Conception, study, optimization, and prototyping of a horizontal axis HTS ZFC radial levitation bearing

António José Arsénio dos Santos Costa

Key information

Authors:

António José Arsénio dos Santos Costa (António José Arsénio dos Santos Costa)

Supervisors:

Paulo José da Costa Branco (Paulo José da Costa Branco); Carlos Baptista Cardeira (Carlos Baptista Cardeira); Mário Rui Melício da Conceição (Mário Rui Melício da Conceição)

Published in

January 12, 2022

Abstract

A maioria das tecnologias de levitação magnética com blocos supercondutores de alta temperatura, adotam o arrefecimento na presença de campo magnético. Apesar deste arrefecimento criar estabilidade, o aquecimento dos blocos é superior ao verificado com o arrefecimento na ausência de campo, pela maior energia magnética nos blocos e perdas de Joule adicionais com o aprisionamento de fluxo magnético. O rolamento estudado, com blocos supercondutores de alta temperatura arrefecidos na ausência de campo, incorpora: i) um rotor com três anéis de magnetos permanentes magnetizados radialmente, a polarização do anel intermédio oposta da dos anéis laterais; ii) um estator com um criostato alojando dois anéis de blocos, cada um dos quais na zona entre anéis de magnetos permanentes adjacentes. A colocação dos blocos no estator permite a construção de um criostato sem junções deslizantes, minimizando as perdas de nitrogénio líquido e melhorando o isolamento térmico. É realizada uma descrição detalhada da conceção e construção dos diversos protótipos experimentais implementados para testar várias geometrias de rolamentos. Descrevem-se as geometrias prototipadas e os materiais usados nos protótipos. Nas montagens e nos protótipos experimentais são usados blocos de óxido de ítrio-bário-cobre e magnetos permanentes de neodímio-ferro-boro. Os protótipos construídos, incluem estatores de poliuretano de alta densidade rígido com câmaras de nitrogénio líquido para alojamento dos blocos e rotores com a estrutura em plástico de ácido polilático impresso para manter os magnetos em anel. São descritos os modelos usados para caracterização dos fenómenos eletromagnéticos e termodinâmicos verificados. Uma análise eletromagnética detalhada implica a resolução de equações não lineares e equações diferenciais parciais no domínio supercondutor. Para reduzir a quantidade de processamento numérico necessário na análise com elementos finitos, é proposto um modelo eletromagnético simplificado de permeabilidade magnética relativa equivalente. As perdas de azoto líquido por mudança de fase e a evolução da temperatura dos blocos supercondutores, para os processos de arrefecimento, aquecimento pela temperatura ambiente ou por indução, são determinadas por análise com elementos finitos 3D e aferidas experimentalmente. A validação de valores apropriados para os parâmetros dos modelos eletromagnéticos é efetuada comparando as forças magnéticas calculadas por análise com elementos finitos 3D e as medidas experimentalmente. A caracterização da dinâmica é feita com base em medições experimentais. Otimizações com decisões baseadas na utilização do algoritmo genético de ordenação não dominada sobre análise em elementos finitos 3D, são efetuadas para minimização do custo e volume do rolamento, ou otimização de espaçamentos entre anéis maximizando a estabilidade de guiamento. Most magnetic levitation technologies using high-temperature superconductor bulks have been proposed and studied using field cooling. Although field cooling creates stability, the heating of the superconductor bulks is higher than with zero-field cooling due to the higher magnetic energy in bulks and to the additional Joule losses from the magnetic flux-pinning. The studied levitation bearing with zero-field cooled high-temperature superconductor bulks comprises: i) a rotor with three radially magnetized permanent magnet rings, the polarization of the middle ring opposite from the two side rings; ii) a stator with a cryostat housing two rings of hightemperature superconductor bulks, each in the zone between adjacent permanent magnet rings. The superconducting bulks in the stator allow the construction of a cryostat without sliding joints, minimizing liquid nitrogen losses and improving thermal insulation. A detailed description of the conception and construction of the several experimental prototypes implemented to test various bearing geometries is performed. The prototyped geometries and the materials used in the prototypes are identified. In experimental setups and prototypes, bulks of yttrium-barium-copper-oxide and permanent magnets of neodymium-iron-boron are used. The bearing experimental prototypes built include stators made of rigid high-density polyurethane with liquid nitrogen chambers to house the bulks and rotors with a structure made of printed acid polylactic plastic to hold the permanent magnet rings. The models used to characterize the verified electromagnetic, thermal, and fluid flow phenomena, are described. A detailed electromagnetic analysis implies the resolution of non-linear and partial differential equations in the superconductor domain. A simplified equivalent magnetic relative permeability model is proposed to reduce the numerical processing required on finite element analysis. The liquid nitrogen mass losses by phase change and the evolution of the temperature from superconductor bulks for the processes of zero-field cooling, heating by the room temperature or induction, are determined by 3D finite element analysis and validated experimentally. The validation of appropriate electromagnetic model parameter values is done by comparing magnetic forces determined by 3D finite element analysis with the ones obtained by experimental measurement. The characterization of dynamics is based on experimental measurements. Optimizations with decisions based on the non-dominated sorting genetic algorithm over 3D finite element analysis are performed to minimize the cost or volume and to optimize the spacings between permanent magnet rings and between rings of bulks, maximizing the guiding stability.