Analisi Elettromagnetica e Termica della Bobina Toroidale di Ignitor

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1 Analisi Elettromagnetica e Termica della Bobina Toroidale di Ignitor Il presente documento vuole esse un resoconto delle attività di calcolo svolte in ambiente ANSYS per la bobina Toroidale di Ignitor. Il maggiore problema incontrato è stato la impossibilità di eseguire con ANSYS un calcolo termico che tenesse conto anche della magnetoresistenza del rame. La differenza con il calcolo termico del Sistema delle Bobine Poloidali (PFC) è nel fatto che nel caso delle PFC in tale calcolo sono utilizzati elementi di tipo termico (solid69) in cui l effetto della corrente che in esso può fluire è considerata solamente come input di calore per effetto Joule: la distribuzione della corrente nelle singole spire che costituiscono la bobina è di tipo statico. Nel caso della TFC (Toroidal Field Coil) invece l elemento che deve essere considerato è di tipo magnetico (solid97), il calcolo è di tipo transitorio ed il conduttore è massivo. Ora è necessario tenere in conto l effetto della densità di flusso sulla resistività elettrica del materiale e la variazione della distribuzione delle correnti generata dalla variazione della stessa resistività locale: tale variazione nel materiale porta a nuove distribuzioni di corrente e quindi ad una variazione del risultato del calcolo elettromagnetico. La soluzione non può che essere iterativa: prima un calcolo elettromagnetico transiente che ricavi una distribuzione di massima delle densità di corrente nelle spire massive, poi un calcolo termico che in funzione dell energia rilasciata per effetto Joule e della densità di flusso calcoli le variazioni di resistività del materiale ed una distribuzione di massima delle temperature. Il sistema riprende poi con un calcolo elettromagnetico transiente che tenga conto delle caratteristiche di resistività del materiale trovate nello step precedente e calcoli una nuova distribuzione di corrente più corretta. Ed ancora un calcolo termico e così via fino a convergenza sia della distribuzione di correnti che di temperature. Ovviamente un tale sistema richiede un tempo decisamente superiore a quello che un codice specifico come il FORTE può impiegare: questa è stata la ragione della sospensione dell attività di modellizzazione della TFC con ANSYS. I risultati che si mostrano sono quindi solo intermedi ed indicativi anche se, a parere dello scrivente, sarebbe più che opportuno seguire la via di una modellizzazione alternativa in ambiente ANSYS, senza dover necessariamente far riferimento, per eventuali modifiche, a competenze che potrebbero non essere in futuro disponibili. Si fa presente che il modello è relativo alla metà superiore della TFC, rispetto al piano equatoriale, ed alla metà della parte superiore rispetto ad un piano passante per l asse verticale; si tiene inoltre conto dei due diversi fattori di riempimento causati da uno spessore costante di isolante interspira (parte rastremata e parte a facce parallele).

2 Modello FE: vista dell intero modello (TFC, aria ed elementi infinito ) Modello FE: vista dell aria e dello spessore di metà TFC in senso circonferenziale

3 Modello FE: vista della sola aria Modello FE: vista della sola TFC (1/4 della TFC totale)

4 Risultato intermedio delle temperature allo step1 (prima distribuzione di massima) Risultato intermedio della densità di flusso allo step 1 (prima distribuzione di massima)

5 Risultato intermedio della densità di flusso allo step 1 (prima distribuzione di massima) Conclusioni Il confronto del solo primo step con i risultati FORTE, a parità di istante temporale, mostrano una buona convergenza sul valore della densità di flusso ma non un altrettanto buon accordo sul valore delle temperature. Ovviamente la ragione è che non vi è stato un numero sufficiente di iterazioni per tenere bene in conto del peso della magnetoresistenza sia nel calcolo delle temperature che nella reale distribuzione della corrente, che sembra ancora concentrata nella parte interna ed ancora non ha avuto il tempo di essere spostata più verso l esterno.