[논문 리뷰] Numerical evaluation of AC losses in an HTS insert coil for high field magnet during its energization

K. Kajikawa, Satoshi Awaji외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 30.

Superconducting Materials and Applications인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 25-T 냉각제가 없는 초전도 자석에서 에너지 공급 과정 중 고온 초전도체(HTS) 삽입 windings의 교류 손실을 판별적으로 평가한다. 판형 근사 모델을 사용하여, 축방향 및 반경방향 성분의 국소 자기장, 전류 운반 효과, 및 인터턴 자기 상호작용을 고려한 분석을 수행하였으며, 수평 자기장 손실이 시간이 지남에 따라 지배적이며 총 손실이 약 5 W에 도달함을 확인하였다. 이는 3 W의 냉각 능력을 약간 초월하여 열적 안정성 문제 발생 가능성을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고강도 냉각제가 없는 초전도 자석에서 에너지 공급 과정 중 HTS 삽입 코ils의 교류 손실을 평가하기 위해.
• 국소적으로 적용된 자기장의 축방향 및 반경방향 성분이 교류 손실 생성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• HTS 팬케이크 코ils에서 전류 운반 및 인터턴 자기 상호작용이 교류 손실에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 손실 추정 정확도를 확보하기 위해 유한요소법(FEM) 시뮬레이션과 비교하여 판형 근사 방법의 타당성을 검증하기 위해.
• 냉각기의 냉각 능력 제한으로 인해 60분 동안의 에너지 공급 과정 중 열적 붕괴가 발생할 수 있는지 여부를 판단하기 위해.

제안 방법

• 코팅된 도체를 위한 판형 근사 모델을 사용하여 교류 손실를 계산하였으며, 초전도층 두께와 동일한 두께의 무한판 기하구조를 가정하였다.
• 국소 자기장을 축방향(테이프에 평행) 및 반경방향(테이프에 수직) 성분으로 분리하여 각각의 기여를 독립적으로 다루었다.
• 임계상태 모델 가정에 기반한 수학적 표현을 도출하고, 일정한 램프 속도(60분 내 25.5 T)를 사용하여 시간에 따라 통합하였다.
• 복합 자기장 및 전류 하중 조건 하에서 수정된 임계전류 밀도 표현식을 사용하여 전류 운반에 의한 손실 기여를 포함하였다.
• 유한요소법(FEM) 시뮬레이션을 기준으로 삼아 판형 근사 결과의 타당성을 검증하였으며, 특히 자기장 침투 및 끝부분 효과에 대해 분석하였다.
• 총 교류 손실는 식 (3)을 사용하여 수평 및 축방향 손실 기여도를 합산하여 도출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HTS 삽입 코ils의 에너지 공급 과정에서 국소 자기장의 축방향 및 반경방향 성분은 교류 손실에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 복합 자기장 및 전류 하중 조건 하에서 HTS 테이프의 전류 운반은 교류 손실의 크기에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ3 복잡한 자기장 및 전류 분포를 가진 다중 팬케이크 HTS 코일에서 판형 근사가 교류 손실을 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ4 60분 동안의 에너지 공급 램프 과정에서 총 교류 손실의 시간적 변화는 어떠한가? 냉각기의 냉각 능력을 초월하는가?
• RQ5 인터턴 자기 상호작용은 서로 다른 팬케이크 터널에서 교류 손실의 분포 및 크기에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 자기장의 축방향 성분은 에너지 공급 초기 5분 동안 교류 손실에 크게 기여하며, 정점에 도달한 후 감소한다.
• 수평 자기장 손실은 약 10분 후부터 지배적이며 시간이 지남에 따라 단조롭게 증가하여 주요 손실 기여자로 작용한다.
• 60분 동안의 에너지 공급이 끝날 무렵 총 교류 손실은 약 5 W에 도달하였으며, 이는 4.2 K에서 3 W의 냉각 능력을 약간 초월한다.
• 판형 근사 모델은 FEM 시뮬레이션과 양호한 일치를 보였으며, 자기장 침투 경계 근처 및 터널 끝부분에서 약간의 격리가 관찰되었다.
• 전류 운반은 수평 자기장 손실에 큰 영향을 미치지만 축방향 자기장 손실에는 거의 영향을 주지 않는다.
• 자기장 및 전류 노출로 인해 임계전류 밀도가 시간이 지남에 따라 감소하여, 초기 정점 이후 축방향 자기장 손실이 감소한다.