This paper presents the analysis results on the electrical output performance characteristics of a 746 W high temperature superconducting generator (HTSG). The HTS field winding is charged by non-contact excitation method, i.e., contactless superconducting field exciter (CSFE) which is originated by rotary flux pump based on permanent magnet. In this paper, the preliminary current charging test was carried out using a 70 A CSFE to evaluate the performance of field exciter and analyze its non-contact excitation characteristics for the full-scale HTS field winding of the 746 W HTSG. First, the various contactless current-charging tests were conducted using assembly with HTS field winding and CSFE. Then, in order to estimate the output power performance characteristics of the 746 W HTSG, finite element analysis was conducted based on field excitation information which is experimentally measured under various operating conditions. Finally, the electrical output characteristics in no-load and load models were simulated by two-dimensional transient solver in ANSYS electromagnetics 19.0 release.
Superconducting windings of synchronous machine have to be operated in below the critical temperature, critical current density and critical magnetic field. If one of these characteristics does not satisfied, then the quench occurred in superconducting winding. Especially the armature current dramatically increased as the superconducting generator is short-circuited at the rated load condition and magnetic field in field winding increased due to the armature current. Therefore, damper is required to reduce the magnetic field of field winding which increases reliability of the superconducting generator. Damper dimension can be decided by time constant[1-2]. In this paper the basic model is high-power and low-speed superconducting generator. Damper time constant was calculated from the changed damper thickness and material. Magnetic flux of field coil at the basic model and changed damper time constant model is analyzed.
Jang, Won Seok;Kim, Geonyoung;Choi, Kibum;Park, Jeonghwan;Bang, Jeseok;Hahn, Seungyong
한국초전도ㆍ저온공학회논문지
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제23권4호
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pp.30-34
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2021
Superconducting magnets have paved the way for opening new horizons in designing an electromagnet of a high field magnetic resonance imaging (MRI) device. In the first phase of the superconducting MRI magnet era, low-temperature superconductor (LTS) has played a key role in constructing the main magnet of an MRI device. The highest magnetic resonance (MR) field of 11.7 T was indeed reached using LTS, which is generated by the well-known Iseult project. However, as the limit of current carrying capacity and mechanical robustness under a high field environment is revealed, it is widely believed that commercial LTS wires would be challenging to manufacture a high field (>10 T) MRI magnet. As a result, high-temperature superconductor together with the conducting cooling approach has been spotlighted as a promising alternative to the conventional LTS. In 2020, the Korean government launched a national project to develop an HTS magnet for a high field MRI magnet as an extent of this interest. We have performed a design study of a 7 T 320 mm winding bore HTS MRI magnet, which may be the ultimate goal of this project. Thus, in this paper, design study results are provided. Electromagnetic design and analysis were performed considering the requirements of central magnetic field and spatial field uniformity.
The superconducting Homopolar motor is manufactured and tested. Homopolar motor system is simple and solid as the field coil of the motor is fixed near the stator coil without rotating system. In this paper, a 5 kW fully superconducting homopolar motor which has high temperature superconducting armature and field coils is manufactured and tested in liquid nitrogen. The critical current test results of the used 2G superconducting wire, pancake coil for rotor winding and race-track coils for armature winding are reported. Also, the test result of rotating and operating performance is presented. The operating frequency is to be 5 Hz for low-speed rotating. The developed fully superconducting Homopolar motor is the world's first.
To obtain Nuclear Magnetic Resonance (NMR) measurement of membrane protein, an NMR magnet is required to generate high intensity, homogeneity, and stability of field. A High-Temperature Superconducting (HTS) magnet is a promising alternative to a conventional Low-Temperature Superconducting (LTS) NMR magnet for high field, current density, and stability margin. Conventionally, an HTS coil has been wound by several winding techniques such as Single-Pancake (SP), Double-Pancake (DP), and layer-wound. The DP winding technique has been frequently used for a large magnet because long HTS wire is generally difficult to manufacture, and maintenance of magnet is convenient. However, magnetic field generated by the slanted turns and the splice leads to field inhomogeneity in Diameter of Spherical Volume (DSV). The field inhomogeneity degrades performance of NMR spectrometer and thus effect of the slanted turns and the splice should be analyzed. In this paper, field gradient of HTS double-pancake coils considering the slanted turns and the splice was calculated using Biot-Savart law and numerical integration. The calculation results showed that magnetic field produced by the slanted turns and the splice caused significant inhomogeneity of field.
Superconducting transmission power cable is one of interesting parts in power application using high temperature superconducting wire. One of important parameters in high-temperature superconducting (HTSC) cable design is transport current distribution because it is related with current transmission capacity and ac loss. In this paper, the transport current and magnetic field distributions at conducting layers were investigated through the analysis of the equivalent circuit for HTSC power cable with shield layer. The transport current distribution due to the pitch length and winding direction was improved in case of HTSC power cable with shield layer.
To develop a 100 hp high temperature superconducting(HTS) motor with high efficiency first in Korea, we fabricated a HTS field winding and test. HTS field winding is composed of sixteen HTS race track shaped coils wound with stainless steel-reinforced Bi-2223 tape conductor by react and wind fabrication method. Nomex paper was used for electrical insulation. Each of four magnet pole assemblies was constructed with four double pancake sub-coils, mechanically stacked and electrically in series. Four magnet assemblies were fixed on an aluminum support structure to make effective heat transfer. The Critical current (Ic) was 41.5A at 77K and self field. However the lowest Ic value of sub-coils was 35A. Joule heat generated by each joints between sub-coils was lower than 1mW at 77K and 34A. And Joule heat generated by the joints between field coils was lower than 10mW at 77K and 34A. Joule heat of the whole field winding was 1W at 77K and 32A. And so, the lowest Ic value of sub-coils was more important than Joule heats generated by all joints. The operating current must be lower than the lowest Ic of all the sub-coils. In this paper, design, construction and testing of HTS field winding, Joule heat generated by the joints, and operating current were discussed.
NMR researches are required high field and high homogeneous super-conducting magnet. Thus superconducting magnets for NMR applications are designed with minimization of coil winding volume satisfied constraints such as field strength, field homogeneity, etc. In this paper, we are discussed optimal design of high field super-conducting magnet for NMR applications. For a design example, we designed unshielded superconducting magnet for 600MHz NMR spectrometer with 100mm room temperature bore size and obtained 14.1011[T] field strength and 1.33 ppm field homogeneity.
A 100 〔HP〕 rated synchronous motor with superconducting rotating field winding has been designed based on the formulated equations established from 2 dimensional magnetic field distributions in a cylindrical coordinate The cross-section was drawn based on calculated design results via Fortran program and then modeled with FEM (Finite Element Method) to investigate the machine performances. First of all, the magnetic field distributions are analysed in many ways according to the field directions and the armature currents. Especially after the rotating Held winding is arranged with BSCCO-2223 high-temperature superconducting(HTS) pancake coils, the exerted magnetic field normally on the HTS tape is calculated through FEM. And the machine output power is calculated according to the torque ang1es which lie between the field and the armature main flux lines. Moreover, this Paper includes the eddy-current loss variations of a copper damper located between the field and the armature coils and design considerations of the 100 HP HTS motor utilizing ferro-magnetic material.
KIEE International Transaction on Electrical Machinery and Energy Conversion Systems
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제4B권2호
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pp.54-58
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2004
This paper presents the iron core design method of a high temperature superconducting (HTS) transformer considering voltages per turn (V/T). In this research, solenoid type HTS coils were selected for low voltage (LV) winding and double pancake coils for high voltage (HV) winding, just as in conventional large power transformers. V/T is one of the most fundamental elements used in designing transformers, as it decides the core cross sectional area and the number of primary and secondary winding turns. By controlling the V/T, the core dimension and core loss can be changed diversely. The leakage flux is another serious consideration in core design. The magnetic field perpendicular to the HTS wire causes its critical current to fall rapidly as the magnitude of the field increases slowly. Therefore in the design of iron core as well as superconducting windings, contemplation of leakage flux should be preceded. In this paper, the relationship between the V/T and core loss was observed and also, through computational calculations, the leakage magnetic fields perpendicular to the windings were found and their critical current decrement effects were considered in relation to the core design. The % impedance was calculated by way of the numerical method. Finally, various models were suggested.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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