Electromagnetic field analyses of CORC-type HTS cables considering current distribution among layers

• Project/Area Number: 22K14238
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 21010:Power engineering-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 曽我部 友輔 京都大学, 工学研究科, 助教 (40847216)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2025: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 高温超伝導 / 集合導体 / CORC / 電磁界解析 / 等価回路モデル / CORC導体 / 交流損失 / 線材磁化

Outline of Research at the Start

本研究では、高磁界を発生させる加速器用高磁界電磁石や交流通電・外部磁界が印加される環境で使用される回転機の電機子巻線などへの応用が期待される高温超伝導集合導体の一つである「CORC型高温超伝導導体」と呼ばれる導体を対象とした層間分流を考慮した電磁界解析手法の創出を目的とする。
CORC型高温超伝導導体の構造上必ず発生する分流現象を考慮した電磁界解析はいまだ実現されておらず、分流現象を考慮したCORC型高温超伝導導体の電磁界解析手法の構築は独自であり、これによって加速器用電磁石や電気機器応用実現に向けての課題である、遮蔽電流磁界・交流損失を抑制する手法の確立につながる創造性の高い研究である。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、高磁界を発生させる加速器用高磁界電磁石や交流通電・外部磁界が印加される環境で使用される回転機の電機子巻線などへの応用が期待される高温超伝導集合導体の一つである「CORC型高温超伝導導体」と呼ばれる導体を対象とした層間分流を考慮した電磁界解析手法の創出を目的とする。
CORC型高温超伝導導体の構造上必ず発生する分流現象を考慮した電磁界解析はいまだ実現されておらず、分流現象を考慮したCORC型高温超伝導導体の電磁界解析手法の構築は独自であり、これによって加速器用電磁石や電気機器応用実現に向けての課題である、遮蔽電流磁界・交流損失を抑制する手法の確立につながる創造性の高い研究である。
今年度は、層数、芯材の径や高温超伝導線の本数といったCORC型高温超伝導導体の形状、高温超伝導線の幅や銅層厚さ等を変更して種々の導体設計を行った。
また、昨年度までに構築された、等価回路モデルによって分流現象を考慮できる数値電磁界解析を、設計した導体を対象として実施し、それぞれにおける交流損失についての検討を行った。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

数値電磁界解析によって交流損失や線材磁化を評価する対象とするCORC型高温超伝導導体については、所望の導体諸元を設定すれば容易に解析モデルを構築することが可能となり、任意の形状のCORC型高温超伝導導体を解析することが可能となった。これは導体設計や数値電磁界解析を行う上で大きな進展である。
また、様々な諸元の導体の交流損失特性の評価を複数種類の導体を対象として実施した。最終的に実施予定である線材磁化及び交流損失特性についての評価に向けて、60%程度の進捗状況であり、おおむね順調に進展していると自己評価する。

Strategy for Future Research Activity

CORC型高温超伝導導体を種々の応用機器から想定される要求仕様に基づいて設計し、その導体における分流現象を考慮に入れた電磁界解析を行う。CORC型高温超伝導導体における線材磁化及び交流損失の振舞いを明らかにする。

Research Products

• [Journal Article] Influence of Non-Uniform Current Distribution Among Layers on AC Loss Characteristics of Multilayer Spiral Copper-Plated Striated Coated-Conductor Cables (2023)
  • Author(s): Sogabe Yusuke、Ezaki Yuya、Amemiya Naoyuki
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 33 Issue: 5 Pages: 1-5
  • DOI: 10.1109/tasc.2023.3251287
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Electromagnetic and thermal-runaway characteristics of spiral-coated-conductor cables evaluated by using numerical simulations (2024)
  • Author(s): Yusuke Sogabe
  • Organizer: The 5th Joint Workshop between Victoria University of Wellington and Kyoto University
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cable geometry dependence of ac losses in multilayer Spiral Copper-plated Striated Coated-conductor cables carrying ac currents under ac magnetic fields (2023)
  • Author(s): Y. Sogabe, Y. Ezaki, N. Amemiya
  • Organizer: International Conference on Magnet Technology (MT-28)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SCSCケーブルの研究開発の進捗（2023年秋）（７）：機器環境下での交流損失のケーブル形状依存性 (2023)
  • Author(s): 江崎 友哉, 曽我部 友輔, 雨宮 尚之
  • Organizer: 第106回2023年度秋季低温工学・超電導学会
• [Presentation] Influence of non-uniform current distribution among layers on ac loss characteristics of multilayer spiral copper-plated striated coated-conductor cables (2022)
  • Author(s): Sogabe Yusuke, Ezaki Yuya, Harimaya Minoru, Amemiya Naoyuki
  • Organizer: The Applied Superconductivity Conference 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SCSCケーブルの研究開発の進捗（2022年秋）（5）：層間偏流を考慮したSCSCケーブルの全損失解析 (2022)
  • Author(s): 江崎 友哉、曽我部 友輔、雨宮 尚之
  • Organizer: 第104回 低温工学・超電導学会研究発表会