This paper describes design, fabrication, and evaluation of the conduction cooled high temperature superconducting (HTS) magnet for superconducting magnetic energy storage (SMES). The HTS magnet is composed of twenty-two of double pancake coils made of 4-ply conductors that stacked two Bi-2223 multi-filamentary tapes with the reinforced brass tape. Each double pancake coil consists of two solenoid coils with an inner diameter of 500 mm, an outer diameter of 691 mm, and a height of 10 mm. The aluminum plates of 3 mm thickness were arranged between double pancake coils for the cooling of the heat due to the power dissipation in the coil. The magnet was cooled down to 5.6 K with two stage Gifford McMahon (GM) cryocoolers. The maximum temperature at the HTS magnet in discharging mode rose as the charging current increased. 1 MJ of magnetic energy was successfully stored in the HTS magnet when the charging current reached 360A without quench. In this paper, thermal and electromagnetic behaviors on the conduction cooled HTS magnet for SMES are presented and these results will be utilized in the optimal design and the stability evaluation for conduction cooled HTS magnets.
Superconducting Electrodynamic suspension(EDS) system is generated by the interaction between the magnetic field made by the induced the eddy current in the ground conductor and the moving magnetic field made by onboard superconducting magnet. The levitation force of EDS system, which is proportional to the strength of the moving magnetic field, becomes saturated according to the increase of the velocity. Especially, the levitation force is influenced by the structure of HTS magnet and ground magnet. This paper deals with the optimal design condition for the HTS levitation magnet. The 3-D numerical analysis with FEM was used to find the distribution of the magnetic field, the optimal coil structure, and the calculation of the levitation force.
Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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2012.05a
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pp.93.1-93.1
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2012
세라믹 고온초전도체는 에너지 저장장치의 핵심소재로 사용된다. 초전도 플라이휠 에너지 저장장치(Superconductor flywheel energy storage system)는 전기 에너지를 운동 에너지로 변환하여 저장하는 친환경, 고효율 에너지 저장장치이다. 에너지를 최소화하는데 사용되는 초전도 베어링은 고온초전도체와 영구자석으로 구성된다. 베어링에는 희토류계 초전도 물질(RE-Ba-Cu-O, RE:Rare-earth elements)가 사용된다. 베어링의 효율은 영구자석의 자력크기, 초전도체의 자기부상력과 포획자력에 비례한다. 에너지 저장효율을 높이려면 고온 초전도체의 임계전류밀도(초전도체 내부에 흘릴 수 있는 전기량)를 높이고, 초전도 결정립의 크기를 키워야 한다. 결정크기를 키우는 공정으로 종자결정성장법(Seed growth process)이 사용된다. 초전도체 제조공정은 분말의 성형, incongruent melting을 포함하는 부분 용융, 액상에서의 입성장, 포정반응을 통한 초전도 결정의 성장과정을 포함한다. 본 발표에서는 초전도 에너지 저장장치의 기본 원리, 초전도 베어링의 구성, 베어링용 초전도체의 제조방법과 특성(자기부상력과 포획자력) 평가기술, 차세대 에너지 저장장치로서의 초전도 플라이휠 에너지 저장장치의 전망에 대해 요약하였다.
미국의 ASC(American Superconductor Corp.)에서는 산화물계의 고온초전도선재를 대량생산하기 위한 대규모 투자를 계획하고 있으며 지금은 금속계 초전도선재처럼 장척의 고온초전도선재도 구매할 수 있는 시대로 접어들고 있다. 고온초전도체 벌크 및 박막의 경우도 새로운 프로세스들이 계속 시도되고 최적화 연구가 성과를 거두면서 고성능, 고품질의 재료들이 제조되고 있고 이것들을 이용한 상용화 연구개발이 미국, 일본을 중심으로 활발하게 이루어지고 있다. 최근 5년간의 고온초전도 분야에 대한 미국 연방정부의 연구비 투자 상황을 살펴보면 계속 증가추세에 있으며 벤처 비지니스의 민간기업들이 고온초전도체를 상용화하기 위한 많은 투자와 노력을 하고 있다. 고온초전도체는 그 사용 용도에 따라 벌크, 박막, 선재 등 다양한 형태로 만들어지고 있다. 본 고에서는 고온초전도체의 여러 연구분야 중 이론, 물성보다는 주로 응용기술적인 차원에서 재료 형태별로 최근의 연구개발 동향을 살펴보고자 한다.
Journal of Korea Society of Industrial Information Systems
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v.23
no.1
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pp.31-41
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2018
This paper discusses a structure design and thermal analysis of cryogenic conduction cooling system for a high current HTS DC reactor. Dimensions of the conduction cooling system parts including HTS magnets, bobbin structures, current leads, support bars, and thermal exchangers were calculated and drawn using a 3D CAD program. A finite element method model was built for determining the optimal design parameters and analyzing the thermo-mechanical characteristics. The operating current and inductance of the reactor magnet were 1,500 A, 400 mH, respectively. The thermal load of the HTS DC reactor was analyzed for determining the cooling capacity of the cryo-cooler. Hence, we carried out the operating test of conduction cooling system of the 1st stage area with high current flow. The cooper bars was cooled down to 40 K and HTS leads operated stably. As a experiment result, the total heat load of the 1st stage area is 190 W. The study results can be effectively utilized for the design and fabrication of a commercial HTS DC reactor.
용융공정으로 제조한 YBCO 고온 초전도체는 임계전류밀도가 높기 때문에 외부자장을 강력하게 반발한다. 영구자석과 YBCO 초전도체간의 부상력을 이용하면 무접촉으로 회전할 수 있는 베어링을 제작할 수 있다 고온 초전도체 무접촉 베어링은 고에너지 효율의 플라이휠 에너지 저장장치에 활용된다. 초전도 베어링은 전자석을 이용한 자기 베어링에 비해, 위치 제어 시스템 없이 중량물을 공중에 띄워 회전시킬 수 있는 장점이 있다. 플라이휠 에너지 저장장치는 무공해의 환경 친화적인 기술로, 용량과 규모, 에너지 입출력 양과 시간을 조절하기 쉽다. 또한, 장소설정에 제한이 없으므로 에너지를 필요로 하는 장소에 자유롭게 설치할 수 있고, 에너지밀도가 다른 저장시스템에 비해 상대적으로 높다. 현재 선진 각국에서는 에너지의 효율적 저장 및 활용을 위해 고온 초전도체 베어링을 이용한 플라이휠 에너지 저장장치를 국가적 중점 사업으로 개발 중이며 2000년 초에 실용화될 전망이다. 본 논문에서는 고온 초전도체의 자기 부상력, 플라이흴 에너지 저장장치의 개념설계 및 개발동향에 대해 요약하였다.
초전도 코일의 안정성(stability)을 향상시키기 방법으로 초전도 자석의 턴(turn) 사이의 절연을 없애는 무절연 코일(no-insulation coil) 및 금속 테이프를 같이 권선하는 금속절연 코일(metal insulation coil)이 제안되어 활발히 연구되고 있다. 본 논문에서는 고온초전도 코일의 열적, 전기적 메카니즘을 분석하기 위한 FEM 모델을 제시하고, 이를 사용하여 �치 시 고온 초전도 코일의 안정성 향상 정도를 해석한다.
Proceedings of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers Conference
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1998.10a
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pp.337-342
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1998
임계온도가 액체질소의 비등점(77K)보다 높은 산화물 고온 초전도체가 발견된 이후 초전도체를 여러분야에 응용하고자 하는 연구가 있어왔다. 이러한 연구중 초전도체의 자기부상특성을 이용한 마그네틱 베어링에 관한 연구가 시작되었다. 특히 최근에 임계전류밀도가 높은 덩어리형 고온 초전도체가 개발되어, 큰 부하지지력을 갖고 마찰계수가 작은 초전도 마그네틱 베어링이 가능하게 되었다. 고온 초전도체를 사용한 반발식 수동형 마그네틱 베어링은 마이스너 효과(Meissner effect)뿐 아니라 자속고정효과(Flux pinning effect)에 의해 자체적으로 외란에 대한 위치안정성을 가지며, 히스테리시스 손실에 의한 에너지 소산을 통해 외란에 대해 강한 감쇠능력을 가진다는 장점을 가지고 있으며, 대중량을 지지할 수 있다. 이러한 초전도체의 특성에 관한 정량적 수치해석은 초전도 베어링의 설계에 필수적이나 아직 국내에서는 그러한 시도가 없었다. 이러한 여건을 고려하여 본 연구에서는 Bulk형 초전도체와 자석간의 부상력 변화를 축대칭 모델로 수치해석하여 기존의 실험들과 정량적인 비교를 하여 수치해석 코드의 신뢰성을 확보하고 이를 기반으로 다양한 상황을 예측할 수 있음을 보이고자 한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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