전도성 에폭시는 고온 초전도 자석에 따르는 난점들을 해소하는 데에 도움이 됩니다

해당글은전기기기에대하여고온초전도자석의이용을중점으로다룹니다, 특히고온초전도자석적용에따르는난점들과 Chemtronics 제품들의도움으로이러한난점들을극복할수있는가능한해결책을다룹니다.

고온초전도(HTS) 재료는고온초전도자석을제조하기위해널리사용되어왔습니다. 고온초전도자석은전기기기, MRI(자기공명영상), 부상및입자가속기에적용될수있는전자석입니다. 고온초전도자석에사용되는초전도와이어는정상적인작동을위해반드시낮은온도로냉각되어야합니다.

퀜칭은초전도체가초전도상태에서상전도(저항) 상태로의변화를야기하는현상입니다. 퀜칭의결과로, 주변부의온도를증가시키는줄발열(저항적발열)이발생되며초전도성의특징을약화시키고전자석의자기장을감소시킵니다. 결과적으로자석은영구적으로손상될수있습니다. 퀜칭을방지하기위해서는이웃하는전도체에전류를흐르게할수있는메커니즘이필요합니다.

마그넷 퀜칭이란 무엇입니까?

전도체와는달리, 초전도체의와이어는온도가임계온도(T_c)아래에유지되는조건에서전류의흐름에전기적무저항을제공합니다. 액체(고온초전도에서는액체질소)가냉각액으로사용되며초저온상태로유지시킵니다. 초전도체는아주큰전류를통전시킬수있으며강력한자기장을형성시킬수있습니다. 초전도체는강자성코어를가지는마그넷에의해발생되는것보다열배는더강력한자기장을발생시킬수있습니다. 이러한부분은초전도마그넷의코어에초전도와이어를이용하는동기가됩니다.

추가로, 초전도체는나아가고온초전도체(HTS) 및저온초전도체(LTS)로분류됩니다. 고온초전도체는더높은임계전류밀도(j_c), 임계온도(T_c),임계자기장(H_c)에관하여저온초전도체[1]와비교할때에더우수한능력을발휘합니다. 이러한매개변수들의임계값들은와이어가초전도성특징을유지할수있는때의최대값을명시합니다.

마그넷퀜칭에서, 코일와이어는초전도성상태를잃습니다. 이러한현상은기본적으로와이어의온도가증가되기때문에발생됩니다. 와상전류로인해야기되었을수있는온도증가는와이어가전류의흐름에유한한저항을발생시키도록합니다. 자석의결함또한퀜칭의원인이될수있습니다. 퀜칭은 1번도표에보여지는것처럼저온초전도체에서더욱두드러집니다. 그러므로, 연구원들은실용적인적용을위해전기적으로그리고기계적으로안정한자석을만들기위하여고온초전도체를탐구하기시작했습니다.

그림 1: 주로 급랭 전파에 대한 저항성 발달: 정상 영역의 크기가 커집니다. [2]

그림 2: 주로 핫스팟 가열로 인한 저항 발생: 정상 영역이 가열됩니다. [2]

전기 기기에서의 무절연 고온 초전도체

초전도성모터및발전기를사용하는아이디어는초전도성모터와발전기가가지는더높은힘과토크밀도로대중성을얻었습니다[3]. 전통적인모터와발전기에사용된대부분의전자석들은절연코팅이되어있고저항이있는와이어를이용하여감겨졌습니다. 절연없이는, 한회의회전에서다른회전으로전류가우회할것이며의도한자기장이형성되지않을것입니다[4]. 하지만, 초전도체와이어의경우제공할수있는저항이없으며전류가원래의소용돌이길을그대로따라갈것이기때문에의도한자기장이형성되지않는다는것은초전도체와이어에서는적용되지않습니다. 고온초전도체의이러한특징은잘활용될수있으며다음부분에서설명됩니다.

턴간절연이없는고온초전도성코일은전기기기의전기적및열적안전성을증가시키는것으로발견되었습니다[5]. 절연이있는고온초전도체에서, 퀜칭이발생될때, 한쪽부분에서고온부가생성되며, 자기에너지가작은규모로소멸되고온도가빠르게상승합니다. 만약고온초전도성코일이턴간절연없이감겨지면턴과턴사이의전기적인접촉이증가되며이는더나은열적안정성에기여합니다. 더중요한부분으로는, 퀜칭이일어날때, 상전도영역에서의발열및온도상승은일어나지않는것입니다. 이유는동작전류가무절연턴을통해우회될것이기때문입니다. 내재하고있는이러한보호적특징은전기기기에서의무절연고온초전도코일사용에있어서주된동기가됩니다.

하지만, 회전기계를위한무절연고온초전도코일사용은기계적안전성에대하여중대한의문을제기합니다. 고온초전도체의자기장코일이회전기계에이용될때에는로터의회전으로부터기인되는회전진동과시변자기장에의해야기되는기계적인장애때문에불안정해질수있습니다[6]. 코일의기계적안전성을확보하기위해지지구조물이사용될수있습니다. 대안적으로는, 초전도체와이어를제자리에유지시키기위해에폭시또한사용될수있습니다. 그렇지만에폭시는잠재적인퀜칭을야기시키면서코일의턴들간에저항을유발시킬수있는절연재료로만들어졌습니다. 이러한점은코일의안전성을확보하고퀜칭의문제점을해결할수있는방안으로전도성재료로만들어진에폭시의사용이추천됩니다.

사례 연구: 고온 초전도성 코일에서의 전도성 에폭시

한사례연구에서[6], 코일와이어에전도성에폭시를주입시킴으로인한효과를분석하기위해이트륨바륨구리산화물(YBCO)로코팅된전도체로감겨진두코일이사용되었습니다. 2번코일에는전도성에폭시가주입되었으며 1번코일에는전도성에폭시가주입되지않았습니다. 두코일의나머지조건은거의동일합니다. 액체질소(절대온도켈빈77K)가냉각액으로사용되었습니다. 해당코일에걸쳐전압을측정하기이전에, 3번도표에나와있는것처럼두코일들의임계전류(I_c)가측정되었습니다. 에폭시가주입된코일(코일2)의임계전류(I_c)는 1번코일보다더작은것으로측정되었습니다. 이러한현상은고온초전도체와이어와전도성에폭시(은전도체와함께) 사이의열팽창부조화때문에발생됩니다.

도표 3: 1번코일과 2번코일의 임계 전류 비교

다음으로는, 두 코일들에 대해 충전 (1 A/s)과 방전 (-1 A/s) 시험이 시행되었습니다. 동작전류는 1분간 지속적으로 유지되었습니다. 전원 공급 전류의 범위는 증감 전류 규모 20 A로 20 A (I_c보다 작습니다)에서 300 A (I_c의 거의 5배)입니다. 전류 세기 279 A에서, 1번코일은 손상된 것으로 발견되었습니다. 전류 세기 300 A에서는, 1번 코일의 추가적인 손상이 발견되었습니다. 이러한 결함들은 4번 도표 (왼쪽) 과 5번 도표 (왼쪽)에서 보여지는 바와 같이 검정색과 보라색 선으로 표시되어 있습니다. 

도표 4: 코일 1 (왼쪽)과 코일 2 (오른쪽)에 대한 동작 전류 [6

도표 5: 1번코일 (왼쪽)과 2번코일 (오른쪽)에 대한 측정된 전압 [6]

2번코일에서는손상이발견되지않았습니다. 2번코일은300 A의동작전류에서도과열되지않고안전한동작을유지했습니다. 이러한점은I_c위의전류는코일에서턴간접촉을통해우회하는반면에I_c 아래의전류에서는코일을성공적으로충전한다는점을보여줍니다. 이러한결과는전도성에폭시가주입된무절연고온초전도체코일의향상된열적및전기적안전성을증명합니다. 나아가, 전도성에폭시가주입된코일은전통적인무절연고온초전도체코일에서요구되는추가적인활발한퀜칭보호가요구되지않습니다.

CircuitWorks 전도성에폭시

1958년부터, Chemtronics는전기적수리및관리에대하여양질의제품들을공급해왔습니다. Chemtronics는전기, 전기통신및중요환경시장을위한해결방안에서산업리더입니다.

CircuitWorks 전도성에폭시는지구에서가장전도성이높은금속인은을사용합니다. 이제품은두부분이있습니다. 예를들자면은입자무게백분율84의경화제와에폭시입니다.  0.01 Ω.cm보다작은체적저항률과함께, 이제품은고강도의전도성결합적용에우수한선택입니다. 해당사례연구 [6]는주입된코일의전기적및열적안정성을시험하기위해CW2400 CircuitWorks 전도성에폭시를이용합니다. 증명된안정성과신뢰도와함께, CircuitWirks 전도성에폭시는모터와발전기처럼기계적인안정성또한요구되는전기적회전기계를위해설계되는전자석을위한이상적인선택입니다.

더많은정보를원하시면, 678-928-6534 또는askchemtronics@chemtronics.com를통해귀하의Chemtronics 적용전문가에게연락하시기바랍니다.

참조