2.1 초전도 전기기기의 설계 경향 분석

초전도 전기기기는 초전도 전자석 계자와 전기자측 자기회로의 구성에 따라 철심형 또는 공심형 기기로 구현이 가능하다. 철심을 이용하여 자기회로를 구성하는 경우가 가장 일반적인데, 초전도 전자석 계자가 고자장을 갖도록 하고, 전기자 자속의 흐름이 용이하도록 하므로, 고가의 초전도 선재 사용량은 적어지고 설계가 상대적으로 간단해지는 장점을 갖는다 ⁽⁶⁾,⁽¹⁵⁾. 그러나, 자기회로를 구성하는 철심의 중량이 높아 시스템의 안정성 확보를 위한 지지 구조물의 증가가 불가피하여 제작비가 증가하고, 체적당 출력밀도가 낮은 단점을 가진다 ⁽⁶⁾,⁽¹⁵⁾. 전기자측의 철심을 제거하여 초전도 전기기기의 자기회로를 공심형으로 구성하는 경우에는 전기자 자속을 집중시키기 위하여 전기자를 기기의 내측, 초전도 계자를 기기의 외측에 설치하는 설계가 필수적이다. 또한 공심형 초전도 기기는 계자 코일에서 발생하는 자속을 고자장을 갖도록 하며, 외부로 누설되는 자속을 차단하기 위한 차폐 코일을 구성하는 것으로, 초전도 선재의 사용량은 증가하나 철심을 사용하지 않아 상대적으로 손실이 적을 뿐만 아니라 중량이 작아 고출력밀도(power density), 높은 비출력(specific power) 기기의 구현이 가능하다. 그림 4는 기존의 선행 연구결과들에서 제시된 초전도 전기기기의 최외경(outer rotor)과 축방향 길이(axial length)의 설계점 분포를 보여준다. 그림에서 보여지는 바와 같이, 선행 연구에서 제시된 고온 초전도 선재를 사용한 초전도 동기 발전기는 직접 구동 방식으로 10-13 MW를 가지며, 약 10rpm 급으로 외경은 1.8–6.0 m, 축 방향 길이 약 0.8-3.0 m의 다양한 설계 범위를 갖는다. 2000년 초반부터 현재에 이르기까지 영국, 미국, 일본, 덴마크, 이란, 한국 등을 중심으로 대부분 풍력터빈용 직접 구동 초전도 발전기의 설계 및 개발이 이루어 졌다 ⁽⁵⁾-⁽³²⁾. 회전 계자형태를 띄고 있고 자속의 누설을

그림 4 10MW급 초전도 발전기의 설계 범위 분포

Fig. 4 Design range distribution of 10 MW class superconducting generator

줄이기 위하여 고정자 강자성체 철심을 사용하는 형태이다. 그림 5는 회전 계자형 초전도 발전기의 일반적인 개념 설계 형상을 보여준다. 회전자는 베어링과 회전축을 기준으로 초전도

그림 5 일반적인 회전계자형 초전도 전기기기의 단면도

Fig. 5 Sectional view of general rotating field superconducting electric machine

계자 코일과 회전자 코어로 구성되어 있으며 계자 권선이 회전할 수 있도록 슬립링과 브러쉬가 사용된다. 전기자로서의 고정자는 3상 구리 권선과 고정자 강자성체 철심으로 이루어져 있다. 그림 6은 Rolls-Royce 사의 ‘Superconducting Turboelectric Distributed Aircraft Propulsion’ 자료에 인용된 초전도 전력기기의 용량, 전압, 전류의 분포를 보여준다 ⁽²⁾. 이 분포 값은 Rolls-Royce 사에서 차세대 전기 추진 항공기 개발을 위하여 이에 필요한 전동기 및 발전기의 요구 성능에 대한 지표이다. 본 논문에서는 그림 4의 선행연구 데이터 분석결과와 Rolls-Royce사의 전력 관련 설계 사양 분포 데이터를 기반으로 발전기의 초기 사이즈와 정격 설계점을 선정하였다. 본 논문에서는 전기추진 항공기의 전력 시스템의 전원 공급용 발전기로 공심형 초전도 발전기를 선정하고 3000 rpm에서 직접 구동할 수 있도록 정격 사양들을 선정하였다. 상세한 설계 목표 및 제약 조건은 표 1과 같다.

그림 6 초전도 전력기기에서 전력용량에 따른 정격전압 및 정격 전류값 선정 분포 (a)전력용량에 따른 정격전압 vs. 정격전류 (b)정격전압 vs. 정격 출력

Fig. 6 Voltage and current distribution of superconducting machine by power capacity (a) rated voltage vs. rated current by power capacity, (b) rated voltage vs. power capacity

2.2 공심형 전자기 구조 설계

초전도 전기기기의 계자측 전자석은 강자성체 철심 위에 초전도 선재를 감아 공극과 전기자에 자속을 공급한다. 기기의 내측에 회전하는 계자 전자석을 설치하고 외측에 고정자 철심을 두는 일반적인 권선형 동기기의 구조와 동일하다. 그러나 초전도 전기기기의 비출력을 극대화 할 수 있는 최선의 방법인 공심형 전자기 구조를 갖게 하려면 회전하는 전기자를 내측에 설치하여 전기자 자속의 누설을 최소화하고 공극과 전기자측으로 계자 자속을 집중시키는 것이 가장 유리하다. 그림 7(a)는 회전하는 전기자를 내측에 설치한 경우 계자 전자석에 의한 등자속선 분포를 나타낸다. 계자 자속이 기기의 외부로 누설되는 것을 차단하기 위하여 외측에 강자성체 철심을 설치한 설계 예를 나타낸다. 그림 7(b)는 회전 전기자를 내측에 설치한 경우 계자 자속이 외부로 누설되는 것을 차단하기 위하여 외측에 차폐 코일을 설치한 설계 예를 나타내며, 주 계자용 초전도 코일(main field coil)의 외측에 차폐용 초전도 코일(shield coil)을 추가로 설치하는 개념이다. 본 논문에서는 그림 7(a)의 형태를 수동 차폐형 (passive shield)라 표현하고, 그림 7(b)의 형태를 능동 차폐형(active shield)라 하였다. 또한 본 논문에서 제시하고자 하는 공심형 전자기 구조(능동차폐형)의 차폐 성능과 설계 타당성을 검증하기 위하여 철심형 구조(수동 차폐형)과 비교 연구를 수행하였다.

그림 7 자기회로 구성에 따른 초전도 발전기의 자속 경로 (a) 수동 차폐-강 자성체 자기회로 (b) 능동 차폐-공심형 자기회로

Fig. 7 Superconducting generator flux path comparison results: (a) passive shielding (b) active shielding

2.3 극수의 선정

높은 비출력을 갖는 10 MW 3000 rpm 급의 공심형 초전도 발전기를 구현하기 위한 고온 초전도 선재는 GdBCO가 적용되었고, 초전도 선재의 사양은 표 2와 같다. 그림 8은 본 논문의 주요 연구대상인 수동차폐형 및 능동차폐형 초전도 발전기의 2차원 형상을 개념적으로 나타낸다. 그림 8(a)는 수동 차폐 설계의 경우, 그림 8(b)는 능동차폐 설계의 경우를 각각 나타낸다. 초기설계 단계에서 초전도 발전기의 극수 선정을 위하여 경험적으로 주자극 코일과 차폐 코일의 극호비를 정하였고, 주자극 코일과 차폐 코일에 인가되는 전류는 단위길이당 기자력(Ampere-turn, AT)의 수로 결정하였다. 극수 선정을 위해 정의한 계자측 코일의 사양은 표 3과 같다. 초기설계 과정을 통해 2차원 형상을 결정한 4극, 6극, 8극의 3 모델을 선정하고 능동 차폐형 모델과 수동 차폐형 모델의 차폐 성능 및 공극 자속밀도 분포의 비교 분석을 통해 극 수 선정의 타당성 검토를 수행하였다.

그림 8 초전도 발전기의 2차원 개념 형상 (a) 수동차폐 설계의 경우 (b) 능동 차폐 설계의 경우

Fig. 8 2-dimensional concept topologies (a) Active shielding case (b) Passive shielding case

극수에 따른 기기 외부로의 차폐성능을 분석하기 위하여 초기 설계된 수동 및 능동 차폐 초전도 발전기의 자속 밀도를 계산하고 결과를 그림 9, 그림 10에 나타내었다. 수동차폐 설계의 경우, 그림 9(a)과 그림 9(b)에서 보여지는 바와 같이 상대적으로 극수가 적은 4극, 6극 모델과 같은 경우 강자성체 철심의 두께를 키워야 하며 이는 곧 초전도 발전기의 중량이 증가하게 됨을 의미하므로 그림 9(c)와 같이 8극 이상의 극수를 갖는 것이 중량면에서 유리함을 알 수 있다. 이와 유사하게, 능동차폐 설계의 경우 그림 10(a)와 그림 10(b)에서 보여 지는 바와 같이 4극, 6극과 같이 상대적으로 적은 극수에서 기기 외측의 자속밀도가 매우 높게 형성되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 그림 10(c)과 같이 극수를 8극 이상으로 설계를 할 때, 기기 외측으로 누설되는 자속을 현저히 줄일 수 있는 차폐성능을 유지함을 알 수 있다. 그림 11(a)-(b)는 그림 10에서 보인 능동차폐형 설계에서 극수에 따른 차폐 성능을 등자속선 분포를 통하여 보이며, 극수 선정 설계가 기기의 외측으로 누설되는 자속에 큰 영향을 줌을 확인할 수 있으며 해당 해석 결과들은 유한 요소해석 S/W인 Ansys EM.을 이용하여 도출하였다.

그림 9 수동차폐 모델의 자속밀도 분포 (a)4극 (b) 6극 (c) 8극

Fig. 9 Magnetic flux density distribution in passive shielded model (a) 4poles, (b) 6poles (c) 8poles

그림 10 능동차폐 모델의 자속밀도 분포 (a)4극 (b) 6극 (c) 8극

Fig. 10 Magnetic flux density distribution in passive shielded model (a) 4poles, (b) 6poles (c) 8poles

그림 11 능동차폐 모델의 자속 선 분포 (a)4극 (b) 6극 (c) 8극

Fig. 11 Magnetic flux line on active shielded model (a) 4poles, (b) 6poles (c) 8poles

2.4 초전도 전자석 계자 및 자기 차폐 구조 설계

그림 12는 공심형으로 설계된 능동차폐 구조를 갖는 초전도 계자 코일 설계 타당성 검토를 위하여 본 논문에서 정의한 자속밀도 기호, 자속밀도 계산 위치와 D-축 및 Q-축 선에 대하여 자세히 설명한다. 그림에서 $B_{ag}$는 공극 중앙에서의 자속밀도와 계산 위치, $B_{eg}$는 기기의 최외경에서의 자속밀도와 계산 위치(차폐자속밀도의 측정위치)를 각각 나타내며, $B_{p}$는 초전도 선재에 수직으로 쇄교하는 자속밀도(perpendicular magnetic flux density)를 나타낸다. 그리고, D-축과 Q-축으로 표현한 선의 위치는 기기의 중심으로부터 최외경까지 자속밀도의 변화를 계산하여 차폐 자속밀도 크기의 변화를 나타내기 위해 정의한 계자 코일의 자속축을 의미한다.

그림 12 초전도 계자 차폐 성능 분석을 위한 기호 및 계산 위치(능동차폐설계 모델)

Fig 12 Symbols and calculating position for shielding performance analysis of superconducting field coil (Active shield design model).

그림 13은 그림 12의 D-축 선상에서 자속밀도분포를 기기의 중심부터 외반경(840mm)까지 계산한 결과를 나타낸다. 그림 13(a)에서 보여지는 바와 같이, 수동 차폐 설계의 경우 자속밀도의 최댓값은 공극중앙에서 4극 기기 0.95 T, 6극 기기에서 1.30 T, 8극 기기에서 1.31 T를 각각 나타낸다. 수동 차폐 설계에서는

그림 13 D-축 선상에서 자속 밀도 분포 (a) 수동 차폐형 (b) 능동 차폐형

Fig. 13 Analysis of magnetic flux density distribution on the D-axis (a) passive shielding (b) active shielding

6극 이상의 기기에서 공극자속밀도가 일정한 값(약 1.30 T)으로 유지된다. 또한, 기기의 최외반경(510 mm)에서는 강자성체를 지나면서 자속밀도가 0 T 가 되어 완전한 차폐특성을 갖게 된다. 그림 13(b)는 능동 차폐 설계의 경우를 나타내며, 자속밀도의 최댓값은 공극중앙에서 4극 기기 0.95 T, 6극 기기에서 1.30 T, 8극 기기에서 1.31 T이다. 공극 자속밀도의 최댓값은 수동 차폐 설계에 비하여 8극 기기의 경우 약 23 % 감소하였으며, 4극 기기의 경우 자속의 집중도가 떨어져 약 33 %까지 감소하였다. 또한 기기의 최외반경을 수동 차폐 설계의 경우와 동일하게 510 mm로 하였을 때, 기기의 외측(차폐) 자속밀도의 크기는 4극 기기의 경우 0.31 T, 6극 기기의 경우 0.15 T, 8극 기기의 경우 0.05 T의 크기를 갖는다. 국제 비이온화방사선 방호협회(ICNIRP) 및 미 식품의약국(FDA) 에서는 인체에 유해한 영향을 미치는 제한치를 0.4 T로 제시하고 있으며, 심장 박동 조율기 등의 의료기기 작동에 영향을 미치는 제한치를 0.5 mT로 제한하고 있다. 본 논문에서 설계한 기기의 경우 전자기적 최외경인 510 mm에서 0.05T로 인체에 유해한 영향을 미치는 제한치를 초과하지 않으며, 최외경이 775 mm에서 의료기기 동작에 영향을 미치지 않는 0.5 mT이나 냉각 구조 및 기계적 지지구조를 고려할 시 해당 차폐성능은 적절한 것으로 판단하고 8극을 갖는 능동 차폐 설계가 타당한 것으로 판단하였다.

표 4는 그림 10에서 나타낸 초전도 선재에 수직으로 쇄교사는 자속밀도($B_{p}$)의 최댓값을 비교하여 나타낸다. 현재의 설계단계에서 수동 차폐 설계 및 능동 차폐 설계, 극수 변화에 따른

$B_{p}$의 최댓값이 설계에 적용된 초전도 선재의 임계값(1.1 T)보다 작으므로 안정한 설계가 이루어졌다고 판단할 수 있다.

2.5 능동 차폐 초전도 전자석 계자의 설계

그림 14는 공심형 초전도 발전기의 능동 차폐 초전도 계자 코일의 형상을 나타낸다. 그림 14(a)에서 보여지는 바와 같이 1극 계자 코일은 주계자 코일(main field coil)과 차폐 코일(shield coil)로 구성되며, 본 논문에서는 4 mm의 선폭을 갖는 GdBCO 고온초전도(HTS; high temperature superconducting)선재를 적용하여 초전도 전자석 설계를 수행하였다. 그림 14(b)는 초전도 코일의 bending diameter를 표현하기 위한 개념도를 나타내며, 그림 14(c)는 상세한 2차원 단면도를 보여준다. 표 4에 나타낸 초전도 전자석 계자의 상세 사양에서와 같이 코일의 높이는 코일 지지용 보빈(bobbin)의 두께를 고려하여 설계되었으며, 주계자코일과 차폐코일 모두 약 19 mm의 높이를 갖는다.

그림 14 능동 차폐 초전도 계자 코일 설계 형상

Fig. 14 Topology of active shield superconducting field coil

2.6 공심형 회전자 전기자 설계

본 논문에서는 공심형 초전도 발전기를 구현하기 위하여 전기자가 기기의 내측에서 회전하는 구조를 채택하였다. 설계된 초전도 발전기에서 3000 rpm으로 회전하는 전기자는 약 900 mm의 지름을 가지므로 약 130 m/s의 접선속도(tip speed)를 갖게 된다. 본 연구의 전기자 설계에서는 기계적으로 안정할 수 있도록 코일의 구조를 단순화하고 고속 회전에 안정할 수 있도록 고강도 복합재료 몰딩이 가능한 구조를 채택하였다. 그림 15(a)은 전기자 권선 방법을 나타내며, 그림 15(b)에서 보여지는 바와 같이 8극 전기자 권선은 상당 32 턴, 한 턴당 9 mm×5.6 mm의 평각선 4 개를 사용하도록 설계되었다.

한편, 전기자가 회전하는 구조에서는 슬립링-브러쉬(slip ring-brush) 또는 회전변압기(rotary transformer)를 통한 전력(단자 전압 및 전류)의 추출이 필수적이다. 현재, 대용량 슬립링(고속-고전압-대전류)은 핀란드의 COMBINENT Co. 에서 2000 rpm-2.5 kV-1000 A급(외경 280 mm) 모델이 생산되고 있으며, 전세계적으로는 수년 내에 3000 rpm 이상의 속도에서

그림 15 고정자 권선도 및 고정자 권선 사양

Fig. 15 Stator winding diagram and stator winding specification

6.6 kV-1000 A를 만족하는 슬립링-브러시 시스템도 개발이 가능할 것으로 판단된다 ⁽³³⁾.