초전도 선재 전위 방법{Superconducting wire transposition method and superconducting transformer using the same}
도 1은 종래의 변압기 권선 구조를 나타내는 도면 도 2는 종래의 변압기 전위를 설명하는 도면 도 3은 본 발명에 따른 초전도 선재의 전위를 설명하기 위한 연속권 권선 구조의 예시도 도 4는 본 발명에 따른 더블디스크의 턴 상태를 예시한 회로도 도 5a 내지 도 5d는 각 초전도 선재의 연결 상태를 예시한 도면 도 6은 본 발명에 따른 전위 형태를 설명하는 도면 도 7은 본 발명에 따른 더블 디스크 조립 방법을 설명하는 도면
본 발명은 초전도 선재 전위 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초전도 선재로 권선을 이루며, 전위가 가능토록 개선시킨 초전도 선재 전위 방법 및 그를 이용한 초전도 변압기에 관한 것이다. 통상, 변압기는 전자기력을 매개로 전자유도작용에 의하여 일측의 권선에 공 급한 교류전류를 다른 권선에 동일 주파수의 교류전류로 변환하는 정지유도장치이다. 변압기는 상기한 전류유도를 위하여 적어도 2 개 이상의 전기회로와 1 개의 공통된 자기회로를 구비하며, 전기회로는 권선을 가지며, 자기회로는 철심으로 구성되면서 전기회로에 쇄교하도록 구성된다. 즉, 변압기는 도 1과 같이 철심(10)과 다수개의 권선(12, 14, 16)을 구비하며, 일예로 권선은 1차 권선(12), 2차 권선(14), 및 3차 권선(16)으로 구분된다. 그리고, 상기한 도 1과 같은 구조의 변압기는 도 2와 같이 철심(10)과 권선(12, 14, 16)의 조립을 원활히 하기 위한 절연통(18)을 구비하며, 절연통(18) 상에 권선(20)이 이루어진 후 철심(10)과 절연통(18)이 조립된다. 만약, 대전류가 사용되고 여러 개의 도체를 병렬로 사용할 필요가 있는 권선에는 병렬 도체의 전류 분담을 균등히 하기 위하여 병렬 도체의 위치를 바꾸어주는 전위(A)가 형성된다. 통상, 구리전선을 사용하는 종래의 권선 방법은 교류 전류에 의한 손실을 최소화하기 위하여 여러 가닥의 전선을 사용한다. 특히 변압기는 수백 내지 수천 암페어 이상의 전류가 사용되므로 수십 가닥의 전선을 사용한다. 따라서 수 내지 수십 가닥의 전선을 권선하기 위하여 나선권, 원통권, 및 연속권 등 다양한 종류의 권선 방법이 변압기에 사용된다. 상기한 권선 방법은 권선의 크기, 절연, 및 손실을 최소화하기 위하여 다양하게 개발된 것이다. 권선의 손실을 최소화하기 위한 전위를 설명한다. 권선에 두 가닥 이상의 병렬 도체를 사용할 경우, 권선 내측 소선과 바깥쪽 소선의 임피던스 차이에 의해, 각 소선 간에는 전압 강하의 차이가 발생하며, 또한 권선 내측 소선과 권선 외측 소선과의 쇄교 자속 수 차이에 의한 유기 전압 차이가 발생하여 병렬 도체 간에는 순환 전류가 흐르고, 이로 인하여 손실은 증가한다. 전위는 이러한 순환 전류를 최소화하기 위하여 구현되는 것이며, 내측과 외측 소선간 쇄교 자속 수가 같을수 있도록 내측 소선(20a) 및 외측 소선(20b)의 위치를 적절한 곳에서 서로 바꾼다. 전위의 회수는 최소한 전선 가닥수 보다 하나 적은 수 이상으로 적용된다. 즉, 네 가닥의 병렬 도체를 사용하는 경우 최소한 3 회 이상의 전위가 있어야 한다. 최근 초전도 현상을 이용한 변압기의 개발이 진행되고 있으며, 초전도 변압기의 경우 상기한 종래 방법의 전위를 구현하는데 문제점이 있다. 구체적으로, 초전도 현상이란, 온도, 자장 및 전류가 특정한 임계값 이하로 유지될 경우 전기적 저항이 "0"으로 되는 현상을 말한다. 초전도 변압기를 포함한 전력 기기들의 권선에 초전도체를 사용하기 위해서는 초전도 현상이 유지되는 최대 전류인 임계 전류 이하의 전류를 유지하여야 한다. 특히 대전류를 흐르게 하기 위하여 수개 이상의 초전도체를 병렬로 사용하여 권선을 제작하는 경우, 각 병렬 도체 간의 전류 분담이 균등하여야 하며, 병렬 도체 간의 전류 분담이 균등하지 않은 경우, 초전도 병렬 도체 중 특정한 도체가 전류 분류가 발생하여 자체의 임계 전류를 초과할 경우, 초전도 특성을 잃어버리게 되어 초전도 권선이 파손되는 현상이 발생될 수 있다. 따라서, 전류 분류를 막기위하여 구리 권선에서와 같이 전위의 형성이 필요 하다. 그러나, 초전도체는 세라믹 계열의 재료이며, 굽힘이나 비틀림이 있는 경우, 초전도 특성을 잃어버린다. 그러므로 종래의 구리와 같은 방법으로 전위를 형성하기가 불가능하다. 그러므로, 초전도체 변압기를 구현하기 위해서는 초전도체를 이용하여 전위가 가능한 방법의 제시가 필요한 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 초전도 변압기를 구현함에 있어서 선재로 사용되는 초전도체가 초전도 특성을 상실하지 않은 상태에서 전위를 형성할 수 있게 함에 있다.
본 발명에 따른 초전도 선재 전위 방법은, 복수의 병렬 초전도 선재를 권선하는 최소한 둘 이상의 디스크 간에 권선 시작 위치를 달리하여 조립하고, 상기 디스크 사이의 도체 연결이 서로 다른 초전도 선재 간에 도체 연결을 이룸으로써 상기 디스크 외부에서 전위를 형성시킨다. 그리고, 상기 디스크 간의 권선 시작 위치는 360°를 권선 수로 분할한 각도에 대응되는 만큼 달라짐이 바람직하다. 그리고, 상기 디스크를 복수 개 조립함에 있어서 전체 권선 수를 동일하게 유지하면서 전위를 형성하도록 일부 조립되는 쌍을 회전시켜 조립함이 바람직하다. 또한 본 발명에 의한 전위 방법은 변압기, 전동기, 에너지 저장장치, 한류기 등 초전도 재료를 이용하여 전위를 형성하는 모든 장치에 적용 가능하다. 이하, 본 발명에 따른 초전도 선재 전위 방법 및 그를 이용한 초전도변압기의 바람직한 실시예에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명하기 위하여 도 3의 4 병렬 도체의 전위를 갖는 실시예를 예시한다. 보빈은 베이스(30)를 중심으로 변부에 윙(32)이 구성되며, 베이스 중심 상부에 스페이서(34)가 구성된다. 그리고, 윙(32)과 스페이서(34) 사이의 영역에 디스크(36)가 구성되며, 디스크(36)에는 초전도 선재(38)가 구성된다. 도 3의 디스크(36)의 권선 형태는 연속권 구조이며, 2 개의 디스크를 하나로 모듈화하여 더블 디스크(36)를 구성하고 있고, 보빈은 상술한 바와 같이 디스크(36)를 지지하는 구조를 갖는다. 4 가닥 병렬 초전도선이 권선된 전체 턴수가 "80"인 경우, 더블 디스크 형태로 권선하기 위하여 3번의 전위가 이루어져야 하고, 4 개의 더블 디스크로 구성되어야 한다. 그리고, 하나의 더블 디스크 턴수는 "20"이 된다. 더블 디스크에 포함된 턴 수 "20"은 각 디스크 별로 "9"턴이 할당되고 나머지 "2"턴은 디스크를 서로 연결시키기 위하여 할당된다. 즉, 도 4와 같이 4 가닥 병렬 도체는 더블 디스크에서 각각 다른 턴수를 갖는다. 본 발명은 도 3 및 도 4와 같이 권선 외부에서 전위를 실시하며, 이를 위하여 각 병렬 도체의 권선 시작점이 달라야 한다. 또한 더블 디스크 권선은 각 디스크 간의 이음없이 연결되고, 더블 디스크 내 각각의 디스크는 권선의 방향이 서로 반대가 되도록한다. 즉, 도 5a와 같이 각 병렬 도체의 시작 위치는 360°를 사등분한 90°씩 달라지게 된다. 같은 방법으로 도 5b 내지 도 5d와 같이 더블 디스크 권선 3개를 더 만들면 총 4개의 더블 디스크 권선(36a, 36b, 36c, 36d)이 되고, 요구되는 총 턴수 "80"이 형성된다. 상기한 더블 디스크는 전위를 위하여 조립되어야 하며, 조립에 의하여 더블디스크 즉 더블 팬케이 간 총 3 번의 전위되는 곳이 형성된다. 즉, 4 개의 병렬 도체 각각을 같은 도체끼리 연결하는 것이 아니라, 전체 권선에서의 4 개 병렬 도체의 턴수가 같도록 더블 디스크가 조립되어야 한다. 즉, 도 5a와 같이 #1, #1', #2, #2', #3, #3', #4, #4'와 같이 도체 연결이 이루어진다. 이는 도 4와 같이 더블 디스크 내의 4 개의 병렬 도체가 각각 턴수가 다름을 고려한 것이다. 즉, 본 발명은 도 6과 같이 4 병렬 도체의 전위를 위한 각 더블 디스크의 턴수와 전위 형태가 예시될 수 있으며, 더블 디스크(36a, 36b, 36c, 36d) 간 세 곳에서 전위가 이루어진다. 그리고, 전체 턴수를 맞추기 위해서는 도 7과 같이 보빈을 회전시키면서 조립하여 전체 턴수를 맞춘다. 구체적으로 더블 디스크(36a, 36b)를 조립할 때 보빈이 180° 회전되어 조리되고, 더블 디스크(36c, 36d)를 조립할 때 보빈이 180° 회 전되어 조립된다.
본 발명에 의한 전위는 초전도 선재의 꺽음이나 용접없이 이루어질 수 있으므로 초전도체의 특성을 유지하면서 전위를 형성할 수 있는 이점이 있다. 그리고, 본 발명은 4 가닥 초전도 선재를 병렬로 사용한 실시예를 보였으며, 그에 따라서 순환전류가 발생되지 않는다. 결국, 각각의 병렬 도체의 전위는 더블 디스크를 여러 개 조립하여 전체 권선을 구성하며, 각 더블 디스크를 회전시켜서 원하는 위치와 턴수에서 전위가 이루어질 수 있는 효과가 있다. 따라서, 더블 디스크의 시작점을 적절히 배분하여 대용량 전류에 적용할 수 있으며, 고전압 권선의 제작이 가능한 효과가 있다. 그리고, 본 발명에 적용된 권선의 전위 이외에 기타 전동기, 에너지 저장장치, 한류기 등 초전도 재료를 이용하여 전위를 형성하는 모든 장치에 적용 가능하다. |
