بخشی از مقاله
چکیده
بهمنظور استفاده از نوارهای منیزیم دی بوراید در دستگاههای الکتریکی متناوب، بسیار مهم است که قادر به درک ویژگیهای ماده منیزیم دی بوراید در شرایط الکترومغناطیسی متناوب یک برآورد دقیق از تلفات متناوب داشته باشیم. تلفات متناوب در نوار ابررسانا توسط یک متغییر با زمان مانند جریان متناوب و میدان مغناطیسی تولید و منجر به ایجاد گرما در ابررسانا میشود.
بر این اساس کاهش تلفات متناوب نقشی کلیدی در بهبود نسبت هزینه بر عملکرد مواد ابررساناها دارد و مطالعه و تحقیق پیرامون تلفات متناوب حائز اهمیت میباشد. در این مقاله، شبیهسازی نوار ابررسانای منیزیم دی بوراید به روش اجزاء محدود با نرم افزار تجاری کامسول انجام شده، که راهحل آسان و برای بسیاری از هندسههای پیچیده مناسب میباشد. همچنین برای توزیع چگالی جریان و میدان مغناطیسی و همچنین محاسبه تلفات متناوب ابررسانا از فرمولاسیون H استفاده شده است.
مقدمه
ابررساناهای دما بالا به خوبی برای برنامههای کاربردی در مقیاس بزرگ مناسب میباشند. استفاده از نیتروژن مایع بهعنوان یک سیستم خنک کننده هزینههای سیستم برودتی را نسبت به ابررساناهای دما پایین که با هلیوم مایع خنک شده را کاهش میدهد. بهمنظور استفاده بهتر از ابررسانای دما بالا در زمینههای مختلف فعالیتهای پژوهشی در ابتدا بر روی موضوعات زیر از قبیل, درک مکانیزم تلفات جریان متناوب در ابررساناها و تلاش برای کاهش آن، افزایش سطح مقطع موثر ابررسانای حامل جریان، کاهش قیمت مواد ابررسانا با توسعه تکنولوژی و تولید انبوه و بهبود مشخصه جریان بحرانی وابسته به میدان مغناطیسی متمرکز شده است.
ماده منیزیم دی بوراید در سال 2001 در دمای 39 درجه کلوین کشف گردید[1]، از زمان کشف آن، پیشرفتهای قابل توجهی در خواص مواد ابررسانای منیزیم دی بوراید بدست آمده که با تلفیق آن آخرین نسل از سیم و نوار ساخته شده است. ماده منیزیم دی بوراید یکی از ابررساناهای نوع دوم حال حاضر میباشند، که دارای تکنولوژی ساخت مناسب بوده و بهصورت هادیهای تجاری در دسترس میباشد. محصول نهایی ساخته شده از منیزیم دیبوراید میتواند به صورت نوار تک یا چند رشته باشد.
همچنین هادیهای منیزیم دیبوراید باعث کاهش اندازه رشته، افزایش جداسازی رشته، کاهش نسبت سایز سیم، کاهش طول پیچخورده میشوند. مقاله [2]، بهطور عمده بر تاثیر ترتیب و شکافهای مختلف بر روی تلفات متناوب متمرکز شده است. مدلهای آرایش عمودی و افقی از دو نوار بر اساس مدل کلم راهاندازی شده و یک مدل محاسبات عددی دو بعدی بر اساس فرمول H در نرم افزار اجزاء محدود کامسول مورد استفاده قرار گرفته است. علاوه بر این، برای بدست آوردن محیط الکترومغناطیسی واقعی از مدلهای مختلف، با استفاده از نرم افزار کامسول برای شبیهسازی توزیع میدان مغناطیسی از دو مدل استفاده شده است.
در نهایت، به منظور اعتبارسنجی مدل ارائه شده، نمونهای از نوار مورد آزمایش قرار گرفته است. نتایج نشان میدهد، که تلفات متناوب این دو مدل با افزایش شکاف کاهش مییابد و تاثیر تغییر شکاف در تلفات متناوب از مدل آرایش عمودی، بزرگتر از مدل آرایش افقی میباشد. در مقاله [3]، تلفات متناوب در دو ابررسانای منیزیم دیبوراید یک سیم با 36 رشته و غلاف مونل و دیگری نوار با غلاف تیتانیوم در طیف گسترهای از دامنه متناوب و فرکانس 18 کیلو هرتز در شرایط مختلف دما و سطوح جریان مستقیم مقایسه شده است، که تاثیر شدیدی از مواد غلاف بر روی تلفات متناوب یافت شده است.
سیم با غلاف مونل یک نقش غیرخطی از مواد مغناطیسی را نشان میدهد. غلاف مونل تلفات را بهعنوان روش اشباع در جریان مستقیم کاهش میدهد. در مقابل، تلفات در نوار با غلاف تیتانیوم عملا مستقل از سطح جریان مستقیم میباشد. تلفات سیم مونل برای کل طیف از پارامترهای اندازهگیری شده کوچکتر است. با توجه به نتایج، توسعه بیشتر سیمها و نوارها منیزیم دی بوراید غیر مغناطیسی با تلفات کم برای برنامههای کاربردی شامل قرار گرفتن در معرض جریان متناوب در فرکانس سوئچینگ میشود. جریان مستقیم بر تلفاتهای متناوب در نوار تیتانیوم اثر نمیگذارد.
از سوی دیگر، مولفه جریان مستقیم در سیم با غلاف مونل باعث کاهش چشمگیر تلفات میشود. مقاله [4]، به مقایسه تلفات جریان متناوب دو نمونه مختلف منیزیم دیبوراید و مدل شبیهسازی شده در دما و میدانهای مغناطیسی مختلف پرداخته است. در این مقاله با توجه به اینکه بیشتر تلفات جریان متناوب در ابررساناهای دما بالا مربوط به قسمت فلزی نوارها میباشد، پیشنهاد شده است به جای استفاده از فلزات معمول در ساختار ماتریکس ابررساناها، از فلز تیتانیوم - Ti - استفاده شود.
سیمهایی که با این فلزات ساخته میشوند، علاوه بر داشتن قیمت ارزانتر و امکان ساخت در طولهای بلند، دارای استقامت بالا، سبکتر بودن و تقریبا غیر مغناطیسی میباشند. در مقاله [5]، با توجه به نتایج حاصل از پیچش، خمش و فشار بر روی رشتههای نوار مختلف و هندسه مشخصات خلاصه میشود. مدل اجزاء محدود برای تست فشار عرضی توسعه داده شده، و به اعتبار نتایج تست، طرحهای پیشنهادی استفاده شده است. اثر نسبت ابعاد پشته، خواص نوار، ناهمسانگردی و همچنین انتخاب مواد ابررسانای دما بالا برای رشتهها، مورد بحث قرار گرفته است.
بهطور خلاصه، نتایج تجربی و عددی بر خواص مکانیکی و الکتریکی رشتهها در این مقاله ارائه شده است که لحیم کاری اجزای رشته - پروفیل مس و نوار ابررسانای دما بالا - بعد از چرخش با پروفیلهای مس ساخته میشوند. محدودیت برای گام پیچ و شعاع خمش کاهش مییابد. از طرفی، استفاده از نوار باریکتر مطلوب است، زیرا تنها تغییرات مثبت را نمایش و تراکم جریانی رشته را افزایش و تلفات هیسترزیس را کاهش میدهد.
مقاله [6]، بر روی تلفات متناوب از نوارهای ابررسانای دما بالا بهصورت افقی موازی مطالعه شده، که از سه نوار موازی استفاده شده است. تلفاتهای متناوب از نوار وسط و انتهای سه نوار موازی با استفاده از روش الکتریکی اندازهگیری و با مقادیر یک نوار جداگانه مقایسه شده است. اثر متقابل بین نوارها در تلفات متناوب مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است، و شبیهسازی با روش اجزاء محدود و با استفاده از فرمول H در نرم افزار کامسول اجرا و مورد مقایسه قرار گرفته است.
با استفاده از شبیهسازی اجزاء محدود، موارد افزایش تعداد نوارهای موازی در نظر گرفته شده، و نسبت نرمال شده بین کل میانگین تلفات متناوب در هر نوار و تلفات متناوب یک نوار واحد برای فاصلههای مختلف محاسبه شده است. تجزیه و تحلیل نشان میدهد که نوارهای افقی موازی ابررسانای دما بالا میتواند بهطور بالقوه در دستگاههای ابررسانایی مانند ترانسفورماتورهای ابررسانای دما بالا مورد استفاده قرار گیرد که میتواند موجب کاهش میانگین کل تلفات متناوب در هر نوار با تعداد زیادی از نوارهای موازی شود.
مقاله [7]، به دلایل اقتصادی ماشین آلات ابررسانای دما بالا، مانند موتورها و ژنراتورها، برای استفاده از یک هسته آهن و برای کاهش طول نوار ابررسانای دما بالا طراحی شدهاند. در این شرایط، نوارهای ابررسانای دما بالا در هسته آهن قرار میگیرند و جریان متناوب انتقالی در داخل میدان مغناطیسی نشت میکند. این مقاله، تاثیر ساختار هسته آهن در خصوص ویژگیهای تلفات متناوب را بررسی میکند. هسته آهن ترانسفورماتور با حذف یک قطعه مستطیل شکل اصلاح شده و سپس نوار ابررسانای دما بالا در فرورفتگی مستطیلی قرار میگیرد. نوارهای ابررسانای دما بالا در موقعیتهای مستطیلی مختلف قرار داده شدهاند
در تمام شرایط، تلفات جریان انتقالی بیشتر از تلفات تجربی میباشد. هنگامیکه نوار ابررسانای دما بالا بدون هسته آهن باشد، میدان مغناطیسی نشتی باعث تولید تلفات متناوب مغناطش میشود. در مقاله [8]، معادلات انتگرال برای نوارهای نازک ابررسانا با درجه حرارت بالا و چند ضلعی مرتب را با روش اجزاء محدود حل میکند. ابررسانا با قانون توان غیر خطی مدلسازی شده است، که امکان بررسی وابستگی پارامترها به میدان مغناطیسی یا موقعیتها را فراهم میکند. تلفات متناوب برای انواع تنظیمات هندسی و مقادیر مختلف جریان انتقالی محاسبه شده است. تفاوتها با توجه به مدلهای تحلیلی موجود، که در چارچوب مدل حالت بحرانی و تنها برای مقادیر معینی از جریان انتقالی توسعه یافته، اشاره شده است.
در این مقاله، نوار ابررسانای منیزیم دی بوراید به روش اجزاء محدود و با نرم افزار کامسول شبیهسازی شده است. چگالی میدان این نوار مورد بررسی قرار گرفته و همچنین، تلفات متناوب نوار منیزیم دی بوراید محاسبه شده و با نوار ابررسانای اکسید دوتریم باریم مقایسه گردیده است.
مدلسازی تلفات متناوب نوار ابررسانای منیزیم دی بوراید به روش اجزاء محدود
مدلسازی مورد استفاده برای محاسبه تلفات متناوب در نرم افزار کامسول [9] توسعه داده شده است. برای سهولت در مدلسازی و گرفتن نتایج مناسب و محاسبات کمتر، تنها لایه ابررسانا و هوا مدل شده است. فرمول-H بیشتر برای محاسبه تلفات ابررساناها و همچنین توزیع چگالی جریان و میدان مغناطیسی مورد استفاده قرار میگیرد. استفاده از عناصر خطی باعث بهبود پایداری و سرعت فرمول-H میشود.
