Magnetization of High Temperature Superconducting Trapped-Field Magnets
Creators: name: Zou, Shengnan
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2017
Subjects: High temperature superconductor
trapped-field magnet
pulsed field magnetization

description: 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. Dies 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.