A superconducting motor consisting of high temperature superconducting (HTS) rotor and air-core stator is under development in Korea Electrotechnology Research Institute. HTS motor was designed for having the rated power of 100hp at 1800 rpm. HTS field winding is composed of sixteen HTS race track shaped coils wound with stainless steel-reinforced Bi-2223 tape conductor by react and wind fabrication method. Nomex Paper was used for electrical insulation. Each of four magnet pole assemblies was constructed with four double pancake sub-coils, mechanically stacked and electrically in series. Four magnet assemblies were fixed on an aluminum support structure to make effective heat transfer. Critical current (Ic) of HTS field winding was 41A but minimum Ic of sub-coils was 35A at 77K and self field. Joule heat generated in HTS field winding was 2.11W at 77K and 35A.
Le, Dinh-Vuong;Nam, Gi-Dong;Lee, Seok-Ju;Park, Minwon
Journal of Korea Society of Industrial Information Systems
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v.25
no.5
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pp.49-57
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2020
Conventional electric motors are not suitable for aircraft because of their large size and weight. High-temperature superconducting (HTS) motors have high current density, high magnetic field density, and low loss, so they can significantly reduce the size and weight compared to general electric motors. This paper presents the conceptual design and analysis results of HTS motors for electric propulsion in future aircraft. A 2.5 MW HTS motor with a rotational speed of 7,200 RPM was designed and the specific power (kW/kg) was analyzed. The operating temperature of the field coil of the HTS motor is 20K in consideration of LH2 cooling. The stator winding were connected in a multi-phase configuration and Litz wires were used to minimize eddy current losses. As a result, it was confirmed that the specific power of the motor is about 18.67 kW/kg, which is much higher than that of the conventional electric motor.
In order to obtain ultra-high resolution MRI images, research and development of 11 T or higher superconducting magnets have been actively conducted in the world, recently. The high-temperature superconductor (HTS), first discovered in 1986, was very limited in industrial application until mid-2010, despite its high critical current characteristics in the high magnetic field compared to the low-temperature superconductor. This is because HTS magnets were unable to operate stably due to the thermal damage when a quench occurred. With the introduction of no-insulation (NI) HTS magnet winding technology that does not burn electrically, it could be expected that the HTS magnets are dramatically reduced in weight, volume, and cost. In this paper, a 6 T-class NI HTS magnet for basic characteristic analysis was designed, and a distributed equivalent circuit model of the NI coils was configured to analyze the charging current characteristics caused by excitation current, and the charge delay phenomenon and loss were predicted through the development of a simulation model. Additionally, the critical current of the NI HTS magnets was estimated, considering the magnetic field, its angle and temperature with a given current. The loss due to charging delay characteristics was analyzed and the result was shown. It is meaningful to obtain detailed operation technology to secure a stable operation protocol for a 6T NI HTS magnet which is actually manufactured.
The fabrication and characteristics of HTS race-track type field coil for generators was carried out. Field coils are composed of 3 pancake coils wound by 37-filamental Bi-2223/Ag-alloy tapes. The winding machine is horizontal type. The critical currents (I$_c$) of the superconducting tapes were measured with variation of bending strain and external magnetic fields. I$_c$ of both whole field coils and 3 pancake coils were measured as a function of temperature. At 77K under the self-field, I$_c$ of whole field coils was 12A, while in the case of middle pancake coil, I$_c$ was 15A. The distribution of magnetic field B was obtained, using 3-D FEM. Our simulation showed that maximums of B${\bot}$A in x-y plane were locally distributed in both the upper and the lower coils. In addition, the fabrication processes and the characteristics of field coil are described.
The study to be presented related on initial behavior of quench concerned with many considerations, such as epoxy impregnated coil, critical current density related on strain and temperature, winding effect and behavior of internal superconducting wire. Especially, the deformation behavior of coils under magnetic field and thermal contractions at cryogenic temperatures to be dealt with the analytical method related on Fracture Mechanics. From the results, we know that the strain by self weight contribute to epoxy cracking at the edge of deformed coils and the deformation behavior relate on epoxy cracking must be dealt with biaxial loading problem. Then, the epoxy crack on $r\theta-plane$ under biaxial loading have been propagated with inclined crack angle and joined superconducting wire. Also, we can explain transfer of epoxy crack propagation energy from epoxy resin to superconducting wire.
The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers B
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v.54
no.2
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pp.94-100
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2005
Korea Electrotechnology Research Institute(KERI) has successfully developed a 100hp-1800rpm-class high temperature superconducting(HTS) motor with high efficiency under partnership with Doosan Heavy Industries & Construction Co. Ltd. This motor has a HTS field winding and an air-cooled stator. The advantages of HTS motor can be represented by a reduction of 50% in both losses and size compared to conventional motors of the same rating. The cooling system is based on the heat transfer mechanism of the thermosyphon by using GM cryocooler as cooling source. The cold head is in contact with the condenser of a Ne-filled thermosyphon. Independently, the rotor assembly was tested at the stationary state and combined with stator. The HTS field winding could be cooled into below 30K. Test of open-circuit characteristics(OCC) and short-circuit characteristics(SCC) and load test with resistive load bank were conducted in generator mode. Also, load tests in motor mode driven by inverter were finished at KERI. Maximum operating current of field winding at 30K was 120A. From OCC and SCC test results synchronous inductance and synchronous reactance were 2.4mH, 0.49pu, respectively. Efficiency of this HTS machine was 93.3% in full load(100hp) test. This paper will present design, construction. and experimental test results of the 100hp HTS machine.
Hwang, Y.I.;Kim, W.S.;Lee, S.;Chang, T.;Hahn, J.H.;Joo, H.G.;Choi, K.D.;Hahn, S.
Proceedings of the KIEE Conference
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2005.07b
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pp.1234-1236
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2005
High temperature superconducting(HTS) windings for an HTS transformer which have been developed have two kinds of type, one is the layer type and the other is disk type. The disk type windings have advantages over the layer type ones for a power transformer such as good insulation and limit of voltage stress. But this kind of HTS winding generates excessive AC losses caused by strong magnetic field component perpendicular to the surface of the HTS wire. Nevertheless, the layer type windings have adopted for an HTS power transformer so far because of the small AC losses of the HTS windings. We propose a new winding method for a high voltage HTS transformer which has advantages of both type of HTS windings, and we call it continuous disk type HTS winding. This new type of HTS winding consists of pile of lots of HTS disk windings which have no resistive joint between them. A prototype of an HTS winding was fabricated by the new winding method we proposed and characteristic test was carried out. The test result shows that the new type HTS windings can be applied to HTS power transformers, especially to the high voltage ones.
Choi, S.J.;Lee, S.Y.;Bae, J.H.;Sohn, M.H.;Kim, W.S.;Park, C.;Lee, J.K.;Lee, S.J.;Choi, K.
Progress in Superconductivity and Cryogenics
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v.11
no.1
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pp.20-24
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2009
The superconducting property measurement system is used to acquire electrical and thermal properties on short HTS tape samples and the system is composed of specimen holder for mounting HTS tape and a magnet for applying magnetic fields externally. The magnet consists of two split racetrack windings and is designed to produce maximum 3T of center field. The temperature of specimen holder can be varied in range from 10K to 77K. The field homogeneity is required less than 300 gauss stray field contour within 20cm axially and 3cm radially from origin. We have worked on the conceptual designs of the conduction-cooled magnet for the superconducting characteristic measurement system. The measurement system will be fabricated in near future based on the design parameters presented in this paper.
NMR over 1 GHz (23.5 T) level has difficulties in design and fabrication with only low temperature superconducting (LTS) wire because of its material characteristics such as the decay of critical current under the magnetic field. Because High temperature superconducting (HTS) tape has a good performance under the extremely high magnetic field, it has been developed for high-field magnet over 23.5 T. In this paper, the LTS magnet was made for applying magnetic fields externally and the HTS coil was designed and fabricated. The electromagnetic field analysis has been done with respect to the structure and the operating current of the LTS and HTS coil. Considering to the field homogeneity and the center field, the design parameters which is suitable for the HTS coil were found. The HTS insert coil was impregnated with epoxy resin in order to prevent the movement of winding during energizing the magnet. The hybrid magnet (LTS/HTS) magnet was fabricated and tested based on the design parameters. The experimental result shows that the LTS background magnet and the HTS insert coil can be operated stable beyond 220 A and 210 A. The final value 4.32 T at the center was acquired.
Proceedings of the Korea Institute of Applied Superconductivity and Cryogenics Conference
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2003.10a
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pp.274-277
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2003
Critical current(Ic) degradation of HTS tapes after bending is one of the hottest issues in HTS development and application studies. Many people are measuring Ic degradations for effect of bending radius. However even if the bending radius is larger than the breaking radius a HTS tapes can be damaged by repetitive bending, which is unavoidable in the winding processes. Therefore, We studied the Ic degradation after repetitive bending. at 77K with self-field, of Bi-2223 tapes processed by "Powder-in-Tube" technique, which was made by America Superconductor Corporation(AMSC) and superconductiing tapes that strain is imposed measured critical current by temperature difference of L$N_2$ and normal temperature. Like this, critical current could measure that degradation about 1~3% by temperature difference. These results will amount the most important basis data in power electric machine of superconductivity cable, magnet, etc that winding work is require.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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