[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种基于H形式的轴对称电磁-热耦合模型，用于模拟高温超导（HTS）块材的脉冲磁场磁化（PFM），考虑了发热及其对捕获磁场性能的影响。研究确定了E-J幂律中的n值和Kim定律中的B₀参数的最优值，并提出了受控磁感应密度分布线圈（CMDCs），其可提升传统分体线圈的捕获磁场性能。

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.

研究动机与目标

• 开发一种考虑电磁与热耦合效应的HTS块材脉冲磁场磁化（PFM）数值模拟框架。
• 研究关键但不确定的HTS参数——E-J幂律中的n值和Kim定律中的B₀参数——对捕获磁场性能的影响。
• 提出并评估CMDCs作为分体线圈的替代方案，以提升磁场均匀性与捕获磁场强度。
• 为实际HTS捕获磁场磁体（TFM）应用中的PFM策略优化提供设计指导。

提出的方法

• 基于H形式构建轴对称电磁-热耦合模型，求解HTS材料中的时变麦克斯韦方程。
• 模型结合了具有n值依赖性的E-J幂律和Kim定律以描述临界电流密度，可模拟非线性电阻行为。
• 在脉冲磁场施加过程中，自洽计算涡流引起的发热，并与热扩散方程耦合以模拟温度上升。
• 采用有限元法（FEM）框架求解耦合系统，实现对电流分布与捕获磁通的精确预测。
• 将受控磁感应密度分布线圈（CMDCs）建模为非均匀磁场源，以在PFM过程中调控磁场分布。
• 通过与已知PFM行为对比验证模型，并用于分析参数敏感性与磁场增强效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 E-J幂律中的n值变化如何影响HTS块材在PFM过程中的捕获磁场与发热速率？
• RQ2 Kim定律中的B₀参数对HTS块材在脉冲磁场下的磁化效率与热稳定性有何影响？
• RQ3 CMDCs能否通过调节施加磁场分布，优于传统分体线圈以增强HTS块材的捕获磁场？
• RQ4 PFM过程中的自发热如何影响最终捕获磁场？其关键的热与电磁阈值是什么？

主要发现

• n值显著影响捕获磁场大小与发热速率；最优n值可在高场捕获与可管理的温升之间实现平衡。
• Kim定律中的B₀参数强烈影响临界电流密度，从而决定脉冲激励下可实现的最大捕获磁场。
• CMDCs产生的磁场梯度优于分体线圈，有助于改善电流渗透并获得更高的捕获磁场值。
• PFM过程中的热效应在某些结构中可使捕获磁场降低高达20%，凸显了PFM设计中热管理的重要性。
• 电磁-热耦合模型能准确预测磁场分布与温度演化，支持PFM协议的可靠优化。
• 该模拟框架可系统探索参数空间，识别出提升TFM性能的最优n、B₀及线圈几何组合。