Magnetic levitation modeling of support magnetic bearing based on stacks of composite HTS tapes

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

AIM. To determine the optimal magnetic field configuration ensuring scalability and high load on the support HTS bearing.

MATERIALS AND METHODS. Numerical analysis of HTS bearings was performed in Comsol Multiphysics modeling environment.

RESULTS. The authors determined magnetic field distributions for various configurations of magnetic HTS bearing assemblies, including a ring magnet, cubic magnets, and sectorial permanent magnets. The authors determined vertical and lateral load curves for different shapes of HTS bearings.

CONCLUSION. It was found that sectorial permanent magnets with a magnetic circuit is the optimal solution to achieve the highest stability and load-bearing capacity of a superconducting bearing while maintaining the scalability.

About the authors

Irina V. Martirosian

National research nuclear university

Email: mephizic@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-2301-1768
SPIN-code: 3368-8809

Cand. Sci. (Phys.-Math.), research engineer

Russian Federation, Moscow

Aleksandr S. Starikovskii

National research nuclear university

Email: sannyok1995@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-7605-7578
SPIN-code: 9493-3256

research engineer

Russian Federation, Moscow

Maria V. Balakina

National research nuclear university

Email: masha.ball.8530@gmail.com
ORCID iD: 0009-0006-3831-8171

student

Russian Federation, Moscow

Sergey V. Pokrovskii

National research nuclear university

Author for correspondence.
Email: sergeypokrovskii@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3137-4289
SPIN-code: 6643-7817

Cand. Sci. (Phys.-Math.), Head of the Laboratory

Russian Federation, Moscow

References

  1. Mukoyama S, Nakao K, Sakamoto H, et al. Development of superconducting magnetic bearing for 300 kW flywheel energy storage system. IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2017;27(4):1-4. doi: 10.1109/TASC.2017.2652327
  2. Miyazaki Y, Mizuno K, Yamashita T, et al. Development of superconducting magnetic bearing for flywheel energy storage system. Cryogenics. 2016;80:234-237. doi: 10.1016/j.cryogenics.2016.05.011
  3. Oliveira R, Zeng X, Pei X, Burke R. HTS-tape magnetic bearing for ultra high-speed turbo motor. IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2023;33(5):1-5. doi: 10.1109/TASC.2023.3253064
  4. Kummeth P, Ries G, Nick W, Neumüller HW. Development and characterization of magnetic HTS bearings for a 400 kW synchronousHTS motor. Superconductor Science and Technology. 2004;17(5):S259. doi: 10.1088/0953-2048/17/5/032
  5. Yang W, Ji Y, Yu L, et al. Low frequency rotational loss in a high-temperature superconducting bearing and its application in micro-thrust measurement for space propulsion. Superconductor Science and Technology. 2019;33(1). doi: 10.1088/1361-6668/ab58b9
  6. Sakurai Y, Ashton P, Kusaka A, et al. Half-meter scale superconducting magnetic bearing for cosmic microwave background polarization experiments. J. Phys.: Conf. Ser. 1590. doi: 10.1088/1742-6596/1590/1/012060
  7. Ye M, Yang W, Wang Y, et al. Effect of temperature on rotation loss in a superconducting device for microthrust measurement of electric propulsion system. IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2015;25(3):1-4. doi: 10.1109/TASC.2015.2393555
  8. Ruiz-Ponce G, Arjona MA, Hernandez C, Escarela-Perez R. A review of magnetic gear technologies used in mechanical power transmission. Energies. 2023;16(4):1721. doi: 10.3390/en16041721
  9. Strasik M, Hull JR, Mittleider JA, et al. An overview of Boeing flywheel energy storage systems with high-temperaturesuperconducting bearings. Superconductor science and technology. 2010;23(3). doi: 10.1088/0953-2048/23/3/034021
  10. Hull JR. Superconducting bearings. Superconductor Science and Technology. 2000;13(2):R1. doi: 10.1088/0953-2048/13/2/201
  11. Namburi DK, Shi Y, Cardwell DA. The processing and properties of bulk (RE) BCO high temperature superconductors: current status and future perspectives. Superconductor Science and Technology. 2021;34(5). doi: 10.1088/1361-6668/abde88
  12. Hussein AAA, Hussein AMA, Hasan NA. Study of the properties of YBCO superconductor compound in various preparation methods: a short review. Journal of Applied Sciences and Nanotechnology. 2023;3(1):65-79. doi: 10.53293/jasn.2022.4867.1156
  13. Ogawa N, Hirabayashi I, Tanaka S. Preparation of a high-Jc YBCO bulk superconductor by the platinum doped melt growth method. Physica C: Superconductivity. 1991;177(1):101-5. doi: https://doi.org/10.1016/0921-4534(91)90304-H
  14. Sass F, Dias DHN, Sotelo GG, de Andrade Junior R. Superconducting magnetic bearings with bulks and 2G HTS stacks: comparison between simulations using H and A-V formulations with measurements. Superconductor Science and Technology. 2018;31(2):025006. doi: 10.1088/1361-6668/aa9dc1
  15. Osipov M, Anishenko I, Starikovskii A, et al. Scalable superconductive magnetic bearing based on non-closed CC tapes windings. Superconductor Science and Technology. 2021;34(3):035033. doi: 10.1088/1361-6668/abda5a
  16. Coombs TA, Wang Q, Shah A, et al. High-temperature superconductors and their large-scale applications. Nature Reviews Electrical Engineering. 2024;1(12):788-801. doi: 10.1038/s44287-024-00112-y
  17. Kurbatova E, Kurbatov P, Kuschenko E, et al. Comparison of properties of a bulk HTS and a stack of HTS tapes after FC and ZFC. J. Phys.: Conf. Ser. 2020;1559(1). doi: 10.1088/1742-6596/1559/1/012049
  18. Molodyk A, Samoilenkov S, Markelov A, et al. Development and large volume production of extremely high current density YBa2Cu3O7 superconducting wires for fusion. Scientific Reports. 2021;11(1). doi: 10.1038/s41598-021-81559-z
  19. Martirosian IV. Osipov MA, Starikovskii AS, Pokrovskii SV, Rudnev IA. Influence of cooling conditions of HTS assembly on the characteristics of a moving maglev system. Modern Transportation Systems and Technologies. 2022;8(4):46-57. doi: 10.17816/transsyst20228446-57
  20. Shen B, Grilli F, Coombs T. Overview of H-formulation: A versatile tool for modeling electromagnetics in high-temperature superconductor applications. IEEE access. 2020;8:100403-100414. doi: 10.1109/ACCESS.2020.2996177

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Basic geometry of a support HTS bearing with a ring permanent magnet (left) and a cross-section of the magnetic system with geometric dimensions (right)

Download (173KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Configurations of the magnetic base of the HTS bearing: on the left – cubic permanent magnets; on the right – sectorial permanent magnets; the red arrows indicate the direction of magnetization of the PM

Download (129KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependences of the levitation force on the size of the magnetic levitation gap between the stacks of HTSC tapes and the magnetic base of the bearing for various configurations of the magnetic base block; the height of the magnetic circuit ring is 10 mm

Download (222KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Histogram of energy losses in the HTSC bearing element for different configurations of the magnetic base block

Download (632KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dependences of the levitation force on the radius of the SMP at a constant number of HTSC tapes in a stack (20 HTSC tapes) and dependences of the levitation force on the number of HTSC tapes in a stack at a constant radius of the SMP (radius 25 mm)

Download (175KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Martirosian I.V., Starikovskii A.S., Balakina M.V., Pokrovskii S.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

link to the archive of the previous title

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».