[論文レビュー] Estimation of Self-Field Critical Current and Transport-Magnetization AC Losses of Roebel Cables

Francesco Grilli, M. Vojenčiak+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2015

Magnetic Properties and Applications参考文献 20被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、SuperOxおよびSuperPower社のHTS被膜導体を用いた31ストランドのローベルケーブルの自己磁場臨界電流および輸送磁化交流損失を推定するための有限要素数値モデルを提示する。モデルは77 Kにおける臨界電流密度 $J_c(B,\theta)$ の角度依存性を組み込み、実験値と比較して $I_c$ は9%以内、同時に交流輸送電流と磁場が印加される状況下での交流損失はカルォリメトリック測定値と40%以内に収まり、実用的な超電導巻線応用における手法の正確性を確認した。

ABSTRACT

Roebel cables made of HTS coated conductors are regarded as promising cables for winding applications in virtue of their large engineering current density and low losses. The composing meander-shaped strands are assembled very tightly into the cable, which results in a strong electromagnetic interaction between them. This interaction profoundly influences the effective self-field critical current ($I_c$) of the cable, which is much lower than the sum of the $I_c$s of the composing strands. Also the AC losses are influenced by the material's properties and by the geometrical configuration of the cable. Being able to predict the effective critical current and AC losses of such cables is very important for a proper design of applications: due to the complexity of the cable's geometry and of the material's properties, this prediction can only be performed with advanced numerical tools. In this contribution we use finite-element-based models to compute the effective $I_c$ and the AC losses of Roebel cables composed of 31 strands using tapes from two manufacturers. The AC losses are analyzed in the simultaneous presence of transport current and background perpendicular field proportional to the current, which mirrors the situation occurring in a winding. Our models include the angular dependence of $J_c(B,θ)$ at~77 K, which is very different for the two materials. By means of a successful comparison of the simulation results to experimental data obtained with a calorimetric method measuring the evaporation of liquid nitrogen, this work confirms the applicability and efficiency of our numerical techniques for simulating the electromagnetic behavior of Roebel cables and devices thereof.

研究の動機と目的

• 異なるメーカーのHTSテープを用いた31ストランドのローベルケーブルの有効な自己磁場臨界電流 ($I_c$) を推定すること。
• 実際の巻線条件を模倣する、同時に交流輸送電流と垂直方向の背景磁場が印加される状況下でのローベルケーブルの交流損失をモデル化・予測すること。
• 交流損失に起因する窒素蒸発率を用いたカルォリメトリック測定値と、数値シミュレーションを検証すること。
• $J_c(B,\theta)$ の角度依存性が、特にピンナップ特性が顕著な材料においてケーブル性能に与える影響を調査すること。
• 有限要素モデルが、密に束ねられたローベルケーブル内の複雑な電磁気的相互作用をどれほど正確に捉えられるかを評価すること。

提案手法

• 有限要素磁気的静的モデリングを用いて、SuperOxおよびSuperPowerテープの測定された角度依存的 $I_c$ 特性から $J_c(B,\theta)$ を抽出した。
• 時間依存有限要素シミュレーションに $J_c(B,\theta)$ モデルを組み込み、交流サイクル中のケーブル断面における電流密度および磁束密度分布を計算した。
• 自己磁場効果および輸送電流と垂直方向磁場との相互作用を含めたシミュレーションを実施し、巻線状態に相当するように磁場振幅を電流に比例させるように設定した。
• ケーブルの臨界電流は、グローバル（MAX）およびローカル（平均）の両基準を用いて推定し、実験的 $I_c$ 測定値と比較した。
• 交流損失は1交流サイクルにわたるエネルギー散逸の積分により算出し、窒素蒸発率を用いたカルォリメトリック測定値と比較した。
• 材料固有の $J_c$ の異方性、特にSuperPowerテープに存在する人工ピンナップセンターに起因するピーク位置および角度幅の広がりをモデルに組み込んだ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相互ストランド間の電磁的結合および $J_c(B,\theta)$ の異方性を考慮した場合、有限要素モデルがローベルケーブルの自己磁場臨界電流をどれほど正確に予測できるか？
• RQ2 同時に交流輸送電流と垂直磁場が印加された場合、ローベルケーブル内の電流および磁束密度分布にどのような影響が生じるか？
• RQ3 単一励起状態と比較して、電流と磁場が同時に印加された状況下でのローベルケーブルの交流損失はどのように変化するか？
• RQ4 数値シミュレーションによる交流損失が、実ケーブルのカルォリメトリック測定値とどの程度一致するか？
• RQ5 SuperOxおよびSuperPowerテープ間の $J_c(B,\theta)$ の差異が、$I_c$ および損失の観点からケーブル性能にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 数値モデルは、複雑なストランド間結合を考慮しても、実験的値と9%以内の誤差でローベルケーブルの自己磁場臨界電流を予測した。
• 輸送電流と垂直磁場の併用によって生じる非対称な電流および磁束密度分布を、モデルが正確に再現した。一方の側で最大磁束密度が120 mTに達し、他方で70 mTに達した。
• 輸送電流に比例して背景磁場を印加した場合、単独の輸送電流による損失と比較して、交流損失は10倍以上に増加した。
• カルォリメトリック測定により、シミュレートされた交流損失が実験データと40%以内に一致することが確認され、設計用途における数値アプローチの妥当性が裏付けられた。
• $J_c(B,\theta)$ の角度依存性、特にSuperOxでは二つの明確なピークが、SuperPowerでは平坦なプロファイルが観察されることが、$I_c$ および損失挙動に顕著な影響を与えた。
• シミュレーションと測定の損失勾配の差異は完全には説明できないが、カルォリメトリック測定技術の実験的不確実性および材料のばらつきに起因するとされた。