The Investigation of High Magnetic Field Long-Life Operation Inductors

Abstract

The aim of the dissertation is the analysis of high pulsed magnetic field in-ductors in order to determine their electrophysical parameters for non-destructive magnetic field generation. To obtain that effective method to synthe-size inductor geometrical and material models was developed, inductor mathe-matical and computer models created, electrophysical processes during the pulse in windings of various inductors were examined. Finally, retrievals of non-destructive inductor geometrical configurations were performed. Software de-veloped and results gained were successfully used to design new pulsed inductor prototypes. Dissertation content: introduction, four chapters, general conclusions, list of references and list of author’s publications on the subject of dissertation. The introduction contains the topicality of the problem, aim of the work, main tasks, scientific novelty, practical value, result approval, defended state-ments and structure description. Overview of different high magnetic field generation techniques, pulsed in-ductor design, geometry optimization problems and software used for these tasks are the objectives of the first chapter. The second chapter is dedicated to development of technique for inductor geometrical-material model synthesis, creation of mathematical-computer induc-tor model, definition of long-life operation inductor parameters – their “vitality zone” and design of non-destructive inductor geometries retrieval algorithm. In the third chapter thermodynamic, electromagnetic and magnetomechani-cal analysis of inductors that are coiled up using various cross-section and mate-rial conductors is performed. Survey on the influence of electrophysical parame-ters on inductor multi-pulse use is carried out. After that “vitality zones” for different conductor cross-sections, materials and experimental environments are retrieved. Inductor winding recommendations are presented. Results and model accuracies are verified using ANSYS and experimentally in the fourth chapter. 50 T class pulsed inductor and magnetic system for cry-ostat at Vilnius Semiconductor Physics Institute for material physical properties research are designed using the developed calculation packages. The results of the work were presented in nine scientific articles: three arti-cles published in journals of Thomson ISI Web of Science list, four in journals quoted in INSPEC, COPERNICUS databases, one in conference proceedings quoted in Thomson ISI Proceedings database and one in other conference mate-rials. Seven reports were presented at international conferences, five of them in Lithuania.

Disertacijoje nagrinėjami stipraus impulsinio magnetinio lauko induktoriai, kurių ilgaamžiškumas priklauso nuo daugelio jų fizikinių parametrų. Sukūrus induktorių geometrijos sintezės metodiką, sudaryti induktorių matematiniai ir kompiuteriniai modeliai, ištirti impulso metu skirtingų parametrų induktorių ap-vijose vykstantys procesai, atlikta daugkartinio naudojimo induktorių geometrijų paieška. Sukurtas programinis aprūpinimas induktorių skaičiavimams įgalina nustatyti induktorių, tinkamų daugkartiniam impulsiniam magnetiniam laukui generuoti, parametrus. Darbo rezultatai pritaikyti kuriant induktorių prototipus. Disertaciją sudaro įvadas, keturi skyriai, bendrosios išvados, literatūros ir publikacijų disertacijos tema sąrašas. Įvadiniame skyriuje aprašomas problemos aktualumas, formuluojamas dar-bo tikslas ir uždaviniai, pristatomi autoriaus pranešimai ir publikacijos, patei-kiama disertacijos struktūra. Pirmajame skyriuje aptariama stipraus magnetinio lauko reikšmė šiuolaiki-niam mokslui, pristatomi stipraus magnetinio lauko generavimo būdai, analizuo-jami impulsiniai induktoriai, jų kompiuterinių modelių sudarymo problematika, geometrijos optimizavimas. Antrajame skyriuje aprašoma induktorių geometrijos ir medžiagų sudėties sintezės metodika, sukuriamas induktoriaus matematinis-kompiuterinis modelis, apibrėžiama daugkartinio naudojimo induktorių pagrindinių parametrų visuma – „gyvavimo zona“, pateikiamas daugkartinio naudojimo induktorių geometrijų paieškos algoritmas. Trečiajame skyriuje analizuojami skirtingų laidininkų induktoriuose vyks-tantys šiluminiai, elektromagnetiniai ir magnetomechaniniai procesai, jų įtaka induktoriaus ilgaamžiškumui, sprendžiamas induktorių geometrijos paieškos uždavinys, suskaičiuojamos ir analizuojamos skirtingų laidininkų induktorių ,,gyvavimo zonos“, pateikiamos induktorių vyniojimo rekomendacijos. Ketvirtajame skyriuje aprašoma gautų rezultatų eksperimentinė patikra ir patikra modeliuojant induktorių ANSYS aplinkoje, pateikiamas 50 T impulsinio induktoriaus ir sistemos, skirtos fizikiniams medžiagų tyrimams ir montuojamos ant PFI esančio kriostato, projektavimas. Disertacijos tema paskelbti devyni straipsniai: trys straipsniai žurnaluose, įtrauktuose į Thomson ISI Web of Science sąrašą, keturi – straipsnių rinkiniuo-se, įtrauktuose į INSPEC ir COPERNICUS duomenų bazes, vienas – konferenci-jų medžiagoje, referuotoje Thomson ISI Proceedings duomenų bazėje, vienas – kitų konferencijų medžiagoje, perskaityti septyni pranešimai Lietuvos bei užsie-nio konferencijose.