Численное 3D моделирование магнитных систем на основе замкнутых сверхпроводящих колец

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Цель. Сравнение магнито-силовых характеристик замкнутых ВТСП колец с одинарным и двойным разрезом.

Методы. Численный расчет выполнен методом конечных элементов в программном обеспечении Comsol Multiphysics.

Результаты. Получены профили вертикальной компоненты намагниченности для ВТСП колец с одинарным и двойным разрезом, намагниченных в градиентном магнитном поле и поле постоянного магнита. Построены зависимости нормированной силы левитации от числа слоев в обмотке для замкнутых и незамкнутой конфигураций. Наибольшая левитационная сила достигается, при использовании незамкнутой обмотки (она превосходит на 10% силу левитации замкнутой обмотки с одинарным разрезом и почти двукратно – с двойным).

Заключение. Разработаны численные модели процесса намагничивания замкнутых элементов на основе ВТСП лент второго поколения в градиентном поле постоянного магнита. Моделирование выполнено методом конечных элементов в терминах напряженности магнитного поля (H-формализм) и магнитного векторного потенциала (A-формализм). Рассмотрены системы замкнутых ВТСП колец с одинарным и двойным разрезом. Верификация численных моделей проведена путем сравнения результатов расчета с экспериментальными данными, полученными с использованием методов сканирующей холловской магнитометрии.

Об авторах

Сергей Владимирович Покровский

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Автор, ответственный за переписку.
Email: sergeypokrovskii@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3137-4289
SPIN-код: 6643-7817

кандидат физико-математических наук, заведующий научно-исследовательской лаборатории

Россия, Москва

Ирина Валерьевна Мартиросян

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Email: mephizic@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-2301-1768
SPIN-код: 3368-8809

кандидат физико-математических наук

Россия, Москва

Дмитрий Александрович Александров

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

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

инженер-исследователь

Россия, Москва

Список литературы

  1. Tomita M, Murakami M. High-temperature superconductor bulk magnets that can trap magnetic fields of over 17 tesla at 29 K. Nature. 2003;421(6922):517–520. doi: 10.1038/nature01350
  2. Patel A, Baskys A, Mitchell-Williams T, et al. A trapped field of 17.7 T in a stack of high temperature superconducting tape. Superconductor Science and Technology. 2018;31(9):09LT01. doi: 10.1088/1361-6668/aad34c
  3. Kovalev L, Ilushin K, Koneev S, et al. Hysteresis and reluctance electric machines with bulk HTS rotor elements. IEEE transactions on applied superconductivity. 1999;9(2):1261–1264. doi: 10.1109/77.783530
  4. Muta I, Jung H, Nakamura T, et al. Performance of axial-type motor with Bi-2223 HTS bulk rotor. Physica C: Superconductivity. 2002;372:1531–1534. doi: 10.1016/S0921-4534(02)01078-X
  5. Matsuzaki H, Kimura Y, Morita E, et al. HTS bulk pole-field magnets motor with a multiple rotor cooled by liquid nitrogen. IEEE transactions on applied superconductivity. 2007;17(2):1553–1556. doi: 10.1109/TASC.2007.898488
  6. Hirakawa M, Inadama S, Kikukawa K, et al. Developments of superconducting motor with YBCO bulk magnets. Physica C: Superconductivity. 2003;392:773–776. doi: 10.1016/S0921-4534(03)01213-9
  7. Netter D, Leveque J, Ailam E, et al. Theoretical study of a new kind HTS motor. IEEE transactions on applied superconductivity. 2005;15(2):2186–2189. doi: 10.1109/TASC.2005.849608
  8. Gao Y, Wang W, Wang X, et al. Design, fabrication, and testing of a YBCO racetrack coil for an HTS synchronous motor with HTS flux pump. IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2020;30(4):1–5. doi: 10.1109/TASC.2020.2971453
  9. Ueno E, Kato T, Hayashi K. Race-track coils for a 3 MW HTS ship motor. Physica C: Superconductivity and its Applications. 2014;504:111–114. doi: 10.1016/j.physc.2014.03.015
  10. Tomkow L, Harca I, Machaj K, et al. Experimental system for testing a superconducting motor at temperatures close to 15 K. Cryogenics. 2020;112:103206. doi: 10.1016/j.cryogenics.2020.103206
  11. Climente-Alarcon V, Smara A, Tomkow L, et al. Testing of surface mounted superconducting stacks as trapped-flux magnets in a synchronous machine. IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2020;30(5):1–8. doi: 10.1109/TASC.2020.2976603
  12. Martins FGR, Sass F, Ferreira AC, et al. A novel magnetic bearing using REBCO double crossed loop coils. IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2018;28(4):1–5. doi: 10.1109/TASC.2018.2813371
  13. Levin GA, Barnes PN, Murphy J, et al. Persistent current in coils made out of second generation high temperature superconductor wire. Applied Physics Letters. 2008;93(6). doi: 10.1063/1.2969798
  14. Santos BMO, dos Santos G, dos Reis Martins FG, et al. Magnetic bearings with double crossed loops modelled with TA formulation and electric circuits. Superconductivity. 2023;7:100058. doi: 10.1016/j.supcon.2023.100058
  15. Sheng J, Zhang M, Wang Y, et al. A new ring-shape high-temperature superconducting trapped-field magnet. Superconductor Science and Technology. 2017;30(9):094002. doi: 10.1088/1361-6668/aa7a51
  16. Ali MZ, Zheng J, Huber F, et al. 4.6 T generated by a high-temperature superconducting ring magnet. Superconductor Science and Technology. 2020;33(4):04LT01. doi: 10.1088/1361-6668/ab794a
  17. Barnes G, McCulloch M, Dew-Hughes D. Computer modelling of type II superconductors in applications. Superconductor Science and Technology. 1999;12(8):518. doi: 10.1088/0953-2048/12/8/308
  18. Brambilla R, Grilli F, Martini L. Development of an edge-element model for AC loss computation of high-temperature superconductors. Superconductor Science and Technology. 2006;20(1):16. doi: 10.1088/0953-2048/20/1/004
  19. Coombs T, Campbell A, Murphy A, et al. A fast algorithm for calculating the critical state in superconductors. COMPEL-The international journal for computation and mathematics in electrical and electronic engineering. 2001;20(1):240–252. doi: 10.1108/03321640110359967
  20. Huber F, Song W, Zhang M, et al. The TA formulation: an efficient approach to model the macroscopic electromagnetic behaviour of HTS coated conductor applications. Superconductor Science and Technology. 2022;35(4):043003. doi: 10.1088/1361-6668/ac5163
  21. Morandi A. 2D electromagnetic modelling of superconductors. Superconductor Science and Technology. 2012;25(10):104003. doi: 10.1088/0953-2048/25/10/104003
  22. Mykola S, Fedor G. A–V formulation for numerical modelling of superconductor magnetization in true 3D geometry. Superconductor Science and Technology. 2019;32(11):115001. doi: 10.1088/1361-6668/ab3a85
  23. Campbell AM. A new method of determining the critical state in superconductors. Superconductor Science and Technology. 2007;20(3):292. doi: 10.1088/0953-2048/20/3/031
  24. Anischenko I, Pokrovskii S, Rudnev I, Osipov M. Modeling of magnetization and levitation force of HTS tapes in magnetic fields of complex configurations. Superconductor Science and Technology. 2019;32(10):105001. doi: 10.1088/1361-6668/ab2bbe
  25. Osipov M, Starikovskii A, Anishenko I, et al. The influence of temperature on levitation properties of CC-tape stacks. Superconductor Science and Technology. 2021;34(4):045003. doi: 10.1088/1361-6668/abe18e

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Принципиальная схема замкнутых ВТСП колец. a – замкнутое ВТСП кольцо с одним разрезом, b – замкнутое ВТСП кольцо с двумя разрезами

Скачать (113KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Распределения остаточной намагниченности на высоте 1 мм от верхней поверхности двух замкнутых ВТСП колец при полном намагничивании в градиентном магнитном поле при температуре 77 К. На вставке показана линия над образцом, вдоль которой строилось распределение магнитного поля

Скачать (98KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Распределения остаточной намагниченности на высоте 1 мм от верхней поверхности девяти замкнутых ВТСП колец при намагничивании в градиентном магнитном поле при температуре 77 К. На вставке показана линия над образцом, вдоль которой строилось распределение магнитного поля

Скачать (87KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Расчетное распределение остаточной намагниченности на высоте 1 мм от верхней поверхности замкнутых ВТСП колец при полном намагничивании в поле постоянного магнита при температуре 77 К

Скачать (126KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Нормированные расчетные зависимости левитационной силы от числа колец в ВТСП обмотке

Скачать (140KB)
Метаданные

© Покровский С.В., Мартиросян И.В., Александров Д.А., 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).