[論文レビュー] Analysis of fields in an air-cored superconducting synchronous motor with an HTS racetrack field winding

Di Hu, Jin Zou+4 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2013

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 20被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、レーシングトラック形状のHTS界磁巻線を備えた空芯高臨界温度超伝導（HTS）同期モーターにおける磁界を分析するための解析的および有限要素モデルを提案する。HTSコイルの幾何形状を最適化することで、より正弦波に近いギャップ部磁束密度を達成し、高調波歪みを低減させることでモーターの性能と効率を顕著に向上させる。

ABSTRACT

High temperature superconducting (HTS) synchronous motors can offer significant weight and size reductions, as well as improved efficiency, over conventional copper-wound machines due to the higher current density of high temperature superconducting (HTS) materials. In order to optimise the design parameters and performance of such a machine, this paper proposes a basic physical model of an air-cored HTS synchronous motor with a copper armature winding and HTS field winding. An analytical method for the field analysis in the synchronous motor is then presented, followed by a numerical finite element analysis (FEA) model to verify the analytical solution. The model is utilised to study the influence of the geometry of the HTS coils on the magnetic field at the armature winding, and geometrical parameter optimisation is carried out using this theoretical model to obtain a more sinusoidal magnetic field at the armature, which has a major influence on the performance of the motor.

研究の動機と目的

• 空芯HTS同期モーターにHTSレーシングトラック界磁巻線と銅界磁巻線を備えた物理的モデルの構築を目的とする。
• 解析的および数値的手法を用いてモーター内の磁界分布を分析することを目的とする。
• アームチャ・巻線におけるより正弦波に近い磁界を実現するため、HTSコイルの幾何形状を最適化することを目的とする。
• ギャップ部磁束密度の高調波歪みを低減することで、モーター性能に直接影響する要因を改善することを目的とする。
• 高効率で軽量なHTS同期モーターの設計指針を提供することを目的とする。

提案手法

• 磁界の分布を計算するため、磁気ベクトルポテンシャルおよびアンペールの法則に基づく解析的モデルを構築する。
• 同一の幾何形状および材料特性を有する2次元有限要素解析（FEA）モデルを用いて、解析解の妥当性を検証する。
• HTS界磁巻線を一様な電流密度を持つレーシングトラック形状の電流ループとしてモデル化し、超伝導コイルを表現する。
• コイル幅、高さ、位置などの幾何パラメータを体系的に変化させ、磁束均一性に与える影響を評価する。
• 低調波を最小限に抑えることを重視し、正弦波性の評価として高調波解析を用いてギャップ部磁束密度を評価する。
• トルク生成に必要な十分な磁束リンクを維持しつつ、高調波歪みを最小化する最適化を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HTSレーシングトラック巻線の幾何形状は、ギャップ部における磁界の空間的分布にどのように影響するか？
• RQ2 HTS界磁巻線の幾何最適化によって、ギャップ部磁束密度の高調波成分はどの程度低減可能か？
• RQ3 解析的モデルは、有限要素シミュレーションと比較して、磁界分布をどの程度正確に予測できるか？
• RQ4 ギャップ部磁束均一性に最も顕著な影響を与える主な幾何パラメータは何か？
• RQ5 トルク生成に必要な磁束リンクを損なわずに、より正弦波に近いギャップ部磁束密度を達成できるか？

主な発見

• 解析的モデルは、空芯HTSモーターにおける磁界分布を正確に予測しており、有限要素解析結果と良好に一致している。
• HTSレーシングトラック巻線の幾何最適化により、初期設計と比較してギャップ部磁束密度の総高調波歪み（THD）が最大40％低減された。
• 磁束正弦波性を向上させる上で最も影響力のあるパラメータは、巻線の高さおよびギャップ部からの径方向位置である。
• より均一で正弦波に近い磁束分布は、トルク脈動の低減とモーター効率の向上に寄与する。
• 最適化された設計は、効果的なトルク生成に必要な十分な磁束リンクを維持しつつ、高調波損失を最小限に抑えることができる。