Applicability of No-insulation High-temperature Superconductor Field Winding to Superconducting Synchronous Motor

Abstract

최근 지구온난화가 가속화됨에 따라 세계 각국에서는 탄소중립을 달성하기 위하여 온실가스 배출을 줄이기 위한 기술 연구를 활발하게 수행하고 있다. 온실가스 저감을 위한 노력은 전력시스템, 수송, 제조 산업, 생활 건물 등 사회 전 분야에서 이뤄지고 있다. 이중 특히 대형 화물 트럭, 선박 및 항공기를 포함하는 수송 분야에서는 온실가스 배출을 획기적으로 절감하기 위하여 기존 화석연료 기반 추진 시스템을 대체할 수 있는 수소 혹은 전기 에너지 기반의 새로운 고성능 추진 시스템의 개발이 요구되고 있다. 대체 연료에 기반한 추진 시스템 개발 시 중요하게 여겨지는 부분 중 하나는 경량화 및 소형화를 위한 추진 시스템의 출력 및 에너지 밀도의 향상이다. 고온초전도 모터를 기반으로 하는 전기추진 시스템은 고온초전도 코일의 높은 통전 전류를 기반으로 기존 상전도 기반 시스템을 뛰어넘는 높은 출력밀도를 달성할 수 있을 것으로 예상된다. 이에 따라 전기추진 항공기 등 차세대 수송 시스템에 적용하기 위한 고온초전도 전기추진 시스템 개발 프로젝트가 미국, 일본, 유럽을 포함한 선진국들을 중심으로 착수되어 진행되고 있다. 기존 고온초전도 모터의 기술적 난제 중 하나로써 고온초전도 계자 권선의 운전 안정성과 보호의 어려움이 지속적으로 논의되어 왔다. 이를 개선하기 위하여 무절연 고온초전도 권선 기술을 적용한 무절연 고온초전도 모터 개념이 제안되었다. 무절연 고온초전도 권선 기술은 초전도 턴간의 절연을 제거함으로써 고온초전도 코일의 운전 신뢰성을 크게 향상 시킨 기술로써, 퀜치 사고 시 코일의 보호에 매우 효과적임이 실험적으로 여러 차례 검증된 바 있다. 하지만, 턴간의 절연 제거로 인하여 무절연 고온초전도 계자 권선의 누설 전류가 발생에 따라 일반적인 절연된 계자 권선과 다소 다른 운전 특성을 보일 수 있으며, 이러한 무절연 특성에서 비롯된 운전 특성으로 인하여 무절연 계자 권선이 실제 모터에 적용 가능한 기술인지에 대한 논의가 필요하다. 이를 위해서, 무절연 계자 권선을 모터에 적용할 시 운전 특성을 해석하기 위한 모델의 수립과 실험을 통한 특성 분석 연구가 요구된다. 본 연구에서는, 무절연 고온초전도 계자 권선의 초전도 모터에의 적용 가능성에 대하여 논의하였다. 이를 위하여 기존에 제시된 절연 초전도 코일과 무절연 초전도 코일의 해석 기법들을 바탕으로, 무절연 특성이 반영된 무절연 고온초전도 모터의 해석 모델을 최초로 제시하고 이를 바탕으로한 해석을 수행하였다. 또한, 실제 실험을 통한 특성 분석을 위하여 무절연 계자 권선을 적용한 특성 시험 장치의 설계 및 제작을 수행하였다. 액체질소 기반 냉각 시스템과 초전도 모터 시험을 위한 다이나모 실험 장치를 구축하였으며, 설계 시 고려되어야 하는 주요 전기적, 구조적, 열적 특성을 분석하여 이를 설계에 반영하였다. 구축한 시험장치를 이용하여 무절연 계자 권선이 적용된 시험용 모터를 다양한 조건에서 운전을 수행하였고, 이 때 나타나는 무절연 고온초전도 계자 권선의 응답 특성을 최초로 관측하고 정리하였다. 무절연 고온초전도 계자 권선에서 나타나는 응답 특성의 원인을 시험 시스템의 조건을 고려하여 제안한 해석모델을 통해 분석하였고, 이러한 무절연 고온초전도 계자 권선의 응답이 모터의 운전 특성에 어떠한 영향을 미칠 수 있는지 논의하였다. 마지막으로, 실제 모터에 무절연 고온초전도 계자권선을 적용하기 위한 개선점들과 추가적인 연구의 필요성에 대하여 정리하였다.

As global warming becomes a significant issue in recent years, major countries around the world are actively developing technical solutions to reduce greenhouse gas emissions in all areas of society to achieve carbon neutrality. Major fields requiring greenhouse gas reduction can be broadly classified into power systems, buildings, transportation, and industry. In particular, in the transportation field, which includes the operation of large cargo trucks, ships, and aircraft, the development of a new high-performance propulsion system based on alternative fuels like hydrogen or electricity is necessary to replace the conventional fossil fuel-based propulsion system. One of the important aspects in the development of an alternative fuel-based propulsion system is the improvement of the power density and energy density to achieve lightweight and small sizes. An electric propulsion system adopting a superconducting motor is expected to achieve high power density based on the high current density of a superconductor coil compared to a non-superconducting counterpart. Hence, for the development of eco-friendly propulsion systems in the next generation, various superconducting propulsion system development projects have been launched and conducted. The operation reliability and protection problem of high-temperature superconductor (HTS) winding have been one of the key challenges for conventional HTS motors. A new concept of a no-insulation (NI) HTS motor adopting an NI HTS coil as a field winding was proposed to improve the operation reliability and protection of the HTS motor. NI HTS winding technology, which intentionally removes insulation between turns of the HTS coil, has been used to construct ultra-high field superconductor magnets, and its improved protection performance has been experimentally verified several times. However, in the case of a field winding in a superconducting motor, NI HTS field winding might affect the operating characteristics of the motor and could operate differently from those of the conventional insulated field winding, due to the leakage current between turns. Due to the unknown operation characteristics that might be derived from unique NI behaviors, it is necessary to discuss whether NI HTS field winding can be a potential option applicable to actual motors. Therefore, derivation of the analysis model and experimental verification are necessary to understand the operating characteristics of an NI HTS motor. In this study, the applicability of NI HTS field winding to superconducting motors was discussed. First, based on the previously presented analysis techniques for insulated HTS coils and NI HTS coils, the first analysis model of a NI HTS motor considering NI characteristics was presented, and an analysis of operation characteristics was performed based on the suggested model. In addition, for the experimental investigations, the design and construction of a test machine with NI HTS field winding and an experiment system were conducted. The liquid nitrogen-based cooling system and dynamo test facility were constructed and major electrical, structural, and thermal characteristics that should be considered in the design were analyzed and applied to the system. The test motor with NI HTS field winding was operated under various conditions, and the nonlinear responses of NI HTS field winding were observed for the first time. The mechanism of the observed nonlinear responses of the NI HTS field winding was analyzed through the proposed analysis model considering the conditions of the test system, and how these responses of the NI HTS field winding could affect the operating characteristics of the motor was discussed. Finally, additional required studies and improvements for applying NI HTS field winding to actual motors were discussed.