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분할형 YBCO CC의 외부자장 인가각도에 따른 자화손실
변상범*, 이강준*, 박상호*, 김우석**, 이지광***, 박찬**, 최경달* 한국산업기술대*, 서울대**, 우석대***
Angular Dependance of Magnetization Loss in Striated YBCO Coated Conductors with a External Magnetic Field
Sang Beom Byun*, Kang Jun Lee*, Sang Ho Park*, Woo-Seok Kim**
,
Ji-Kwang Lee***,
Chan Park**,
Kyeongdal Choi*Korea Polytechnic University*, Seoul National University**, Woosuk University***
Abstract - 현재 고온 2세대 YBCO CC(Coated Conductor) 초전도 선 재를 사용하여 초전도 전력기기를 제작하게 되면 BSCCO 선재보다 많 은 전류를 인가할 수 있지만, 자화 손실도 더 많이 발생하게 된다. 본 논문에서는 폭 12 mm YBCO CC선재를 이용하여 자화 손실을 줄일 수 있는 몇 개의 샘플을 제작하고, 먼저 각 샘플에 대해 외부에서 수직으로 (θ=90ﾟ) 가해지는 자장 값에 대한 자화 손실을 측정하였다. 그 후에 측 정값을 이용하여 임의 방향으로 가해지는 자장 값들에 대한 자화 손실 을 계산 하고, 측정한 값과 비교하여 자화 손실의 패턴을 확인하였다.
1. 서 론
초전도 선재를 대전력 기기에 적용하여 사용하려면 초전도 선재에 수 천 A 이상의 대 전류를 흘려주어야 한다. 하지만, 지금까지 개발된 선재 의 임계전류가 300 A 이하이므로 한 가닥이 아닌 여러 가닥의 선재를 병렬로 연결하여 솔레노이드나 팬케이크 같은 코일 형태로 사용해야한 다. 이때 초전도 변압기 등과 같이 교류전력 응용기기의 경우에는 코일 에서 발생된 자장에 의한 자화 손실로서 초전도체의 반자성 특성으로 인한 히스테리시스 손실이 발생하고, 냉동기의 냉각 능력 및 기기 운전 효율 등과 직접적으로 관계되므로, 이러한 자화 손실에 대한 정확한 평 가는 초전도의 교류 전력기기기에 관한 응용 가능성을 판단하는 주요요 소라 할 수 있다[1]. 따라서 초전도선재의 자화손실을 예측하고 수직 자 장을 줄일 수 있는 코일 구조 설계가 요구된다[2],[3]. 초전도 코일에서 발생하는 자화 손실을 평가하고 예측하기 위해서는 임의방향 자장에 의 한 자화손실 데이터가 필요하다. 만약 외부에서 임의의 방향으로 가해 지는 자화 손실을 수작 방향 자장에 의한 자화 손실, 즉 수직자화 손실 에서 유추 할 수 있다면, 교류 손실을 평가하는데 많은 도움이 될 것이 다.
본 논문에서는 폭 12 mm YBCO CC 단일선재를 비롯하여, 자화 손실 을 줄일 수 있는 방법을 적용하여 몇 개의 샘플 선재를 제작하였다. 제 작된 샘플 선재에 수직 방향으로 자장을 가해주어 자화 손실을 측정하 고 측정값을 이용하여 임의의 방향에서 가해지는 외부 자장에 대한 자 화 손실을 계산하였다. 임의의 방향에 대한 손실을 계산 할 때 YBCO CC 선재의 경우 BSCCO 선재와 달리 수평자장은 무시할 수 있어 수직 자장만을 고려하고[4], 임의의 방향에 대해 자화 손실을 측정하여 손실 계산 값과 비교 하였다.
2. 본 론
2.1 자화 손실 분석 방법
고온 초전도선재의 자화손실은 균일한 외부 자장을 고온 초전도선재 의 샘플에 인가하고, 그때 발생하는 에너지의 유출입으로부터 얻을 수 있으므로 1주기 당, 단위 길이 당 자화손실을 식 (1)과 같이 표현 할 수 있다.
× (1)
(2) 여기서 는 샘플을 따라 발생된 전계이고, 는 외부 인가자계의 세 기 이다. 수식(1)을 측정된 전압, 전류 신호를 이용하여 고온 초전도선재 의 1 주기 당, 단위 체적당 자화 손실로 표현하면 위 식(2)와 같이 표현 할 수 있다. 여기서 k는 자장인가용 코일 자석의 단위 전류당 발생 자 속 밀도를 나타내는 자석상수이고, Cpu 는 픽업코일의 보정상수, Vs는 샘플의 체적이다. 위 두식을 이용하여 자화 손실을 계산 할 수 있다.2.2 자화 손실 측정 방법
<표 1> YCBO CC의 제원 Ag 층 1.2 µm YBCO 층 1 µm 완 충 층 2.04 µm 기 판 층 60 µm 넓 이 12 mm 길 이 150 mm Ic (77Kﾟ) 290 A
<그림 1> 자화손실 감소를 위한 방법 위의 왼쪽 표 1에는 실험에 사용된 YBCO CC 제원이며, 위의 오른쪽 그림 1은 자화 손실을 줄이기 위해 제작된 샘플 선재들의 모양과 이름 을 나타내고 있다. 선재에서 발생하는 자화 손실을 줄이기 위해 선재를 반으로 자르거나(Y6), 자른 선재를 평행하게 붙이고(Y6_2I),양 끝단을 연결 하였다.(Y6_2C) 또 선재를 뢰벨바 형태로 잘라 2가닥을 전위 시켰 으며(R6_2I), 전위 된 선재의 양 끝단을 연결 하였다(R6_2C). 뢰벨바 모 양의 샘플에서 한 가닥에 한 번씩 슬릿을 내고(R6_2IS),양 끝단을 연결 시켜 (R6_2CS) 총 8개에 샘플을 준비 하였고, 외부에서 가해주는 임의 의 각도는 90°, 60°, 45°, 30°로 4각도에 대하여 실험 하였다. 서로 분리 되어 있는 선재를 연결할 때는 구리판을 사용하였다.
(a) (b)
<그림 2> 자화손실 측정 회로도 및 인가자장에 의한 수직, 수평 방향 위 그림 2의 (a)는 자화 손실 측정을 위한 회로도이다. 샘플선재는 픽 업코일 내부에 위치하며, 외부 자장이 인가되는 경우에 픽업코일에 유기 되는 전압은 초전도선재 샘플에서 발생하는 자장과 외부자장과의 합성 에 의해 나타나므로 초전도선재의 샘플에서 발생하는 자장만을 얻기 위 해 픽업 코일과 동일한 턴 수의 캔슬코일을 연결하고, 이때 코일방향을 서로 다른 방향으로 하여 외부 자장에 의해 발생하는 유기 기전력을 상 쇄시킨다. 본 실에 사용된 코일의 두께는 30 μm 이고, 코일의 턴 수는 850 턴이다. 이때 코일의 면적은 30 mm× 30 mm× 30 mm 이다.
2.3 자화 손실 계산 방법
대용량 전력기기에 사용될 초전도 코일에 전류가 인가되면 각 선재에 전류가 흘러 선재 간에 임의의 각도로 외부 자장의 영향을 주고받아 자 화 손실이 발생하게 된다. 이렇게 발생하는 자화 손실을 예측하기 위해 서는 먼저, 제작된 샘플에서 수직 방향으로 외부 자장을 인가했을 때 측 정된 자화 손실 값이 필요하게 된다. 그림 2의 (b)에서 제작된 각 샘플 에서 측정된 자화손실을 이용하여 임의의 각도에서 가해지는 자장에 대 2008년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집 2008. 7. 16 - 18
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한 손실을 다음 식(3)과 식(4)를 이용하여 계산 할 수 있다.
⊥ (3) ⊥ (4) 여기서, Bex 는 외부 인가자장, θ 는 외부 인가자장의 각도로서 그림 2의 (b)와 같이 표시 한다. 식 (4)에서 ⊥는 θ=90ﾟ의 자화 손실 측정값이고, 외부 인가자장이 임의의 각도에서 발생한 자장의 각도가
⊥일 때의 자화 손실 값으로 나타내었다. 는 샘플의 θ
=0ﾟ의 자화손실 측정값에서 외부 인가자장이 일 때의 자화손실 값이다. YBCO CC선재는 초전도 층의 두께가 1 μm 이어서 수평 방향 으로 통과하는 자속양이 12000 : 1 로 넓이에 비해 매우 작아 BSCCO 선재와 달리 무시 한다.
2.4 임의의 방향에 대한 자화 손실의 계산 및 측정 결과
그림 3은 그림 1에서 자화 손실을 줄이기 위해 제작된 샘플에 외부에 서 수직으로(θ=90ﾟ) 자장이 가해 질 때 발생하는 자화 손실을 측정한 그래프 값이다. 이 측정값을 가지고 임의의 방향에 가해지는 자장 값에 따라 발생하는 자화 손실을 계산하고, 손실을 계산한 값과 측정값이 일 치하는지 실험을 통해 비교하였다.
<그림 3> 각 샘플의 수직 자화 손실 측정결과
<그림 4> Y12 선재의 각도별 자화 손실 측정값과 인가자장의 수직 성분 자장에서의 자화 손실 측정값 비교
<그림 5> Y6_2I 선재의 각도별 자화 손실 측정값과 인가자장의 수직 성분 자장에서의 자화 손실 측정값 비교
<그림 6> R6_2I 선재의 각도별 자화 손실 측정값과 인가자장의 수직 성분 자장에서의 자화 손실 측정값 비교
<그림 7> R6_2C 선재의 각도별 자화 손실 측정값과 인가자장의 수직 성분 자장에서의 자화 손실 측정값 비교
그림 4는 Y_12 mm, 그림 5는 Y6_2I, 그림 6은 Y6_2I, 그리고 그림 8은 R6_2C 의 임의의 방향에 대한 자화 손실 계산 값과 측정 결과 값을 보 여주고 있다. 제작된 샘플마다 계산 값과 측정값이 다소 차이는 보이지 만, 자화 손실을 계산한 패턴은 확인 할 수 있다.
3. 결 론
YBCO CC선재를 초전도 전력기기에 사용하기 위해서는 여러 가닥의 선재를 병렬로 연결하여 코일 형태로 사용해야 하고, 이때 각 가닥의 선 재에서 발생하는 자장으로 인한 자화 손실을 줄일 수 있는 방법이 필요 하다. 본 논문에서는 자화 손실을 줄이기 위해 제작된 샘플 선재에 외부 에서 가해지는 수직 자장에 대한 자화 손실을 측정하였다. 실험을 통하 여 선재의 폭을 작게 하고, 분할된 소선들을 뢰벨바의 형태로 전위시켜 자화손실 값을 줄일 수 있음을 확인하였다. 또한, 수직으로 가해지는 자 장에 의한 자화손실 값으로 부터 얻어낸 60ﾟ 45ﾟ 30ﾟ 자장성분에 의한 자화손실 값과 실제로 60ﾟ 45ﾟ 30ﾟ로 인가된 자장에 의한 자화손실 값 이 잘 일치하는 것을 확인하였다. 이런 결과는 임의 방향 자장이 발생하 는 실제의 초전도 코일에서 자화손실을 시편의 90 자화손실 측정결과 만으로도 계산할 수 있으므로 초전도 교류전력기기 설계 및 제작 코일 의 손실 평가에 유용하게 사용될 수 있다.
감사의 글
본 연구는 21세기 프론티어 연구개발사업인 차세대 초전도 응용 기술개발 사업단의 연구비 지원에 의해 수행되었습니다.
[참 고 문 헌]
[1] M. P. Oomen, J. J.Rabbers, B.ten Haken, J. Rieger and M.
Leghissa, "Magnetization loss in stacks of high-Tc superconducting tapes in perpendicular magnetic field," Physica C. 361, pp.144-148,2001 [2] Y. Fukuda, K. Toyota, K. Kajizkwa, M. Iwakuma, and K. Funaki,
"Field angle dependence of as losses in stacked Bi-2223 Ag-sheathed tapes," IEEE Trans. Applied Superconductivity, vol. 13, no. 2, pp.
3610-3613, June 2003.
[3] 이지광 외, “BSCCO Tape 선재와 YBCO CC의 외부자장 각도에 따 른 자화손실 특성비교”전기학회 논문지, 54B권 12호, pp.586-591, 2005 [4] 이지광 외, “BSCCO 선재의 수직방향 자장에 의한 자화 손실 값을 이용한 임의방향 자장에 의한 자화손실 평가” 2005년도 대한전기학회 하계학술 대회.
