High-efficiency bearings are needed for all rotating industrial machineries. High-speed and high-efficiency bearing technology is required in many applications such as turbopumps in semiconductor fabrication facilities, small compressors, and momentum wheels for space satellite attitude control, etc.. High-Tc superconductor magnetic bearings can meet those needs as the high value added product. Those use magnetic levitating and binding force between magnets and high-Tc superconductors to suspend magnets and enable frictionless rotation without active position control. The most common application of high-Tc superconductor bearings would be high-Tc superconductor flywheel energy storage system in view of public influences. Flywheel energy storage system can be used for load leveling in global electric power system, for storage of electric power generated from renewable energy source, and for uninterruptible power supply. It also has unique feature of environment-friendly energy storage method.
In this study, a basic research on single crystal growth of YBCO superconductor was conducted. As results, a simple process to remove heterogeneous nucleation was suggested. Also it was found that one crystal can be grown from two seeds.
Several methods were proposed to calculate the strength between rotor magnets and superconductor. However, those methods are too complicated. In this study, a calculation method using frozen image was suggested. Based on the proposed method, several cases were calculated and compared with measured value. The results showed that the proposed method is good enough to calculate strength between magnets and superconductor for real application.
5 kWh superconductor flywheel energy storage system was designed using a optimized superconductor bearing and a optimized magnet rotor.
베어링은 현재 사용되고 있는 모든 회전장치에서 빼놓을 수 없는 부품이다. 최근 고온초전도체 발견 이후, 고온초전도체가 자속을 통과시키지 않는 반자성(diamagnetism)과 일단 침입한 자속을 자속고정점에 의하여 빠져나가지 않도록 고정(flux pinning)하는 성질을 이용하여 능동제어가 필요 없는 무접촉 초전도 베어링이 개발되었다. 본 논문에서는 이 초전도 베어링에 사용되는 YBCO 고온초전도 결정을 성장시키는 기초연구를 진행하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 종자결정법으로 결정을 성장시킬 때 성장 속도를 측정하고, 다종자의 형성가능성을 제거하기위해 간편화된 제조공정을 제시하였으며, 두 개의 종자를 사용하여 하나의 결정이 성장시킬 수 있다는 가능성을 파악하였다.
에너지저장용 초전도 플라이휠에 사용될 고온 초전도체 YBCO bulk를 사용한 초전도 베어링을 설계 제작하기 위해서는 다양한 형태의 초전도 베어링에 대한 기계적 특성을 파악하는 것이 필수 이었다. 본 논문에서는 고온 초전도체 YBCO bulk를 사용한 초전도 베어링의 특성 예측을 위해 실질적인 방법을 제시하고 그 유용성을 검증하였다.
초전도 베어링의 제작 비용과 실험비용이 매우 고가이고 시간이 많이 걸리기 때문에 초전도 플라이휠용 초전도 베어링을 설계하는데 어려움이 많았다. 이를 해결하기 위하여 Frozen image magnet 이라는 개념을 도입하여 초전도체를 두개의 가상 영구자석으로 등가 구성을 한 후 범용 정자기 수치해석 프로그램을 사용하여 기계적 특성을 파악하는 방법을 제안하고, 실제 실험결과와 비교하여 보았다. 그 결과 정량적으로는 오차가 크지만 상대적으로 비교가 가능한 정도의 근사치들을 얻을 수 있었다. 그러므로 제시한 방법을 사용하면 초기 설계 단계에서의 시행착오를 줄일 수 있고, 최적화 설계도 가능할 것으로 판단되므로 쉽게 접근해서 적용할 수 있는 매우 유용한 계산방법이라 할 수 있다.
최적화 설계된 초전도 베어링과 영구자석 회전자를 이용하여 5 kWh 초전도 플라이휠 시스템을 설계하였으며, 여기에는 영구자석 베어링과의 혼합모드가 사용되었으며 제작 완료 후 회전 테스트를 진행 중이다.
