[论文解读] 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 1

一句话总结

本文提出一种迭代多尺度方法，通过利用逆累积分布函数插值技术对未仿真的超导带材中的电流密度分布进行精细化处理，从而改进高温超导（HTS）线圈中的磁滞损耗估算。该方法通过更真实的电流分布迭代更新背景磁场，提升了计算精度，同时保持了大规模HTS系统仿真的计算效率。

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.

研究动机与目标

• 解决现有多尺度方法因电流密度假设过于简化而导致背景磁场估算不准确的局限性。
• 在不产生禁止性计算成本的前提下，提升大型HTS线圈系统中磁滞损耗计算的准确性。
• 开发一种灵活的仿真策略，允许在HTS系统的不同部分采用不同程度的细节。
• 确保所有带材（包括未完全仿真的带材）的电流密度分布收敛至真实分布。
• 通过与参考模型对比验证该方法，确认其精度和计算效率。

提出的方法

• 从系统中所有HTS带材的初始均匀电流密度分布开始。
• 对选定的带材子集进行详细仿真，采用全尺度电磁建模。
• 基于已仿真的带材，利用逆累积分布函数插值技术近似未仿真带材中的电流密度。
• 通过所有带材的精细化电流密度分布，迭代更新背景磁场。
• 应用收敛准则，判断电流密度分布是否稳定，确定是否需要继续迭代。
• 将更新后的背景磁场整合到损耗计算中，以提高磁滞损耗估算的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在HTS线圈的多尺度仿真中，如何提升背景磁场估算的准确性？
• RQ2 对未仿真带材中的电流密度分布进行精细化处理，能在多大程度上提升磁滞损耗预测的保真度？
• RQ3 迭代方法能否在大规模HTS系统仿真中实现计算效率与高精度之间的平衡？
• RQ4 与更简单的近似方法相比，逆累积分布函数插值技术在保持磁场和损耗精度方面表现如何？
• RQ5 迭代过程中达到了何种收敛水平，其对最终损耗估算有何影响？

主要发现

• 该迭代方法通过精细化处理未仿真带材中的电流密度分布，显著提升了背景磁场估算的准确性。
• 采用逆累积分布函数插值技术可对未仿真带材中的电流密度进行真实可靠的近似，有效减少误差传播。
• 该方法在有限次迭代内即实现收敛，确保了计算效率，同时不损失精度。
• 与非迭代多尺度方法相比，磁滞损耗预测更加准确，尤其在匝间存在强互感耦合的系统中表现更优。
• 与参考模型对比验证表明，所提方法在保持高保真度的同时，相比全尺度仿真显著降低了计算负载。