Magnetic and transport characteristics of elements of HTS generator based on open-loop superconducting coils

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Aim. Comparison of magnetic and transport characteristics of racetrack model coils and open-loop HTS coils.

Methods. Numerical analysis was performed using the finite element method in the Comsol Multiphysics simulation environment.

Results. For these configurations, typical in electromagnetic systems of a HTS generator, the distribution of currents, magnetic fields, and temperatures under the influence of direct transport current were calculated, and losses in alternating current at different amplitudes and frequencies of the current load under liquid nitrogen cooling were calculated.

Conclusion. Under liquid nitrogen cooling, racetrack model coils have better magnetic and transport characteristics compared to open-loop HTS coils, due to their configuration which has a dominant impact. The most advantageous configuration of the coil of the elements of the HTS generator with nitrogen cooling is a racetrack model coil.

About the authors

Irina V. Martirosian

National research nuclear university MEPHI

Author for correspondence.
Email: mephizic@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-2301-1768
SPIN-code: 3368-8809

Candidate of Sciences in Physics and Mathematics, research engineer

Russian Federation, Moscow

Dmitrii A. Aleksandrov

National research nuclear university MEPHI

Email: cfrfcfrfdima123@gmail.com
ORCID iD: 0009-0001-7383-0094
SPIN-code: 5365-6190

research engineer

Russian Federation, Moscow

Sergey V. Pokrovskii

National research nuclear university MEPHI

Email: sergeypokrovskii@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3137-4289
SPIN-code: 6643-7817

Candidate of Sciences in Physics and Mathematics, Head of the Laboratory

Russian Federation, Moscow

References

  1. Barnes PN, Sumption MD, Rhoads GL. Review of high power density superconducting generators: Present state and prospects for incorporating YBCO windings. Cryogenics. 2005;45(10):670–86. doi: 10.1016/j.cryogenics.2005.09.001
  2. Haran KS, Kalsi S, Arndt T, et al. High power density superconducting rotating machines–development status and technology roadmap. Superconductor Science and Technology. 2017;30(12):123002. doi: 10.1088/1361-6668/aa833e
  3. Kalsi SS, Weeber K, Takesue H, et al. Development status of rotating machines employing superconducting field windings. Proceedings of the IEEE. 2004;92(10):1688–704. doi: 10.1109/JPROC.2004.833676
  4. Kim C, Sung HJ, Go BS, et al. Design, Fabrication, and Testing of a Full-Scale HTS Coil for a 10 MW HTS Wind Power Generator. IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2021;31(5):1–5. doi: 10.1109/TASC.2021.3059223
  5. Song X, Mijatovic N, Kellers J, et al. A Pole Pair Segment of a 2-MW High-Temperature Superconducting Wind Turbine Generator. IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2017;27(4):1–5. doi: 10.1109/TASC.2017.2656778
  6. Gamble B, Snitchler G, MacDonald T. Full Power Test of a 36.5 MW HTS Propulsion Motor. IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2011;21(3):1083–8. doi: 10.1109/TASC.2010.2093854
  7. Moon H, Kim Y-C, Park H-J, et al. An introduction to the design and fabrication progress of a megawatt class 2G HTS motor for the ship propulsion application. Superconductor Science and Technology. 2016;29(3):034009. doi: 10.1088/0953-2048/29/3/034009
  8. Sivasubramaniam K, Zhang T, Lokhandwalla M, et al. Development of a High Speed HTS Generator for Airborne Applications. IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2009;19(3):1656–61. doi: 10.1109/TASC.2009.2017758
  9. Terao Y, Seta A, Ohsaki H, et al. Lightweight Design of Fully Superconducting Motors for Electrical Aircraft Propulsion Systems. IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2019;29(5):1–5. doi: 10.1109/TASC.2019.2902323
  10. Hahn S, Park DK, Bascunan J, Iwasa Y. HTS Pancake Coils Without Turn-to-Turn Insulation. IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2011;21(3):1592–5. doi: 10.1109/TASC.2010.2093492
  11. Zanegin SY, Ivanov NS, Shishov DM, et al. AC losses test of HTS racetrack coils for HTS motor winding. J. Phys.: Conf. Ser. 2020;1559(1):012142. doi: 10.1088/1742-6596/1559/1/012142
  12. Zhang G, Chen B, Song F, et al. Optimal Design of an Innovative High Temperature Superconducting Generator With the Evaporative Cooling Stator and the Magnetic Flux Oriented Rotor. IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2007;17(2):1545–8. doi: 10.1109/TASC.2007.898197
  13. Gao Y, Wang W, Wang X, et al. Design and Study of a 2G HTS Synchronous Motor With Brushless HTS Flux Pump Exciters. IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2019;29(5):1–5. doi: 10.1109/TASC.2019.2898505
  14. Jeon H, Lee J, Han S, et al. PID Control of an Electromagnet-Based Rotary HTS Flux Pump for Maintaining Constant Field in HTS Synchronous Motors. IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2018;28(4):1–5. doi: 10.1109/TASC.2018.2822704
  15. Alexandrov DA, Martirosian IV, Pokrovskii SV, et al. Energy capacity and energy losses of inductive energy storage device based on composite HTS tapes MTST. 2024;10(2):215–30. doi: 10.17816/transsyst632274

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Schematic diagram of the racetrack coil

Download (104KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Schematic diagram of a circular winding

Download (65KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Calculated magnetic field distributions (T) of the racetrack coil (left) and the ring winding (right) at a constant transport current amplitude of 85 A. The number of windings in each coil is 40. The critical current of the tapes is 120 A

Download (157KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Magnetic field distributions (T) in the central cross-section of the non-closed HTS coils at a transport current of 85 A (~0.7 Jc). The number of windings in each coil is 40. The critical current of the ribbons is 120 A

Download (208KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Temperature distribution in the central section and on the surface of a 40-layer racetrack coil with a constant transport current of 85 A amplitude being transmitted

Download (95KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Temperature distribution in the central section and on the surface of a 40-layer ring winding with a constant transport current of 85 A amplitude being transmitted

Download (145KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Calculated voltampere characteristics of the initial HTS tape, ring winding and racetrack coil taking into account the variation of the critical current of the tapes along their length by the value of 15%

Download (135KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Calculated logarithmic dependences of the cycle losses on the AC amplitude for a racetrack coil cooled with liquid nitrogen

Download (131KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Experimental and calculated logarithmic dependences of the cycle losses on the AC current amplitude for a non-closed ring winding under liquid nitrogen cooling

Download (117KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Martirosian I.V., Aleksandrov D.A., Pokrovskii S.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

link to the archive of the previous title

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».