[論文レビュー] Estimation of maximum possible trapped field in superconducting permanent magnets in 2D and 3D

Víctor M. R. Zermeño, Algirdas Baskys+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2016

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 14被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、幾何形状、材料特性、動作温度を考慮して、積層した超伝導テープ磁石における最大閉じ込め磁界を推定する計算的に効率的な2次元および3次元有限要素法（FEM）モデルを提示する。モデルは正方形スタック構成について実験データと照合された理論的上限を予測し、高磁界用途向けの永久磁石の迅速なパラメトリック設計最適化を可能にする。

ABSTRACT

The ability of stacks of superconducting tapes to trap large magnetic fields makes them ideal candidates for creating powerful permanent magnets of compact size and mass. Experimentally, several techniques are used to trap the maximum possible field in a given practical application. However, regardless of the magnetization method used, there is a physical limit to the maximum magnetic field that a given superconducting magnet can trap. This limit is given by the geometric design, the particular superconducting material used and the temperature of operation. Knowing the maximum possible trapped field is important for device design as it provides an upper limit for applications such as magnetic bearings or rotating machinery. In this work we present a collection of finite element method (FEM) models in 2D and 3D capable of estimating the maximum trapped field of stacked tape superconducting magnets. The models are computationally fast and can be used to perform parametric studies with ease. For the case of square stacks tape magnets, various sizes are considered and their estimated maximum trapped field is compared with experimental results.

研究の動機と目的

• 実用的動作条件下における超伝導テープスタックにおける閉じ込め磁界の物理的上限を特定すること。
• 2次元および3次元幾何形状における最大閉じ込め磁界を予測する計算的に効率的な有限要素モデルの開発。
• 正方形スタック構成について、モデルの予測を実験結果と照合すること。
• 超伝導永久磁石の設計最適化に向けた迅速なパラメトリックスタディを可能にすること。

提案手法

• 有限要素法（FEM）を用いて、積層した超伝導テープ内の磁界閉じ込めをシミュレートする。
• モデルは、臨界電流密度、スタックの幾何形状、動作温度を考慮する。
• 磁界分布および端効果を捉えるために、2次元軸対称モデルと3次元フルモデルの両方を用いる。
• タイプII超伝導体におけるフラックスピンナイングおよび磁界閉じ込め挙動を記述するために、臨界状態モデルを適用する。
• スタックサイズや幾何形状を横断するパラメトリックスイープを効率的に行えるよう、シミュレーションフレームワークを最適化する。
• モデル出力を実験的閉じ込め磁界測定値と比較して、正確性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 与えられた幾何形状および材料制約下で、超伝導テープスタックが達成可能な理論的最高閉じ込め磁界は何か？
• RQ2 2次元および3次元FEMモデルは、閉じ込め磁界分布およびピーク値の予測においてどのように比較されるか？
• RQ3 正方形スタック構成について、シミュレーション結果はどの程度実験測定値と一致するか？
• RQ4 スタックサイズおよび幾何形状は、超伝導磁石における最大閉じ込め磁界にどのように影響するか？
• RQ5 提案されたFEMモデルは、超伝導永久磁石応用におけるパラメトリック設計スタディに効率的に使用可能か？

主な発見

• FEMモデルは、実験データと良好に一致する精度で、積層超伝導テープにおける最大閉じ込め磁界を成功裏に予測した。
• 正方形スタック構成では、スタックサイズが増加するにつれて最大閉じ込め磁界が上昇するが、幾何的要因およびフラックス遮断効果により飽和する。
• 3次元モデルは、2次元軸対称モデルに比べて、端効果および磁界の不均一性をより正確に捉えている。
• モデルは計算的に効率的であり、複数の設計変数を横断する迅速なパラメトリックスタディを可能にしている。
• 理論的上限としての閉じ込め磁界は、材料の臨界電流密度、幾何形状、動作温度によって制限される。
• 本研究は、実用的な磁化技術が、モデルが予測する物理的上限を超えることはできないことを確認した。