[論文レビュー] Iterative multi-scale method for estimating hysteresis losses in coils made of HTS conductors

Edgar Berrospe-Juarez, Víctor M. R. Zermeño+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2017

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 34被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、非シミュレート済みのテープにおける電流密度分布の精錬を目的とした反復的マルチスケール手法を提案する。この手法は、逆累積分布関数補間を用いて、より現実的な電流分布を用いて背景磁場を反復的に更新することで、大規模なHTSシステムにおいても計算効率を維持したままヒステリシス損失推定の精度を向上させる。

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.

研究の動機と目的

• 既存のマルチスケール手法が、電流密度の単純化仮定による背景磁場推定の不正確さという限界を解消すること。
• 計算コストが著しく増大するリスクを伴わず、大規模HTSコイル系におけるヒステリシス損失計算の精度を向上させること。
• HTSシステムの異なる領域に応じて詳細度を変更可能な柔軟なシミュレーション戦略の開発。
• 非シミュレート済みのテープを含め、すべてのテープで現実的な電流密度分布への収束を保証すること。
• 参照モデルとの比較による妥当性と計算効率の検証。

提案手法

• HTSテープ全体に均一な電流密度分布を初期値として設定する。
• 全スケールの電磁気的モデリングを用いて、選択されたテープサブセットを詳細にシミュレートする。
• 非シミュレート済みのテープにおける電流密度を、シミュレート済みテープに基づく逆累積分布関数補間法で近似する。
• すべてのテープからの精錬済み電流密度分布を用いて、背景磁場を反復的に更新する。
• 収束基準を適用し、電流密度分布が安定し、さらなる反復が不要であることを判定する。
• 更新された背景磁場を損失計算に統合し、ヒステリシス損失推定の精度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチスケールシミュレーションにおけるHTSコイルの背景磁場推定精度を、どのように向上させることができるか。
• RQ2 非シミュレート済みテープにおける電流密度分布の精錬が、ヒステリシス損失予測の忠実性にどの程度寄与するか。
• RQ3 反復的手法は、大規模HTSシステムシミュレーションにおいて、計算効率と高い精度の両立を達成できるか。
• RQ4 逆累積分布関数補間法は、単純な近似手法に比べて、磁場および損失の精度をどの程度保持できるか。
• RQ5 反復プロセスにおける収束度合いはどの程度であり、最終的な損失推定にどのような影響を及えるか。

主な発見

• 反復的手法により、非シミュレート済みテープにおける電流密度分布の精錬によって、背景磁場推定の精度が顕著に向上した。
• 逆累積分布関数補間法の使用により、非シミュレート済みテープにおける電流密度の現実的な近似が可能となり、誤差の拡大を低減した。
• 限られた反復回数で収束が達成されたため、精度を損なわず計算効率が保証された。
• 特にターン間の強い相互結合を示すシステムでは、非反復的マルチスケール手法に比べ、ヒステリシス損失予測がより正確であった。
• 参照モデルとの比較により、本手法が高忠実度を維持しながら、フルスケールシミュレーションに比べて計算負荷を削減していることが確認された。