[論文レビュー] Numerical evaluation of AC losses in an HTS insert coil for high field magnet during its energization

K. Kajikawa, Satoshi Awaji+1 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2014

Superconducting Materials and Applications被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、25-Tのクライオジェンフリー超電導磁石における励磁過程中の高温超伝導（HTS）インサートコイルのAC損失を、スラブ近似モデルを用いて数値的に評価している。解析では、局所磁界の軸方向および半径方向成分、輸送電流の影響、巻線間磁界相互作用を考慮し、垂直磁界損失が時間とともに支配的になるとともに、全損失は約60分で~5 Wに達する。これは3 Wの冷却能力をわずかに上回っており、熱的安定性の課題が生じる可能性を示している。

ABSTRACT

AC losses in a high temperature superconducting (HTS) insert coil for a 25-T cryogen-free superconducting magnet are numerically calculated during its energization, assuming slab approximation. The HTS insert coil consists of 68 single pancakes wound with coated conductors and generating a central magnetic field of 11.5 T, in addition to a contribution of 14.0 T from a set of low temperature superconducting (LTS) outsert coils. Both the HTS and LTS coils are cooled using cryocoolers, and energized simultaneously up to 25.5 T with a constant ramp rate for 60 min. The influences of the magnitudes and orientations of the locally applied magnetic fields, magnetic interactions between turns, and the transport currents flowing in the windings are taken into account in the AC loss calculations. The locally applied fields are separated into axial and radial components, and the individual contributions of these field components to the AC losses are summed simply to obtain the total losses. The contribution of the axial field component to the total AC loss is large at the early stages of the energization, whereas the total losses monotonically increase with time after the contribution of the radial field component becomes sufficiently large.

研究の動機と目的

• 高磁場のクライオジェンフリー超電導磁石におけるHTSインサートコイルの励磁過程中のAC損失を評価すること。
• 局所的に印加される磁界の軸方向および半径方向成分がAC損失生成に与える影響を評価すること。
• 輸送電流および巻線間磁界相互作用がHTSパニェークコイルにおけるAC損失に与える影響を調査すること。
• 損失推定の精度を確認するため、有限要素法（FEM）シミュレーションと比較してスラブ近似法の妥当性を検証すること。
• 冷却能力の制限が60分間の励磁プロセス中に熱的崩壊を引き起こす可能性があるかどうかを特定すること。

提案手法

• コーティングされた導体を用いたスラブ近似モデルを用い、超伝導層の厚さと等しい厚さの無限大のスラブ幾何形状を仮定してAC損失を計算する。
• 局所磁界をタフに平行な軸方向成分と垂直な半径方向成分に分離し、それぞれの寄与を独立して扱う。
• 臨界状態モデルの仮定に基づき、垂直磁界および平行磁界損失の理論的式を導出し、一定のランプレート（60分で25.5 Tに到達）を用いて時間積分する。
• 組み合わせ磁界および電流負荷下での修正臨界電流密度式を用いて、輸送電流に起因する損失を含める。
• スラブ近似結果の妥当性を検証するため、特に磁界浸透および端効果の影響を考慮した有限要素法（FEM）シミュレーションをベンチマークとして用いる。
• 全AC損失は、式（3）を用いて垂直磁界損失と平行磁界損失の寄与を合算して得る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 励磁過程中のHTSインサートコイルにおいて、局所磁界の軸方向成分および半径方向成分は、AC損失にどのように寄与するか？
• RQ2 組み合わせ磁界および電流負荷下において、HTSテープ内の輸送電流がAC損失の大きさに及ぼす影響はどの程度か？
• RQ3 複雑な磁界および電流分布を有するマルチパニェークHTSコイルにおいて、スラブ近似はAC損失を正確に予測できるか？
• RQ4 60分間の励磁ランプ過程における全AC損失の時間的変化は何か？また、冷却器の冷却能力（3 W）を超えるか？
• RQ5 巻線間磁界相互作用は、異なるパニェーク巻線におけるAC損失の分布および大きさにどのように影響を与えるか？

主な発見

• 磁界の軸方向成分は、励磁開始から約5分間の間にAC損失に顕著な寄与を示し、ピークに達した後は減少する。
• 垂直磁界損失は約10分後から支配的となり、時間とともに単調に増加し、主な損失寄与要因となる。
• 60分間の励磁終了時点で全AC損失は約5 Wに達し、4.2 Kにおける冷却器の冷却能力（3 W）をわずかに上回る。
• スラブ近似はFEMシミュレーションと良好な一致を示し、磁界浸透境界付近および巻線端部でわずかな差異が観察された。
• 輸送電流は垂直磁界損失に顕著な影響を及ぼすが、平行磁界損失にはほとんど影響しない。
• 磁界および電流の露出に伴い臨界電流密度が時間とともに低下し、初期ピーク後は平行磁界損失が減少する。