[논문 리뷰] Simulation of High Temperature Superconducting Bulks Magnetized by Pulsed Field Magnetization with an Electromagnetic-Thermal Coupled Model

Shengnan Zou, Víctor M. R. Zermeño외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 02.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 10인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 축대칭 전자기-열 연성 모델을 사용하여 고온 초전도체(HTS) 블록의 퉁성 자기장 자화(PFM)를 시뮬레이션하며, 열 발생 및 그가 갇힌 자기장 성능에 미치는 영향을 고려한다. E-J 거듭제곱 법칙과 김의 법칙의 n값과 B₀ 매개변수에 대한 최적화를 도출하고, 기존 분할 코ils보다 우수한 갇힘 자기장을 제공하는 제어된 자기장 밀도 분포 코ils(CMDCs)를 제안한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 전자기적 및 열적 상호작용을 고려한 HTS 블록의 퉁성 자기장 자화(PFM)를 위한 수치 시뮬레이션 프레임워크를 개발한다.
• 비확실한 핵심 HTS 매개변수인 E-J 거듭제곱 법칙의 n값과 김의 법칙의 B₀ 매개변수가 갇힌 자기장 성능에 미치는 영향을 조사한다.
• 분할 코ils의 대안으로서 CMDCs를 제안하고, 자기장 균일성과 갇힘 자기장 강도 향상에 기여하는지를 평가한다.
• 실제 HTS 갇힘 자기장 발전기(TFM) 응용 분야에서 PFM 전략을 최적화하기 위한 설계 지침을 제공한다.

제안 방법

• HTS 재료 내 시간에 따라 변화하는 맥스웰 방정식을 해결하기 위해 H-형식 기반의 축대칭 전자기-열 연성 모델을 개발한다.
• 비선형 저항 거동 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해 n값에 의존하는 E-J 거듭제곱 법칙과 임계 전류 밀도에 대한 김의 법칙을 모델에 통합한다.
• 펄스 자기장 적용 중 에디스 전류에서 발생하는 열 발생을 자가 일관적으로 계산하고 열확산과 결합하여 온도 상승을 모델링한다.
• 유한요소법(FEM) 프레임워크를 사용해 연성 시스템을 해결하여 전류 분포와 갇힌 플럭스를 정확하게 예측한다.
• 제어된 자기장 밀도 분포 코ils(CMDCs)는 비균일한 자기장 원천으로 모델링되어 PFM 동안 자기장 프로파일을 조절한다.
• 기존의 알려진 PFM 거동과의 비교를 통해 모델의 타당성을 검증하고, 매개변수 민감도 분석 및 자기장 강화 효과를 분석하는 데 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 E-J 거듭제곱 법칙의 n값 변화가 HTS 블록의 갇힘 자기장 및 열 발생에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 김의 법칙의 B₀ 매개변수가 펄스 자기장 하에서 HTS 블록의 자화 효율성과 열 안정성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 CMDCs가 적용 자기장 프로파일을 형상화함으로써 기존의 분할 코ils보다 HTS 블록의 갇힘 자기장을 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 PFM 동안의 자기열 발생이 최종 갇힘 자기장에 미치는 영향은 무엇이며, 임계 열 및 전자기적 임계 조건은 무엇인가?

주요 결과

• n값은 갇힘 자기장 크기와 열 발생 속도에 모두 큰 영향을 미치며, 높은 자기장 갇힘과 관리 가능한 온도 상승 사이의 균형을 이루는 최적의 n값이 존재한다.
• 김의 법칙의 B₀ 매개변수는 임계 전류 밀도에 강하게 영향을 미치며, 이는 펄스 자화 조건에서 도달 가능한 최대 갇힘 자기장의 결정 요소가 된다.
• CMDCs는 분할 코ils보다 더 유리한 자기장 기울기를 생성하여 전류 침투를 향상시키고 더 높은 갇힘 자기장 값을 유도한다.
• PFM 중의 열 효과로 인해 일부 구조에서는 갇힘 자기장이 최대 20% 감소하므로, PFM 설계에서 열 관리의 필요성이 뚜렷하다.
• 전자기-열 연성 모델은 자기장 분포와 온도 변화를 정확하게 예측할 수 있어, PFM 프로토콜의 신뢰성 있는 최적화를 가능하게 한다.
• 시뮬레이션 프레임워크를 통해 매개변수 공간을 체계적으로 탐색할 수 있으며, TFM 성능 향상을 위한 n, B₀ 및 코ils 기하학적 형상의 최적 조합을 도출할 수 있다.