YBCOテープ線材の交流損失の温度スケーリング

(1)

YBCO テープ線材の交流損失の温度スケーリング

禅院康弘

,

宮本直哉

,

岩熊成卓

,

船木和夫（九州大学）

斉藤隆

,

飯島康裕

,

柿本一臣（（株）フジクラ）

塩原融（超電導工学研究所）

(2)

研究背景

YBCO

テープ線材高い臨界温度

磁界中での臨界電流特性が優れる次世代の超伝導線材として期待される

超伝導機器に

YBCO

テープ線材を応用することを考える際、

超伝導巻線部において発生する交流損失を見積もることが重要

冷凍機による伝導冷却方式により、幅広い温度領域での使用が予想される

(3)

本研究の目的及び内容

YBCO

テープ線材の交流損失を液体窒素温度以下の広い温度領域で測定し、その温度特性を評価する

本研究の目的本研究の目的

冷凍機による伝導冷却方式により交流損失の測定を行った

臨界電流特性および交流損失を温度に関してスケーリングする方法を検討した

本研究の内容本研究の内容

(4)

交流損失の測定装置・条件及び試料諸元

鞍型ピックアップコイル法試料諸元

測定条件

1 , 3 , 6

枚試料積層枚数

0.01

〜

0.2Hz

周波数

30

゜

, 45

゜

, 90

゜磁界印加角度

0.001

〜

4T

磁界振幅

31

〜

77K

測定温度

(5)

交流損失及び磁化の測定結果（ 1 枚 ,90 ゜）

10

³

10

⁴

10

⁵

10

⁶

10

⁷

10

⁸

10

⁹

10

^-3

10

^-2

10

^-1

10

⁰

35K 45K 64K 77K

A c L o s s [ J /m

3

cy cl e]

Field Amplitude [T]

-250 -125 0 125 250

-2 -1 0 1 2

31K 35K 40K 45K 50K 55K 60K 64K 71K 77K

- µ

0

M [T /m

3

in S C ]

B [T]

(6)

臨界電流特性

0 300 600 900 1200

0 0.5 1 1.5

31K 35K 40K 45K 50K 55K 60K 64K 71K 77K

I

c

[A ]

B [T]

ピックアップコイルにより得られる

磁化

M(B,T)

は印加磁界に平行な成分

( B B

^pe

)

( ) ( )

( )

c

, sin ,

, sin , sin

2 2

4 m B T

M B T

wh I B T w

I B T

wh h

θ

θ θ

=

= =

（

1

枚

,90

゜）

( ) ( )

c

4 ,

, sin

h M B T I B T

= θ

(7)

臨界電流特性の近似

B < B b

臨界電流はほぼ一定

10 100 1000

0.01 0.1 1

31K 35K 40K 45K 50K 55K 60K 64K 71K 77K

I

c

[A ]

B [T]

B

b

B b B

Irie-Yamafuji

モデル

≤

( ) ( ) ( ( ) )

( ) ( ( ) )

c0 b

c ( ) 1

b

,

T

I T B B T

I B T

T B

^γ

B T B

α

⁻

 <

≅  

 ≤

ただし、

I

_c0：零磁場の臨界電流

( ) ( ) ( )

¹

( )

c0 b

I T = α T B

^γ T ⁻

T

(8)

I c0 , B b 及びγの温度依存性

0 0.05 0.1 0.15

30 40 50 60 70 80

B b [T]

T [K]

0 500 1000 1500

30 40 50 60 70 80

I c0 [A]

T [K]

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

30 40 50 60 70 80

γ

T [K]

( ) T

γ ≅ γ

(9)

臨界電流の温度スケーリング

( ) ( )

b 0 c0

B T = k µ I T

0 c0

( ) T b B

µ I

′ =

1

1 k

^γ⁻

′ =

( )

( ) ( ( ) )

( ) ( ) ( ( ) )

c0 b

1 c

c0 b

b

,

I T B B T

I B T B

I T B T B

B T

γ−

 <

=    

     ≤

  



b

( )

b T

B

= B ( ) ( )

c

( )

c

c0

, I B T i b = I T

( ) ( )

( )

c 1

1 1

1 i b b

b

^γ⁻

b

 <

=  

 ≤

0 0.5 1 1.5

30 40 50 60 70 80

Ic0(T)/I

c0(45K) Bb(T)/B

b(45K)

I c0(T) / I c0(45K) & B b(T) / B b(45K)

T [K]

,

, a

( ) ( )

( )

c 1

1 b k

i b a b

^γ⁻

k b

 ′ <

′ =  

′ ′ ≤ ′



45Kの値で規格化した I

_c0

(T)

および

B

_b

(T)

の比較

※

k

は温度に依ら

※ない定数

(10)

臨界電流の温度スケーリング（ 1 枚 ,90 ゜）

0 300 600 900 1200

0 0.5 1 1.5

31K 35K 40K 45K 50K 55K 60K 64K 71K

I [A ]

c 77K

B [T]

0 0.5 1

0 1 10³ 2 10³ 3 10³ 4 10³ 5 10³ 31K 35K 40K 45K 50K 55K 60K 64K 71K 77K

I

c

(B ,T ) /

I c0(T)

B / µ

0I

c0(T)

(11)

交流損失の温度スケーリング（ 1 枚 ,90 ゜）

10

³

10

⁴

10

⁵

10

⁶

10

⁷

10

⁸

10

⁹

10

^-3

10

^-2

10

^-1

10

⁰

35K 45K 64K 77K Ac L o s s [J /m

3

cy cl e]

Field Amplitude [T]

10

³

10

⁴

10

⁵

10

⁶

10

⁷

10

⁸

10

⁹

10

¹

10

²

10

³

10

⁴

35K 45K 64K 77K Ac L o s s / µ

0

I

c0

2

(T)

Field Amplitude / µ

0

I

c0

(T)

(12)

試料積層時のスケーリングの適用（ 90 ゜）

200 300 400 500 600 700 800 900 1000

0.01 0.1 1

45K 1Layer 45K 3Layer 45K 6Layer

I

c

[A ]

B [T]

B

b

-200 -100 0 100 200

-2 -1 0 1 2

1Layer 3Layer 6Layer

-

µ 0

M [ T /m

3

in SC]

B [T]

試料を積層した場合にもスケーリングできるのか

試料を積層することにより

I c0 (T)

、

B b (T)

値が変化

(13)

積層した場合の I c0 及び B b 温度依存性

0 500 1000 1500

30 40 50 60 70 80

I

c0

[A ]

T [K]

0 0.05 0.1 0.15 0.2

30 40 50 60 70 80

B

b

[T ]

T [K]

I

c0

(T)

の温度依存性

I

c0

(T)

の温度依存性

B B

bb（（

T) T)

の温度依存性の温度依存性

(14)

積層した場合の I c0 及び B b 温度依存性

I

_c0

(T,n)

および

B

_b

(T,n)

を

50K

の値で規格化

I

_c0

(T,n)

、

B

_b

(T,n)

は積層することにより値は変化するが、温度に対する変化率は変わらない

0 1 2

30 40 50 60 70 80

Ic0(T,1L) / I

c0(50K,1L) I_c0(T,3L) / I_c0(50K,3L) Ic0(T,6L) / I

c0(50K,6L) Bb(T,1L) / B

b(50K,1L) Bb(T,3L) / B

b(50K,3L) Bb(T,6L) / B

b(50K,6L)

T [K]

I

c0

(T ,n ) / I

c0

(50K, n ) & B

b

(T ,n ) / B

b

(50K, n )

積層した場合の臨界電流及び交流損失も温度に関してスケーリングできる

1

枚の場合に測定した

I

_c0

(T,1L)

を用いて積層した場合の交流損失をスケーリングできる

(15)

6 枚積層時の臨界電流の温度スケーリング（ 6 枚の I c0 による）

0 250 500 750 1000

0 0.5 1 1.5

35K 40K 45K 50K 55K 64K 77K

I

c

[A ]

B [T]

0 0.5 1

0 1 10³ 2 10³ 3 10³ 4 10³ 5 10³ 35K 40K 45K 50K 55K 64K 77K

I

c

(B ,T ) /

I c0(T,6L)

B / µ

0I

c0(T,6L)

(16)

6 枚積層時の交流損失の温度スケーリング（ 6 枚の I c0 による）

10

³

10

⁴

10

⁵

10

⁶

10

⁷

10

⁸

10

⁹

10

^-2

10

^-1

10

⁰

35K 45K 64K 77K A c Lo s s [ J /m

3

cy c le ]

Field Amplitude (T)

10

³

10

⁴

10

⁵

10

⁶

10

⁷

10

⁸

10

⁹

10

¹

10

²

10

³

10

⁴

35K 45K 64K 77K A c Los s / µ

0

I

c0

2

(T ,6L)

0

I

c0

(T,6L)

(17)

試料積層時の交流損失の測定結果

77K 64K 45K

10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷ 10⁸

10^-2 10^-1 10⁰

1 Layer 3 Layer 6 Layer Ac Loss [J/m3 cycle]

Field Amplitude [T]

10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷ 10⁸

10^-2 10^-1 10⁰

Field Amplitude [T]

10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷ 10⁸

10^-2 10^-1 10⁰

Field Amplitude [T]

積層枚数が

1

枚のときの

I c0 (T,1L)

を用いてスケーリングを行ってみる

(18)

試料積層時の交流損失の温度スケーリング（ 1 枚の I c0 による）

10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷ 10⁸ 10⁹

10¹ 10² 10³ 10⁴

45K 1Layer 45K 3Layer 45K 6Layer 64K 1Layer 64K 3Layer 64K 6Layer 77K 1Layer 77K 3Layer 77K 6Layer

Ac Lo ss / µ

0

I

c0

2

(T,1L)

0

I

c0

(T,1L)

温度スケーリングを行うためには

I c0 (T,1L)

が分かればよい

(19)

まとめ

臨界電流および交流損失特性が、試料を積層させた場合や磁界印加角度を変化させた場合も含めて、

I c0

を用いて温度スケーリング可能であることを示した。

これまでに提案した磁界印加角度に対する交流損失の予測式を用いることで

液体窒素温度で磁界印加角度

90 ゜の交流損失 I c0

の温度依存性

YBCOテープ線材の交流損失の 温度スケーリング