Modélisations numériques des pertes en régime variable dans des tubes supraconducteurs

Les pertes AC dans les câbles supraconducteurs générées par un environnement variable dans le temps impactent la cryogénie et donc la faisabilité industrielle des dispositifs supraconducteurs. Nexans est aujourd'hui sur le point de réaliser des fils cylindriques supraconducteurs pour des câbles de forte puissance. Aucune étude numérique n'a pour l'instant porté sur le calcul des pertes AC dans un ou plusieurs tubes. Cet article présente les étapes de création d'un modèle de calcul de pertes à l'aide d'un logiciel d'éléments finis pour une nouvelle géométrie :tube ou cylindre supraconducteur. La non-linéarité des formules E-J ainsi que les problèmes de convergence ont été traités par l'implémentation d'une formulation en H pour la résolution numérique. Les résultats ont été comparés aux formules analytiques. Dans le but de vérifier l'exactitude du modèle, une série de mesures expérimentales a aussi été réalisée sur un ruban supraconducteur industriel.</p

Large expert-curated database for benchmarking document similarity detection in biomedical literature search

Document recommendation systems for locating relevant literature have mostly relied on methods developed a decade ago. This is largely due to the lack of a large offline gold-standard benchmark of relevant documents that cover a variety of research fields such that newly developed literature search techniques can be compared, improved and translated into practice. To overcome this bottleneck, we have established the RElevant LIterature SearcH consortium consisting of more than 1500 scientists from 84 countries, who have collectively annotated the relevance of over 180 000 PubMed-listed articles with regard to their respective seed (input) article/s. The majority of annotations were contributed by highly experienced, original authors of the seed articles. The collected data cover 76% of all unique PubMed Medical Subject Headings descriptors. No systematic biases were observed across different experience levels, research fields or time spent on annotations. More importantly, annotations of the same document pairs contributed by different scientists were highly concordant. We further show that the three representative baseline methods used to generate recommended articles for evaluation (Okapi Best Matching 25, Term Frequency-Inverse Document Frequency and PubMed Related Articles) had similar overall performances. Additionally, we found that these methods each tend to produce distinct collections of recommended articles, suggesting that a hybrid method may be required to completely capture all relevant articles. The established database server located at https://relishdb.ict.griffith.edu.au is freely available for the downloading of annotation data and the blind testing of new methods. We expect that this benchmark will be useful for stimulating the development of new powerful techniques for title and title/abstract-based search engines for relevant articles in biomedical research.Peer reviewe

Pertes AC dans les supraconducteurs : une approche multi-échelle pour le dimensionnement de câbles fort courant

The work reported in this PhD deals with AC losses in superconductingmaterial for large scale applications such as cables or magnets. Numerical models involvingFEM or integral methods have been developed to solve the time transient electromagneticdistributions of field and current densities with the peculiarity of the superconductingconstitutive E-J equation. Two main conductors have been investigated. First, REBCOsuperconductors for applications operating at 77 K are studied and a new architecture ofconductor (round wires) for 3 kA cables. Secondly, for very high current cables, 3-D simulationson MgB2 wires are built and solved using FEM modeling. The following chapterintroduced new development used for the calculation of AC losses in DC cables with ripples.The thesis ends with the use of the developed numerical model on a practical example inthe european BEST-PATHS project : a 10 kA MgB2 demonstrator.Le travail de cette thèse porte sur l’études des pertes AC dans les supraconducteurspour des applications tels que les câbles ou les aimants. Les modélisations numériquesrapportées sont de type éléments-finis ou méthode intégrale. Toutes ces méthodesvisent à estimer avec précision les distributions de densité de courant et de champ magnétiqueen prenant en compte différents lois de comportement pour le supraconducteur. Deuxconducteurs sont introduits dans ce mémoire. Tout d’abord, les supraconducteurs à hautetempérature critiques sont étudiées avec l’introduction d’une nouvelle forme de conducteurHTc (fils cylindriques) qui sont envisagés pour des câbles fort courant de 3 kA. Dans unsecond temps, des simulations numériques 3-D sont réalisés sur un conducteur MgB2. Lechapitre suivant traite des contraintes de calculs des pertes dans le but de dimensionnerl’ensemble des pertes d’un câble complet. Enfin, les modèles numériques développés précédemmentsont utilisés sur un exemple concret : le démonstrateur 10 kA fait à l’aide duconducteur MgB2 dans le projet européen BEST-PATHS

Pertes AC dans les supraconducteurs : une approche multi-échelle pour le dimensionnement de câbles fort courant

The work reported in this PhD deals with AC losses in superconductingmaterial for large scale applications such as cables or magnets. Numerical models involvingFEM or integral methods have been developed to solve the time transient electromagneticdistributions of field and current densities with the peculiarity of the superconductingconstitutive E-J equation. Two main conductors have been investigated. First, REBCOsuperconductors for applications operating at 77 K are studied and a new architecture ofconductor (round wires) for 3 kA cables. Secondly, for very high current cables, 3-D simulationson MgB2 wires are built and solved using FEM modeling. The following chapterintroduced new development used for the calculation of AC losses in DC cables with ripples.The thesis ends with the use of the developed numerical model on a practical example inthe european BEST-PATHS project : a 10 kA MgB2 demonstrator.Le travail de cette thèse porte sur l’études des pertes AC dans les supraconducteurspour des applications tels que les câbles ou les aimants. Les modélisations numériquesrapportées sont de type éléments-finis ou méthode intégrale. Toutes ces méthodesvisent à estimer avec précision les distributions de densité de courant et de champ magnétiqueen prenant en compte différents lois de comportement pour le supraconducteur. Deuxconducteurs sont introduits dans ce mémoire. Tout d’abord, les supraconducteurs à hautetempérature critiques sont étudiées avec l’introduction d’une nouvelle forme de conducteurHTc (fils cylindriques) qui sont envisagés pour des câbles fort courant de 3 kA. Dans unsecond temps, des simulations numériques 3-D sont réalisés sur un conducteur MgB2. Lechapitre suivant traite des contraintes de calculs des pertes dans le but de dimensionnerl’ensemble des pertes d’un câble complet. Enfin, les modèles numériques développés précédemmentsont utilisés sur un exemple concret : le démonstrateur 10 kA fait à l’aide duconducteur MgB2 dans le projet européen BEST-PATHS

Numerical model for quench calculations in a 10 kA MgB2 superconducting cable

International audienc

Hybrid analytical and integral methods for simulating HTS materials

International audienceHigh Temperature Superconductors (HTS) are promising for applications requiring high power densities, such as superconducting electrical motors. Various approaches have been developed to model HTS, in particular for AC losses evaluation in thin wires and tapes. Indeed, AC losses are one of the key factors to size properly the cryogenic systems. In some applications, where the HTS materials are used as magnetic screens or as permanent magnets, such as in electrical motors, it is relevant to estimate properly the penetration of the magnetic field in order to optimize the magnetization processes and the integration of these materials in such systems.In previous works [1]–[3], analytical tools in 2D have been successfully developed for calculating the magnetic field distribution in different devices integrating HTS bulks by considering them as perfect diamagnetic materials, e.g. a superconducting electrical machine or an inductor with an iron core used for the pulsed field magnetization of a bulk HTS. These methods provide continuous derivatives and are useful tools for the design and optimization of such systems. They lead to meaningful solutions with helpful physical insights. However, they are limited to simple geometries and do not take into account either eddy currents or the variation of the critical current density with the magnetic field, which is crucial in HTS. On the other hand, rapid modeling approaches are needed, and the use of classical numerical tools is often ineffective in the design and optimization process due to considerable calculation time. Specific numerical approaches ensuring a better compromise between precision and calculation time are still required.In this context, the present work presents a hybrid model in which the HTS behavior is represented by the power law E(J, B) = Ec (J /Jc (B)) ^ n(B), taking into account the variation of the critical current density and the power exponent with respect to the magnetic flux density. The magnetic vector potential, the magnetic field and the current density distributions are computed by means of analytical and integral equations implemented on MATLAB. The resolution of the obtained stiff ordinary differential equations are performed using available solvers in MATLAB with adaptive time steps. The integral equations used to calculate the induced currents in the HTS materials are based on the well-known “Brandt method” developed in 1996 for strips and slabs, and later for disks and cylinders in an axial magnetic field.One of the main advantage of the hybrid method proposed here is that only the active parts are discretized. Distributions of the magnetic field over time and other quantities such as losses are presented. Calculation times for the studied problems are given and compared with those obtained from classical FEM software

Pertes AC dans les supraconducteurs de dernière génération

National audience1. Contexte scientifique et pertinenceL’utilisation de supraconducteurs de dernière génération est d’un intérêt primordial pour le développement des applications supraconductrices dans le domaine du génie électrique. Le tableau 1 résume les avantages de l'utilisation des dispositifs supraconducteurs à haute température (HTS pour High Temperature Superconductors) pour la conversion de l'énergie, le transport et la distribution. Il est remarquable de constater que les avantages sont de natures différentes, allant de l'amélioration de l'efficacité énergétique aux nouvelles technologies de réseau et au respect environnemental [1].Ne présentant aucune perte en courant DC, les supraconducteurs engendrent néanmoins des pertes par hystérésis et par courants induits lorsqu’ils sont soumis à un champ magnétique variable ou lorsqu’ils sont parcourus par un courant variable. Dès 100 Hz, les pertes générées dans ces matériaux refroidis à basse température entraînent une augmentation de la puissance nécessaire au refroidissement. A titre d’exemple, 1 W de pertes à froid peut représenter plus de 100 W à température ambiante. Cela conduit donc à une augmentation considérable de la taille et du poids du système de refroidissement. La connaissance des pertes et leur maîtrise est un des verrous scientifiques et technologique pour les futures applications de la supraconductivité dans le Génie Electrique.2. Enjeux et caractère exploratoireBien que le mécanisme générant les pertes AC dans un matériau supraconducteur soit bien connu, e.g. [2], dans de nombreux cas, il n’est pas simple de comprendre le comportement des pertes AC observé dans des conducteurs ou des dispositifs. Même au niveau d’un simple conducteur sous forme de ruban, les caractéristiques de pertes AC peuvent être très différentes de ceux d'un supraconducteur pur, si des matériaux magnétiques sont présents par exemple [3].Les mesures de pertes sont habituellement effectuées électriquement. Ces mesures ne sont toutefois pas sans difficultés. En effet, la composante de la tension qui produit des pertes est entièrement masquée dans la partie inductive. Le positionnement des prises de potentiel a une influence capitale sur la mesure car ils captent une partie du flux magnétique produit par l'échantillon et aussi une partie induite provenant des pièces environnantes. Une des difficultés expérimentales et de s’affranchir de tout métal conducteur à proximité du supraconducteur, y compris le cryostat, afin de ne pas interférer su les pertes mesurées qui sont très faibles. Il faut donc un cryostat spécifique en fibre de verre.Dans le cadre de ce projet, nous souhaitons étudier les pertes dans des fils supraconducteurs de dernière génération, i.e. BiSCCO, YBCO et MgB2, à différentes températures et pour différents champs magnétiques appliqués. Les aspects modélisation et expérimentaux seront traités en parallèle pour confronter la véracité des résultats obtenus. En effet, la modélisation de tels dispositifs est tout aussi délicate que les mesures à effectuer.3. Programme de travailL’approche choisie se décompose en deux temps. Dans un 1er temps, avec l’expérience acquise des 2 laboratoires en supraconductivité, il s’agira de définir les limites de l’étude telles que les dimensions des fils à tester, la fréquence d’alimentation, les températures envisagées, afin de spécifier clairement le besoin et d’acheter le matériel nécessaire. Comme évoqué précédemment, le problème est complexe car il est fortement contraint par des choix antagonistes au niveau électrique, magnétique, thermique et mécanique. Des pré-dimensionnements réalisés avec l’aide de simulations numériques sont nécessaires. Dans un 2ème temps, ce sera une phase de mesures de pertes sur différentes échantillons. Ces mesures pourraient être réalisées par un stagiaire de Master. La modélisation finale des expériences de mesures de pertes sera également effectuée et confrontée aux résultats obtenus en pratique.4. Partenariats et complémentaritésLes deux laboratoires impliqués dans le projet proposé ont tous deux une forte expérience dans le dimensionnement et l’étude de systèmes supraconducteurs mais des compétences différentes.L’intérêt d’Arnaud Badel, de Guillaume Escamez et de Pascal Tixador se porte plus sur la modélisation numérique des pertes dans les supraconducteurs. L’équipe commune Institut Néel/G2Elab possède également de fortes compétences en cryogénie, et une entrée au LNCMI où des caractérisations de matériaux peuvent êtres effectuées en champ magnétique continu jusqu’à 20 T.Kévin Berger,Bruno Douine et Jean Lévêque ont des compétences dans les modèles analytiques de pertes des supraconducteurs. Ils étudient et développent actuellement des bancs de mesures de pertes à la température de l’azote liquide. Ils ont également mis au point plusieurs outils et méthodes permettant de caractériser les supraconducteurs, ce qui est indispensable pour la modélisation.[1] M. Noe. Superconducting power applications and their potential to increase efficiency. Symposium on Superconducting Devices for Wind Energy Systems, Barcelona, 25 February 2011.[2] S. Elschner, B. Douine, E. Demencik, F. Grilli, W. Goldacker, A. Kudymow, M. Vojenciak, V. Zermeno, M. Stemmle, M. Noe. Experimental setup of a superconducting power transmission cable for AC-loss investigations under controlled current distribution. European Conference on Applied Superconductivity, EUCAS 2013. Genova, Italy, 15-19 September 2013.[3] F. Grilli, S.P, Ashworth & L. Civale. Interaction of magnetic field and magnetic history in high-temperature superconductors. Journal of Applied Physics , vol. 102, pp. 073909, 2007

Volume Integral Formulation Based on Facet Elements for the Computation of AC Losses in Superconductors

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