초전도 재료는 임계 온도와 임계 자계로 불리는 임계 값 미만의 온도 · 자계 환경에서, 이 환경에 의존하는 임계 전류 밀도라 불리는 직류 문턱 값 전류 밀도까지 저항이 제로가 된다(교류의 경우 작지만 손실이 발생하며, 이를 교류 손실이라고 한다). 따라서 이 문턱 값 전류 밀도가 기존 도전 재료의 통전 가능 전류 밀도보다 압도적으로 크다면 상당히 매력적일 수밖에 없다. 즉, 직류의 줄Joule 손실이 제로가 되는 꿈의 재료가 실현되는 것이다(단, 이미 말했듯 교류의 경우 얼마 되지는 않지만 손실이 발생한다). 그러나 초전도 상태를 실현하려면 현재로선 일상생활 환경과 동떨어진 극저온 환경이 필요하다. 다시 말해, 초전도 재료를 기기에 사용하려면 극저온 환경과 같은 응용 분야를 제외하고, 냉각 비용을 포함해 기존 도전 재료보다 우위에 있음을 보여주는 것이 중요하다. 최근 고온 초전도 재료의 비약적인 특성 개선과 냉각 기술 진전으로 다양한 고온 초전도 회전기를 활발히 개발 중이다. 이러한 추세라면 장점인 '저항제로(혹은 극히 작음)'가 단점인 '냉각 비용'을 곧 앞지를 것으로 보인다. 게다가 기존 기술로 불가능한 신기능도 실현할 수 있다면 새로운 산업 개척도 기대된다. 회전기 용량은 분수 마력에서 수십㎿급 대용량 기기까지 다양하며, 전동기는 일본 전력 소비의 50% 이상을 차지한다. 따라서 고온 초전도 회전기는 초전도 기술에서 혁신을 일으킬 중요 열쇠 중 하나다. 본고는 고온 초전도 재료를 적용한 회전기의 개발 변천과 기술 동향을 살펴본다.
고온 초전도 회전기 회전기 용량 P는 일반적으로 다음 식과 같이 나타난다.
여기서 D²L은 회전자의 유효 체격(D : 회전자 지름, L : 회전자 유효 길이)이다. 또한 AC, B, N은 각각 전기 장하, 자기 장하, 회전수다. 특히 AC와 B의 비율을 결정하는 것을 장하 분배라고 하며, 회전기 설계 시 중요한 작업이다. 고온 초전도 기술을 적용하면 초저손실 대전류 수송 특성에 따라 전기장하를 크게 향상할 수 있으며, 높은 자계 계자 권선으로 자기 장하의 향상도 가능하다. 특히 자기 장하를 극대화할 경우, 철심의 포화 자속 밀도를 뛰어넘는 자계를 발생해 철심을 생략함으로써, 누출 자속은 커지지만 대폭적인 경량화와 누출 리액턴스 저감을 실현하고, 그중에서도 대형 기기에서 출력밀도 향상과 효율 개선이 기대된다.
고온 초전도 회전기의 종류와 개발 상황 회전기를 교과서적으로 분류하면 직류기, 유도기, 동기기로 나눈다. 여기서는 먼저 회전기에 적용 가능한 고온 초전도 재료의 개발 현황을 설명한 후, 실제 각종 회전기에 적용과 응용 상황을 소개한다.
회전기용 고온 초전도 재료｜고온 초전도체를 발견한 이후로 재료화 연구가 활발하다. 재료 형상으로 보면 선재와 벌크체를 모터용으로 개발하고 있다. 재료화를 달성한 고온 초전도 선재 종류로 비스무스Bismuth계가 수㎞급의 장척 선재를 시판 중이며, 제2세대 선재로 기대를 모으는 리튬이온계 선재의 경우 수백m급으로 시판을 시작했다. 또한, 비액체 헬륨 냉각 선재로 MgB₂선재도 관심의 대상이며, 20K 정도 이하를 운전 온도 목표로 설정해 세계적으로 개발이 한창이다. 한편, 고온 초전도 벌크체도 꽤 고품질의 용융 재료를 시판 중이다. 회전기용 고온 초전도 재료는 대부분이 계자용으로 연구 개발 중이다. 최근 전기자 권선에 적용하는 것도 검토하고 있으나, 고온 초전도 선재가 교류 전자계에서는 교류 손실이 있어 저감 기술 확립과 기존 기기에 대한 우위성 실증이 과제다.
권선형 직류기｜브러시가 있는 직류기는 과거 산업용, 수송용 등에 사용했으나, 정류용 브러시를 정기적으로 교체하고 저효율 등의 문제가 있었다. 이러한 이유로, 파워 일렉트로닉스 기술과 드라이브 기술이 진보함에 따라 특수 용도를 제외하고는 교류기(유도기나 영구자석 모터)에 주역 자리를 내줘야 했다. 회전기의 초전도화를 진행하는 과정에서도 브러시가 있는 직류기는 검토 대상이 아니었다. 최근 스미토모전기공업㈜가 중형 승용차에 액체 질소 냉각 비스무스계 고온 초전도 권선 계자를 사용한 클로폴Claw Pole형 직류 직권 모터를 탑재해 실증 주행 시험에 성공한 것이 유일하다. 한편, 저온 초전도 선재를 사용한 단극 직류기가 1960년대 전반부터 전기 추진선 등에 적용하는 것을 목표로 검토되기 시작했다. 회전기는 대전류 집전법에 문제가 있어 저온 초전도기는 그 후 진전이 없었으나, 최근 고온 초전도 선재의 성능 향상으로 한국에서 선박 추진용 고온 초전도 단극기를 개발하고 있다.
권선형 동기기｜저온 초전도 선재를 적용한 회전기 연구 개발 프로젝트는 냉각 비용을 보상하는, 규모확대를 통한 이익(Merit of Scale) 필요에 따라 오로지 대용량 발전기를 중심으로 추진해 왔으며, 일례로 일본은 'Super-GM 프로젝트'에 의해 연구 개발했다. 계자 권선만 초전도화하는 계자 초전도기를 구성해 70㎿급 기기로 부하 시험에 성공했다. 전동기는 중소형 용량을 가진 기기가 많아 저온 초전도기의 경우 냉각 페널티를 상쇄할 수 없어 크게 검토하지 않았다. 한편, 고온 초전도체의 발견과 그 후 재료화에 발맞춰 유럽과 미국을 중심으로 고온 초전도 전동기의 연구 개발을 검토했다. 회전기의 주류는 계자 권선만을 고온 초전도화하는 계자 초전도 동기기다. 미국의 아메리칸 슈퍼컨덕터(AMSC)사는 군사 선박에 적용을 목표로 연구 개발을 추진해 5㎿급(230rpm, 6극) 개발과 시험을 완료한 후, 36.5㎿급(120rpm, 16극) 개발과 전부하 시험에 성공했다. 또한, 독일의 Siemens AG도 선박용 고온 초전도 동기기 개발을 추진 중이다. 계자 권선에는 직류 여자 전류를 흘리기에 전기자 권선에서 문제가 된 교류 손실을 생각할 필요가 없으며, 높은 자계를 발생할 수 있다면 큰 이점 발견이 가능하다. 다만, 일반적으로 상전도 전기자 사이에 저온 유지 장치 등 냉각 구조를 넣어야 해서 갭 길이가 커지고 이로 말미암은 출력 저하를 방지하는 대책이 필요하다. 최근 들어 한국과 일본도 선박 응용을 목표로 고온 초전도 전동기 개발이 한창이다. ㈜IHI를 중심으로 한 산학 그룹은 이른바 유도자형이라 불리는 액시얼 갭Axial Gap형 저속 회전기를 개발하고 액체질소 냉각에서 이뤄진 회전 시험에 성공했다. 회전기는 전기자와 계자자 양쪽을 비회전으로 함으로써 고온 초전도기로는 세계 최초로 전 초전도화에 성공했다. 그 후 계자를 영구자석으로 개조해 365㎾ 출력 시험에 성공했다. 또한, 가와사키중공업㈜, 도쿄해양대학, (독)해상기술안전연구소 등의 산학 그룹도 (독)신에너지 · 산업기술종합개발기구(NEDO)의 지원을 받아 코어가 없는 고온 초전도기 개발에 성공해 200㎾ 출력 시험은 물론, 냉각계까지 포함한 최대 효율 98%를 달성했다. 이 고온 초전도 동기기는 모두 비교적 가변속 빈도가 낮은 회전 속도 수백rpm 정도의 선박 추진을 목표로 연구 개발 중이다. 한편, 에너지와 지구 환경에 대한 문제 의식이 높아지면서 고온 초전도 회전기를 풍력 발전에 적용하는 시험도 검토 중이다. 특히 5㎿급이 넘는 대형 풍력 발전기는 증속기 중량이나 유지 보수 등의 문제로 이 기구를 생략하는 시스템 검토가 이뤄지고 있으며, 발전기의 고온 초전도화 가능성이 이야기되고 있다. 도쿄해양대학은 이전부터 고온 초전도 회전기 설계법을 검토했으며, 풍력 발전용 고온 초전도기의 설계 검토 결과도 최근 보고했다. 또한, 도쿄대학과 니가타대학도 고온 초전도 풍력 발전기의 전자 설계를 검토하고 있다. 고온 초전도 회전기의 풍력 발전 적용은 최근 들어 급격히 활발해진 감이 있다. 유럽과 미국에서도 풍력 발전에 대한 기대가 크다. 영국에서는 CONVERTERM사가 고온 초전도기도 포함해 대형 풍력 발전 시스템을 적극 검토하고 있다.
권선형 유도기｜바구니 모양의 유도기는 기존 중소형 용량 기기로 넓게 사용돼 가격이 저렴하고 유지보수가 용이한 장점을 바탕으로 가장 많이 눈에 띄는 회전기다. 한편, 구동 원리상 회전 자계에 대해 미끄럼이 필요하고 동기기에 대해 일반적으로 정격효율이 낮아 초전도화의 장점을 발견하기 어려웠다. 그러나 최근 한국에서 바구니형 유도기의 2차 측 바구니형 권선을 비스무스계 고온 초전도 선재로 제작하고 동기 토크가 발생하는 것을 실험으로 나타냈다. 게다가 교토대학이 바구니형 고온 초전도 유도기의 시동과 동기 인입 메커니즘을 비선형 등가 회로 해석에 따라 이론으로 제시하고, 그 후 실험을 통해 이론 해석을 실증했다. 이 회전기를 이용하면 바구니형 유도기의 특징인 간편한 구조에 고효율 동기 회전이 가능한 데다 기존 기기보다 한자릿수를 훨씬 넘는 높은 토크 밀도화 달성이 가능이다. 교토대학은 이 회전기를 고온 초전도 유도/동기기(High Temperature Superconductor Induction/Synchronous Machine : HTS-ISM)로 명명하고 한층 더 엄격한 기초 검토를 하는 동시에 여러 응용 분야로 적용을 검토하고 있다. 예를 들어 HTS-ISM을 풍력 발전기에 적용하는 기초 검토를 추부[中部]전력㈜와 함께해 가능성을 실험적 · 해석적으로 제시했다. 또한 규슈대학, ㈜히타치제작소 히타치연구소와 함께 MgB₂초전도 선재를 적용한 액체 수소(대기압 끓는점 : 20K) 순환 · 이송 펌프용 MgB₂HTS-ISM 개발을 NEDO의 도움을 얻어하고 있다. 이 연구 개발에서는 히타치연구소가 개발한 MgB₂단심 선재를 사용해 우선 바구니형 권선만 이 선재로 제작한 시험 제작 기기로 회전 시험에 성공한 데 이어, 현재 전 초전도화에 도전 중이다. 한편, NEDO의 에너지 절약 혁신 기술 개발 사업의 일환으로 냉동기와 일체가 된 고온 초전도 유도 동기 구동 시스템을 개발하고 있다. 여기서는 아이신정밀㈜ 등 산학 그룹이 자동차를 포함한 수송기기용 HTS-ISM 연구 개발을 비롯해 냉동기 · 냉각 방식 개발도 함께 한다. 고온 초전도 유도기는 철심을 사용하기에 자기 장하를 극단적으로 크게 하는 것은 어려우나, 고온 초전도 선재에서 가장 중요한 특징인 무손실 대전류 통전 특성을 이용해 전기 장하를 극대화함으로써 높은 출력 밀도화와 토크 밀도화를 달성할 수 있다.
버크 계자형 회전기｜회전기의 구동 원리에 따른 분류와는 다소 다르지만, 버크 고온 초전도체를 적용한 회전기 개발을 소개한다. 버크 고온 초전도체는 고온 초전도체를 발견한 1986년 이후 비교적 조기에 재료화를 실현했으며, 영구 자석보다 큰 자속을 포착하는 점이나 우수한 자기 차폐 특성을 가진 점을 살려 유럽과 미국을 중심으로 회전기 개발을 검토했다. 러시아의 Moscow State Aviation Institute와 독일의 OSWALD Elektromotoren 그룹은 먼저 히스테리시스 모터를 연구 개발한 후 릴럭턴스 모터 연구 개발로 이행했다. 특히 400㎾급 릴럭턴스기(3000rpm)는 기존과 비교해 출력 밀도를 3~6배 높일 수 있는 검토 결과를 보고했다. 일본에서 도쿄해상대학, 기타노정기㈜, 후쿠이대학 등의 그룹이 버크 고온 초전도 자석을 와권형 전기자 권선으로 착자着磁하는 집중권형 동기 모터를 개발하고 선박 추진으로 전개하는 것을 목표로 연구 중이다. JR도카이에서도 소용량이긴 하나 버크 고온 초전도 자석 회전기를 연구 개발했다. 이 회전기는 고온 초전도 버크체의 높은 자속 포착 특성과 자기 차폐 특성, 자기 히스테리시스 특성 등의 장점을 잘 이용한 연구 개발이나, 현재는 조금 시들해진 상태다. 한편, 고온 초전도 버크 히스테리시스 모터나 릴럭턴스 모터는 분수 마력 모터를 중심으로 대학 연구 기관 등에서 기초 연구가 많이 이뤄져 회전 메커니즘 등을 밝히고 있다. 또한, 고온 초전도 버크 모터를 액체 연료나 액체 질소 이송용 펌프에 적용하는 기초 검토도 하고 있으며, 착자한 버크 자석을 탑재한 골프카 주행 시험도 하고 있어 향후 이 분야의 활발한 연구가 기대된다.
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이상 고온 초전도 재료를 적용한 회전기의 변천과 기술 동향을 소개했다. 최근 고온 초전도 재료 개발이 놀라울 정도로 진전하고 있으며, 여기에 발맞춰 다양한 응용 기기의 연구 개발도 활발하다. 고온 초전도 회전기도 산업 응용에서 수송 기기 응용에 이르기까지 응용 범위를 확대하고 있다. 특히 선박 추진용 모터는 산학 연계 연구 개발로 실용화도 가까워졌다. 초전도 재료의 큰 특징은 전기 저항이 제로인 대전류를 흘려 아주 높은 자계를 발생한다는 것이다. 이러한 장점을 최대한으로 살리고 냉각 비용을 상쇄할 수 있다면 상당히 큰 실용화 가능성이 있다.
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