Dynamic characteristics of a magnetic bearing based on high-temperature superconductors in the event of rotor and stator misalignment

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Aim: This study aims to analyze the influence of harmonic excitations during bearing misalignment on the power and mechanical characteristics of a high-speed magnetic bearing based on tape high-temperature superconducting composites.

Methods. Numerical multiphysics analysis of a superconducting magnetic bearing was performed using the finite element method in Comsol Multiphysics.

Results. When there is a deviation from coaxiality in the arrangement of the magnetic elements of the HTS bearing, harmonic excitations, vibrations, and beats appear, leading to a deterioration in the load characteristics of the device and a decrease in the dynamic permeability of the magnetic system.

Conclusion. The developed numerical model makes it possible to predict the dynamic and mechanical characteristics of high-speed HTS bearings and can be used to develop high-speed rotor systems.

About the authors

Irina V. Martirosian

National research nuclear university MEPHI

Author for correspondence.
Email: mephizic@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-2301-1768
SPIN-code: 3368-8809

Cand. Sci. (Physics and Mathematics), research engineer

Russian Federation, Moscow

Dmitry A. Alexandrov

National research nuclear university MEPHI

Email: cfrfcfrfdima123@gmail.com
ORCID iD: 0009-0001-7383-0094

research engineer

Russian Federation, Moscow

Sergey V. Pokrovskii

National research nuclear university MEPHI

Email: sergeypokrovskii@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3137-4289
SPIN-code: 6643-7817

Cand. Sci. (Physics and Mathematics), Head of the Laboratory

Russian Federation, Moscow

Igor A. Rudnev

National research nuclear university MEPHI

Email: iarudnev@mephi.ru
ORCID iD: 0000-0002-5438-2548
SPIN-code: 2070-5265

Dr. Sci. (Physics and Mathematics), Professor, Lead Research Fellow

Russian Federation, Moscow

References

  1. Sun XD, Chen L, Yang ZB. Overview of bearingless permanent-magnet synchronous motors. IEEE T Ind Electron. 2013;60:5528–5538. doi: 10.1109/tie.2012.2232253
  2. Samanta P, Hirani H. Magnetic bearing configurations: theoretical and experimental studies. IEEE Trans Magn. 2008;44:292–300. doi: 10.1109/tmag.2007.912854
  3. Andriollo M, Fanton E, Tortella A. A review of innovative electromagnetic technologies for a totally artificial heart. Appl Sci. 2023;13:1870. doi: 10.3390/app13031870
  4. Rogers JG, Pagani FD, Tatooles AJ, et.al. Intrapericardial left ventricular assist device for advanced heart failure. N Engl J Med. 2017;376:451–460. doi: 10.1056/NEJMoa1602954
  5. Li XJ, Palazzolo A, Wang ZY. A combination 5-DOF active magnetic bearing for energy storage flywheels. IEEE Trans Transp Electrification. 2021;7:2344–2355. doi: 10.1109/tte.2021.3079402
  6. Wang JS, Zeng Y, Huang H, et.al. The first man-loading high temperature superconducting maglev test vehicle in the world. Physica C. 2002;378–381(1): 809-814. doi: 10.1016/S0921-4534(02)01548-4
  7. Deng Z, Zhang W, Zheng J, et al. A high-temperature superconducting maglev-evacuated tube transport (HTS Maglev-ETT) test system. IEEE Trans. Appl. Supercond. 2017;27(6):3602008. doi: 10.1109/TASC.2017.2716842
  8. Kuhn L, de Haas O, Berger D. Supratrans II–Test drive facility for a superconductor based maglev train. Elekt. Bahnen. 2012;8:461–469. doi: 10.1109/TASC.2005.849636
  9. Sotelo GG, Oliveira RAH, Costa FS, et.al. A full scale superconducting magnetic levitation vehicle operational line. IEEE Trans. Appl. Supercond. 2015;23(3):3601005. doi: 10.1109/TASC.2014.2371432
  10. Hikihara T, Moon FC. Chaotic levitated motion of a magnet supported by superconductor. Phys. Lett. A. 1994;191(3/4):279–284. doi: 10.1016/0375-9601(94)90140-6
  11. Hikihara T, Fujinami T, Moon FC. Bifurcation and multifractal vibration in dynamics of a high-Tc superconducting levitation system. Phys. Lett. A. 1997;231(3/4): 217–223. doi: 10.1016/S0375-9601(97)00305-8
  12. Coombs TA, Campbel AM. Gap decay in superconducting magneticn bearings under the influence of vibrations. Physica C. 1996;256(3):298–302. doi: 10.1016/0921-4534(95)00670-2
  13. Hull R. Superconducting bearings. Supercond. Sci. Technol. 2000;13(2):R1–R15. doi: 10.1088/0953-2048/13/2/201
  14. Wang J, Wang S, Zeng Y, et al. The first man-loading high temperature superconducting Maglev test vehicle in the world. Physica C. 2002;378–381:809-14. doi: 10.1016/S0921-4534(02)01548-4
  15. Jha AK, Matsumoto K. Superconductive REBCO Thin Films and Their Nanocomposites: The Role of Rare-Earth Oxides in Promoting Sustainable Energy. Frontiers in Physics, Review. 2019;7. doi: 10.3389/fphy.2019.00082
  16. Barth C, Mondonico G, Senatore C. Electro-mechanical properties of REBCO coated conductors from various industrial manufacturers at 77 K, self-field and 4.2 K, 19 T. Supercond. Sci. Technol. 2015;28(4):045011. doi: 10.1088/0953-2048/28/4/045011
  17. MacManus-Driscoll JL, Wimbush SC. Processing and application of high-temperature superconducting coated conductors. Nature Reviews Materials. 2021;6(7):587–604. doi: 10.1038/s41578-021-00290-3
  18. Lee S, Petrykin V, Molodyk A, et al. Development and production of second generation high Tc superconducting tapes at SuperOx and first tests of model cables. Supercond. Sci. Technol. 2014;27:044022. doi: 10.1088/0953-2048/27/4/044022
  19. Tomków Ł, Mineev N, Smara A, et al. Theoretical analysis of heat transport in tilted stacks of HTS tapes at temperatures above 20 K. Cryogenics. 2020;105:103017. doi: 10.1016/j.cryogenics.2019.103017
  20. Selvamanickam V. High temperature superconductor (HTS) wires and tapes. 2012. pp. 34–68. doi: 10.1533/9780857095299.1.34
  21. Patel A, Baskys A, Mitchell-Williams T, et al. A trapped field of 17.7 T in a stack of high temperature superconducting tape. Supercond. Sci. Technol. 2018;31(9):09LT01. doi: 10.1088/1361-6668/aad34c
  22. SuperOx [Internet]. [cited 2023 November 30]. Available from: https://www.superox.ru/
  23. Martirosian IV, Pokrovskii SV, Osipov MA, et al. Simulation of the maglev suspension dynamic characteristics during movement, acceleration and deceleration. Modern Transportation Systems and Technologies. 2022;8(3):63–77. (In Russ.) EDN: FRVRIA doi: 10.17816/transsyst20228363-77
  24. Osipov M, Anishenko I, Starikovskii A, et al. Scalable Superconductive Magnetic Bearing Based on Non-Closed CC Tapes Windings. Supercond. Sci. Technol. 2021;SUST-104182.R1. doi: 10.1088/1361-6668/abda5a
  25. Anischenko IV, Osipov MA, Pokrovskii SV, et al. Magnetic Levitation Characteristics of the System of Permanent Magnet Stacks of HTS Tapes of Various Architectures. Physics of Atomic Nuclei. 2021;4(12):1982–1990. doi: 10.1134/S1063778821100045

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Geometry of the simulated system: А – general configuration of the settlement system; Б – diagram of the magnetic system of one bearing

Download (310KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Load characteristics of the HTSC bearing system with horizontal displacement: dependence of the levitation force on the magnitude of the rotor displacement along the central axis of the system

Download (110KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Load characteristics of the HTSC bearing system with radial displacement: dependence of the levitation force on the magnitude of the rotor displacement perpendicular to the central axis of the system

Download (122KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependence of rotation speed of an asymmetrical rotor from time for two full revolutions of the bearing

Download (177KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dependencies of the coefficient of dynamic permeability of the system on bearing rotation speed

Download (158KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Martirosian I.V., Alexandrov D.A., Pokrovskii S.V., Rudnev I.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

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».