three-phase AC current is applied.
이들 각각의 AC코일은 슬롯에 각각 별도로 감기는데, 도 4 및 도 5에서는 슬롯에 AC코일이 감겨 있는 형태를 원형으로서 상징적 표현으로만 도시하였는데, 슬롯에 감기는 이들 권선 구조를 도 7과 함께 상세히 설명한다.Each of these AC coils are wound separately in the slots. In FIG. 4 and FIG. 5, the AC coils are wound around the slots in a circular form only in a symbolic representation. Explain.
도 7은 슬롯에 감기는 AC코일의 권선 구조를 이해하기 쉽도록 하기 위하여, 원통형 철심의 내부의 원주면에 형성된 슬롯이 평면상에 펼쳐졌을 때의 가상 모습을 도시한 그림이다.FIG. 7 is a diagram illustrating an imaginary view when a slot formed on a circumferential surface of a cylindrical iron core is unfolded on a plane to facilitate understanding of a winding structure of an AC coil wound around a slot.
또한, 도 7에서는 설명의 편의를 위해 한가닥의 AC코일이 감기는 예를 설명하겠으나, 슬롯에 감기는 각 AC코일은 설계되는 이동자속의 세기에 따라 그 권선수를 다양하게 설계할 수 있다. 초전도상태에서 혼합상태로 상의 전이가 일어나도록 하는 임계점 값을 고려하여, 설계되는 이동자속의 세기에 따른 권선수를 달리한다.In addition, in FIG. 7, for convenience of explanation, an example of winding one AC coil is wound. However, each winding of the AC coil wound in the slot may have various winding numbers according to the strength of the moving magnetic flux. The number of turns depends on the strength of the designed magnetic flux, taking into account the threshold value at which the transition from the superconducting state to the mixed state occurs.
각 AC코일은 두 개의 슬롯을 한쌍으로 하여 감기는데, 이때, 한쌍을 이루는 두 개의 슬롯은, 원통형 철심의 내부 원주면 상에서 서로 반대편에 위치하는 두 개의 슬롯을 말한다.Each AC coil is wound in pairs of two slots, where two pairs of slots refer to two slots located opposite each other on the inner circumferential surface of the cylindrical iron core.
예컨대, 슬롯이 a1, a2, a3, b1, b2, b3, c1, c2, c3, a'1, a'2, a'3, b'1, b'2, b'3, c'1, c'2, c'3로 되는 12개의 슬롯들로 이루어진다고 할 때, 원통형 철심의 내부 원주면 상에서 서로 반대편에 위치하는 a1-a'1, a2-a'2, a3-a'3, b1-b'1, b2-b'2, b3-b'3, c1-c'1, c2-c'2, c3-c'3가 한쌍의 슬롯을 이루어, 쌍을 이루는 슬롯 쌍별로 AC코일이 감기는 것이다.For example, slots a1, a2, a3, b1, b2, b3, c1, c2, c3, a'1, a'2, a'3, b'1, b'2, b'3, c'1, Supposed to 12 slots of c'2, c'3, a1-a'1, a2-a'2, a3-a'3, b1 located opposite each other on the inner circumferential surface of the cylindrical iron core. -b'1, b2-b'2, b3-b'3, c1-c'1, c2-c'2 and c3-c'3 form a pair of slots, and the AC coil is It is a cold.
이때, 각 AC코일은 인접한 슬롯의 쌍에 차례로 감기어 가는데, 즉, 각 AC코일이 서로 반대편에 위치하여 마주하는 두개의 슬롯을 한쌍으로 하여 감긴 후, 차례로 다시 다음번째에 있는 슬롯의 쌍에 감기는 구조를 갖는다.At this time, each AC coil is wound in turn to a pair of adjacent slots, that is, each AC coil is wound on a pair of two slots facing each other located opposite to each other, and then wound again to the next pair of slots in turn. Has a structure.
예를 들어, 제1AC코일이 내부 원주면 상에서 서로 반대편에 위치하는 a1-a'1에 처음 감기고 난 후, 다시 그 다음번째 슬롯의 쌍인 a2-a'2에 감기고, 마지막으로 a3-a'3의 슬롯의 쌍에 감긴다.For example, the first AC coil is first wound on a1-a'1 opposite each other on the inner circumferential surface, then again on the next pair of slots a2-a'2, and finally a3-a'3. Is wound in a pair of slots.
마찬가지로, 제2AC코일이 내부 원주면 상에서 서로 반대편에 위치하는 c'1-c1에 처음 감기고 난 후, 다시 그 다음번째 슬롯의 쌍인 c'2-c2에 감기고, 마지막으로 c'3-c3의 슬롯의 쌍에 감긴다.Similarly, the second AC coil is first wound on c'1-c1 opposite each other on the inner circumferential surface, then again on the next pair of slots c'2-c2, and finally on slots c'3-c3. Coiled in pairs.
또한, 제3AC코일의 경우에도, 제3AC코일이 내부 원주면 상에서 서로 반대편에 위치하는 b1-b'1에 처음 감기고 난 후, 다시 그 다음번째 슬롯의 쌍인 b2-b'2에 감기고, 마지막으로 b3-b'3의 슬롯의 쌍에 감긴다.Also in the case of the third AC coil, the third AC coil is first wound on b1-b'1 opposite to each other on the inner circumferential surface, and then again on the next pair of slots b2-b'2, and finally It is wound around a pair of slots of b3-b'3.
상기와 같이 제1, 제2, 제3AC코일이 차례로 슬롯에 감기어 있을 때, 이동자속의 발생을 위해 각 AC코일에는 3상 AC전류가 각각 인가된다.As described above, when the first, second, and third AC coils are sequentially wound in the slots, three-phase AC currents are respectively applied to the AC coils to generate the magnetic flux.
이때, 3상 AC전류의 인가되는 위상 순서는 제1AC코일, 제3AC코일, 제2AC코일 차례로 인가된다. 즉, 3상 AC전류가 A상->B상->C상의 위상순을 가질 때, 도 7에 도시한 바와 같이 상기 제1AC코일에 A상이, 상기 제2AC코일에 C상이, 상기 제3AC코일에 B상이 인가된다.In this case, the phase sequence of the three-phase AC current is applied in order of the first AC coil, the third AC coil, and the second AC coil. That is, when the three-phase AC current has a phase sequence of A phase-> B phase-> C phase, as shown in FIG. 7, the A phase is the first AC coil, the C phase is the second AC coil, and the third AC coil. Phase B is applied to.
결국, 각 AC코일에 상을 달리하는 3상 AC전류가 각각 인가됨에 따라 이동자속이 발생하여 초전도 박막에 노멀 스팟(normal spot)의 이동에 따른 펌핑전류가 발생한다.As a result, as three-phase AC currents having different phases are applied to the respective AC coils, moving magnetic fluxes are generated to generate pumping currents due to the movement of normal spots in the superconducting thin film.
초전도 박막에 침투하는 이동자속의 영역을 확대하여 도시한 도 8을 보면, 3상 AC코일에 의해 내부의 공극(air gap)에서 나타나는 이동자속이 초전도 박막에 투과되어 노멀 스팟 영역을 생성하며, 이러한 노멀 스팟 영역은 이동자속에 의해 이동된다.Referring to FIG. 8, which shows an enlarged region of the moving magnetic flux penetrating the superconducting thin film, the moving magnetic flux generated in the air gap inside the three-phase AC coil is transmitted to the superconducting thin film to generate a normal spot region. The normal spot area is moved by the moving flux.
이동자속에 의해 초전도 박막의 상의 전이(초전도상태 -> 혼합상태)가 연속 적으로 발생하여 펌핑전류를 생성한다. 상기와 같이 초전도 박막에서 발생되는 펌핑전류는 폐회로를 구성한 부하 마그넷으로 이동되어, 부하 마그넷을 충전시킨다.Due to the moving flux, the phase transition (superconducting state-> mixed state) of the superconducting thin film is generated continuously to generate the pumping current. As described above, the pumping current generated in the superconducting thin film is moved to the load magnet constituting the closed circuit, thereby charging the load magnet.
한편, 도 9에 도시한 바와 같이 3상으로 감긴 3상 AC코일에서 발생하는 이동자속 분포도를 살펴 보면, 3상 AC코일에서 발생한 이동자속의 자속밀도는 2극(pole)이 발생하여 '0'을 중심으로 하여 '+','-' 방향으로 된 정현파 형태로 됨을 알 수 있다.On the other hand, as shown in FIG. 9, when looking at the distribution map of the magnetic flux generated in the three-phase AC coil wound in three-phase, the magnetic flux density of the moving magnetic flux generated in the three-phase AC coil is generated by two poles ('0') It can be seen that it is a sinusoidal shape in the '+' and '-' directions.
초전도체 박막(Nb 또는 MgB2 박막)은 임계점(μ0Hc1)에서 상의 전이(초전도상태 -> 혼합상태) 현상이 일어나기 때문에, 이동자속을 전체적으로 임계점 주변의 상측으로 올려줄 필요가 있다.Since the superconductor thin film (Nb or MgB 2 thin film) has a phase transition (superconducting state-> mixed state) phenomenon at the critical point (μ 0 H c1 ), it is necessary to raise the moving magnetic flux upwards around the critical point as a whole.
이를 위하여 영구자석에 있는 영구자석에서 발생하는 자속이 AC코일의 이동자속의 분포를 '+' 값의 방향으로 상승시키는 역할을 한다, 즉, 영구자석에 의해 발생되는 자속이 3상 AC전류에 의해 발생된 정현파를 바이어스(bias), 즉, '+'방향으로 플로팅(floating)시키는 역할을 한다.For this purpose, the magnetic flux generated from the permanent magnet in the permanent magnet increases the distribution of the moving magnetic flux of the AC coil in the direction of '+' value, that is, the magnetic flux generated by the permanent magnet is caused by the three-phase AC current. It serves to float the generated sinusoids in a bias, that is, the '+' direction.
이러한 영구자석 코어에 대하여 설명한다.This permanent magnet core will be described.
영구자석 (110)는 기둥형태의 영구자석(112)을 코어로 가지는 철심(114) 재질로서, 상기 영구자석에서 직류 형태의 자속이 발생된다.The
상기 영구자석에서 발생되는 자속은 도 9와 같이 AC코일에 의해 발생되는 이 동자속이 '+' 값을 가지도록 보완하는데, 즉, 영구자석에 의해 발생되는 자속은 AC코일의 AC전류에 의해 발생되는 이동자속이 '+' 값을 갖도록 이동시키는 역할을 한다.The magnetic flux generated in the permanent magnet is supplemented so that the moving magnetic flux generated by the AC coil has a '+' value as shown in FIG. 9, that is, the magnetic flux generated by the permanent magnet is generated by the AC current of the AC coil. It moves the moving flux so that it has a '+' value.
도 9에 도시한 3상 AC전류를 인가받는 3상 AC코일에서 발생하는 이동자속 분포도를 살펴 보면, 3상 AC코일에서 발생한 이동자속의 자속밀도는 2극(pole)이 발생하여 '0'을 중심으로 하여 '+','-' 방향으로 상하 반복하여 나타남을 알 수 있다.Referring to the distribution map of the magnetic flux generated in the three-phase AC coil to which the three-phase AC current shown in FIG. 9 is applied, the magnetic flux density of the magnetic flux generated in the three-phase AC coil is generated by two poles. It can be seen that it appears up and down repeatedly in the '+' and '-' directions.
초전도체 박막(116)은 임계점(μ0Hc1)에서 상의 전이(초전도상태 -> 혼합상태) 현상이 일어나기 때문에, 이동자속을 전체적으로 임계점 주변의 상측으로 올려줄 필요가 있다. 이를 위하여 영구자석에 의해 발생하는 자속이 AC코일의 이동자속의 분포를 '+' 값의 방향으로 상승시키는 역할을 한다,Since the superconductor
초전도체 박막(116)은 영구자석 코어의 외부면을 감싸며, AC코일(130)에 의해 발생되는 이동자속에 의해 펌핑전류를 발생시킨다.The superconductor
상기와 같이, 초전도체 박막(116)은 상기 AC코일(130)의 하부에 위치하며, 상기 이동자속에 의한 펌핑전류를 발생시킨다. 상기 초전도체는 초전도성을 갖는 재질의 물체로 구현할 수 있지만, 본 발명에서 초전도체로서 저온 초전도 선재인 니오븀과 고온 초전도 선재로서 임계전류밀도(Jc)가 큰 MgB2 박막을 통해 구현한다.As described above, the superconductor
특히, 최근에 개발된 고온 초전도 선재인 MgB2 의 경우 임계전류밀도(Jc)가 크지만 필름의 경우 자계가 침투하기 시작하면 작은 자속에도 상전이(초전도상태 -> 혼합상태)가 일어나는 현상이 일어나는 특징이 있다.In particular, MgB 2 , a recently developed high temperature superconducting wire, has a large critical current density (Jc), but in the case of film, phase transition (superconducting state-> mixed state) occurs even when a small magnetic flux starts to penetrate. There is this.
또한, MgB2 물질은 초전도체로서는 39K(영하 234도)에서 초전도 현상을 일으킨다는 점에서 다른 초전도체보다 임계온도가 그다지 높지 않으며, 지금까지 발견된 초전도 물질 중 가장 많은 전류를 흘려보낼 수 있고, 원료를 쉽게 구할 수 있으며, 전선이나 박막으로 가공할 수 있는 장점이 있다.In addition, the MgB 2 material has a superconductivity at 39K (minus 234 degrees C) as a superconductor, and thus has a higher critical temperature than other superconductors. It is easily available and has the advantage of being processed into wires or thin films.
MgB2 선재는 임계전류밀도가 커서 초전도 상태에서 혼합상태로의 상태변이를 위해서는 큰 자장을 인가해야하지만, MgB2 박막의 경우 임계전류밀도가 침투되서 자장에 의해 급격히 감소하는 특성이 있어 초전도 전원장치로 응용이 가능하며 현재 MgB2 박막을 이용한 초전도 전원장치의 응용한 사례가 없다.MgB 2 wire has a large critical current density, so a large magnetic field must be applied to change the state from superconducting state to mixed state, but in case of MgB 2 thin film, the critical current density penetrates and is rapidly reduced by magnetic field. It is possible to apply it and there is no application case of superconducting power supply using MgB 2 thin film.
한편, 도 4에 도시한 바와 같이 상기 원통형 자속펌프 전원장치에서 발생되는 펌핑전류에 의해 부하 마그넷(200)이 충전되는데, 기존의 자속 펌프형 초전도 전류 보상장치에 사용되는 회전형 초전도 전원장치(도2,도3)의 경우, 충전을 위한 펌핑전류를 제어하기 위해 회전시스템(모터)의 속도로 펌핑전류를 제어하기 때문에 미세한 전류제어에는 한계가 있다.On the other hand, as shown in Figure 4, the
본 발명의 원통형 자속펌프 전원장치를 초전도 전류 보상 회로에 적용할 경우, 도 10과 같이 원통형 자속펌프 전원장치(100)의 출력단에 추가 마그넷(300)을 두어 부하 마그넷(200)에 연속적(continuous)인 충전 전류 제어가 이루어질 수 있도록 한다.When the cylindrical flux pump power supply of the present invention is applied to a superconducting current compensation circuit, as shown in FIG. 10, an
상기 원통형 자속펌프 전원장치(100)의 출력단에 구비되는 추가 마그넷(300)은 상기 원통형 자속펌프 전원장치의 펌핑전류 출력에 의해 충전되는 부하 마그넷(200)과 동일한 인덕턴스를 갖도록 한다.The
부하 마그넷(200)의 인덕턴스와 동일한 인덕턴스 값을 가지는 추가 마그넷(300)을 출력단에 구비하면, 전체 폐루프의 인덕턴스 값이 증가하여 부하 마그넷(200)의 전류 감쇄를 줄이는 효과를 가져올 수 있다.If an
또한, 원통형 자속펌프 전원장치(100)를 통해 발생되는 충전 전류도 추가 마그넷을 통해 보상되므로 천천히 연속적(continuous)으로 전류가 증가하기 때문에, 기존의 정류형 초전도 전류 보상장치 방식에서 초전도 스위치를 사용하거나 자속 펌프형 초전도 전류 보상장치에서 모터 회전에 의한 이동자속의 속도에 따른 이산적(discrete) 방식보다 안정적이다.In addition, since the charging current generated through the cylindrical magnetic flux
또한, 미세한 전류 충전(예컨대, 100μA)도 추가 마그넷의 인덕턴스 값을 부하 마그넷의 인덕턴스 값과 비교하여 최적화시키게 되면 노이즈 발생없이 쉽게 해결될 수 있다.In addition, fine current charging (eg, 100 μA) can be easily solved without noise by optimizing the inductance value of the additional magnet compared to the inductance value of the load magnet.
상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 본 발명의 특허 범위는 상기 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위뿐 아니라 균등 범위에도 미침은 자명할 것이다.In the above description of the present invention, specific embodiments have been described, but various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention is not to be determined by the embodiments described above, but will be apparent in the claims as well as equivalent scope.
도 1은 회전형 초전도 전원장치의 기본 원리를 설명하기 위해 도시한 그림이다.1 is a diagram illustrating the basic principle of a rotary superconducting power supply.
도 2는 회전형 초전도 전원장치의 실시 예를 도시한 그림이다.2 is a diagram illustrating an embodiment of a rotary superconducting power supply.
도 3은 회전형 초전도 전원장치의 또 다른 실시 예를 도시한 그림이다.3 is a view showing another embodiment of a rotary superconducting power supply.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 원통형 자속펌프 전원장치를 부하 마그넷에 연결하여 부하 마그넷에 충전하는 모습을 도시한 그림이다.4 is a view illustrating a state in which a cylindrical magnetic flux pump power supply according to an embodiment of the present invention is connected to a load magnet to charge the load magnet.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 원통형 자속펌프 전원장치의 단면도를 도시한 그림이다.5 is a view showing a cross-sectional view of a cylindrical magnetic flux pump power supply according to an embodiment of the present invention.
도 6은 기존의 원통형 회전 모터에서 AC코일 권선에 따른 자속이 발생되는 모습을 도시한 그림이다.Figure 6 is a view showing a state in which the magnetic flux generated by the AC coil winding in the conventional cylindrical rotary motor.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 슬롯에 감긴 AC코일 권선 모습을 도시한 그림이다.7 is a view showing the appearance of the AC coil winding wound in a slot according to an embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따라 초전도체인 MgB2 박막에 침투하는 이동자속과 이동자속에 의해 자속이 MgB2 박막에 침투되는 영역을 나타낸 그림이다.8 is an illustration showing a region of magnetic flux by moving in a magnetic flux and a mover to penetrate the MgB 2 superconductor thin film of which penetrate the MgB 2 thin film according to an embodiment of the invention.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따라 AC코일에 의한 이동자속이 영구자석에 의한 자속에 의해 플로팅된 모습을 도시한 그림이다.9 is a diagram illustrating a state in which the moving magnetic flux by the AC coil is floated by the magnetic flux by the permanent magnet according to an embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따라 원통형 자속펌프 전원장치의 출력단에 추가 마그넷이 구비된 모습을 도시한 그림이다.10 is a view showing a state in which the additional magnet is provided at the output terminal of the cylindrical flux pump power supply according to an embodiment of the present invention.
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