[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究提出有限元数值模型，用于估算由SuperOx和SuperPower生产的高温超导涂层导体制成的31股罗贝尔电缆的自场临界电流及传输磁化交流损耗。模型考虑了77 K下临界电流密度$J_c(B,\theta)$的取向依赖性，并成功预测了临界电流值与实验值相差仅9%，且在同时存在交流传输电流和磁场的条件下，交流损耗与量热测量结果相差40%以内，证实了该方法在实际超导绕组应用中的准确性。

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.

研究动机与目标

• 估算由不同制造商生产的高温超导带材制成的31股罗贝尔电缆的有效自场临界电流($I_c$)。
• 在同时存在交流传输电流和垂直背景磁场的条件下，对罗贝尔电缆的交流损耗进行建模与预测，以模拟真实绕组工作条件。
• 通过氮气蒸发速率的量热测量，验证数值模拟结果。
• 研究$J_c(B,\theta)$取向依赖性对电缆性能的影响，特别是对具有不同钉扎特性的材料的影响。
• 评估有限元建模在捕捉紧密排列罗贝尔电缆中复杂电磁相互作用方面的准确性。

提出的方法

• 采用有限元静磁模型，从SuperOx和SuperPower带材测得的取向依赖$I_c$特性中提取$J_c(B,\theta)$。
• 将$J_c(B,\theta)$模型引入时变有限元仿真，计算交流周期内电缆横截面上的电流密度与磁场分布。
• 仿真考虑了自场效应以及传输电流与外加垂直磁场之间的相互作用，且磁场幅值与电流成正比（如在绕组中所示）。
• 采用全局（最大值）和局部（平均值）两种标准估算电缆临界电流，并与实验测得的$I_c$进行比较。
• 通过在一个交流周期内积分功率耗散来计算交流损耗，并与通过氮气蒸发速率获得的量热测量结果进行对比。
• 模型考虑了材料特异的$J_c$各向异性，包括SuperPower带材中人工钉扎中心引起的峰值位置与取向展宽。

实验结果

研究问题

• RQ1 在考虑股间电磁耦合与$J_c(B,\theta)$各向异性的情况下，有限元模型对罗贝尔电缆自场临界电流的预测精度如何？
• RQ2 同时存在交流传输电流与垂直磁场时，对罗贝尔电缆中电流与磁场分布有何影响？
• RQ3 在同时施加电流与磁场激励的条件下，罗贝尔电缆的交流损耗相较于单一激励情况有何变化？
• RQ4 数值模拟的交流损耗与真实电缆中量热测量结果的吻合程度如何？
• RQ5 SuperOx与SuperPower带材之间$J_c(B,\theta)$的差异在多大程度上影响电缆在$I_c$与损耗方面的性能？

主要发现

• 数值模型预测的罗贝尔电缆自场临界电流与实验值相差仅9%，尽管存在复杂的股间耦合，仍表现出高度准确性。
• 模型成功再现了传输电流与垂直磁场共同作用引起的非对称电流与磁场分布，一侧磁感应强度峰值达120 mT，另一侧为70 mT。
• 当背景磁场与传输电流成比例施加时，交流损耗较仅施加传输电流的情况增加了一个多数量级。
• 量热测量结果证实，模拟的交流损耗与实验数据在40%以内吻合，验证了该数值方法在工程设计中的适用性。
• $J_c(B,\theta)$的取向依赖性——特别是SuperOx中存在两个明显峰值，而SuperPower中呈较平坦的分布——显著影响了$I_c$与损耗行为。
• 尽管尚未完全解释模拟与测量损耗斜率之间的差异，但归因于量热技术的实验误差及材料性能波动。