[논문 리뷰] Estimation of maximum possible trapped field in superconducting permanent magnets in 2D and 3D

Víctor M. R. Zermeño, Algirdas Baskys외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 06.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 14인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 기하학적 구조, 재료 특성 및 작동 온도를 고려하여 쌓인 초전도 테이프 마그네틱스에서의 최대 갇힌 자기장 추정을 위한 계산 효율성이 뛰어난 2차원 및 3차원 유한요소법(FEM) 모델을 제시한다. 모델들은 정사각형 스택 구성을 기준으로 실험 데이터와의 검증을 통해 이론적 최상한 값을 예측하며, 고자기장 영구자석 응용 분야의 빠른 파arametric 설계 최적화를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실제 작동 조건 하에서 초전도 테이프 스택에서 갇힌 자기장의 물리적 최상한 한계를 규명하는 것.
• 2차원 및 3차원 기하구조에서 최대 갇힌 자기장을 예측하기 위한 계산 효율성이 뛰어난 유한요소법(FEM) 모델을 개발하는 것.
• 정사각형 스택 구성에 대한 모델 예측을 실험 결과와 비교하여 검증하는 것.
• 초전도 영구자석 설계 최적화를 위한 빠른 파arametric 연구를 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 유한요소법(FEM)을 사용하여 쌓인 초전도 테이프에서 자기장 갇힘 현상을 시뮬레이션한다.
• 모델은 임계 전류 밀도, 스택의 기하학적 구조, 작동 온도를 모두 고려한다.
• 축대칭 2D 및 전면 3D 모델 접근 방식을 사용하여 자기장 분포 및 가장자리 효과를 반영한다.
• 타입-II 초전도체에서의 플럭스 편재 및 자기장 갇힘 거동을 기술하기 위해 임계 상태 모델을 적용한다.
• 스택 크기 및 기하학적 구조에 대한 다수의 설계 변수에 대해 효율적인 파arametric 스윕을 가능하게 하기 위해 시뮬레이션 프레임워크를 최적화한다.
• 모델 출력 결과를 실험적 갇힌 자기장 측정치와 비교하여 정확도를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주어진 기하학적 및 재료 제약 조건 하에서 초전도 테이프 스택에서 달성 가능한 이론적 최대 갇힌 자기장은 무엇인가?
• RQ2 2D 및 3D FEM 모델은 갇힌 자기장 분포 및 최대값 예측에서 어떻게 상호 비교되는가?
• RQ3 정사각형 스택 구성에 대해 시뮬레이션 결과가 실험 측정치와 얼마나 일치하는가?
• RQ4 스택 크기 및 기하학적 구조는 초전도 마그네틱스에서 최대 갇힌 자기장에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 FEM 모델은 초전도 영구자석 응용 분야에서 파arametric 설계 연구에 효율적으로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• FEM 모델은 실험 데이터와 양호한 일치를 보이며 쌓인 초전도 테이프에서 최대 갇힌 자기장을 성공적으로 예측한다.
• 정사각형 스택 구성에서는 스택 크기가 증가함에 따라 최대 갇힌 자기장이 증가하지만 기하학적 요소 및 플럭스 배제 효과로 인해 포화 현상이 발생한다.
• 3D 모델은 축대칭 2D 모델보다 가장자리 효과 및 자기장 비균일성을 더 정확히 반영한다.
• 모델들은 계산 효율성이 뛰어나 다양한 설계 변수에 대해 빠른 파arametric 연구를 가능하게 한다.
• 이론적 최대 갇힌 자기장은 재료의 임계 전류 밀도, 기하학적 구조 및 작동 온도에 의해 제약을 받는다.
• 본 연구는 실질적인 자화 기술이 모델이 예측한 물리적 한계를 초과할 수 없다는 것을 확인한다.