Magnetization of High Temperature Superconducting Trapped-Field Magnets

Sowohl massive Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) als auch gestapelte Hochtemperatur-Supraleiter-Bandleiter können als Permanentmagnete verwendet werden, die deutlich höhere Magnetfelder als konventionelle Permanentmagnete bereitstellen. Dies erreichen sie durch den Einschluss des magnetischen Feldes im supraleitenden Zustand. Diese Supraleiter mit eingeschlossenem Magnetfeld (trapped field magnets) sind vielversprechend für eine Vielzahl von elektrischen Anwendungen, die permanente Magnete verwenden. Die gepulste Feldmagnetisierungs- (PFM) Methode, zur Magnetisierung der Supraleiter wird dabei immer interessanter, da sie kosteneffizient, kompakt und flexibel im Einbauzustand angewendet werden kann. ... mehrDies ist entscheidend für die Realisierung von praktischen Anwendungen von trapped field magnets. Die größte Herausforderung der PFM ist, dass die generierten Magnetfelder bisher noch schwächer sind als die durch Feldkühlungs- oder Nullfeldkühlungsmethoden erzeugten Magnetfelder. Dieser Unterschied entsteht durch den Temperaturanstieg bei schnellen Flussänderungen. Die Motivation dieser Arbeit ist es, den dynamisch magnetischen Fluss während der PFM zu untersuchen, zu verstehen und mögliche Strategien zur Verbesserung des trapped fields, produziert durch die PFM, vorzuschlagen.
Für HTS Massivmaterialien werden in dieser Arbeit 2D elektromagnetisch-thermisch gekoppelte Modelle genutzt, um den PFM Prozess zu simulieren. Außerdem werden wichtige Experimente aus der Literatur überprüft. Die Untersuchungen ergeben, dass die Simulationsergebnisse stark parameterabhängig sind und die 2D Modelle, aufgrund der Inhomogenität des HTS Massivmaterials, das Verhalten nicht genau beschreiben können.
HTS Bandleiterstapel werden mit neuartig entwickelten 2D und 3D Modellen, basierend auf der Finiten Elemente Methode, simuliert. Anhand von 2D elektromagnetisch-thermisch gekoppelter Modellierung werden zwei Strategien zur Verbesserung des trapped fields, welches durch die PFM produziert wird, vorgeschlagen. Eine der beiden Methoden verwendet eine Spule zur Flussdichteverteilung. Dieser magnetisiert den Stack. Bei dem anderen wird eine optimale Pulssequenz mit einem Anfangspuls, der groß genug ist und aufeinanderfolgenden Pulsen von absteigenden Amplituden mit infinitesimalen Intervallen verwendet. Die zweite Strategie wurde qualitativ durch Experimente validiert. Anhand von 3D Modellierung wird ein quadratisch, flacher Stack und ein gekrümmter Stack untersucht. Der gekrümmte Stack ist aufgrund seiner geometrischen Anwendbarkeit für elektrische Maschinen von Interesse. Die magnetische Feldverteilung von flachen und gekrümmten Stacks, die durch Feldkühlung magnetisiert werden, wird mit 3D statischen Modellen kalkuliert und die Ergebnisse stimmen quantitativ mit experimentellen Messungen überein. Bei Verwendung von 2D und 3D elektromagnetisch-thermisch gekoppelten Modellen werden die durch PFM magnetisierten flachen und gekrümmten Stacks simuliert. Zur Beschleunigung der Simulationen wird während der Gittererstellung auf eine gleiche Gittergröße geachtet. 2D und 3D Modelle liefern für die Berechnung des trapped fields für einen flachen, quadratischen Stack nahezu ähnliche Ergebnisse. Diese Ergebnisse stimmen quantitativ mit den in der Literatur angezeigten Ergebnissen überein. Die gekrümmten und flachen Stacks, die durch die PFM magnetisiert wurden, zeigen ein ähnliches Verhalten. Die magnetische Feldverteilung von einem gekrümmten Stack verändert sich durch geometrische Deformation, was qualitativ durch Experimente bestätigt wurde.
Diese Arbeit repräsentiert den Stand der Technik über die Simulation für HTS beschichtete Leiterstacks, die magnetisiert wurden. Zum ersten Mal wurde deren elektromagnetisch und thermisches Verhalten in 3D und ohne vereinfachte Annahmen der geometrischen Struktur in 2D simuliert.

High temperature superconducting (HTS) bulks and stacks of coated conductors can be magnetized to become trapped field magnets that provide much stronger magnetic fields than those reachable with conventional permanent magnets. The trapped field magnets are promising for a variety of electrical applications that use permanent magnets. The pulsed field magnetization (PFM) method is attracting attention as it can provide cost-effective, compact and flexible in situ magnetization, which is critical for realizing practical applications of trapped field magnets. The key challenge of PFM is that the produced trapped fields are generally lower than those produced by field cooling or zero field cooling methods due to the temperature increase caused by fast flux motions. ... mehrThe motivation of this work is to investigate and understand the flux dynamics during PFM and to propose possible strategies to improve the trapped field produced by PFM.
For HTS bulks, 2D electromagnetic-thermal coupled models are used to simulate the PFM process and relevant experiments in the literature are reviewed. The findings are that the simulation results are highly parameter dependent and 2D models cannot properly describe HTS bulks due to inhomogeneity of HTS bulks.
Stacks of HTS coated conductors are simulated with newly developed 2D and 3D models based on the finite element method. By means of 2D electromagnetic-thermal coupled modelling, two strategies are proposed to improve the trapped field produced by PFM. One is to use controlled magnetic density distribution coils to magnetize the stack. The other is to apply an optimal pulse sequence with a large enough initial pulse and successive pulses of descending amplitudes with infinitesimal intervals. The second strategy is qualitatively validated by experiments. With 3D modelling, a square flat stack and a curved stack are investigated. The curved stack is of interest because of its geometrical applicability for electrical machines. The magnetic field distributions of flat and curved stacks magnetized by field cooling is calculated with 3D static models and the results quantitatively agree with experimental measurements. Using 2D and 3D electromagnetic-thermal coupled models, the flat and curved stacks magnetized by PFM are simulated. Homogenization and mesh techniques are used to speed-up the simulations. It is found that 3D and 2D models obtain close trapped fields for a flat square stack and the results quantitatively agree with experiments reported in the literature. The curved and flat stacks magnetized by PFM show similar behaviors. The magnetic field distribution of a curved stack is changed due to geometrical deformation, which is qualitatively validated by experiments.
The numerical models developed and used in this thesis work constitute the state-of-the-art simulation tools for investigating the magnetization of HTS coated conductor stacks: for the first time, the electromagnetic and thermal behavior of such stacks was simulated in 3D, and without simplifying assumptions on the geometrical structure in 2D.