Numerical 3D modeling of magnetic systems based on closed superconducting rings

封面

如何引用文章

全文:

详细

Aim. To compare the magnetic characteristics and levitation force of single-cut and double-cut closed HTS rings.

Methods. Numerical calculations were performed using the finite element method in the Comsol Multiphysics software.

Results. The vertical magnetization profiles were obtained for single- and double-slit HTS rings magnetized under a gradient magnetic field and a permanent magnet's field. The normalized levitation force was analyzed based on the number of winding layers for both closed and nonclosed configurations. The nonclosed winding was found to generate the highest levitation force, namely 10% greater than that of a single-cut closed winding and nearly double that of a double-cut closed winding.

Conclusion. Numerical models were developed to simulate the magnetization process of closed-loop elements made from second-generation HTS tapes in the gradient field of a permanent magnet. The modeling was performed using the finite element method with both the magnetic field strength (H-formulation) and A-formulation (magnetic vector potential). Closed HTS ring systems with single and double cuts were analyzed. The models were verified by comparing the numerical results with experimental data obtained through scanning Hall magnetometry.

作者简介

Sergey Pokrovskii

National research nuclear university MEPHI

编辑信件的主要联系方式.
Email: sergeypokrovskii@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3137-4289
SPIN 代码: 6643-7817

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

俄罗斯联邦, Moscow

Irina Martirosian

National research nuclear university MEPHI

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

Candidate of Science in Physics and Mathematics, research engineer

俄罗斯联邦, Moscow

Dmitrii Aleksandrov

National research nuclear university MEPHI

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

research engineer

俄罗斯联邦, Moscow

参考

  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

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. Schematic diagram of closed HTS rings. a – closed HTS ring with one cut, b – closed HTS ring with two cuts

下载 (113KB)
索引源数据
3. Fig. 2. Distributions of residual magnetization at a height of 1 mm from the top surface of two closed HTS rings during full magnetization in a gradient magnetic field at a temperature of 77 K. The inset shows the line above the sample along which the magnetic field distribution was plotted

下载 (98KB)
索引源数据
4. Fig. 3. Distributions of residual magnetization at a height of 1 mm from the top surface of nine closed HTS rings when magnetized in a gradient magnetic field at a temperature of 77 K. The inset shows the line above the sample along which the magnetic field distribution was plotted

下载 (87KB)
索引源数据
5. Fig. 4. Calculated distribution of residual magnetization at a height of 1 mm from the top surface of closed HTS rings at full magnetization in the field of a permanent magnet at a temperature of 77 K

下载 (126KB)
索引源数据
6. Fig. 5. Normalized calculated dependences of the levitation force on the number of rings in the HTS winding

下载 (140KB)
索引源数据

版权所有 © Pokrovskii S.V., Martirosian I.V., Aleksandrov D.A., 2024

Creative Commons License
此作品已接受知识共享署名 4.0国际许可协议的许可

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».