[论文解读] Numerical evaluation of AC losses in an HTS insert coil for high field magnet during its energization

K. Kajikawa, Satoshi Awaji+1 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2014

Superconducting Materials and Applications被引用 8

一句话总结

本研究采用板状近似模型，对25-T无液氦超导磁体在励磁过程中高温超导（HTS）插入线圈的交流损耗进行了数值评估。分析考虑了局部磁场的轴向和径向分量、传输电流效应以及匝间磁相互作用，结果表明：垂直磁场损耗随时间主导，总损耗在60分钟时达到约5 W，略超过3 W的冷却能力，表明可能存在热稳定性挑战。

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.

研究动机与目标

• 评估在高场无液氦超导磁体中，HTS插入线圈励磁过程中的交流损耗。
• 评估局部施加磁场的轴向和径向分量对交流损耗生成的影响。
• 研究传输电流和匝间磁相互作用对HTS饼状线圈中交流损耗的影响。
• 通过有限元法（FEM）模拟验证板状近似方法在损耗估算中的准确性。
• 确定冷却能力限制是否可能导致60分钟励磁过程中发生热失控。

提出的方法

• 采用板状近似模型计算涂层导体的交流损耗，假设为无限厚板几何结构，厚度等于超导层厚度。
• 将局部磁场分离为轴向（平行于带材）和径向（垂直于带材）分量，并独立处理其贡献。
• 基于临界态模型假设，推导垂直场和平行场损耗的理论表达式，并使用恒定斜坡速率（60分钟内升至25.5 T）对时间积分。
• 通过在联合场和电流加载下修正的临界电流密度表达式，将传输电流的损耗贡献纳入模型。
• 采用有限元法（FEM）模拟作为基准，验证板状近似结果，尤其关注磁场穿透和端部效应的影响。
• 通过公式（3）将垂直场和平行场损耗贡献相加，得到总交流损耗。

实验结果

研究问题

• RQ1 在HTS插入线圈励磁过程中，局部磁场的轴向和径向分量如何对交流损耗产生贡献？
• RQ2 在联合场和电流加载下，HTS带材中的传输电流在多大程度上影响交流损耗的大小？
• RQ3 板状近似能否准确预测具有复杂磁场和电流分布的多饼状HTS线圈中的交流损耗？
• RQ4 在60分钟励磁斜坡过程中，总交流损耗的时间演化如何？是否超过低温冷却器的冷却能力？
• RQ5 匝间磁相互作用如何影响不同饼状线圈匝间的交流损耗分布和大小？

主要发现

• 在励磁初始5分钟内，磁场的轴向分量对交流损耗有显著贡献，先达到峰值后下降。
• 约10分钟后，垂直磁场损耗占主导地位，并随时间单调增加，成为最主要的损耗来源。
• 在60分钟励磁结束时，总交流损耗达到约5 W，超过4.2 K下低温冷却器3 W的冷却能力。
• 板状近似与FEM模拟结果具有良好一致性，仅在磁场穿透边界和线圈端部区域存在微小偏差。
• 传输电流对垂直磁场损耗有显著影响，但对平行磁场损耗影响可忽略。
• 由于磁场和电流的持续作用，临界电流密度随时间降低，导致平行磁场损耗在初始峰值后减小。