[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种计算高效的二维和三维有限元法（FEM）模型，用于估算堆叠超导带材磁体中的最大捕获磁场，考虑了几何形状、材料特性及工作温度。该模型预测了捕获磁场的理论上限，并通过方形堆叠配置的实验数据进行了验证，实现了高场永磁体应用的快速参数化设计优化。

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.

研究动机与目标

• 确定在实际工作条件下，超导带材堆叠中捕获磁场的物理上限。
• 开发用于预测二维和三维几何形状下最大捕获磁场的计算高效有限元模型。
• 针对方形堆叠配置，将模型预测结果与实验结果进行验证。
• 实现对超导永磁体设计进行快速参数化研究。

提出的方法

• 采用有限元法（FEM）模拟堆叠超导带材中的磁场捕获行为。
• 模型考虑了临界电流密度、堆叠几何形状及工作温度。
• 采用二维轴对称模型与三维全模型方法，以捕捉磁场分布及边缘效应。
• 应用临界态模型描述第二类超导体中的磁通钉扎与磁场捕获行为。
• 仿真框架经过优化以提升速度，从而实现对堆叠尺寸与几何形状的高效参数扫描。
• 将模型输出结果与实验测得的捕获磁场数据进行对比，以验证其准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在给定几何与材料约束条件下，堆叠超导带材中可实现的理论最大捕获磁场是多少？
• RQ2 二维与三维FEM模型在预测捕获磁场分布及峰值值方面有何差异？
• RQ3 仿真结果与方形堆叠配置的实验测量结果在多大程度上吻合？
• RQ4 堆叠尺寸与几何形状如何影响超导磁体中的最大捕获磁场？
• RQ5 所提出的FEM模型能否在超导永磁体应用的参数化设计研究中实现高效应用？

主要发现

• FEM模型成功预测了堆叠超导带材中的最大捕获磁场，与实验数据具有良好的一致性。
• 对于方形堆叠配置，最大捕获磁场随堆叠尺寸增加而提升，但因几何效应与磁通排斥效应而趋于饱和。
• 三维模型比二维轴对称模型更准确地捕捉了边缘效应与磁场不均匀性。
• 模型计算效率高，可实现对多个设计变量的快速参数化研究。
• 捕获磁场的理论上限受材料临界电流密度、几何形状及工作温度的制约。
• 本研究证实，实际磁化技术无法超过模型所预测的物理极限。