Mobile QR Code QR CODE : The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

  1. (Dept. of Electrical Engineering, Chungnam National University, Korea.)
  2. (Dept. of Mechatronics, Chungnam National University, Korea.)



Air-cored, electric propulsion air-craft, power density, specific power, superconducting electrical machines

1. 서 론

현재 대부분의 자동차, 항공기, 선박 등, 교통시스템에서의 내연기관은 화석연료를 연소시켜 운행/운항에 필요한 추력을 얻는다. 화석연료를 사용하는 대부분의 엔진 구동형 교통시스템은 대기오염 물질을 방출하므로, 그 양이 증가할수록 지구의 온난화, 미세먼지 증가 그리고 생태계 파괴 등의 환경문제를 일으킨다. 또한, 다량의 연료를 필요로 하기는 때문에 자원 고갈의 문제에도 큰 영향을 미친다. 이러한 전 지구적 문제들을 해결하기 위해 세계 기후변화 협의체(IPCC, Intergovernmental Panel for Climate Change)는 교토의정서를 통하여 화석연료의 사용량과 이산화탄소 배출량에 대한 규제를 발효하였고, 2020년까지 20 %의 온실가스배출 감축을 협의함에 따라 각 나라별로 이를 위한 연구와 개발이 활발히 이루어지고 있다 (1).

2000년대 후반부터는 항공기 산업 분야에서도 환경오염과 에너지 사용 효율을 증가시키기 위한 전기-터보엔진 추진(이하 전기추진)항공기에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 관련 연구는 미국과 같은 기술선진국을 중심으로 시작되었으며, 항공기의 형상 뿐만 아니라 항공기를 구성하는 세부 요소기술들에 대한 연구가 이루어지고 있다.

현재, 미항공우주국(NASA, National Aeronautics and Space Administration)을 중심으로 전기추진 항공기와 전기추진 항공기의 추진을 위한 초전도 전기기기 개발에 대한 연구가 전 세계적으로 활발히 이루어지고 있으며, NASA가 2035년까지 개발 계획 중인 전기추진 항공기는 초전도 기술이 적용된 대용량 전기모터와 발전기가 탑재될 예정이다 (2). NASA에서는 고출력 밀도 초전도 전기기기 기술개발 단계를 그림 1과 같이 계획하고 있으며, 현재 초전도 전기기기의 출력밀도 수준은 약 6.6 kW/kg이며 2035년에는 특수한 냉각 장치 없이(non-cryogenic) 41.4 kW/kg까지 달성하는 것을 목표로 하고 있다 (3).

초전도체 기술은 1900년도 초반 고체 수은을 시작으로 저온 초전도체인 NbTi 합금계 물질을 거쳐 1세대 및 2세대 고온 초전도 선재까지 개발이 되고 있고 임계전류 및 성능지수를 높이기 위한 연구 개발이 지속적으로 이루어지고 있다. 구리를 이용한 일반적인 전기기기와 달리 초전도 전기기기는 기존 구리 선재대비 100배 이상의 전류를 흘릴 수 있어 부피 및 무게를

그림 1 NASA에서 제안한 고출력 밀도 전기기기의 기술개발 로드맵 (2)

Fig. 1 Roadmap for Technology Development of High Power Density Electrical Machine Proposed by NASA (2)

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저감할 수 있으며, 일반 전기기기의 기술적 한계인 높은 구리손실(동손)을 최소화할 수 있고, 고출력 밀도(또는 높은 비출력: specific power [kW/kg]) 및 단자전압의 고압화 등의 기술 구현이 가능하다 (4). 또한, 초전도 전기기기에서 전기강판을 사용하지 않고 공심형 계자 및 전기자를 적용할 경우 철손이 없어 고효율화 할 수 있으며 높은 전류밀도에서 운전이 가능하고 중량을 최소화할 수 있어 상대적으로 가벼운 기기의 중량을 가지면서 고출력 밀도를 갖는 대용량의 전동력 기기로 구현이 가능하다 (5). 따라서 기존 시스템과 비교하여 부피가 작으며 고출력 밀도를 갖는 초전도 전기기기가 전기추진항공기, 10 MW이상의 초대용량 풍력발전기 등, 대용량 전력 응용 시스템을 위한 새로운 기술적 대안으로 부상하고 있다 (6).

그림 2 분산형 전기-터보 추진 시스템을 갖춘 N3-X Hybrid Wing Body (HWB) 전기추진항공기(2)

Fig. 2 Conceptual diagram of N3-X Hybrid Wing Body (HWB) aircraft with TeDP system (2)

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앞서 언급한 바와 같이, NASA는 전기추진항공기에 대한 장기적인 연구 로드맵을 제시하며, 그림 2의 Turboelectric Distributed Propulsion(TeDP) 시스템을 갖는 N3-X Hybrid Wing Body(HWB) 개념을 제안하였다 (2),(3). 이 항공기는 날개 양 끝단의 터보 엔진이 두 대의 초전도 발전기를 구동하며, 이들 발전기를 통해 생산된 전력은 16대의 초전도 추진 전동기를 구동하여 추력을 얻는 개념으로 설계되었다. 그림 3은 2대의 발전기(날개 끝단)와 16대의 초전도 추진 전동기를 갖는 항공기의 분산형 전기-터보추진 시스템과 전력시스템의 개념도를 나타낸다.

그림 3 분산형 전기-터보추진 시스템의 초전도 발전기와 전력시스템 개념도 (3)

Fig. 3 Superconducting generator and power system concept of TeDP system (3)

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이와 유사한 응용 연구로, 보잉(Boeing)의 SUGAR(Subsonic Ultra Green Aircraft Research) 연구팀은 60 %이상의 에너지 저감을 목표로 여러대의 1 MW급 초전도 전기 기기 적용을 통해, 약 4MW에 해당하는 기존 동력 시스템을 대체 하는 하이브리드 항공 추진 시스템을 2022년까지 상용화하기 위한 연구를 수행 중에 있다. 또한, 프랑스의 에어버스(Airbus), 영국의 롤스로이스(Rolls-royce) 및 독일의 지멘스(Siemens)는 2020년까지 출력 밀도 13 kW/kg을 갖는 2 MW급 항공기 전기 추진용 전기기기의 공동 연구 개발 목표를 제시한 바 있다(2)-(8). 이밖에도 미국의 General Electric 연구팀(GE global research team) 등, 세계 최고의 여러 대기업과 연구기관에서 고온 초전도 전자석과 더불어 이를 응용한 대용량 초전도 전기기기의 연구개발이 활발히 이루어지고 있다(9).

학계에서도 고출력 밀도를 갖는 전기 추진항공기용 전기기기의 개발을 위한 연구가 여러 연구팀에 의해 수행된 바 있다. 일리노이 대학교(University of Illinois, IL, U.S.A.)의 연구팀은 고온 초전도 전자석을 적용한 10 MW급 발전기의 개념 설계 연구를 수행하였으며, 밀라노 공과대학(Politecnico di Milano, Italy)의 전기추진항공택시 연구그룹은 2020년까지 110 kW급의 전동기를 적용한 9명의 승객을 태울 수 있는 전기추진 항공 택시의 연구를 수행하였고, 영국의 RAeS(Royal Aeronautical Society, U.K.)은 100 kW급 전동기를 적용한 전기추진항공 택시의 연구 개발 계획을 발표하였다(10),(11). 델프트 공과대학(Delft University of Technology, Netherland)의 연구팀은 고온 초전도 전자석을 적용한 180 kW급 전동기 및 배터리 제어 시스템의 연구를 수행한 바 있다 (6),(9)-(12). 국내에서도 한국항공우주연구원을 주도로 하는 전기추진항공기용 전동기의 연구 개발이 진행되고 있으며, 고온 초전도 전동기의 적용 가능성 연구를 수행한 바 있다 (12). 한양대학교 연구팀에서 항공기 및 발사체의 구동용 전기기기의 연구를 수행한 바 있으며, 특히, 세종대학교 연구팀에서는 전기 추진 항공기용 고온 초전도 전기기기의 사이즈 설계를 수행하고 그 연구결과를 발표한 바 있다 (12)-(14).

본 논문에서는 전기추진 항공기에 적용 가능한 HTS(high temperature superconductivity) 전기기기의 설계를 수행하고 설계의 타당성을 검증하는 연구를 수행하였다. NASA에서 연구개발이 진행중인 N3-X HWB 전기추진 항공기를 연구대상으로 하였다. 이 발전기는 10 MW급 용량을 가지며, 발전기의 중량이 최소화될 수 있도록 공심형 계자 및 전기자 구조를 채택하여 설계를 진행하였다. 고온 초전도 선재의 성질을 고려한 발전기의 초기 사이즈 선정, 극수 선정, 공심형 계자에서 외부로 누설되는 차폐 자속 해석, 발전기의 출력 특성해석 등을 통해 전기추진 항공기에 적용 가능한 초전도 발전기를 설계하고 타당성에 대하여 논하였다.

2. 전기추진 항공기용 초전도 발전기 설계

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

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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

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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

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표 1. 테이블

Table 1. 테이블

Item

Value

Power

10 MW

Voltage

6.6 kV

Speed

3000 rpm

Diameter

1.025 m

Axial Length

1.0 m

Machine Type

Superconducting

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

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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.

표 2. 테이블

Table 2. 테이블

Item

Value

Width of wire

4 mm

Depth of wire

0.16 mm

Insulator Depth

1 mm

Substrator layer

Copper

Insulation

Kapton

Tensile strength

380 MPa

Min. Bending Diameter

20 mm

Perpendicular Fluxdensity

1.1 T

Critical Current

100 A

Operating Temperature

77 K

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

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표 3. 테이블

Table 3. 테이블

Item

Value

Main field coil pole-arc ratio

0.82

Shield coil pole-arc ratio

0.54

Main field coil unit mmf

768 kAT/m

Shield coil unit mmf

384 kAT/m

Leakage flux density limit

0.5 mT

Perpendicular safety factor

1.2

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)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)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

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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

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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

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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).

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그림 13그림 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

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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

표 4. 테이블

Table 4. 테이블

Items

Main field Coil

Shield Coil

Coil height

19

9

Coil width

102

32

Num. of turns

2553

1900

Input current

100

100

Bending diameter

82.9

164

Active length

1000

1000

$B_{p}$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

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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

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

3. 전기추진 항공기용 공심형 초전도 발전기의 설계 타당성 분석

그림 16(a)는 본 논문에서 설계된 전기추진 항공기용 공심형 초전도 발전기의 하우징과 회전자 축, 계자 코일 및 전기자 코일을 포함하는 전자기 부품의 설계 조립체를 나타낸다. 그림 16(b)는 설계된 모델의 전자기 부품에 대한 구조와 형상을 상세히 나타낸다. 8극의 능동 차폐 코일을 포함한 초전도 전자석이 외측에 고정되어 있고 내측에 3상 전기자 권선으로 이루어진 구조를 보여준다. 본 연구에서 제안한 공심형 초전도 전기기기의 비출력은 전자기 부품에서 약 8.85 kW/kg으로 구현되었다. 설계 모델의 기계적 사양은 표 5에 상세히 나타내었다.

그림 15 10MW급 공심형 초전도 발전기의 구조 및 형상 (a) 설계 조립체 (b) 전자기 부품

Fig. 15 Structure and shape of 10MW class superconducting generator (a) design assembly (b) electromagnetic parts

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설계된 초전도 발전기의 성능에 대한 타당성을 검증하기 위하여 2차원 및 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 그림 17은 능동 차폐형 초전도 발전기의 2차원 자속 밀도 분포 해석 결과를 나타낸다. 누설되는 자속의 양은 앞서 기술된 ICNIRP의 자속밀도 판단기준(0.05 T)과 해석 결과를 기반으로 하여 적정한 수준으로 차단된다고 판단하였다.

그림 16 2차원 자속 밀도 분포 해석 결과

Fig. 16 2-dimensional magnetic flux density distribution

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.1.66/fig16.png

또한, 초전도 전자석이 초전도 상태를 유지하기 위한 기본 조건을 검토하기 위하여 초전도 코일의 면과 모서리에서의 수직방향(perpendicular) 자속 밀도의 해석을 수행하였다. 그림 18(a)는 계자코일에 대한 수직 방향 자속 밀도 해석 결과를 나타낸다. 그림 18(b)와 (c)는 그림 18(a)에 표기된 line-1과 line-2 에서 계산된 수직방향 자속밀도 값을 나타낸다. 자속밀도의 최댓값은 1.026 T으로 초전도 성질을 유지하기 위한 한계치인 1.1 T를 초과하지 않아 계자 전자석 설계가 전자기적으로 안정할 것으로 판단하였다. 그림 19(a)와 (b)는 발전기의 성능 특성을 나타낸다. 출력(P)-단자전압(V) 특성 곡선과 정격 출력 조건에서의 단자전압(V)-선전류(I) 특성 곡선을 통하여, 발전기의 속도 변화 및 부하 변화에 의한 성능이 요구치를 만족하도록 적절히 설계되었음을 알 수 있다. 표 6은 발전기 설계 사양 및 정격 부하에서의 특성 해석 결과를 상세히 나타낸다. 이를 통해, 본 논문에서 제안한 전기추진 항공기용 공심형 초전도 발전기의 계자 전자석 설계와 발전기 성능 설계가 적절히 수행되었음을 확인할 수 있다.

그림 17 계자코일에서의 수직방향 자속 밀도 해석 결과 (a) 계자코일 3차원 해석 모델 (b) line-1 에서의 자속밀도 (c) line-2에서의 자속밀도

Fig. 17 Perpendicular flux density analysis results in field coils (a) flux density on line-1 (b) flux density on line-2

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.1.66/fig17.png

그림 18 능동 차폐형 HTS 발전기의 성능 특성: (a) P-V 곡선 (b) V-I 곡선

Fig. 18 Performance characteristics of actively shielded HTS generators: (a) P-V curve (b) V-I curve

../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.1.66/fig18.png

표 6. 테이블

Table 6. 테이블

Parameters

Value

Unit

Rotation speed

3,000

rpm

Number of poles

8

-

Number of coils per phase

8

-

Armature coil turns

4

-

Output Power

11.4

MW

Voltage (line to line)

6.82

kVrms

Phase current

0.96

kArms

Field coil turns

2553

AT/m (775,985)

Field coil current

100

Adc

단, 본 논문에서 제안하는 초전도 전기기기 설계에서는 냉각 시스템 및 열적 특성을 고려한 초전도 코일의 설계, 초전도 선재의 구조적 안정성 확보를 위한 서포터(supporter) 설계, 전류 리드 설계 등이 상세히 이루어지지 않아 실제 시스템으로의 즉각적 적용에는 큰 제한이 따른다. 향 후, 앞서 기술된 상세한 조건의 설계와 해석을 바탕으로 개발이 가능한 시스템으로의 연구가 지속적으로 수행되어야 한다.

4. 결 론

전 세계적으로 에너지 효율 개선, 화석연료 사용의 저감 및 환경문제 대응을 위하여 미래 친환경적인 전기추진 항공기를 연구 개발하고 있다. 미국 NASA를 중심으로 각 국에서 전기추진 항공기 개발을 위한 기술 연구가 진행 중이며 높은 출력밀도를 구현할 수 있는 초전도 전기기기가 문제해결을 위한 대안으로 각광받고 있는 상황이다. 따라서 본 논문에서는 전기추진 항공기용 HTS 발전기의 설계와 타당성에 대한 연구를 수행하였다. 세계적인 연구동향을 근거로 초전도 발전기의 사양과 사이즈를 선정하였고 높은 출력밀도 달성을 위해 공심형 초전도 발전기 설계를 제안하였다. 능동 차폐 구조를 갖는 형상에서 차폐성능이 우수한 극수를 선정하고 초전도 계자 전자석을 설계하였다. 극수에 맞는 전기자를 설계하고 실제 구현가능한 수준의 초전도 발전기 설계를 수행하였다. 본 연구의 결과 유한요소해석을 기반으로 10 MW 정격 출력을 만족하며 8.85 kW/kg의 비출력을 갖는 발전기를 설계하였고 타당성을 검토하였다. 전기추진 항공기용 초전도 전기기기 개발을 위해서는 전자기 설계뿐만 아닌 재료, 냉각기술, 제어기술, 기구장치 등의 복합적 기술들의 연구가 병행되어야 하며 이를 통합한 융합기술 개발이 필수적으로 이루어져야 한다. 본 논문에서의 수행한 연구는 향후 전기 추진 항공기용 공심형 HTS 발전기의 설계 및 개발 연구에 응용될 수 있을 것으로 사료된다.

Acknowledgements

본 연구는 한국전력공사의 사외공모 기초연구(개별)에 의해 지원되었음 [과제번호: R18XA06-51]

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저자소개

방태경 (Tae-Kyoung Bang)
../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.1.66/au1.png

He received the B.S. and M.S. degree from the Chungnam National University, Daejeon, Korea, in 2016 and 2018, respectively.

He is currently working toward the Ph.D. degree in electrical engineering at Chungnam National University.

Tel : 042-821-7601

Email : bangtk77@cnu.ac.kr

장강현(Gang-Hyeon Jang)
../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.1.66/au2.png

He received the B.S. and M.S. degree from the Chungnam National University, Daejeon, Korea, in 2016 and 2018, respectively.

He is currently working toward the Ph.D. degree in electrical engineering at Chungnam National University.

Tel : 042-821-7601

Email : gh.jang@cnu.ac.kr

이정인 (Jeong-In Lee)
../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.1.66/au3.png

He received the B.S. degree from the Hanbat University, Daejeon, Korea, and M.S. degree from the Chungnam National University, Daejeon, Korea, in 2016 and 2018, respectively.

He is currently working toward the Ph.D. degree in electrical engineering at Chungnam National University.

Tel : 042-821-7601

Email : lji477@cnu.ac.kr

공한울 (Han-ul Gong)
../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.1.66/au4.png

She is currently working toward the B.S. degree in mechatronics engineering at Chungnam National University.

Tel : 042-821-7601

Email : gonoghanan@naver.com

최장영 (Jang-Young Choi)
../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.1.66/au5.png

He received the B.S., M.S. and Ph.D. degree from the Chungnam National University, Daejeon, Korea, in 2003, 2005 and 2009, respectively.

From Jan. 2009 to Aug. 2009, he was a senior researcher in Halla Climate Control Corp..

He is currently Professor in the Dept. of electrical engineering at Chungnam National University.

Tel : 042-821-7610

Email : choi_jy@cnu.ac.kr

조한욱 (Han-Wook Cho)
../../Resources/kiee/KIEE.2020.69.1.66/au6.png

He received the B.S., M.S. and Ph.D. degree from the Chungnam National University, Daejeon, Korea, in 2002, 2004 and 2007, respectively.

From Sep. 2007 to Aug. 2010, he was a senior researcher in Korea Institute of Machinery & Materials.

From 2016 to 2017, he was a Visiting Scholar in the Dept. of Electrical and Computing Engineering at University of Illinois Urbana-Champaign, Urbana, IL.

He is currently Professor in the Dept. of Electrical Elctronics, and Communication Eng. Edu. at Chungnam National University.

Tel : 042-821-8581

Email : hwcho@cnu.ac.kr