Design methods of superconducting bearings for flywheel energy storage system applications

Abstract

This thesis addresses advances in the phenomenological modeling of electromagnetic forces resulting from interactions between high-temperature superconductors and permanent magnets. This is established by developing design methods for a Superconducting Magnetic Bearing (SMB), which is intended for Flywheel Energy Storage Systems (FESS) applications. In this bearing, superconducting bulks in the shape of bricks are fixed to the interior of a Teflon cryostat, forming a segmented stator. The concepts of superconductivity are reviewed, and formulations based on Maxwell’s equations are introduced, which should be numerically solved through the Finite Element Method (FEM) in COMSOL Multiphysics. At this point lies the major achievement of the work, whereby coupling the Magnetic Vector Potential with the Current Vector Potential, a homogenization technique combined with magnetic field identity pairs and moving meshes is employed to simulate the entire bearing geometry. Pilots are built to determine modeling parameters and prepare the groundwork to assemble the bearing prototype. It is also evaluated how the magnets that constitute the bearing rotor are affected by cryogenic temperatures.

Esta tese aborda avanços na modelagem fenomenológica de forças eletromagnéticas resultantes de interações entre supercondutores de alta temperatura e ímãs permanentes. Isso é estabelecido por meio de métodos de modelagem para um Rolamento Magnético Supercondutor, destinado a aplicações em sistemas de armazenamento de energia em volantes de inércia. Neste rolamento, blocos supercondutores em forma de tijolos são fixados ao interior de um criostato de Teflon, formando um estator segmentado. Revisa-se conceitos de supercondutividade e são introduzidas formulações baseadas nas equações de Maxwell, que devem ser resolvidas numericamente pelo Método de Elementos Finitos no COMSOL Multiphysics. Neste ponto reside a maior contribuição do trabalho, ao acoplar o Potencial Vetor Magnético com o Potencial Vetor de Corrente, uma técnica de homogeneização combinada com pares de identidade de campo e malhas móveis é empregada para simular a geometria completa do rolamento. Pilotos são construídos para determinar os parâmetros de modelagem e preparar a base de conhecimento para montar o protótipo do rolamento. Avalia-se também como os ímãs que constituem o rotor do rolamento são afetados pelas temperaturas criogênicas.