Magnetization of High Temperature Superconducting Trapped-Field Magnets

Sowohl massive Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) als auch gestapelte Hochtemperatur-Supraleiter-Bandleiter konnen als Permanentmagnete verwendet werden, die deutlich hohere 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 fur 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 fur die Realisierung von praktischen Anwendungen von trapped field magnets. Die groste Herausforderung der PFM ist, dass die generierten Magnetfelder bisher noch schwacher sind als die durch Feldkuhlungs- oder Nullfeldkuhlungsmethoden erzeugten Magnetfelder. Dieser Unterschied entsteht durch den Temperaturanstieg bei schnellen Flussanderungen. Die Motivation dieser Arbeit ist es, den dynamisch magnetischen Fluss wahrend der PFM zu untersuchen, zu verstehen und mogliche Strategien zur Verbesserung des trapped fields, produziert durch die PFM, vorzuschlagen. Fur HTS Massivmaterialien werden in dieser Arbeit 2D elektromagnetisch-thermisch gekoppelte Modelle genutzt, um den PFM Prozess zu simulieren. Auserdem werden wichtige Experimente aus der Literatur uberpruft. Die Untersuchungen ergeben, dass die Simulationsergebnisse stark parameterabhangig sind und die 2D Modelle, aufgrund der Inhomogenitat des HTS Massivmaterials, das Verhalten nicht genau beschreiben konnen. 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 gros 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 gekrummter Stack untersucht. Der gekrummte Stack ist aufgrund seiner geometrischen Anwendbarkeit fur elektrische Maschinen von Interesse. Die magnetische Feldverteilung von flachen und gekrummten Stacks, die durch Feldkuhlung magnetisiert werden, wird mit 3D statischen Modellen kalkuliert und die Ergebnisse stimmen quantitativ mit experimentellen Messungen uberein. Bei Verwendung von 2D und 3D elektromagnetisch-thermisch gekoppelten Modellen werden die durch PFM magnetisierten flachen und gekrummten Stacks simuliert. Zur Beschleunigung der Simulationen wird wahrend der Gittererstellung auf eine gleiche Gittergrose geachtet. 2D und 3D Modelle liefern fur die Berechnung des trapped fields fur einen flachen, quadratischen Stack nahezu ahnliche Ergebnisse. Diese Ergebnisse stimmen quantitativ mit den in der Literatur angezeigten Ergebnissen uberein. Die gekrummten und flachen Stacks, die durch die PFM magnetisiert wurden, zeigen ein ahnliches Verhalten. Die magnetische Feldverteilung von einem gekrummten Stack verandert sich durch geometrische Deformation, was qualitativ durch Experimente bestatigt wurde. Diese Arbeit reprasentiert den Stand der Technik uber die Simulation fur 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.