Evaluation of eddy currents dependent on excitation pattern in design of pulse electromagnets

パルス励磁による渦電流が電磁石設計に与える影響の評価

高柳 智弘   ; 杉田 萌 ; 植野 智晶*; 堀野 光喜*; 小野 礼人; 山本 風海   ; 金正 倫計  

Takayanagi, Tomohiro; Sugita, Moe; Ueno, Tomoaki*; Horino, Koki*; Ono, Ayato; Yamamoto, Kazami; Kinsho, Michikazu

パルス電磁石を高精度に設計するためには、励磁するパルスパターン形状に依存して発生する渦電流の効果を正確に確認する必要がある。渦電流の効果の違いによってコイルに流れる電流分布は変わるため、その結果、磁場分布の変動やコイルの発熱にも影響を与える。J-PARC 3GeVシンクロトロン加速器(RCS)用の新型バンプマグネットを用いて評価試験を実施した。台形型のパルスパターンを用いて励磁し、磁場が変化するパターンの立ち上がり部と磁場の時間変化が無いフラットトップ部で磁場分布が異なることを磁場測定で確認し、励磁パターンと磁場分布の時間変化の関係性を明らかにした。これらの結果を使用することで、磁場分布の影響を受ける入射ビームの軌道制御に対しても高精度なコントロールが可能となり、また、励磁パターンのパルスの時間幅、発熱対策、且つ、コイル形状の最適化も可能になった。ここでは、実施した試験の結果、評価・検証の結果を紹介する。

In order to design a pulsed electromagnet, it is necessary to consider eddy currents that depend on the pattern shape of the pulse excitation, and to design the structure and set the operating parameters considering the fluctuation of the magnetic field distribution and its effect on heat generation. Evaluation tests of a new bump magnet for the J-PARC RCS showed that the magnetic field distributions at the rising edge of the trapezoidal pattern and at the flat top are different from each other. This was also confirmed by the 3D dynamic magnetic field analysis of OPERA-3d. Since the skin-depth due to eddy currents depends on the time variation of the waveform, the effect is the same as changing the shape of the coil. The measurement of the magnetic field distribution fluctuation was verified and evaluated using a flux meter, search coil, and Hall probe with different measurement principles.