2014 년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집 KSR2014A059

초고속 LSM 추진용 초전도 전자석 시작품의 설계, 제작 및 평가

Design, Fabrication and Test of Prototype Superconducting Electromagnet for High-

speed Linear Synchronous Motor

이창영*†, 박찬배*, 이진호*, 손연**, 김석호***, 윤상원****

Changyoung Lee*†, Chanbae Park*, Jinho Lee*, Sun Yan**, Seokho Kim***, Sangwan Yoon****

Abstract KRRI(Korean Railroad Research Institute) has studied superconducting linear synchronous motor (LSM) as the propulsion system for 600km/h high-speed railway. A scale-down superconducting LSM has successfully developed to demonstrate the system’s design feasibility. This paper introduces the design, fabrication and tests of the prototype superconducting electromagnet. The electromagnet consists of 2-pole superconducting coils in one cryostat, which is about 1/10 scale-down model in the performance of real-scale one. The superconducting coil uses 2nd generation high-temperature superconductor (HTS), GdBCO, as the coiling material which was fully provided by a Korean manufacturer. The electromagnet is operated at the cooling temperature of 7~ 10 K and generates the electromotive force of 72,000 At. Keywords : LSM, High-speed railway, Superconducting electromagnet 초 록 초전도 선형동기모터(LSM) 추진 기술을 이용한 600km/h 급 레일식 초고속 철도에

대한 연구가 진행 중에 있으며, 초전도 LSM 추진 기술의 타당성 연구를 목적으로 초전도

전자석 시작품을 이용한 축소형 LSM 추진 장치를 개발하였다. 초전도 전자석 시작품은 2 극

구조로, 하나의 냉각조 내에 2 개의 초전도 코일로 구성된다. 각 초전도 코일의 기자력은

72kAt 이며, 600 km/h 급 실 모델 대비, 약 1/5 크기 및 성능의 자기장을 발생 하도록

설계되었다. 사용된 초전도 도체는 임계전류가 200A(@77K) 이상인 GdBCO 계열의 고온

초전도체로서, 100 % 국산화 선재를 사용하였다. 초전도 전자석의 냉각은 냉매 Free 를 위한

전도냉각기술을 적용하였으며, 약 7~10K (-266~-263℃)의 온도에서 운전하였다. 본 논문에서는

초전도 전자석 시작품의 설계, 제작 및 평가 결과를 소개한다

주요어 : 레일식, 선형동기모터, 초고속, 초전도 전자석

1. 서 론

레일식 초고속 철도의 속도한계를 극복하기 위한 첨단추진기술로서, 초전도 전자석을 이

용한 선형동기모터(Linear Synchronous Motor : LSM)에 대한 연구가 진행 중에 있다. LSM방식

의 철도 추진기술은 지상궤도의 전기자 코일과 차량 전자석 간의 전자기력으로 차량의 추진

력을 얻기 때문에 차륜-레일간 점착력을 고려하지 않아도 되며, 차량에 대용량의 모터,변압

† 교신저자: 한국철도기술연구원, 과학기술연합대학원(cylee@krri.re.kr)

* 한국철도기술연구원, **과학기술연합대학원, ***창원대학교 기계공학과

**** ㈜ 서남

기, 추진제어 장치의 탑재가 불필요하기 때문에 전력공급을 위한 전차선이 필요 없을 뿐 아니라 차량경

량화 또한 가능하다는 기술적 특징이 있다. LSM에 의한 추진기술은 독일의 Transrapid와 일본

의 MLX 등 500km/h 이상의 초고속 자기부상열차에 이미 적용되고 있으며, 국내에서는

550km/h급 초고속 자기부상열차와 600km/h급 레일식 초고속 철도의 추진시스템으로 개발 중에

있다. 특히, LSM의 차상 전자석을 초전도 전자석으로 할 경우 LSM 설계시 지상궤도와 차량

전자석사이의 간격을 크게 할 수 있기 때문에 차량의 초고속 주행에 따른 지상 궤도와의 접촉

을 방지할 수 있고, 초고속 철도의 지상궤도의 시공 정밀도를 완화 할 수 있는 장점이 있다.

한국철도기술연구원에서는 초전도 LSM 추진 기술을 구현하고 핵심 설계 기술을 확보하기 위

하여 소형 LSM 추진 데모 장치와 축소형 초전도 전자석 시작품을 개발하였다. 본 논문에서는

축소형 초전도 전자석 시작품의 설계, 제작 및 평가 결과에 대해 소개하고자 한다.

2. 본 론

2.1 축소형 LSM 추진 장치 제작 사양

Fig. 1은 초전도 전자석을 이용한 소형 LSM 추진 데모장치의 개념도이다. 레일은 420 mm

궤간에 전체 길이는 10 m 이다. 300 mm 폭의 LSM 지상 3상 코일이 궤간 사이에 설치된다.

초전도 전자석은 시험용 대차 위에 설치되며, 초전도 전자석의 여자 전원 및 냉각용 압축기

는 대차 밖 지상에 설치 하도록 하였다. LSM 데모 장치의 설계 사양은 Table 1과 같다. 축

소형 LSM 추진 장치의 운전 목표는 초전도 전자석과 지상코일간 간격이 60 mm 이상에서

추진되는 것을 목표로 하였다.

Fig. 1 Conceptual design of scale-down superconducting LSM

2.2 초전도 전자석의 설계 및 제작

2.2.1 초전도 전자석 구조 설계

Table 1. Description of scale-down LSM

Item Value

Rating speed

Thrust

Length of rail

Winding number / ground coil-phase

Operating current / phase

Pole pitch

Magneto-motive force of field coil /pole

2 km/h

41 N

10 m

20 turns

50 A

420 mm

72 kAt

Fig. 2는 초전도 전자석 시작품의 설계 형상을 보여주고 있다. 성능 및 크기는 600 km/h LSM

추진 시스템의 실 모델 전자석 대비 약 1/5 규모로 설계되었다. 초전도 전자석 시작품은

2극의 초전도 코일, 냉각조, Cryocooler, 전류 리드로 구성된다. 초전도 코일은 LSM의 추진에

필요한 기자력에 대하여 권선 수와 운전전류를 설계 목표로 한다. 초전도 코일의 냉각은

극저온 냉매를 사용하지 않고 Cryocooler에 의한 전도 냉각 방식을 채택하였다. Cryocooler 는

Sumitomo 사에서 개발된 2단 GM 냉동기를 사용하였다. GM 냉동기의 성능사양은 Table 2와

같다. 냉각조는 외부로부터 대류에 의한 전도열을 차단하기 위해 약 10-5 Torr 이상의 진공을

유지하도록 하며, 복사열의 차단을 위한 복사 쉴드를 내부에 설치하였다. 또한 고진공에서도

구조적 변형이 없도록 외함의 두께와 치수를 설계 하였다. 전류 리드는 초전도 전자석의 정격

운전 전류를 초전도 코일에 공급할 수 있으면서도 전류 리드에 의한 전도열 침입이 최소화

되도록 초전도 전류 리드로 적용하였다.

Fig. 2 Design feature of prototype superconducting electromagnet

2.2.2 초전도 코일의 설계 및 제작

일본의 초고속 자기부상열차의 LSM 추진시스템에 사용되고 있는 초전도 전자석은 4 K의 액

체헬륨을 냉매로 하는 금속계 저온 초전도체인 NbTi 선재로 개발되었다. 본 시작품에서는 고

가의 액체 헬륨을 사용하지 않고 초전도 전자석의 냉각비용을 최소화 하기 위하여 고온 초전

도 선재로 개발하였다. 고온 초전도선재는 1세대 선재인 BSSCO 와 2세대 선재인 YBCO 또는

GdBCO 선재가 상용화 되어 있다. 본 연구에서는 자기적 특성이 우수한 2세대 선재로 하고 소

재 가격과 수급 안정성을 고려하여 국내에서 개발된 GdBCO 선재를 적용하였다. Fig. 3은

Table 2. Specification of cryocooler

Item Specification

Type

Cold head

Max. cooling temperature

Cooling capacity

Cooling Power

Gifford-McMahon

2 stage

-269 ℃ (4.2 K)

45 W @ 42 K

1.5 W @ 4.2 K

Max. 8.3 kW

GdBCO 선재의 구조이다.

초전도 코일의 최대운전전류는 냉각온도와 초전도 선재의 수직자장에 의해 결정된다. Fig. 4

와 같이 초전도 코일에 대한 전자장 해석을 통해 초전도 선재에 가해지는 최대 수직 자장을

계산하여 냉각온도에 따른 운전전류를 결정하였다. 초전도 코일은 Double pancake 형태로 제

작하였으며, 초전도 코일의 설계 형상 및 제작 결과는 Fig. 5 및 Table 3과 같다.

Fig. 3 Feature of GdBCO superconducting wire Fig. 4 Max. perpendicular B field for superconducting coil

(a) Design (b) Fabrication

Fig. 5 Design and fabrication of superconducting coil

2.2.3 평가

제작 완료한 초전도 전자석 시작품은 Fig. 6과 같다. 초전도 전자석에 대하여 냉각성능시험과

통전시험을 실시하였다. Fig 7은 냉각 시험 결과이다. 최대 냉각까지는 약 14 시간이 소요 되

었으며, 초전도 코일부의 냉각온도는 약 7 K까지 도달하였다. 이러한 성능은 시작품에 대한

냉각 시스템의 설계가 충분히 되었음을 입증하고 있다. 통전시험에서는 정격전류의 110 %인

130 A 에서 실시하였다. Fig. 8은 통전 시험 결과이며, 초전도 코일의 퀜치 현상 없이 정상 운

전됨을 확인하였다. 초전도 전자석의 자기장 안정화 시간까지는 약 1시간 정도 소요되었다.

정상 운전을 확인한 후 초전도 전자석을 이용하여 실시한 LSM 추진 장치 시험에서는 목표

로 한 60 mm의 공극에서 추진시험에 성공하였다. LSM 추진 장치에 의한 시험 결과는 향후

별도 논문으로 발표할 예정이다.

Fig. 6 Completed superconducting electromagnet

Table 3 Design summary of superconducting coil

Item Value

Superconducting wire

Number of turns

Operating current

Current density

Cooling

Current Operating method

Max. operating temperature

GdBCO : 4 mm width, 200A @ 77 K (Provided by SUNAM)

Stainless steel substrate / Cu plating

600 turns

120 A

150 A/mm2

Conduction cooling

Driven mode

47 K

Fig. 7 Cool down test Fig. 8 Current operating test

3. 결 론

축소형 초전도 LSM 추진 장치에서 개발된 초전도 전자석 시작품은 다음과 같은 기술적

의의가 있다. 첫째, 상전도 전자석을 적용한 LSM에서는 불가능한, 60 mm 이상의 공극에서

도 추진 가능성을 보여 주었다. 따라서 초고속 주행시 차량의 상하 진동에 의한 지면 궤도

와의 접촉 가능성을 최소화 할 뿐 만 아니라, 궤도 시공 정밀도를 크게 완화시킬 수 있을

것으로 기대된다. 둘째, 개발된 LSM용 초전도 전자석은 세계 최초로 2 세대 고온 초전도

체인 GdBCO 선재를 사용하였으며, 현재 일본의 초고속 자기부상열차에 사용된 저온초전도

전자석에 비해 냉각 비용을 획기적으로 줄일 수 있다. 셋째 초전도 전자석 제작에 사용된

GdBCO 선재는 100% 국산 선재를 사용하였으며, 국산 선재의 신뢰성을 입증함과 동시에 초

전도 전자석의 국산화 개발이라는 성과를 이루었다. 본 연구 결과는 향후 실 모델 개발에

활용될 예정이다.

참고문헌

[1] C. Y. Lee (2014) Conceptual Design of Superconducting Linear Synchronous Motor for 600-km Wheel-

type Railway, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.24, No. 3, (4), pp.3600304.

[2] Jacek F. Gieras, Zbigniew J. Piech (1999) Linear Synchronous Motor - Transportation and Automation

Systems, CRC Press.

[3] Guglielmo Ventura, Lara Risegari (2008) The Art of Cryogenics - Low Temperature Experimental

Techniques, Elsevier.

[4] Thomas M. Flynn (2005) Cryogenic Engineering, CRC Press.

[5] Yukikazu Iwasa (1994) Case Studies in Superconducting Magnets – Design and Operational Issues,

Plenum Press.