KR20170070003A - 초전도 전류 펌프 - Google Patents

Abstract

저온유지장치의 극저온 인클로저 내에 수용된 초전도 회로에 DC 전류가 흐르게 하도록 배치된 초전도 전류 펌프는 극저온 인클로저 외부의 회전자와 극저온 인클로저 내의 고정자를 포함하되, 회전자와 고정자는 극저온 인클로저의 단열 벽을 관통하는 갭에 의해 분리되고, 회전자와 고정자는 회전자와 고정자 사이의 갭을 가로질러 그리고 벽을 통해서 자기 회로에 자속을 집중시키는 강자성 물질을 적어도 부분적으로 포함하여, 자속이 고정자와 관련된 초전도 회로의 하나 이상의 초전도 요소(들)를 관통하여 극저온 인클로저 내의 고정자에 대한 극저온 인클로저 외부의 회전자의 이동이 DC 수송 전류가 극저온 인클로저 내의 초전도 회로 주위로 흐르도록 유도한다. 저온유지장치 내로 열 누출 경로를 도입할 수 있는, 극저온 인클로저 외부의 구동 모터와 내부 회전자 사이에 커플링이 없으므로 열 부하가 증가하고, 따라서 요구되는 낮은 작동 온도에서 극저온 인클로저 내의 저온 부품을 유지하는 데 필요한 냉각 전력을 증가시킨다.

Description

초전도 전류 펌프{SUPERCONDUCTING CURRENT PUMP}

본 발명은 초전도 회로를 통전하기 위한 초전도 전류 펌프에 관한 것이다.

고온 초전도(high temperature superconducting; HTS) 와이어의 상업적 생산 및 응용은 잘 확립되어 있다. 고온 초전도체 물질은 전형적으로 전이(transition) 온도 T_c>77K와 같이 높은 초전도 전이 온도(T_c)를 갖는 Ⅱ형 초전도체이다. HTS 와이어로 감긴 전자기 코일(electromagnetic coil)은 T_c 이하의 온도에서 작동할 때 높은 전류 밀도에서 극히 낮은 수준의 열 손실로 인해 높은 자기장을 얻을 수 있다. 온도를 T_c 이하로 유지하기 위해서는 냉각원(cooling source)에 결합된 저온유지장치(cryostat) 내에 초전도 코일을 수용해야 할 필요가 있다. 전류는 일반적으로 정상 전도성 금속으로 만들어진 전류 리드(current lead)를 포함하는 전기 회로를 통해 HTS 초전도 회로에 공급된다. 이러한 전류 리드는 저온유지장치 벽을 관통하여 초전도 회로를 저온유지장치 인클로저(enclosure) 외부에 위치한 전류 소스에 연결한다. 그러한 전류 리드는 고전류에서 동작하는 전류 리드를 따르는 열전도 및 전류 리드 내에서의 오믹 소산(ohmic dissipation)로 인해 극저온 환경에 대한 열 부하의 중요한 소스이다. 또한, 동반하는 전류 소스 및 고전류 케이블은 큰 설치 면적을 가지며 쉽게 휴대할 수 없으며 비용이 비싸다.

(NbTi와 같은) 저온 초전도(Low Temperature Superconducting; LTS) 와이어는 종종 전자기 코일을 형성하는 데 사용된다. LTS 와이어는 초전도 조인트와 결합하여 완전 초전도 회로를 제작할 수 있다. 완전 초전도 회로는 외부 전류 소스가 제거된 후 회로 주위에 지속적인 초전도 전류를 유지하는 방식으로 외부 전류 소스로 여기될 수 있다. 현재, 제조 상황에서 HTS 도체 사이에 초전도 결합을 달성하는 것은 실용적이지 못하다. HTS 회로는 영구 전류 모드에서 작동할 수 없으므로, 초전도 회로의 저항 조인트에서 손실의 균형을 맞추기 위해 외부 전류 소스를 항상 연결 상태로 두어야 한다.

전자기 유도(electromagnetic induction)는 회로와의 물리적 접속 없이 초전도 회로 내에 전류를 생성하는 데 사용되어 왔다. 이 접근법을 사용하는 장치는 이전에 "초전도 직류 발전기(superconducting DC dynamo)" 또는 "초전도 플럭스 펌프(superconducting flux pump)"라고 불렸다. "플럭스 펌프"라는 용어는 벌크 초전도 물질 내에서 지속적인 벌크 자화(bulk magnetisation)를 유도하거나 초전도 회로 주위로 흐르는 순 전류(net current)를 생성하는 광범위한 장치를 지칭하는 데 사용된다. 본 명세서에서, "초전도 전류 펌프"라는 용어는 초전도 회로 주위에 순 전류가 흐르게 유도하는 장치를 지칭한다. "회전 플럭스 펌프" 및 "전류 펌프"라는 용어는 본 명세서에서 서로 교환 가능하게 사용된다.

초전도 플럭스 펌프는 넓게 스위치형 플럭스 펌프 또는 회전형 플럭스 펌프로 분류될 수 있다. 스위치형 플럭스 펌프에는 가동 부분이 없으며 회로의 스위치를 조작함으로써 플럭스 펌핑이 이루어진다. 예를 들어, 국제 특허 출원 공보 WO2010/070319는 스위칭 가능한 자기 물질의 사용을 통해 고온 초전도체(HTS) 물질의 벌크 피스(bulk piece)를 자기화하는 플럭스 펌프를 보고한다. 회전형 플럭스 펌프는 통전될 초전도 회로의 일부를 포함하는 고정자(stator)에 대해 움직이는 회전자(rotor)를 포함하는 가동 부분을 구비한다. 회전자는 하나 이상의 영구 자석과 같은 자속(magnetic flux)의 소스를 운반한다. 회전자는 고정자에 근접하여 위치하여 소스로부터의 자속이 초전도 회로의 섹션을 관통하고 초전도체를 가로질러 초전도 회로에 전류를 유도한다. 회전형 플럭스 펌프는 전류 펌핑을 가능하게 하기 위해 고정자에서 초전도 회로 요소에 충분한 자속 밀도를 생성하기 위해 회전자와 고정자 사이의 갭(gap)이 수 밀리미터 미만일 것을 요구한다. 회전부는 저온유지장치 내부에 위치하며, 기계적 커플링은 저온유지장치 벽을 관통하여 회전자를 전기 모터와 같은 회전 운동 소스에 연결한다. 회전 플럭스 펌프는 NbTi (Tc = 9.2K)에서 YBCO (Tc ≒ 95K)까지 범위의 다양한 전이 온도를 갖는 Ⅰ형 또는 Ⅱ형 초전도 물질로 사용되어 왔다. 회전자와 고정자는 방사상 플럭스(radial-flux) 기하 구조 또는 축 플럭스 기하(axial-flux) 구조 또는 이들의 조합으로 편리하게 배치될 수 있다. 방사상 플럭스 기하구조는 회전자 피스와 고정자 피스가 공통 동심 축(co㎜on concentric axis)에 대해 배열되어 플럭스가 고정자와 회전자 사이의 방사상 갭을 가로질러 연결한다는 것을 의미한다. 축 플럭스 기하구조는 고정자 피스와 회전자 피스가 공통 축을 따라 선형으로 변위됨으로써 자속이 고정자와 회전자 사이에 형성된 축 방향 갭을 가로질러 연결한다는 것을 의미한다. 예를 들어, 국제 특허 출원 공보 WO2012/018265에 보고된 플럭스 펌프 배열은 초전도 회로에 전류를 유도하기 위해 HTS 고정자 와이어에 근접하여 회전하는 일련의 영구자석을 운반하는 회전자를 갖는다.

본 발명의 목적은 공지된 초전도 플럭스 펌프 및 이를 전자기 코일을 포함하는 초전도 회로에 적용하는 것을 개선하거나 적어도 대중에게 유용한 선택을 제공하는 것이다.

본 명세서에서, 특허 명세서 및 다른 문서를 포함하는 외부 정보 소스에 대해 언급된 경우, 이는 일반적으로 본 발명의 특징을 논의하기 위한 환경을 제공하기 위한 것이다. 별도의 언급이 없는 한, 그러한 정보 출처에 대한 언급은 어떤 관할지에서 그러한 정보 출처가 선행 기술이거나 당 업계의 일반적인 지식의 일부를 구성한다는 인정으로 해석되어서는 안된다.

일 측면에서 넓은 의미로, 본 발명은 저온유지장치의 극저온 인클로저(cryogenic enclosure) 내에 수용된 초전도 회로에 DC 전류가 흐르게 하도록 배치된 초전도 전류 펌프를 포함하되, 상기 초전도 회로는 초전도 코일 또는 코일들(a superconducting coil or coils)과 하나 이상의 초전도 요소를 포함하고, 상기 전류 펌프는 상기 극저온 인클로저 외부의 회전자와 극저온 인클로저 내의 고정자를 포함하고, 상기 회전자와 고정자는 극저온 인클로저의 단열 벽을 관통하는 갭에 의해 분리되고, 회전자는 하나 이상의 자기장 발생 요소를 포함하고, 그리고 상기 회전자와 고정자는 회전자와 고정자 사이 및 벽을 통과하는 갭을 가로지르는 자기 회로에 자속을 집중시키는 강자성 물질을 적어도 부분적으로 포함하여, 자속이 고정자와 관련된 초전도 회로의 하나 이상의 초전도 요소(들)를 관통하여 극저온 인클로저 내의 고정자에 대한 극저온 인클로저 외부의 회전자의 이동이 DC 수송 전류가 극저온 인클로저 내의 초전도 회로 주위로 흐르도록 유도한다.

전류 펌프는, 초전도 요소를 횡단하고 초전도 회로의 임피던스를 가로질러 구동 전압을 발생시키는 기전력을 유도함으로써 초전도 회로 주위에 전류를 유도하는 자속의 순흐름이 존재하도록, 따라서 자속 와류(flux vortices)가 초전도 요소(들)를 통해 이동하도록 자기장 발생 요소(들)를 초전도 요소(들)에 대해 이동시키도록 배치된다.

적어도 일부 실시예에서, 자기 회로의 전류가 초전도 요소를 통과하는 이동 자기장 발생 요소의 작용에 의해 단계적으로 증가함에 따라, 상기 초전도 회로는 통전되고 전류를 증분식으로 축적하기에 충분한 인덕턴스를 갖는 하나 이상의 초전도 코일을 포함한다.

상기 회전자와 고정자 요크 사이에 형성된 자기 회로는 초전도 요소(들)를 관통하는 자속이 초전도 회로를 관통하지 않는 회전자 요크의 복귀 경로를 따르도록 배치된다.

적어도 일부 실시예에서, 상기 자기장 발생 요소는 영구 자석, 전자석 및 이들의 유사체 중 적어도 하나 또는 조합을 포함한다. 일 형태에서, 자기장 발생 요소는 단지 하나 이상의 영구 자석을 포함할 수 있다.

일 형태에서, 상기 회전자와 고정자는 회전자의 회전축에 실질적으로 평행한 방향으로 갭을 형성하도록 서로 축 방향으로 변위된다. 대안적으로, 회전자 및 고정자는 회전자의 회전축에 실질적으로 수직인 방향으로 반경 갭을 형성하도록 동심원상으로 배치된다.

적어도 일부 실시예에서, 상기 갭은 약 2 내지 30㎜의 범위 내에 있다. 더욱 바람직하게는, 갭은 약 6㎜ 초과, 또는 약 10㎜ 초과, 또는 약 15㎜ 초과이다. 다른 형태에서, 갭은 약 30㎜ 초과일 수 있다.

일 형태에서, 상기 고정자 및 회전자 요크는 원통형(cylindrical shape)으로 형성되고, 초전도 요소(들)는 고정자 실린더의 표면상에 배치되고, 자기장 발생 요소는 회전자 실린더의 표면상에 배치된다.

적어도 일부 실시예에서, 상기 원통형 회전자 조립체는 원통형 고정자 조립체의 내부 또는 외부에 위치하고, 저온유지장치 벽은 저온유지장치 벽을 통한 임의의 재진입 특징(re-entrant feature)을 피하도록 배치된다.

다른 형태에서, 상기 고정자 및 회전자 요크는 한 쌍의 평행 디스크를 포함하고, 초전도 요소(들)는 고정자 디스크의 일 표면상에 방사상으로 배치되고, 자기장 발생 요소는 외주(outer circumference)에서 고정자 상의 초전도 요소를 마주보는 회전자 디스크의 일 측면 상에 배치된다.

적어도 일부 실시예에서, 상기 전류 펌프는 회전자와 고정자 사이의 갭을 실질적으로 변화시키지 않으면서 고정자에 대해 회전자를 회전시키도록 작동 가능한 공통 캐리어(co㎜on carrier)를 포함한다.

적어도 일부 실시예에서, 상기 자기장 발생 요소는 또한 공통 캐리어에 의해 고정자에 대해 이동하도록 배치된다.

일 형태에서, 상기 전류 펌프는 회전자의 회전 속도를 제어하는 제어 시스템을 포함한다.

적어도 일부 실시예에서, 상기 제어 시스템은 회전자와 고정자 사이의 갭을 제어하도록 동작 가능하다.

일 형태에서, 상기 전류 펌프는 초전도 회로 주변의 전류를 나타내는 제어 시스템에 신호를 제공하도록 동작 가능한 센서를 포함한다.

적어도 일부 실시예에서, 상기 센서는 전류 센서, 홀 센서(Hall sensor), GMR 센서, 플럭스 게이트 자력계(fluxgate magnetometer), EPR 센서 또는 NMR 센서 중의 하나 이상이다.

적어도 일부 실시예에서, 상기 전류 펌프는 또한 초전도 회로의 일부분의 온도를 나타내는 제어 시스템에 신호를 제공하도록 동작 가능한 하나 이상의 온도 센서를 포함한다.

일 형태에서, 상기 초전도 요소(들)는 하나 이상의 고온 초전도(HTS) 물질을 포함한다. 적어도 일부 실시예에서, 상기 HTS 물질은 제로 자기장 및 대기압에서 77K보다 높은 초전도 전이 온도를 갖는다. 상기 초전도 재료는 BiSrCaCuO, (Re)BaCuO(Re는 Y 또는 Gd 또는 다른 란탄 계열 희토류), 또는 임의의 다른 적절한 재료 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다. 다른 형태에서, 상기 초전도 요소(들)는 적어도 부분적으로 MgB₂를 포함한다.

일 형태에서, 상기 초전도 요소는 와이어, 리본, 테이프, 필름 또는 임의의 유사한 형태를 포함한다. 바람직하게는, 상기 초전도 요소의 두께는 가장 얇은 치수로 약 1㎜ 미만이다. 더욱 바람직하게는, 상기 초전도 물질은 가장 얇은 치수가 100㎛ 미만이거나, 가장 얇은 치수가 10㎛ 미만이다.

일부 실시예에서, 상기 가장 얇은 치수는 회전자의 회전에 대해 축에 수직으로 배향(oriented)된다. 일부 다른 실시예에서, 가장 얇은 치수는 회전자의 회전축에 평행하게 배향된다.

적어도 일부 실시예에서, 상기 초전도 회로는 회전자와 고정자 사이의 갭에서 전류 펌프의 자기 회로에 진입하고, 상기 갭에서 높은 자속 밀도를 경험한다. 적어도 일부 실시예에서, 상기 초전도 회로는 회전자와 고정자 사이의 갭에서 전류 펌프의 자기 회로에 진입하고 초전도 요소의 자기 침투 자기장(Bpen)보다 큰 자속 밀도를 경험한다.

사용 시, 상기 갭 내의 자속 밀도는 고정자 둘레에 배치된 초전도 요소를 관통하고 미시적 규모에서 국부적인 자속 와류를 형성할 만큼 충분히 크기만, 거시적 수준에서 초전도 회로를 통과하는 순 수송 전류를 운반하기에 충분한 초전도 전류 경로를 제거하기에는 충분히 높지는 않다.

일 형태에서, 회전자 상의 자기장 발생 요소로부터의 자속에 의해 관통된 초전도 요소는 각각의 개별 요소의 폭이 동일한 전체 통전 용량의 단일 초전도 요소의 폭보다 작도록 둘 이상의 요소로 길이 방향으로 분할된다. 이는 초전도 전류 펌프 내의 소산 에너지 손실을 줄이기 위해 이루어진다.

적어도 일부 실시예에서, 상기 강자성 고정자 요크는 초전도 회로가 높은 자속 밀도를 겪지 않으면서 전류 펌프의 자기 회로를 빠져나가게 하는 형상을 갖는다.

적어도 일부 실시예에서, 상기 고정자는 초전도 회로가 자기 회로를 빠져나가도록 강자성 요크를 통하여 연장되는 예를 들어 개구 또는 구멍 또는 채널과 같은 개구를 적어도 하나 포함한다.

일 형태에서, 상기 회전자와 고정자 요크는 하나 이상의 강자성 금속 또는 강자성 금속을 포함하는 화합물로 제조된다.

일 형태에서, 상기 고정자 요크는 낮은 자기 보자력(magnetic coercivity)을 갖는 하나 이상의 강자성 금속을 포함한다.

일 형태에서, 상기 요크는 비 강자성 접착제를 사용하여 적층된 강자성 시트의 스택, 또는 비 강자성 매트릭스 내의 강자성 물질의 분포를 포함한다.

적어도 일부 실시예에서, 상기 고정자 요크는 자속을 초전도 요소의 영역에 지향시키는 돌출부 또는 극(pole)을 포함한다. 일 형태에서, 상기 고정자 요크는 회전자 상의 자기장 발생 요소와 상호 작용하여 자속을 초전도 요소를 향하여 순차적으로 유도하고, 이어서 초전도 요소로부터 멀어지는 돌출부의 어레이를 포함하여, 초전도 요소의 표면에서 경험된 자기장 변화의 진폭을 최대화한다.

적어도 일부 실시예에서, 상기 저온유지장치 냉각 시스템은 증발 잠열(latent heat) 및/또는 열-기계 냉각기에 의해 냉각되도록 작동 가능한 액체 한제(liquid cryogen)이다. 상기 열-기계 냉각기는 GM, 스털링(Sterling) 또는 플러스 튜브(Pulse Tube) 냉각기 중 하나이다.

상기 저온유지장치 벽은 진공, 다층 절연 및/또는 냉각된 열 차폐 중 적어도 하나로부터 선택된 단열을 포함한다. 적어도 일부 실시예에서, 상기 회전자와 고정자 사이에 배치된 저온유지장치 벽은 유리 섬유 복합재(glass fibre composite material), 스테인리스 스틸(stainless steel) 및/또는 얇은 및/또는 슬릿화된 다층 포일(slitted multilayer foil) 중 하나 이상과 같은 낮은 전기 전도성 재료를 포함한다.

다른 형태에서, 상기 초전도 회로는 발전기 또는 모터의 회전자 상에 배치되고 회전식 저온유지장치(rotating cryostat) 내에 하우징된 코일을 포함하고, 전류 펌프 회전자는 회전식 저온유지장치의 외부에 위치하며, 발전기 또는 모터의 회전자와 동일한 축 주위의 전류 펌프 고정자에 대해 회전한다. 적어도 일부 실시예에서, 전류 펌프 고정자 및 전류 펌프 회전자는 회전식 저온유지장치의 회전축과 동일한 축 둘레로 서로에 대해 회전한다. 적어도 일부 실시예에서, 회전식 저온유지장치 내에 하우징된 초전도 코일은 발전기 또는 모터의 회전자 코일을 형성한다.

일 형태에서, 상기 초전도 요소는 각각의 개별 요소의 폭이 동일한 총 통전 용량을 갖는 단일 초전도 요소의 폭보다 작도록 둘 이상의 요소로 길이 방향으로 분할된다. 적어도 일부 실시예에서, 자기 회로를 통과하는 초전도 요소의 영역은 초전도 요소에 홈을 내어(striating) 형성된 둘 이상의 길이 방향 섹션으로 분할된다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 초전도 전류 펌프는 극저온 인클로저 외부의 회전자와 극저온 인클로저 내의 고정자를 포함한다. 회전자와 고정자는 극저온 인클로저의 단열 벽을 통과하는 갭을 통해 분리된다. 회전자는 하나 이상의 자기장 발생 요소를 포함하고, 회전자의 고정자는 회전자와 고정자 사이의 갭을 가로질러 그리고 벽을 통해 자기 회로에 자기 플럭스를 집중시키기 위해 강자성 물질을 적어도 부분적으로 포함하여, 플럭스가 고정자와 관련된 초전도 회로의 하나 이상의 초전도 요소(들)를 관통한다. 극저온 인클로저 외부의 회전자의 상대적인 운동은 DC 수송 전류가 극저온 인클로저 내의 초전도 회로 주위로 흐르도록 유도한다. 본 발명의 이점은 다음을 포함할 수 있다:

- 저온유지장치 내부로 열 누출 경로를 도입할 수 있는 극저온 인클로저 외부의 구동 모터와 내부 회전자 사이에 커플링이 없으므로, 열 부하가 증가하여 따라서 요구되는 낮은 작동 온도에서 극저온 인클로저 내에서 저온의 구성 요소를 유지하는 데 필요한 냉각 전력을 증가시킨다. 극저온 인클로저 내로의 열 누출은 액체 한제(liquid cryogen)의 비등율을 증가시키거나 열 기계식 냉각기의 비용, 크기 및 전력 소비를 증가시킨다.

- 저온유지장치 내에 난류(turbulence)를 발생시키고 액체 한제의 비등율을 증가시키는 이동부가 없다.

- 극저온 인클로저 내부의 베어링이 회전 부품 또는 베어링용 윤활제를 극저온에서 안정적으로 작동할 수 있도록 지원할 필요가 없다.

- 일반적으로, 극저온 게이트 내에 이동부가 없으면 저온 용기 내에서 이동부의 신뢰성이 극도로 높아진다. 결함 부품의 수리를 위한 저온유지장치의 분해는 자석의 예열과 진공 밀봉의 파괴가 필요하다. 이것은 대개 복잡하고 시간이 오래 걸리고 비용이 많이 드는 작업이다.

회전하는 초전도 전류 펌프는 자기장이 초전도 회로 내의 HTS 물질의 영역에 주기적으로 부과되어 HTS 물질 내에 자속 와류가 형성되는 것을 필요로 한다. 플럭스 와류는 초전도 회로 주위에서 구동될 순 전류의 원하는 방향에 수직인 방향으로 HTS 물질을 완전히 관통해야 한다. 완전 자속 관통이 발생하는 최소 자기장 강도가 존재하며, 이 최소 관통 자계는 본 명세서에서 B _pen 이라 칭한다.

관통 자속 와류는 부과된 자기장의 이동 방향으로 플럭스 와류를 끌어 오는 방식으로 HTS 물질에 대한 부과된 비균질 자기장(inhomogeneous magnetic field)을 이동시킴으로써 HTS 물질을 통해 이동할 수 있다. 회전하는 초전도 전류 펌프에서, 이는 회전자상의 자기 요소로부터의 자속이 초전도 회로의 하나 이상의 섹션을 통과하고 높은 자속 밀도의 이동 영역을 주기적으로 부과하여 부과된 필드가 B _pen 을 초과하도록 고정자에 대해 자기 요소를 포함하는 회전자를 회전시킴으로써 달성된다. HTS 물질을 통한 플럭스 와류의 순 운동은 초전도 코일을 포함할 수 있는 초전도 회로 주위에 순 전류를 구동하고 유지하는 초전도 회로의 섹션을 가로질러 유도된 EMF를 유도한다.

초전도 요소에 부과된 자기장이 초전도 회로의 퀀칭(quenching)을 방지하기 위해 HTS 물질의 상부 임계 자계(Bc2)보다 작다는 것은 여기서 설명하는 회전하는 초전도 전류 펌프의 동작에 대한 요구 사항이다. 상부 임계 자계 B_c2는 Ⅱ형 초전도체가 초전도 특성을 나타낼 최대 부과 자기장이다.

넓은 의미에서, 본 발명은 또한 적어도 하나의 초전도 코일과 하나 이상의 초전도 요소를 포함하는 초전도 회로를 포함하는 초전도 시스템을 포함하되, 상기 초전도 회로는 초전도 회로를 초전도 전이 온도 이하로 유지시키기 위해 극저온 인클로저 내에 장착되며, 상기 초전도 전류 펌프는 위에서 한정한 바와 같이 상기 초전도 회로를 통전시키도록 배치된다.

초전도 회로는 초전도체 물질의 섹션들 사이에 하나 이상의 일반적인 전도성 결합 같은 하나 이상의 비-초전도 섹션을 포함할 수 있다. 이 명세서에서 "HTS" 물질이라는 용어는 (제로 자기장 및 대기압에서) Tc>77K를 갖는 Ⅱ형 초전도 물질을 모두 지칭하며, 또한 (실질적으로 약 39K의 낮은 Tc를 갖는) MgB₂를 지칭한다.

HTS 와이어는 하나 이상의 HTS 재료의 연속 길이가 포함된 와이어 또는 리본 또는 테이프의 길이를 의미합니다. 현재 상업적으로 생산되는 고온 초전도 와이어의 예로는 수퍼파워사(Superpower Inc.) 및 후지쿠라사(Fujikura Ltd)에서 생산된 피복 도체 와이어를 포함한다. 다양한 다른 제조사도 피복 도체 HTS 와이어를 공급한다. 피복 도체 HTS 와이어는 하나 이상의 세라믹 박막의 적층된 시리즈가 증착되는 금속 리본 기판을 포함한다. 적층 박막은 (YBaCuO 또는 GdBaCuO와 같은) HTS 재료의 박막층(두께<10㎛)을 포함하고 금속 리본 기판 위에 증착되며 전체 스택 구조는 금속 코팅재의 하나 이상의 층 내에 포함된다. 일반적으로 코팅 도선은 약 100㎛ 두께이며 100m 이상 연속 길이로 생산될 수 있다. 오늘날 생산되는 HTS 와이어의 다른 예는 스미모토(Sumimoto)에 의해 생산되는 BSCCO 와이어이다. BSCCO 와이어는 직사각형 단면을 갖는 긴 와이어를 형성하기 위해 은 매트릭스 내에 봉입된 BSCCO HTS 재료의 다중 필라멘트를 포함한다. MgB2 와이어의 예는 콜롬부스 수퍼컨턱터즈사(Columbus Superconductors Spa)에서 생산된다.

초전도 회로는 초전도 특성을 유지하기 위해 저온에서 작동해야 한다. 재료가 초전도 특성을 갖는 온도는 임계 온도 Tc로 알려져 있다. 전형적으로, 초전도 회로는 임계 온도 이하로 동작을 유지하기 위해 저온유지장치 내에 배치된다. 저온유지장치는 하나 이상의 단열 벽 또는 경계를 포함하여 외부 소스로부터 초전도 부품 및 이들의 지지 구조("저온 질량")로의 열의 흐름을 방해한다. 잔여 열 유속(residual heat flux)은 냉각 동력원에 의해 균형을 이루므로 냉기를 일정 온도로 유지한다. 냉각 동력원은 증발에 의해 열을 흡수하는 극저온 유체 및/또는 기포드-맥마혼(Gifford-McMahon), 스털링 또는 플러스 튜브 냉각기와 같은 열-기계식 냉각기일 수 있다. 열 전도성 구성 요소는 냉매와 냉각기 사이에 배치되어 열의 흐름을 지시하여 냉각 매니폴드를 형성한다.

여기에 사용된 바와 같이:

- 명사 뒤에 오는 "(들)"은 명사의 복수형 및/또는 단수 형태를 의미한다.

- "및/또는"은 "및" 또는 "또는", 또는 둘 다를 의미한다.

- "포함하는"은 "적어도 부분적으로 구성되는"을 의미한다. 이 명세서에서 해당 용어가 포함된 문장을 해석할 때 각 문장이나 주장에서 해당 용어가 앞에 붙은 특정은 모두 나타나야하지만 다른 특징도 나타날 수 있다. "포함한다" 및 "구성된"과 같은 관련 용어는 동일한 방식으로 해석되어야 한다.

- 초전도 회로에 유도된 "회전자", "극저온 인클로저 외부에" 및 "DC 전류" 및 "DC 이송 전류"는 이후에 언급되는 의미를 갖는다.

본 발명은 단지 예시로서 그리고 도면을 참조하여 더 설명될 것이다:
도 1a 및 도 1b는 각각 저온유지장치 내의 초전도 회로에 전류를 주입하기 위한 종래의 배치를 개략적으로 도시한다.
도 1c는 본 발명에 따른 저온유지장치 내의 초전도 회로에 전류를 펌핑하기 위한 배치를 개략적으로 도시한다.
도 2a 내지 도 2c는 자기 쌍극자로부터의 자속 라인이 초전도 물질의 평면 조각에 대해 어떻게 빗나가는지를 도시한다.
도 3은 본 발명의 초전도 플럭스 펌프의 실시예를 보다 상세하게 개략적으로 도시한다.
도 4는 축류형(axial-flux) 플럭스 초전도 전류 펌프의 실시예의 일부의 단면도이다.
도 5a는 도 4의 축류형 초전도 전류 펌프의 고정자 요크를 도시한다.
도 5b는 도 4의 축류형 초전도 전류 펌프의 고정 요크 내의 개구 주변의 자속 라인 분포의 근접도이다.
도 6a는 축류형 초전도 전류 펌프의 일 실시예의 사시도이다.
도 6b는 도 6a의 라인 I-I을 따른 도 6a의 축류형 초전도 전류 펌프의 단면도이다.
도 7은 축류형 초전도 전류 펌프의 다른 실시예의 사시도이다.
도 8은 축류형 초전도 전류 펌프의 또 다른 실시예의 사시도이다.
도 9a는 발전기 또는 모터의 초전도 회전자 코일을 통전시키기 위해 발전기 또는 모터 내부에서 동축으로 집적된 축류형 초전도 전류 펌프의 일 실시예의 수직 단면도이다.
도 9b는 도 13a의 집적된 초전도 전류 펌프 및 전기 발생기 또는 모터의 일부의 근접도이다.
도 10은 본 발명의 축류형 초전도 전류 펌프의 출력 전류 대 시간의 그래프이다.
도 11은 본 발명의 축류형 초전도 전류 펌프의 출력 전압 대 시간의 그래프이다.
도 12는 본 발명의 축류형 초전도 전류 펌프의 초기 출력 전압을 회전자와 고정자 사이의 축 방향 갭의 함수로 도시한 그래프이다.
도 13은 세 가지 다른 디자인의 초전도 전류 펌프로부터 유도된 전류의 그래프이다

도 1a는 저온유지장치(103) 내에 수용된 전자기 코일(105)을 포함하는 종래의 초전도 회로(20)를 개략적으로 도시한다. 동작 시, 단열 벽(30)을 포함하는 저온유지장치(103)는 내부 온도를 초전도 회로 내의 초전도 요소의 초전도 전이 온도 이하로 유지한다. 초전도 회로(20)는 외부의 전류원을 사용하여 통전되고, 외부 전류원은 저온유지장치 벽(30)을 관통하는 일반적인 전도 전류 리드(3)를 사용하여 회로에 전류를 주입한다.

도 1b는 저온유지장치(103) 내에 수용된 전자기 코일(105)을 포함하는 다른 종래의 초전도 회로(20)를 개략적으로 도시한다. 초전도 회로(20)는 저온유지장치(103) 내에 위치하는 회전자(11)를 포함하는 회전하는 플럭스 펌프를 사용하여 통전된다. 회전자(11)에 대한 구동 샤프트(6)는 저온유지장치 벽(30)을 관통한다.

도 1c는 저온유지장치(103) 내에 수용된 전자기 코일(105)을 포함하며 본 발명의 초전도 전류펌프에 의해 통전되는 초전도 회로(20)를 개략적으로 도시한다. 초전도 전류 펌프는 극저온 인클로저(103) 외부의 회전자(11)와 인클로저 내부의 고정자(21)를 포함한다. 전기 모터 및 모터 제어기와 같은 회전자(도시되지 않음)를 회전시키기 위한 수단 또한 극저온 인클로저(103) 외부에 있다. 극저온 인클로저의 단열 인클로저 벽은 회전자와 고정자 사이를 통과한다. 회전자는 하나 이상의 자기장 발생 요소를 포함하고, 회전자와 고정자는 자속이 회전자와 고정자 사이의 갭을 가로질러 그리고 벽을 통해 자기 회로에 집중되도록 적어도 부분적으로 강자성 물질을 포함하여 자속이 고정자와 관련된 초전도 회로의 하나 이상의 초전도 요소를 관통하여 상기 극저온 인클로저 외부의 상기 회전자의 상대적인 이동이 DC 수송 전류가 상기 극저온 인클로저 내의 초전도 회로 주위로 흐르도록 유도한다. 전류는 도 1a 및 도 1b에서와 같이 전류 리드(3) 또는 구동 샤프트(6)에 의해 저온유지장치 벽(30)을 관통하지 않고 초전도 회로(20)로 주입된다.

도 3은 본 발명의 초전도 플럭스 펌프의 실시예를 보다 상세하게 개략적으로 도시하고, 도 4는 축류형 초전도 전류 펌프의 일부의 단면이고, 도 5a는 전류 펌프의 고정자 요크를 도시하고, 도 5b는 사용시 고정자 요크 내의 출구 개구 주변의 자속 라인 분포의 근접도이다. 초전도 전류 펌프는 저온유지장치(103) 내에 봉입된 초전도 회로(20)를 통전시키는 데 사용된다. 도시된 실시예에서, 초전도 회로(20)는 초전도 코일(105) 및 고정자 요크 내에 또는 부분적으로 배치된 하나 이상의 초전도 요소(201)를 포함한다. 초전도 코일(105) 및 하나 이상의 초전도 요소(201)는 일반적인 전도성 조인트(도시되지 않음)에 의해 결합될 수 있다.

본 발명에 따르면, 전류 펌프는 적어도 하나의 회전자(11)와 고정자(21)를 포함하고, 각각은 극저온 인클로저(103)의 벽(30)을 통해 연장되는 갭(106)에 의해 분리되는 강자성 요크(15)를 적어도 부분적으로 포함한다. 갭의 크기는 최소 회전자의 자장 발생 요소와 고정자의 초전도 요소 사이의 거리이다. 일 형태에서, 갭(106)은 약 2 내지 30㎜ 범위이거나, 또는 약 6㎜보다 크거나, 10㎜보다 크거나, 또는 15㎜보다 크다. 또 다른 형태의 갭은 약 30㎜ 초과이다.

전류 펌프는 고정자(21)와 관련된 초전도 요소(201)를 관통하는 갭(106)을 가로질러 자속을 제공하기 위해 회전자(11)에 의해 운반되는 하나 이상의 자기장 발생 요소(12)를 포함한다. 회전자(11)와 고정자(21)의 한 쌍의 강유전 요크(15)는 갭(106)을 가로질러 초전도 요소(201)를 관통하도록 자장 발생 요소(12)에 의해 발생된 자속에 대한 경로를 제공하는 낮은 자기 저항(reluctance)의 자기 회로를 공동으로 형성하고, 그 후 초전도 회로를 관통하지 않고 회전자 요크(15)로 되돌아간다.

도 3에 도시된 바와 같이, 초전도 요소(201)는 자기장 발생 요소(12)에 의해 제공되는 집속된 자속 라인에 노출되는 회전자(11)와 고정자(21) 사이의 갭(106)을 통과한다. 도시된 실시예에서, 초전도 요소(201)는 먼저 고정자(21) 주변으로부터 갭(106)으로 들어가고 고정자 요크(15)에 형성된 출구 개구(23)를 통해 갭(106)을 빠져나간다. 따라서, 초전도 요소(201)는 회전자와 고정자의 자기장 발생 요소(12, 22) 사이를 다른 방향이 아닌 하나의 방향으로 통과한다. 출구 오프닝 또는 개구(23)는 초전도 요소(201)가 낮은 또는 반대의 자기장 하에서 고정자를 빠져나가는 것을 가능하게 하는 더 높은 자기 저항 영역을 포함한다. 그 다음, 다른 개구부(23)를 통과하고 고정자(21)의 대향 단부로부터 갭을 떠난 후에 갭(106)에 재진입한다. 다른 실시예에서, 초전도 요소(201)는 갭(106)에 단지 1회 또는 복수회 진입 및 방출할 수 있다. 일 실시예에서, 고정자 요크(15)는 자기장 발생 요소(12a, 12b)에 대향하여 위치하는 자속-집중형 강자성 돌출부 또는 자극(22a, 22b)을 포함한다.

회전자(11)는 전기 모터(13)에 의해 구동된다. 자기장 발생 요소(12)가 고정자(21)의 강자성 돌출부를 지나 이동할 때, 초전도 요소(201)의 표면에 부과된 자속은 초전도체의 자속 침투에 필요한 최소 부과된 자기장인 B_pen보다 크다. 자기장 발생 요소(12)가 초전도 요소(201)에 대해 이동하면, 자속 와류가 초전도 요소(201)의 한쪽으로 입사한 후, 반대쪽으로부터 출사한다. 이것은 초전도 요소(201)를 가로지르는 자속 라인의 순 흐름을 야기하여 (여전히 약간의 리플을 가질 수 있는) 순 전류가 초전도 회로(20) 주위로 펌핑되어 초전도 코일을 통전시키게 한다.

전술한 바와 같이, 회전자(11), 구동 모터(13), 및 관련된 모터 제어기는 극저온 인클로저의 외부에 위치한다. 요구되는 분리는 고정자와 회전자 사이의 분리를 가로지르는 자속 라인을 가이드하는 낮은 자기 저항의 자기 회로를 함께 형성하는 고정자와 회전자 내에 강자성 강철(iron) 요크를 통합함으로써 달성된다. 이는 도 2a 내지 도 2c 및 도 4를 참조하여 더 설명된다.

도 2a 내지 도 2c는 영구 자석 및 Ⅱ형 초전도체의 얇은 스트립의 세 가지 서로 다른 배치를 도시한다. 도 2a에서, 영구 자석(8)은 플럭스 라인(10)이 초전도체(9)를 완전히 관통하는데 필요한 부과된 자기장이 B _pen 보다 크도록 초전도체(9)의 표면에 근접하게 놓인다. 이 구성에서, 초전도체의 표면을 가로질러 영구 자석을 이동시킴으로써 초전도체 물질(9)에 순 전류가 유도될 수 있어서 자속 선이 초전도체 물질을 통해 끌리게 된다. d₁은 영구 자석(8)과 초전도체(9) 사이의 축 방향 변위(axial displacement)를 나타낸다.

도 2b에서, 영구 자석(8)과 초전도체(9) 사이의 축 방향 변위는 d₂로 표시되고 도 2a의 d₁보다 크다. 그 결과, 초전도체 표면에 수직인 자기장은 B _pen 보다 작고 자속 선(10)은 초전도체(9)로부터 방출된다. 이 구성에서, 자속 선은 초전도체 물질을 통해 끌어질 수 없으므로 초전도체를 통한 순 전류를 유도할 수 없다.

도 2c에서, 영구 자석(8)과 초전도 스트립 사이의 분리는 도 2b에서와 동일하지만, 강자성 강철 요크(15)는 초전도 스트립을 통과하는 감소된 자기 저항의 자기 회로를 형성하도록 배치된다. 강철(iron) 요크(15)의 존재는 초전도체 표면에서 플럭스의 집중을 유도하여, 국부적 자기장 세기가 B _pen 보다 크게 된다. 이러한 구성에서, 초전도체 물질을 통해 자속 선을 이동시키도록 영구 자석(8)을 초전도체(9) 표면을 가로질러 이동시킴으로써 초전도체(9)에 순 전류를 유도하는 것이 다시 가능하다.

도 4는 축류형 초전도 전류 펌프의 일 실시예의 일부 단면을 도시한다. 회전자(11)는 모터(13)에 의해 구동되어 축(14)에 대해 회전하고 자기장 발생 요소(12)를 고정자(21)를 지나서 스윕하여 초전도 요소(201)를 가로지르는 자속 선을 구동하여 전류가 초전도 회로(20) 주위로 흐르게 한다.

회전자(11)는 강자성 요크(15)와 강자성 요크(15) 상에 지지된 하나 이상의 자기장 발생 요소(12)를 포함한다. 자기장 발생 요소(12)로부터 저온유지장치 벽(30)을 통해 고정자(21)로 연장되고, 그 다음에 저온유지장치 벽(30)을 통해 회전자(11)로 연장되는 연속적인 자속 경로(40)가 한 쌍의 강자성 요크(15)에 의해 형성된다. 일 실시예에서, 고정자(21)의 강자성 요크는 회전자(11)가 고정자(21)에 대해 회전할 때 자기장 발생 요소(12)에 직접 대향하는 하나 이상의 돌출부(22)를 포함한다. 초전도 요소(201)와 같은 초전도 회로(20)의 적어도 일부가 강자성 요크(15)의 돌출부(22) 상에 배치된다. 고정자(21)의 강자성 돌출부(22)는 회전자(11)와 고정자(21) 사이에 자속 경로(40)를 포커싱하는 효과를 가져, 초전도 요소(201)의 표면에서의 자기장 세기가 그러한 돌출부(22)가 없는 평면적인 강자성 요크 형상의 경우에 비해 증가한다.

회전자(11)와 고정자(21) 내의 강자성 요크(15)는 강철 물질 또는 적어도 보자력이 낮고 잔류 자기장이 낮은 강자성 물질로 이루어진 것이 바람직하다. 일 형태에서, 강자성 요크(15)는 강자성 및 비 강자성 물질을 모두 포함하는 화합물로 형성된다. 예를 들어, 요크는 화전류 손실(eddy current loss)을 최소화하기 위해 비 강자성 절연 시트(non-ferromagnetic insulating sheet)가 개재된 강자성 금속의 적층 시트로 형성될 수 있다. 다른 예에서, 강자성 요크는 비 강자성 매트릭스 물질 내에 내장된 강자성 금속 원소로 형성된다. 강자성 요크는 회전자 자기장 발생 요소(12)가 초전도 요소(201)을 가로질러 통과할 때 고정자(21) 주위에 배치된 초전도 요소(201)의 표면에 플럭스를 집중시킨다. 고정자 내의 강자성 요크는 또한 자속 밀도의 변화의 총 진폭(amplitude)이 초전도 요소(201)를 통과하는 각 자기장 발생 요소(12)에 대해 최대가 되도록 보장한다. 도시된 실시예에서, 고정자 요크(15)는 초전도 회로(20)와 저온유지장치(103)에 대해 고정적이다. 회전자 요크는 이들 요소들에 대해 회전한다.

일 형태에서, 초전도 요소(201)는 예를 들어 HTS 또는 LTS 와이어, 테이프, 또는 이와 유사한 고온 또는 저온 초전도 요소이다. 고정자(21) 상의 초전도 요소(201)로서의 HTS 요소의 사용은 LTS 초전도 회로와 비교하여 상승된 온도에서의 작동을 가능하게 한다. 온도가 높을수록 도체는 더 큰 열 용량(heat capacity)을 가지므로 실질적으로 증가된 열 부하가 있는 상태에서 초전도 거동(superconducting behavior)을 유지할 수 있다. 증가된 열 부하 허용치는 고정자 근처에서 저온유지장치 절연체, 두께 또는 유형을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 실험 검증은 약 10 내지 15㎜ 범위의 절연체 두께가 최대 300A까지의 최대 전류에서 펌핑하는 동안 고정자 온도를 약 50 내지 77K로 유지하기 위한 적절한 단열을 제공함을 보여준다.

테스팅 및 전자기 모델링은, 초전도 HTS 코일(105)을 포함하는 초전도 HTS 회로(20)와, HTS 초전도 요소(201)와 자기장 발생 요소(12) 사이에 15㎜ 이상의 갭을 갖는 본 발명의 초전도 전류 펌프를 사용한 통상적인 전도성 조인트 주위로 전류가 펌핑될 수 있음을 보여준다. 이는 HTS 초전도 요소(201)에서 주기적으로 부과되는 최대 자장 강도가 플럭스 침투에 필요한 최소 자계(B _pen )보다 높은 것을 보장하기 위해, 회전자 및 고정자 상의 강자성 요크 사이에 형성된 자기 회로의 설계를 통해 달성된다.

일 형태에서, 고정자(21)와 회전자(15) 사이의 플럭스 갭(106) 영역 내에 위치하는 저온유지장치 벽(30)은 비 강자성 물질을 포함하고, 바람직한 실시예에서, 어떠한 금속 물질도 포함하지 않는다. 일부 실시예에서, 저온유지장치 벽(30)은 저온유지장치 벽 내의 다층 절연(MLI) 요소의 일부로서 얇은 금속 시트를 포함할 수 있다.

전술한 바와 같이, 일 형태에서, 고정자(21) 내부의 강자성 요크(15)는 초전도 회로(20)가 플럭스 펌프의 고정자 영역을 빠져나가게 하는 자속에 대해 높은 자기 저항을 갖는 영역을 포함할 수 있다. 높은 자기 저항을 갖는 영역은 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같은 개구(23) 또는 고정자 요크(15)를 관통하는 임의의 다른 유사한 형태의 개구일 수 있다. 개구(23)는 요크(15) 내의 주변 강자성 물질에 비해 자속에 대해 높은 자기 저항을 나타낸다. 요크(15) 내의 강자성 물질은 회전자 사이에 형성된 자기 회로의 복귀 경로를 형성하고, 개구(23)는 초전도 회로(20)가 자기 회로의 고정자 영역을, 초전도 회로의 이 영역을 자속 침투 없이, 빠져나갈 수 있도록 낮은 자속 밀도를 갖는 영역을 제공한다.

도 5b는 고정자 요크에서 개구(23) 둘레의 자속 선 분포의 근접도이고, 특히 고정자(21) 내의 자속 경로(40)가 개구(23)를 우회하는 것을 도시한다. 개구내의 자속은 약하고, 바람직하게는 초전도체의 자속 침투를 위한 임계 자기장 B _pen 아래이다. 따라서 개구(23)는, 회전하는 자기장 발생 요소(12)의 작용에 반대되는 EMF를 유도하기에 충분히 강한 이동 자속 영역을 경험하지 않고 초전도 회로(20)가 자기 회로로부터 효율적으로 통과할 수 있는 효과적인 경로를 제공한다.

일부 실시예에서, 초전도 회로(20)의 일부를 형성하는 초전도 요소(201)는 초전도 HTS 물질과 비 초전도 물질 모두를 포함하는 복합 구조를 갖는다. 바람직하게는, HTS 초전도 요소 내부의 HTS 물질은 부과된 자속 선에 평행한 방향으로 치수가 얇은 필름으로, 회전자로부터의 적어도 일부 자속이 초전도 요소를 통해 주기적으로 관통하여 초전도 요소의 대향 면으로 나온다. 일부 실시예에서, 초전도 요소(201)는 얇은 축이 고정자 요크 돌출부(22)의 표면에서 자속의 방향에 평행하도록 배향된 코팅된 도체 HTS 와이어이다. 일부 실시예에서, 초전도 요소(201)는 둘 이상의 HTS 와이어 또는 테이프의 층을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 초전도 요소(201)는 자기장 발생 요소로부터의 자속에 의해 관통되는 각각의 개별적인 초전도 요소의 폭을 감소시키기 위하여 적어도 부분적으로, 둘 이상의 길이 방향 섹션으로 더 분할될 수 있다.

일부 실시예에서, 자기장 발생 요소(12)는 적어도 하나 이상의 높은 보자력의 영구 자석을 포함한다. 예를 들어, NdFeB와 같은 희토류 형 자석이 사용될 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 축류형 초전도 전류 펌프(10)와 초전도 회로(20)의 영역의 일 실시예를 도시한다. 전술한 바와 같이, 전류 펌프는 고정자(21)와 대향하는 회전자(11)의 표면상에, 복수의 자기장 발생 요소(12)가 위치하는 강철 회전자(11)를 포함한다. 자기장 발생 요소(12)는 하나 이상의 영구 자석, 전자석, 또는 그 조합을 포함할 수 있다. 강철 회전자(11)는 저온유지장치(103)(도 6a에 도시되지 않고, 도 6b에 도시된 저온유지장치 벽(30))의 외부에 배치된다. 강자성 고정자(21)는 저온유지장치(103) 내에 배치된다. 저온유지장치의 절연 벽(30)은 갭(106) 내에서 고정자(21)와 회전자(11) 사이에 위치한다. 회전자(11)와 고정자(21) 내부의 강자성 요크 쌍(15)은 고정자(21)와 회전자(11) 사이의 갭(106) 내에서 자속 밀도를 가이드하고 증가시키는 역할을 한다. 자기 회로는 회전자(11) 및 고정자(21)의 축 방향 중심을 향하여 위치된 낮은 자기 저항 갭을 가로지르는 플럭스에 의해 완료된다.

예를 들어 HTS 와이어와 같은 하나 이상의 초전도 요소(201)는 고정자(21)에 의해 지지되어 저온유지장치(103) 내부의 초전도 회로(20)의 일부를 형성한다. HTS 고정자 와이어는 회전자(11)와 고정자(21) 사이의 갭(106)을 통과하여 회전자(11)와 고정자(21)에 의해 형성되는 자기 회로로 진입한다. HTS 고정자 와이어는 고정자의 낮은 자속 밀도 영역을 통해 자기 회로를 떠난다. 낮은 자속 밀도 영역은 강자성 고정자(21)의 바깥 에지에 위치하거나 고정자(21)의 강자성체 개구(23)와 같은 개구부로 인해 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 고정자(21)는 초전도 요소(201)의 표면에서 최대 자속 밀도를 추가로 증가시키기 위해 전계-집중 강자성 돌출부(22)를 포함한다. HTS 고정자 와이어 표면에서의 자기장 밀도가 침투 자기장 B _pen 보다 높은 경우, 회전자(11)의 움직임은 자속 와류가 초전도 요소(201)를 가로질러 이동하도록 구동하여, 전류가 초전도 회로(20) 주위에 흐르게 한다.

초전도 전류 펌프가 초전도 코일 또는 자석을 통전시키는 데 사용되는 경우, 초전도 회로(20)의 전류 증가율을 변화시키는 것이 바람직할 수 있다. 이는 모터(13)의 주행 속도를 증가시켜 원하는 전류에 이를 때까지 초전도 회로(20) 양단의 EMF를 증가시킴으로써 회전자(11)의 회전 속도를 변화시키고, 초전도 회로의 저항성 조인트 및 초전도 HTS 고정자 와이어 내의 자속 이동과 같은 다른 소산 손실(dissipative loss)과 같은 인자로 인한 에너지 소산(dissipation of energy)을 보상하면서 고정된 레벨로 전류를 유지하도록 모터(13)의 속도를 감소시킴으로써 달성될 수 있다.

일부 실시예에서, 모터(13)의 회전 속도는 폐루프(closed loop) 제어에 의해 제어되어 펌핑된 전류를 원하는 레벨로 유지한다. 또한, 또는 대신에, 갭(106) 내의 자속 밀도를 감소시키기 위해 전류가 증가함에 따라 회전자(11)는 축 방향으로 이동되어 회전 자석(12)을 고정자(21)로부터 더 멀리 이동시켜 초전도 회로 양단에 유도된 전압을 감소시킨다. 이는 또한, 플럭스 마찰 및 다른 소산 효과로 인한 HTS 고정자 와이어(201) 내의 에너지 손실을 감소시킨다. 이 접근은 축 방향 갭이 최적화될 수 있도록 하는 요구 조건에 따라 전류 펌프의 구성을 조정할 수 있게 한다. 예를 들어, 개방 회로 전압을 최대화하거나 또는 전류 펌프의 "유효 내부 저항"을 최소화할 수 있다.

초전도 회로(20)는 초전도 회로(20)의 온도를 소정 동작 온도 이하, 특히, 초전도 회로의 초전도 전이 온도 아래로 유지시키도록 작동하는 저온유지장치(103) 내에 수용된다. 초전도 회로의 다양한 부분의 온도는 극저온 냉각 시스템과 초전도 회로 및 전류 펌프 고정자(21) 사이의 열적 연결을 제공하는 냉각 매니폴드(cooling manifold)의 디자인에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 초전도 전류 펌프 내의 HTS 고정자 와이어와 같은 초전도 요소는 전류 펌프에 의해 에너지가 공급되는 초전도 코일 (105) 또는 자석보다 더 따뜻한 것이 바람직하다. 이러한 접근은 HTS 고정자 와이어 내의 플럭스 마찰을 감소시키고, 따라서 회전자(11)를 이동시키기 위해 요구되는 토크(torque)를 감소시킨다.

도 7은 축류형 초전도 전류 펌프의 다른 실시예를 도시한 것으로, 도 6의 축류형 초전도 전류 펌프와 유사하지만 연결된 초전도 회로(20)를 가로지르는 최대 EMF 펄스를 증가시키기 위해 직렬 연결되는 방식으로 초전도 회로(20)가 반복적으로 자기회로에 진입 및 이탈하는 것이 다르다.

도 8은 축류형 초전도 전류 펌프의 또 다른 실시예를 도시한 것으로, 연결된 초전도 회로(20) 주위로 펌핑될 수 있는 최대 총 전류를 증가시키기 위하여, 초전도 회로(20)가 고정자(21) 주위에 배치된 복수의 병렬 회로 구조로 배열됨으로써 도 6 및 도 7과는 다르다. 도 8의 실시예에서, 고정자(21)는 초전도 요소(201)들 사이에 위치된 추가 세트의 강자성 돌출부(22c)를 포함한다. 이 추가의 돌출부(22c)는 회전자(11) 상의 자기장 발생 요소(12)가 고정자(21)에 대해 이동함에 따라 초전도 요소 표면에서의 자기장 변화의 진폭을 최대화하도록 동작한다. 이는 자기장 요소(12)가 HTS 초전도 요소(201)에 가장 가까이 통과함에 따라 자속 선이 먼저 초전도 요소(201) 내에 집속되고, 이어서 자석이 초전도 요소(201) 사이에 위치한 강자성 돌출부(22c)에 가장 가깝게 회전함에 따라 자속 선이 HTS 초전도 요소(201)로부터 멀리 모으는 반복 동작을 통해 이루어진다. 이 추가 돌출된 강자성 톱니(22c)는 다음 자속 선이 초전도 요소(201)에 진입하기 전에 초전도 요소(201)를 이탈하는 자속 와류(magnetic flux vortices)의 수를 최대화한다.

다른 실시예는 도 6, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같은 축류형 전류 펌프뿐만 아니라, 또는 대신에 방사상 플럭스 전류 펌프를 포함한다. 예를 들어, 전체적으로 본원에 참고로 인용된 WO2012/018265는 방사상 플럭스 펌프 및 초전도 회로 배치를 도시한다.

도 9a는 발전기 또는 모터의 초전도 회전자 코일을 활성화시키기 위해 발전기 또는 모터 내부에서 동축으로 집적된 축류형 초전도 전류 펌프의 일 실시예의 수직 단면도이고, 도 9b는 도 13a의 집적된 초전도 전류 펌프 및 발전기 또는 모터의 일부의 근접도이다. 발전기(13) 또는 전기 모터는 고정자 본체(21a) 및 회전자(11a)를 포함한다. 발전기 회전자는 초전도 전류 펌프(10)의 고정자(21)를 통과하는 부분(201)을 포함하는 초전도 회로 내에 연결된 하나 이상의 초전도 회전자 코일(105a)을 포함하는 회전식 저온유지장치(103)를 포함한다. 초전도 전류 펌프(10)의 회전자(11)는 회전식 저온유지장치(103)의 외측에 위치하며, 발전기/모터의 회전자(11a)와 동축으로 위치한다. 전류 펌프의 회전자(11)는 발전기의 회전자(11a)에 대해 동일 회전 방향(co-rotating direction) 또는 반대 회전 방향(counter-rotating direction)으로 회전한다. 전류는 초전도 회로(20) 주위로 펌핑되어 발전기(13) 또는 모터의 초전도 코일(105a)을 여기시킨다. 이 실시예는 회전식 저온유지장치를 포함하고, 회전식 저온유지장치 외부의 회전자는 회전식 저온유지장치 내에서 고정자에 대해 움직인다. 고정자와 회전자는 회전식 저온유지장치와 함께 공통 회전축 주위로 서로에 대해 회전한다.

이 실시예에서 본 발명의 적용은 회전식 저온유지장치의 벽을 관통하는 전류 리드와, 고정된 기준 프레임으로부터 회전하는 회전자 코일로의 여자 전류(excitation current)를 전달하는 데 통상적으로 필요한 회전 전기 접촉 또는 무브러쉬 컨버터(brushless converter) 기술의 필요성을 제거한다.

일부 실시예에서, 초전도 전류 펌프의 회전자는 전류 펌프의 회전자와 전류 펌프의 고정자 사이의 갭을 증가 또는 감소시키기 위해 회전축을 따라 병진 이동될 수 있다. 이는 전류 펌프의 구성을 축 방향 갭이 최적화될 수 있도록 요구 조건에 따라 조정할 수 있게 한다. 예를 들어, 이러한 접근은 개방 회로 전압을 최대화되도록 하거나, 또는 대안으로 전류 펌프의 "유효 내부 저항"을 최소화할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 저온유지장치의 절연 효율을 향상시키고, 회전 플럭스 펌프가 채용된 시스템의 신뢰성 및 유지 보수의 용이성을 가능하게 한다. 본 발명은 초전도 전류 펌프의 회전자와 고정자를 물리적으로 분리하고 열 장벽 또는 절연 벽이 회전자와 고정자 사이의 갭에 배치된다. 적어도 일부 실시예에서, 성형된 강자성 요크는 회전자와 고정자 사이의 갭에서 자속 밀도를 증가시키고, 따라서 저온유지장치의 절연 벽을 수용하기 위해 갭을 넓힘으로써 야기되는 자속 밀도의 감소를 보상한다. 본 발명의 초전도 전류 펌프는 회전식 저온유지장치의 벽을 관통할 수 있는 전류 리드의 필요성을 제거한다. 또한 전류 펌프는 고정된 기준 프레임에서 회전하는 회전자 코일로 여기 전류를 전달하는 데 일반적으로 필요한 브러쉬리스 컨버터 기술 또는 회전하는 전기 접점에 대한 필요성을 제거한다. 특히, 회전자와 회전자를 회전시키는 수단, 모터와 회전자 및 모든 베어링 사이의 연결은 저온유지장치의 외부 및 주변 온도에 위치한다. 결과적으로, 그리고 유리하게, 모든 이동 부분에 기존의 베어링을 사용할 수 있다. 또한, 이동 부분의 유지 보수 및 수리는 펌프 또는 연결된 자석의 차가운 부품을 예열할 필요가 없는 간단한 절차가 된다.

본 발명의 다른 실시예에서, 회전자, 즉 극저온 인클로저 외부에 위치하는 전류 펌프의 이동 부분은 회전과 함께 움직이지 않을 수 있지만, 고정자를 지나 (단방향으로) 선형 또는 반 선형으로 반복적으로 병진할 수 있으며 청구항을 포함하는 본 명세서의 "회전자"는 그에 따라 이해되어야 한다.

또한, 회전자가 극저온 인클로저 외부 및 극저온 인클로버 내의 고정자 외부에 위치하는 반면, 회전자는 고정자 인클로저의 온도와 주변 환경 온도 사이의 온도로 유지되는 관련 인클로저 내에 위치할 수 있으며, "극저온 인클로저의 외부"도 이에 따라 이해되어야 한다.

실험예

도 10, 도 11 및 도 12는 본 발명에 따른 초전도 전류 펌프의 일 실시예의 성능을 특징으로 하는 실험 결과를 도시한 것으로, 초전도 전류 펌프는 초전도 코일을 포함하는 초전도 회로에 연결된다. 이 경우에, 사용된 초전도 전류 펌프는 회전자와 고정자 본체가 강자성 강철로 제조된 도 6에 도시된 설계의 축류형이다. 회전자는 ½"x ½"x½" 크기의 아홉 개의 등 간격 NdFeB 자석으로 구성된다. 고정자와 초전도 회로는 77K에서 동작되었다. 고정자는 고정자와 회전자 사이에 형성된 자기 회로를 한 번 통과한 단일 피복 도체(single coated-conductor) YBCO 선을 포함하였다. 초전도 회로는 57A까지의 코일(lc) 및 2.7Mh의 인덕턴스를 나타내는 HTS 와이어로부터 권선된 코일을 포함하였다. 초전도 코일은 일반적인 도체 금속 솔더(solder) 조인트를 사용하여 고정자로부터 초전도 YBCO 와이어에 연결되었다. 솔더 조인트는 약 1μW의 총 직렬 저항을 갖는 회로의 일반적인 도체 부분을 형성한다. 각 실험은 t ≤ 0에서 초전도 회로에 전류가 흐르지 않고 전류 펌프 회전자가 정지하도록 초기화되었다. t= 0에서, 전류 펌프 회전자는 정지 상태에서 자기장 변화의 주파수가 원하는 정상 상태 주파수에 도달할 때까지 12.7 Hz/s의 속도로 증가하도록 정지로부터 가속되었다.

도 10은 축류형 초전도 전류 펌프의 일 실시예를 사용하여 수행된 일련의 실험 수행에 대한 초전도 회로에서의 전류 대 시간의 그래프를 도시한다. 회전자와 고정자 사이의 축 방향 갭의 값은 각 실험 실행(run) 전에 고정되었고 축 방향 갭의 다른 값을 사용하는 일련의 실행에 대해 수집된 데이터가 표시된다. 각각의 경우에, 회전자 자석이 초전도 와이어를 통과하는 주파수가 48Hz에 도달할 때까지 회전자는 정지 상태에서 꾸준히 가속되었다. 이 주파수는 각 실행의 나머지 동안 일정하게 유지되었다. 초전도 회로의 초기 전류는 0으로 설정되었다. 초전도 회로의 전류는 처음에 증가하는 것으로 보여진다. 이는 초전도 회로에서 초전도 코일의 유도성 임피던스를 극복하기 위해 작용하는 전류 펌프의 EMF의 결과이다. 전류의 증가율은 축 방향 갭이 작으면 더 빠르게 발생하는데, 이는 이 구성에서 전류 펌프로부터 이용 가능한 개방 회로 전압이 더 크기 때문에 더 작다. 초전도 회로의 전류는 축 방향 갭의 크기에 따라 달라지는 고정된 최대 전류값, I_sat에서 포화된다. I_sat의 값은 초전도 전류 펌프에서 유도된 전압이 초전도 회로의 손실로 인한 에너지 소산을 극복하는 데 필요한 것들과 동일한 지점에 의해 결정된다. 전류 펌프 고정자를 통과하는 초전도 회로를 포함하여, 초전도 회로에서의 에너지 소산은 정상 도전성 접합부의 저항뿐만 아니라, 전류와 회로 내의 초전도 물질 내의 자속 밀도의 변화하는 시간 사이의 상호 작용으로 인한 손실을 포함한다.

도 11은 전류 펌프 고정자 내에 놓인 초전도 회로 부분 양단에서 측정된 전압의 그래프를 도시한다. 이것은 시간의 함수로 그려졌다. 측정된 전압 데이터는 0.1초의 집적 시간을 사용하여 얻은 평균값이다. 데이터가 실질적으로 더 짧은 집적 시간을 사용하여 획득된 경우, 측정된 전압은 회전자 상의 각각의 개별 자석이 초전도 와이어를 통과할 때 발생하는 시간에 따라 변화하는 EMF로 인해 전류 펌프의 동작 주파수에서 펄스를 또한 나타낸다는 점에 유의해야 한다. 이 펄스 효과는 코일 인덕턴스의 영향과 각 개별 펄스의 주기보다 실질적으로 긴 측정 집적 시간을 사용하여 "평균화"된다. 회전자가 초기에 작동 속도로 가속됨에 따라, 측정된 출력 전압이 빠르게 상승하는 것을 볼 수 있다. 그 후, 모든 경우에 전압은 떨어져서 0에 가까워지지만 0이 아닌 값에 접근한다. 이 동작은 초전도 전류 펌프 작동의 특징이다. 초전도 전류 펌프의 초기 출력 전압은 고정자내의 초천도 와이어가 회전자에서 부과된 자속을 자르는 속도로 결정된다. 이 전압은 초전도 코일의 임피던스를 극복하고 초전도 회로 주변의 전류를 여기시키는 역할을 한다. 그러나, 회로내의 전류가 증가함에 따라, 시간-변화 자기장과 전류 사이의 상호 작용으로 인한 전류 펌프 내의 손실 또한 증가한다. 이것은 초전도 전류 펌프의 "효과적인 내부 저항"을 유도하고 전류의 함수로서 측정된 출력 전압의 감소로 이어진다. 전류 펌프의 "효과적인 내부 저항"은 동작 주파수의 증가와 함께 증가하는 것으로 관찰된다. "효과적인 내부 저항"은 축 방향 갭의 증가와 함께 감소한다. 전류 펌프의 측정된 정상 상태 출력 전압에 대한 점근 값(asymptotic value)은 정상 상태 전류 I _sat 에서 작동할 때 초전도 회로의 나머지의 저항을 극복하는 데 필요한 전압과 동일하다.

도 12는 360 Hz에서 동작할 때 초전도 전류 펌프의 최대 측정된 출력 전압을 회전자와 고정자 사이의 갭의 함수로 그린 그래프를 도시한다. 1.82㎜의 갭에서 최대 측정 출력 전압은 20mV보다 컸다. 16.13㎜의 갭에서 출력 전압은 0.18mV로 떨어진다. 이 값은 0보다 크므로 전류가 초전도 회로 주변으로 흐르도록 유도한다.

도 13은 세 가지 다른 디자인의 초전도 전류 펌프의 I _sat 측정 값 플롯을 도시한다. I _sat 은 회전자에 장착된 영구 자석과 고정자에서 초전도 와이어의 표면 사이의 갭의 함수로 플롯된다. 세 가지 구성 모두에서 YBCO 코팅 전도체 와이어가 고정자 내에 사용되었으며 영구 자석 요소는 비슷한 크기의 NdFeB 자석으로 구성되었다. 초전도 전류 펌프에 대한 세 가지 상이한 배열이 각각 1세대, 2세대, 3세대로 표시된다. 각 플롯(plot)은 초전도 물질이 없는 상태에서 고정자로부터 축 방향 거리 x에 위치한 영구 자석으로 인해 고정자 표면에서 축 방향 자기장 세기를 보여준다. 1세대는 강자성 요크를 포함하지 않는 WO2012/018265에 개시된 것과 유사한 방사형 전류 펌프 배치를 기술한다. 이러한 배치에서, 고정자에서 경험되는 전계는 자유 공간에서 격리된 영구 자석의 전계와 유사하다. 2세대는 회전자 및 고정자에 대한 강자성체를 포함하는 도 6에 도시된 바와 같은 축 방향 전류 펌프 배치를 기술하여, 낮은 자기저항 자기 회로가 회전자와 고정자 사이에서 실현된다. 자계는 회전자 상의 영구 자석과 고정자 사이의 축 방향 갭(x)에 대한 고정자 표면에서 측정된다. 3세대는 회전자 및 고정자 내에서 강자성 요크 피스를 포함하고 강자성 요크의 기하학적 구조가 고정자 표면에서의 최대 수직 B-필드를 더욱 향상시키도록 조정된 축류형 전류 펌프 배치를 기술한다. 이 데이터는 강자성 요크 피스를 사용하지 않으면 부과된 B-필드가 B_pen 아래로 내려가면서 10㎜보다 큰 갭을 가로지르는 전류 펌핑이 쉽지 않음을 보여준다. 그러나, 회전자 및 고정자에 강자성 요크를 사용하면 고정자에서 부과된 자기장이 증가하여 전류 펌핑이 회전자와 고정자 사이의 15㎜ 초과의 갭에서 발생할 수 있다. 회전자와 고정자 사이의 이 거리의 증가는 저온유지장치의 절연 벽이 회전자와 고정자 사이에 배치되도록 하며, 따라서 회전자가 저온유지장치의 외부에 위치하도록 하여 전류 펌프의 모든 가동 부분이 실온에서 작동되도록 하고, 극저온 시스템에 열전도 부하를 가하지 않는다.

본 발명의 전술한 설명은 그 바람직한 형태를 포함한다. 첨부된 청구범위에 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 수정이 이루어질 수 있다.

Claims (25)

1. 저온유지장치(cryostat)의 극저온 인클로저(cryogenic enclosure) 내에 수용된 초전도 회로에 DC 전류가 흐르게 하도록 배치된 초전도 전류 펌프로서,
   상기 초전도 회로는 초전도 코일 또는 코일들(a superconducting coil or coils)과 하나 이상의 초전도 요소를 포함하되, 상기 전류 펌프는 상기 극저온 인클로저 외부의 회전자(rotor)와 상기 극저온 인클로저 내의 고정자(stator)를 포함하고, 상기 회전자와 상기 고정자는 상기 극저온 인클로저의 단열 벽을 관통하는 갭(gap)에 의해 분리되며, 상기 회전자는 하나 이상의 자기장 발생 요소를 포함하고, 그리고 상기 회전자와 상기 고정자는 상기 회전자와 상기 고정자 사이의 상기 갭을 가로질러 그리고 상기 벽을 통해서 자기 회로에 자속을 집중시키는 강자성 물질을 적어도 부분적으로 포함하여, 상기 자속이 상기 고정자와 관련된 상기 초전도 회로의 하나 이상의 초전도 요소(들)를 관통하여 상기 극저온 인클로저 내의 상기 고정자에 대한 상기 극저온 인클로저 외부의 상기 회전자의 이동이 DC 수송 전류가 상기 극저온 인클로저 내의 상기 초전도 회로 주위로 흐르도록 유도하는, 초전도 전류 펌프.
2. 제1항에 있어서, 상기 초전도 회로는 상기 고정자와 상기 회전자의 강자성 자속-집중 부분 사이를 통과하여 자속이 상기 초전도 회로의 DC 전류 흐름 방향에 대해 일방향으로 상기 초전도체를 관통하는, 초전도 전류 펌프.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 초전도 회로는 상기 회전자와 상기 고정자 사이를 통과하여 상기 초전도 회로가 낮은 자장을 겪거나 또는 자장을 겪지 않는 영역을 통해 빠져나가는, 초전도 전류 펌프.
4. 제3항에 있어서, 상기 초전도 회로는 상기 고정자 내의 개구를 통해 빠져나가는, 초전도 전류 펌프.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초전도 코일 또는 코일들은 상기 회전자가 움직일 때 회로를 통해 전류를 증분식으로 축적시키기에 충분한 인덕턴스(inductance)를 갖는, 초전도 전류 펌프.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자와 상기 고정자는 상기 갭을 획정하도록 상기 회전자의 회전축 내 또는 상기 회전축에 실질적으로 평행한 방향으로 서로 변위되는, 초전도 전류 펌프.
7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자와 상기 고정자는 동심원상으로 배치되고 상기 갭은 상기 회전자의 회전 축 주위에 있는, 초전도 전류 펌프.
8. 제7항에 있어서, 원통형(cylindrical) 회전자 어셈블리(assembly)가 원통형 고정자 어셈블리의 내부 또는 외부에 위치하는, 초전도 전류 펌프.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 초전도 요소가 상기 고정자 주위에 배치되고, 상기 자기장 발생 요소는 상기 고정자 상의 상기 초전도 요소에 대향하는 회전자 주위에 배치되는, 초전도 전류 펌프.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 초전도 요소가 상기 고정자 내의 개구를 통과하는 것을 포함하여 상기 고정자 둘레에 감긴, 초전도 전류 펌프.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 갭을 가로지르는 치수는 약 2 내지 약 30㎜의 범위 내인, 초전도 전류 펌프.
12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 갭을 가로지르는 치수는 약 10㎜ 초과인, 초전도 전류 펌프.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 자기장 발생 요소는 하나 이상의 영구 자석 또는 전자석(electromagnet)을 포함하는, 초전도 전류 펌프.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 갭 내의 상기 자속 밀도는, 미시적 규모에서 상기 고정자 둘레에 배치된 초전도 요소를 관통하고 국부적인 플럭스 와류를 형성하지만, 거시적 수준에서 상기 초전도 회로를 통해 흐르는 순 DC 수송 전류를 운반하기에 충분한 초전도 전류 경로를 제거하지는 못하도록 충분히 큰, 초전도 전류 펌프.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자의 속도를 제어하도록 배치된 모터 제어 시스템을 포함하는, 초전도 전류 펌프.
16. 제15항에 있어서, 상기 회전자와 고정자 사이의 가변 갭을 제어하도록 배치된 제어 시스템을 포함하는, 초전도 전류 펌프.
17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 초전도 회로 주위의 전류를 나타내는 신호를 상기 제어 시스템에 제공하도록 배치된 센서를 더 포함하는, 초전도 전류 펌프.
18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초전도 요소(들)는 고온 초전도 물질을 포함하는, 초전도 전류 펌프.
19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 초전도 요소는 동일한 전체 전류 운반 용량을 갖는 더 큰 폭의 초전도 요소로부터 길이 방향으로 분할된 적어도 두 개의 초전도 요소를 포함하는, 초전도 전류 펌프.
20. 저온유지장치의 극저온 인클로저 내에 수용된 초전도 회로에 DC 전류가 흐르게 하도록 배치된 초전도 전류 펌프로서,
    상기 초전도 회로는 초전도 코일 또는 코일들과 하나 이상의 초전도 요소를 포함하되, 상기 전류 펌프는 상기 극저온 인클로저 외부의 회전자와 상기 극저온 인클로저 내의 고정자를 포함하여, 상기 극저온 인클로저 외부의 상기 회전자의 상대적 이동이 DC 수송 전류가 상기 극저온 인클로저 내의 상기 초전도 회로 주위로 흐르도록 유도하는, 초전도 전류 펌프.
21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항의 초전도 전류 펌프를 포함하는 시스템으로서, 상기 저온유지장치는 증발 잠열(latent heat) 및/또는 열 기계 냉각기(thermomechanical refrigerator)에 의해 냉각되도록 작동 가능한 액체 한제(liquid cryogen)를 포함하는 냉각(refrigeration) 시스템을 포함하는, 시스템.
22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항의 초전도 전류 펌프를 포함하는 시스템으로서, 상기 회전자 및 고정자 사이에 배치된 상기 저온유지장치 벽은 낮은 전기 전도도를 갖는, 시스템.
23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항의 초전도 전류 펌프를 포함하는 시스템으로서, 상기 저온유지장치는 회전식 저온유지장치(rotating cryostat)인, 시스템.
24. 제23항에 있어서, 상기 고정자와 상기 회전자는 상기 회전식 저온유지장치와 함께 공통 회전축 주위에서 서로에 대해 회전하는, 시스템.
25. 제23항 또는 제24항에 있어서, 상기 초전도 코일(들)은 발전기 또는 모터의 회전자 코일을 포함하는, 시스템.

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