[論文レビュー] Simulation of High Temperature Superconducting Bulks Magnetized by Pulsed Field Magnetization with an Electromagnetic-Thermal Coupled Model

Shengnan Zou, Víctor M. R. Zermeño+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2015

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 10被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、高温超伝導体（HTS）バルクのパルス磁化（PFM）をシミュレートするために、H形式に基づく軸対称な電磁熱結合モデルを提示する。このモデルは、発熱とその磁束捕捉性能への影響を考慮している。E-Jのべき乗則における最適なn値およびKimの法則におけるB₀パラメータの特定に加え、従来のスプリットコイルに代わる磁束密度分布を制御可能なコイル（CMDC）の提案も行っている。CMDCは、従来のスプリットコイルに比べて磁束捕捉性能を向上させる。

ABSTRACT

High temperature superconducting (HTS) bulks can be magnetized to become powerful trapped field magnets (TFMs), which are promising for high-performance electrical applications. To magnetize such TFMs, pulsed field magnetization (PFM) is supposed to substitute field cooling (FC) to provide in situ magnetization. However, the heat generation during PFM, which reduces the trapped field has always been an issue, so numerical simulation of the process is important to provide optimal magnetization strategies. In this paper, HTS bulks magnetized by PFM are simulated with an axisymmetric electromagnetic-thermal coupled model based on H-formulation. Influences of important yet difficult-to-characterize parameters of HTS bulks including n values in the E-J Power Law and B0 in the Kim's Law are investigated. Furthermore, controlled magnetic density distribution coils (CMDCs) which generate a non-uniform field are suggested to further improve the trapped field of HTS bulks compared to split coils proposed previously.

研究の動機と目的

• HTSバルクのパルス磁化（PFM）を数値的にシミュレートするフレームワークの開発。電磁気的および熱的結合を考慮する。
• 磁束捕捉性能に影響を与えるが、不確実性の高いHTSパラメータ（E-Jのべき乗則におけるn、Kimの法則におけるB₀）の影響の解明。
• スプリットコイルの代替としてのCMDCの提案と評価。磁束密度の均一性および磁束捕捉強度の向上を目的とする。
• 実用的なHTS磁束捕捉磁石（TFM）応用におけるPFM戦略の最適化ガイドラインの提供。

提案手法

• HTS材料における時間依存マクスウェル方程式を解くために、H形式に基づく軸対称な電磁熱結合モデルを構築した。
• 非線形な抵抗性挙動を再現できるように、n値に依存するE-Jのべき乗則と臨界電流密度に適用するKimの法則をモデルに組み込んだ。
• パルス磁場印加時の渦電流による発熱を自己一貫的に計算し、熱拡散と結合させることで、温度上昇をモデル化した。
• 有限要素法（FEM）フレームワークを用いて連成系を解き、電流分布および捕捉フラックスの正確な予測を可能にした。
• 磁束密度分布を制御可能なコイル（CMDC）を、非一様な磁場源としてモデル化し、PFM中の磁場プロファイルを調整可能とした。
• 既知のPFM挙動との比較を通じてモデルを検証し、パラメータ感度分析および磁場強化効果の評価に用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 E-Jのべき乗則におけるn値の変動が、HTSバルクのPFMにおける磁束捕捉量および発熱に与える影響は何か？
• RQ2 Kimの法則におけるB₀パラメータが、パルス磁場下におけるHTSバルクの磁化効率および熱的安定性に与える影響は何か？
• RQ3 CMDCは、適用磁場プロファイルを形状制御することで、従来のスプリットコイルを上回る磁束捕捉性能を実現できるか？
• RQ4 PFM中の自己発熱が最終的な磁束捕捉量に与える影響は何か？また、臨界的な熱的および電磁的閾値は何か？

主な発見

• n値は磁束捕捉量の大きさおよび発熱の進行割合に顕著な影響を及ぼす。最適なn値は、高い磁束捕捉と管理可能な温度上昇の両立を可能にする。
• Kimの法則におけるB₀パラメータは、臨界電流密度に強く影響を与え、結果としてパルス励起下での最大磁束捕捉量を決定づける。
• CMDCはスプリットコイルよりもより好都合な磁場勾配を生成し、電流の浸透性が向上し、より高い磁束捕捉値が得られる。
• PFM中の熱的効果により、一部の構成では磁束捕捉量が最大20％低下することが判明。これにより、PFM設計における熱管理の重要性が強調された。
• 電磁気的・熱的結合モデルは、磁場分布および温度変化の進捗を正確に予測でき、PFMプロトコルの信頼性ある最適化を可能にする。
• シミュレーションフレームワークにより、n、B₀およびコイル形状の最適な組み合わせを系統的に探索可能となり、TFM性能の向上に寄与した。