팬케이크 권선 사이의 공극 변화에 따른 고온초전도 마그넷의 특성 해석
In this paper, a new method, inserting an air gap between the pancake windings, for increasing the central magnetic field is proposed.
When the air gap is placed between the pancake windings, the distance between the winding and center of the magnet will becomes longer, the magnetic field applied to the winding will be weaker. The first factor(longer distance) will reduce the central magnetic field. In an HTS magnet, the second factor(weaker magnetic field applied to the winding) significantly increases the critical current of the winding. If the effect of the second factor prevail over that of the first factor, the central magnetic field is able to increase.
Effects of the air gap on the central magnetic field of an HTS magnet was described at the various number of turns and number of the pancake windings in this paper. The characteristics of the superconducting magnet consisting of the insert and the outsert magnet are also studied. In this paper, the air gap between pancake windings is varied.
The critical current of each pancake winding which can generates maximum central magnetic field is calculated by using E-J relationship and evolution strategy. Evolution strategy is one of optimization methods.
Calculation results showed that unlike at the conventional magnet, the air gap was proven to increase the central magnetic field of the HTS magnet. The air gap increased the critical current of the pancake winding so that it increased the central magnetic field. According to the results of the analysis, there was an optimum air gap which maximize the central magnetic field. The air gap was also helpful to reduce the non-uniformity of the magnetic field near the center of the HTS magnet.
In the magnet consisting of a YBCO insert and a BSCCO outsert magnet, there was also an optimum air gap which maximized the central magnetic field. The optimum air gap was dependent on the specifications of the HTS magnet.
본 연구에서는 고온초전도 팬케이크 권선을 적층하여 만드는 고온초전도 마그넷의 중심자장을 높이는 방법을 제시하고 고온초전도 마그넷의 특성을 계산했다. 고온초전도 마그넷의 중심자장을 증가시키는 기존의 방법은 고온초전도 마그넷의 윗부분과 아랫부분에 철심을 두어 수직자장의 영향을 줄임으로써 마그넷의 임계전류를 높여 고온초전도 마그넷의 중심자장을 증가시키거나 또는 각 팬케이크 권선에 인가되는 수직자장의 방향과 크기가 다른 점을 고려하여 각 팬케이크 권선을 별도의 독립된 전원으로 여자시킴으로써 고온초전도 마그넷의 중심자장을 증가시키는 방법이었다.
하지만 전자의 경우 철심의 포화로 인하여 규모가 큰 고자장용 고온초전도 마그넷에서는 그 효과가 크지 않으며, 후자의 경우 독립된 전원을 사용하기 때문에 시스템이 복잡해지고 고온초전도 마그넷을 운용하는 비용이 증가한다는 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 고온초전도 마그넷의 중심자장을 증가시키기 위해서 시스템이 복잡하지 않으면서 철심의 포화자속에 의해 제한 받지 않는 새로운 방법을 제안하였다.
고온초전도 마그넷의 중심자장을 증가시키기 위해 팬케이크 권선형 고온초전도 마그넷의 팬케이크 권선 간의 간격을 조절하였다. 팬케이크 권선 간의 간격이 커지면 마그넷 중심으로부터의 거리가 멀어져 마그넷의 중심자장을 감소시키나 팬케이크 권선에 인가되는 수직자장의 영향 또한 감소하여 팬케이크 권선의 임계전류를 증가시키고 이는 마그넷의 중심자장을 증가시키는 역할을 한다. 따라서 후자의 영향이 전자의 영향보다 크면 마그넷의 중심자장을 증가시킬 수 있다.
이를 검증하기 위하여 고온초전도 선재로 권선된 단일 마그넷을 팬케이크 권선 수와 턴 수를 달리하여 공극의 영향을 계산하였으며, 내부 마그넷(Insert magnet)과 외부 마그넷(Outsert magnet)으로 구성된 고온초전도 마그넷의 경우에 대해서도 계산하였다. 팬케이크 권선에 인가되는 자장 및 마그넷의 중심자장을 계산하기 위해 상용수치해석 프로그램을 이용하여 자계를 계산하였으며 팬케이크 권선의 임계전류를 산정하기 위해 E-J 관계를 이용했다. 또한 (1+1) 진화론적 최적화 기법을 적용하여 마그넷의 중심자장이 최대가 되는 마그넷의 임계전류를 결정하였다.
계산결과 고온초전도 단일 마그넷의 경우 팬케이크 권선의 턴 수, 팬케이크 권선의 수에 따라 최대중심자장을 발생시키는 최적의 공극이 존재하였으며, 내부와 외부 마그넷으로 구성된 고온초전도 마그넷의 경우에는 내부 마그넷의 공극은 없고 외부 마그넷은 최적의 공극이 있을 때 고온초전도 마그넷의 중심자장이 가장 컸다. 따라서 본 연구를 통하여 특별한 장치 없이 팬케이크 권선 간의 간격만을 조절하여 고온초전도 마그넷의 중심자장을 증가시킬 수 있음을 확인하였으며 고온초전도 마그넷의 설계 시 공극이 고려되어야 함을 알 수 있었다.
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