[논문 리뷰] Iterative multi-scale method for estimating hysteresis losses in coils made of HTS conductors

Edgar Berrospe-Juarez, Víctor M. R. Zermeño외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 20.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 34인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 고온 초전도체(HTS) 코ils의 히스테리시스 손실 추정을 햖는데, 비모의된 테이프의 전류 밀도 분포를 역누적 밀도 함수 보간을 통해 정교화함으로써 반복적인 다중 스케일 방법을 제안한다. 이 방법은 더 현실적인 전류 분포를 사용하여 배경 자석장을 반복적으로 업데이트함으로써 계산 효율성을 유지하면서도 대규모 HTS 시스템에 대해 정확도를 향상시킨다.

ABSTRACT

In the recent years, commercial HTS superconductors have gained an increasing interest for their use in applications involving large-scale superconductor systems, these systems are made from hundreds to thousands of turns of HTS conductors. These applications can range from power engineering components like power transformers, motors and generators, to commercial and scientific magnets. Due to the large number of turns, the simulations involving the whole system can become prohibitive and an efficient strategy which does not compromise the accuracy of calculations is needed. A recently proposed method, based on a multi-scale approach, reduces the computational problem by simulating in detail only several significant tapes from the superconductor system under study. The main limitation of this approach is encountered in the accurate estimation of the background magnetic field. In the present work, we describe an iterative method that improves the multi-scale method to overcome this limitation. Beginning with a uniform current density distribution in every tape, the method iterates to find a more realistic distribution until a convergence criterion is fulfilled. The current density distribution in the remaining tapes that are not fully simulated is approximated via an inverse cumulative density function interpolation technique. The more realistic current density distribution allows for a better estimation of the background magnetic field, which in turn allows for a better estimation of the hysteresis losses. This new method is flexible enough to simulate different sections of the system with the right level of detail while providing a larger computational speed than other approaches. In order to validate the proposed method, one system is analyzed via a reference model.

연구 동기 및 목표

• 기존의 다중 스케일 방법이 단순화된 전류 밀도 가정으로 인해 배경 자석장 추정에 한계를 가진다는 문제를 해결한다.
• 금지적인 계산 비용 없이 대규모 HTS 코ils 시스템에서의 히스테리시스 손실 계산 정확도를 향상시킨다.
• HTS 시스템의 다양한 부분에서 세부 수준을 다양하게 조절할 수 있는 융통성 있는 시뮬레이션 전략을 개발한다.
• 모든 테이프, 특히 완전히 모의되지 않은 테이프들에서도 현실적인 전류 밀도 분포로 수렴하도록 보장한다.
• 기준 모델과의 검증을 통해 방법의 정확도와 계산 효율성을 확인한다.

제안 방법

• 시스템 내 모든 HTS 테이프에 대해 초기에 균일한 전류 밀도 분포를 설정한다.
• 전체 스케일 전자기 모델링을 사용하여 선택된 일부 테이프만 세밀하게 시뮬레이션한다.
• 모의되지 않은 테이프의 전류 밀도를, 모의된 테이프 기반의 역누적 밀도 함수 보간 기법을 사용해 근사한다.
• 모든 테이프의 정밀화된 전류 밀도 분포를 사용하여 반복적으로 배경 자석장을 업데이트한다.
• 수렴 기준을 적용하여 전류 밀도 분포가 안정화되고 더 이상 반복이 필요하지 않은지 판단한다.
• 업데이트된 배경 자석장을 손실 계산에 통합하여 히스테리시스 손실 추정 정확도를 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HTS 코ils의 다중 스케일 시뮬레이션에서 배경 자석장 추정 정확도는 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 모의되지 않은 테이프들에 걸쳐 전류 밀도 분포를 정교화함으로써 히스테리시스 손실 예측의 정밀도는 어느 정도 향상되는가?
• RQ3 반복적 접근 방식은 대규모 HTS 시스템 시뮬레이션에서 계산 효율성과 높은 정확도를 어떻게 균형 잡을 수 있는가?
• RQ4 역누적 밀도 함수 보간 기법은 더 단순한 근사 방법에 비해 필드 및 손실 정확도 유지에 어떻게 비교되는가?
• RQ5 반복 과정에서 달성되는 수렴 수준은 무엇이며, 이는 최종 손실 추정에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 반복적 방법은 모의되지 않은 테이프의 전류 밀도 분포를 정교화함으로써 배경 자석장 추정 정확도를 크게 향상시킨다.
• 역누적 밀도 함수 보간의 사용은 모의되지 않은 테이프의 전류 밀도를 현실적으로 근사함으로써 오류 전파를 줄인다.
• 이 방법은 제한된 반복 횟수 내에 수렴하여 정확도를 희생시키지 않은 채 계산 효율성을 확보한다.
• 특히 권선 간 상호작용이 강한 시스템에서 비반복적 다중 스케일 접근법에 비해 히스테리시스 손실 예측이 더 정확하다.
• 기준 모델과의 검증을 통해 제안된 방법이 전체 스케일 시뮬레이션에 비해 계산 부하를 줄이며 높은 정밀도를 유지한다는 것이 확인되었다.