초전도 전기기계

Superconducting electric machine

초전도 전기 기계는 하나 이상의 초전도 요소 사용에 의존하는 전자기계 시스템이다. 초전도체는 DC 저항이 없기 때문에 일반적으로 효율이 더 높다. 초전도 기계에 가장 관심이 많은 파라미터는 기존 기계에서는 불가능한 매우 높은 자기장의 생성이다. 이것은 모터 부피의 상당한 감소를 초래한다; 이것은 전력 밀도의 큰 증가를 의미한다. 다만 초전도체는 상온보다 수백도 낮은 T형c 특정 초전도 전환온도에서는 저항이 0에 불과해 극저온화가 필요하다.

역사

DC 호모폴라 기계는 가장 오래된 전기 기계들 중 하나이다. 마이클 패러데이는 1831년에 호모폴라 자동차를 만들었다. 초전도 DC 호모폴라 기계는 정지된 필드 권선에 초전도체를 사용하고 회전하는 픽업 권선에 정상 도체를 사용한다. General Atomics사는 2005년에 선박 추진용 대형 초전도 호모폴라 모터의 제작 계약을 받았다.[1] 초전도 호모폴라 발전기는 레이저 무기 시스템의 펄스 동력원으로 간주되어 왔다. 그러나, 호모폴라 기계는 대부분의 용도에 실용적이지 않았다.

과거 실험용 AC 동기식 초전도기는 액체 헬륨으로 냉각하면 초전도성을 보이는 저온 금속 초전도체를 이용한 로터로 만들어졌다. 이것들은 효과가 있었지만, 액체 헬륨 냉각의 높은 비용이 대부분의 애플리케이션에 너무 비싸게 만들었다.

보다 최근에 AC 동기식 초전도 기계는 고온 초전도성을 보이는 세라믹 로터 도체로 만들어졌다. 이것들은 액체 질소 냉각 세라믹 초전도체를 로터에 가지고 있다. 세라믹 초전도체는 고온 또는 액체 질소 온도 초전도체라고도 불린다. 액체 질소는 상대적으로 저렴하고 취급이 용이하기 때문에 액체 헬륨 냉각 금속 초전도체 기계보다 세라믹 초전도체에 대한 관심이 높다.

현재이자

AC 동기 세라믹 초전도 기계에 대한 현재의 관심은 유틸리티나 선박 발전소에 사용되는 발전기와 선박 추진에 사용되는 모터와 같은 더 큰 기계에 있다. 미국의 초전도체와 노스럽 그룸만은 36.5 MW의 세라믹 초전도체 선박 추진 모터를 만들어 시연했다.

무게도 가벼워 타워와 건축비가 저렴해 풍력터빈용 발전기 기술로도 주목받고 있다. 슈퍼 전도성 발전기를 사용하면 직접 구동 동기식 발전기에 비해 발전기의 무게와 부피가 감소할 수 있어 터빈 전체의 비용이 낮아질 수 있다.[2] 최초의 상용 터빈은 대략 2020년에 설치될 것으로 예상된다.[3]

초전도 전기기계의 장단점

기존 도체 기계와 비교

초전도 전기 기계는 일반적으로 다음과 같은 장점이 있다.

  1. 저항성 손실 감소(로터 전자석에만 해당)
  2. 냉장 장비를 고려하지 않고 전력 용량당 크기 및 중량 감소

다음과 같은 단점도 있다.

  1. 냉각 시스템의 비용, 크기, 중량 및 복잡성.
  2. 초전도체가 초전도 상태를 벗어날 경우 모터 또는 발전기 동작의 급격한 감소 또는 제거.
  3. 로터 속도 불안정성이 더 큰 경향. 초전도 로터는 재래식 로터의 고유한 댐핑을 가지고 있지 않다. 그것의 속도는 그것의 동기식 속도를 사냥하거나 진동할 수 있다.
  4. 모터 베어링은 냉기를 견딜 수 있어야 하며 냉간 로터로부터 절연되어야 한다.
  5. 동기식 모터로서 실용적 운용을 위해서는 전자적 제어가 필수적이다. 전자제어장치는 과냉각로터 전자석에서 값비싼 고조파 손실을 일으킨다.

고온초전도체 대 저온초전도체

  1. 고온 초전도체(HTS)는 일반적으로 저온 초전도체에 사용되는 액체 헬륨보다 훨씬 경제적인 보다 쉽게 얻을 수 있는 액체 질소 온도에서 초전도체가 된다.
  2. HTS는 세라믹이며, 니오비움 티타늄과 같은 기존의 금속 합금 초전도체에 비해 연약하다.
  3. 세라믹 초전도체는 볼트 체결이나 용접을 통해 초전도 접합부를 형성할 수 없다. 세라믹 초전도체는 만들 때 최종 모양으로 주조해야 한다. 이것은 생산비를 증가시킬 수 있다.[citation needed]
  4. 세라믹 초전도체는 자기장을 진동시켜 초전도성을 더욱 쉽게 쫓아낼 수 있다. 이는 갑작스러운 부하 또는 공급 변화에서와 같이 과도 상태에서는 문제가 될 수 있다.[citation needed]

참조

  1. ^ "General Atomics to Design and Fabricate Advanced Propulsion Motor for US Navy".
  2. ^ 이슬람 등, 연안 풍력 터빈 나셀에 대한 검토: 기술적 과제, 연구 및 개발 동향. 인: 재생 에너지 및 지속 가능한 에너지 리뷰 33, (2014), 161–176, doi:10.1016/j.rser.2014.01.085
  3. ^ Suppraleitende Generatoren: Industrielle Pertigung ab 2020. 인: Energie und Technik, 2015년 5월 12일. 2015년 12월 24일 회수

추가 읽기

  • 범비, J. R., 초전도 회전 전기 기계, 옥스포드: 클라렌던 프레스, 192쪽, 1983.
  • Kuhlmann, J. H., Design of Electric Instruments, 3판; 뉴욕: John Wiley & Sons, Inc., 512페이지, 1950년. <주, 이 책은 초전도 기계를 고려하지 않는다. 단, 초전도 기계를 설계할 때 사용할 수 있는 우수한 상세 설계 정보를 제공한다.>
  • Tubbs, S. P, 초전도 고속 동기식/유도 모터의 설계 및 분석, ProQuest Direct Complete Database, 간행물 번호 AAT LD03278, 227페이지, 1995. <문학 평가, 분석, 실험 결과, 큰 참고 문헌 자료>

외부 링크