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Invited talk; International audience; MgB2 bulk materials used as quasi permanent magnets are characterized as its uniform field trapping property originated homogeneous microstructure of simple metallic compound. Beautiful conical shape of trapped field distribution would suggest us to utilize it to compact and stable magnets for practical industries. The only and crucial drawback is its thermal instability which causes sudden dissipation of trapped flux called “flux jump”, which is attributed to the poor specific heat of the material which would be utilized at low temperature less than 20 K. The authors carried on the successive PFM experiments with use of 15 K cryocooler, and precisely investigated various flux jump phenomena in detail. The motions of flux invasion are classified as three modes called “no flux flow (NFF)”, “fast flux flow (FFF)”, and “flux jump (FJ)” regions. The authors clarified that the introduction of metallic inclusion by adding Ti are effective to expand the NFF region to high applied field and to prevent the flux jump to happen.

Poster; International audience; Most of the latest models of HTS bulk magnetization take into account thermal and electromagnetic behavior but still lack the implementation of the mechanical deformation under strong magnetic fields. The following work tries to fill up partly the gap by proposing a model of the dependence of the electrical conductivity upon mechanical stress during either Zero-Field cooling, Field-cooling or Pulse-Field Magnetizations. This dependence is given by the definition of the critical current density which ultimately defines the amount of magnetic field trapped in the bulk. However, there are no availably published experimental data to depict this dependence. As a first approximation and bearing in mind the obvious discrepancies, it is suggested here to rely on a simple empirical mechanical model inferred from HTS thin films. This first approach allows drawing some generalities on the expected mechanical behavior of cylindrical shaped YBCO pellets during magnetization. The utter goal is to determine design parameters to insert those pellets in electrical rotatory machineries.

National audience

National audience; Les piles à combustible sont des convertisseurs électrochimiques d'énergie qui permettent la transformation de l'énergie chimique d'un combustible en électricité par une réaction d'oxydoréduction. Nous proposons de tirer avantage de la faible tension d’une cellule de pile à combustible pour une application particulière en source de courant. Ce fonctionnement atypique peut s’avérer intéressant notamment pour les applications nécessitant une alimentation en courant continu sous tension quasi-nulle, telles que les bobines supraconductrices. Les avantages visés sont la faible pollution harmonique, l’inertie intrinsèque de la pile conduisant à une meilleure stabilité temporelle du courant dans la bobine supraconductrice.Nous présenterons la pile et le modèle retenu, ainsi que les premiers essais concluant d’alimentation d’une bobine double pancake en BiSCCO par une pile mono-cellule. Les perspectives à ce travail seront également détaillées, comme l’alimentation d’une bobine à basse température critique d’une dizaine d’Henry et la modélisation dynamique de l’association pile-bobine.

International audience; In previous works, we have successfully developed some analytical tools for simulating the magnetic field distribution around a superconductor bulk pellet inside a coil. The superconductor was considered as a perfect diamagnetic material under zero-field cooling condition, i.e. the magnetic vector potential is nil inside the HTS bulk. In this paper, modelling of HTS bulk during Pulsed Field Magnetization (PFM) within an iron core is proposed. Since PFM is a widely used process for HTS bulk magnetization, it seems of great interest to develop fast simulation methods dedicated to such of application. A power law E(J) = Ec(J/Jc)^n, with a critical current density Jc(B) and an exponent n(B) is used to represent the behaviour of the superconducting material. The applied magnetic field that is created by the electromagnet formed by a coil wounded around the central leg of an iron core is calculated using analytical equations based on the resolution of Laplace’s and Poisson’s equations by using the separation of variables method. The magnetic vector potential, the magnetic field and the current density distributions are then computed by means of analytical and integral methods. The integral methods used to model the induced currents in the HTS bulk are based on the well-known “Brandt method” developed in 1998 for disks and cylinders in an axial magnetic field. The trapped magnetic field and other quantities such as losses are then compared with those obtained by finite element analysis. Further developments, including analytical modelling of temperature or adaptive mesh refinement in the superconductor can be also investigated in this paper.

International audience; This contribution describes a mean field model dedicated to the reproduction of the restoring force and the determination of the condition of stability of superconducting systems in magnetic levitation.

Today, superconductors are used in many applications, for example in cables, motors, alternators or for the generation of strong magnetic fields. Superconductors are available as tapes, wires or bulk materials. The process of magnetising superconductors results in bulk superconductors with a much higher trapped magnetic field than conventional permanent magnets. Proper magnetisation is the key to a very strong trapped magnetic field. The work developed in this thesis concerns the 2D and 3D modelling, design and realisation of an inductor to magnetise a set of superconducting pellets. Generally speaking, there are three techniques for magnetising superconductors: Zero Field Cooling (ZFC), Field Cooling (FC) and Pulsed Field Magnetization (PFM). We focus on PFM because it is a more compact and less expensive solution compared to the other techniques. The mentioned magnetisation process and all the phenomena involved have been solved based on the Finite Element Method (FEM) and using different formulations. In this work, we studied and compared in 2D and 3D the A-formulation, the H-formulation and an A-H formulation by coupling the different variables on the material boundaries. The comparison showed the advantages of the A-H formulation in modelling superconducting problems. Indeed, in some cases, we have shown that the use of the A-H formulation allows to reduce the simulation time. The model developed from this formulation is therefore an interesting tool for future dimensioning work and the development of superconductor applications at GREEN laboratory. We have also dimensioned and numerically studied a complete inductor model allowing one or more superconductors to be magnetised simultaneously. We study two configurations: prototype I for magnetising a single superconductor (2D problem) and prototype II for magnetising three superconductors (3D problem). Both configurations are solved by considering the electromagnetic and thermal phenomena as well as the coupling with the circuit equations feeding the inductor. The simulations showed that the temperature rise in the superconductor of about 10 Kelvin generated during the PFM magnetisation affected the trapped magnetic field. It was observed that the presence of one or more superconducting bulks did not affect the current pulse in the inductor. The maximum trapped field obtained numerically for prototype I was 706 mT and 736 mT for prototype II. The results obtained were then compared with the simulation results. However, some of the superconductors exhibited strong inhomogeneity in their properties, which resulted in a reduction in the experimentally observed trapped magnetic field. Hypotheses were made to try to reproduce numerically these inhomogeneities and their effects. However, this numerical calculation can only be done by 3D modelling without the possibility of using symmetries, and leads to a calculation time of up to several days. Experimentation with prototypes resulted in a maximum trapped magnetic field of 686 mT when one pellet was magnetised, while it was 606 mT when several pellets were magnetised simultaneously. Lowering the temperature by using another cryogenic fluid such as liquid hydrogen or another cooling system would increase this trapped magnetic field value to much higher values for the targeted electrical engineering applications., Aujourd’hui, les supraconducteurs trouvent de nombreuses applications, par exemple dans les câbles, les moteurs, les alternateurs ou la génération de champ magnétiques intenses. Les supraconducteurs sont disponibles sous forme de rubans, de fils ou de matériaux massifs. Le processus d'aimantation des supraconducteurs permet d'obtenir des supraconducteurs massifs avec un champ magnétique piégé de bien plus grande valeur que les aimants classiques à base de fer. Une aimantation correcte est la clé d'un champ magnétique piège très fort. Les travaux développés dans cette thèse concernent la modélisation en 2D et 3D, la conception et la réalisation d’un inducteur pour aimanter un ensemble de pastilles supraconductrices. D'une manière générale, il existe trois techniques d'aimantation des supraconducteurs : Zero Field Cooling (ZFC), Field Cooling (FC) et Pulsed Field Magnetization (PFM). Nous nous concentrons sur la PFM car c’est une solution plus compacte et moins onéreuse comparée aux autres techniques. Le procédé d’aimantation évoqué et tous les phénomènes qui en découlent ont été résolus en se basant sur la méthode des éléments finis (MEF) et à l’aide de différentes formulations. Dans ce travail, nous avons étudié et comparé en 2D et 3D la formulation en A, la formulation en H ainsi qu’une une formulation A – H en couplant les différentes variables sur les frontières des matériaux. La comparaison effectuée a montré les avantages de la formulation A – H dans la modélisation des problèmes liés aux supraconducteurs. En effet, dans certains cas, nous avons montré que l'utilisation de la formulation A – H permet de réduire le temps de simulation. Le modèle développé à partir de cette formulation constitue donc un outil intéressant pour de futurs travaux de dimensionnement et le développement d’applications des supraconducteurs au GREEN. Nous avons également dimensionné et étudié numériquement un modèle complet d’inducteur permettant d’aimanter un ou plusieurs supraconducteurs simultanément. Nous étudions deux configurations : le prototype I pour aimanter un seul supraconducteur (problème 2D) et le prototype II pour aimanter trois supraconducteurs (problème 3D). Ces deux configurations sont résolues en considérant les phénomènes électromagnétiques et thermiques ainsi que le couplage avec les équations du circuit alimentant l’inducteur. Les simulations ont montré que l’élévation de température dans le supraconducteur d’une dizaine de Kelvin générée lors de l’aimantation par PFM affectait le champ magnétique piégé. Il a été observé que la présence d’une ou plusieurs pastilles supraconductrices n’influençait pas l'impulsion de courant dans l’inducteur. Le champ piégé maximal obtenu numériquement pour le prototype I était de 706 mT et de 736 mT pour le prototype II. Les résultats obtenus ont ensuite été comparés aux résultats de la simulation. Cependant, certains supraconducteurs présentaient une forte inhomogénéité de leurs propriétés ce qui a eu pour conséquence de réduire le champ magnétique piégé observé expérimentalement. Des hypothèses ont été faites pour tenter de reproduire numériquement ces inhomogénéités et leurs effets. Néanmoins, ce calcul numérique ne peut se faire que par une modélisation 3D sans utilisation possible de symétries, et conduit à un de temps de calcul pouvant aller jusqu’à plusieurs jours. L'expérimentation avec des prototypes a permis d'obtenir un champ magnétique piégé maximal de 686 mT lors de l’aimantation d’une pastille, tandis qu’il était de 606 mT lorsque plusieurs pastilles ont été aimantées simultanément. Un abaissement de la température par l’utilisation d’un autre fluide cryogénique comme l’hydrogène liquide ou d’un autre système de refroidissement permettrait d’augmenter cette valeur de champ magnétique piégé à des valeurs beaucoup plus intéressantes pour les applications visées en génie électrique.

International audience

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International audience; This paper presents a validation of the hybrid method using the H and A formulations for Pulsed Field Magnetization (PFM). This hybrid method can help for simulating more complex problems involving superconductors, electric circuit and/or ferromagnetic materials. In some cases, the hybrid method can even speed up the simulation compare to the model that is based on H formulation only. A 2D axisymmetric model of PFM coupled with electrical circuit is first considered. To validate our concept, we simulated the same model governed by the hybrid method and the H formulation. The comparison of the final trapped magnetic flux density is then performed. The hybrid method was faster around 46 %. In the final paper, the validation and comparison will also be made on a 3D problem.

The fuel cell (FC) converts the chemical energy of the reactants into direct electrical energy, heat and water. The FC is generally used around an operating point (or area) corresponding to a maximum of electric power. The direct current produced by the redox reaction is proportional to the active surface of the single cell and its voltage, which is approximately 0.6 V at the nominal operating point, can be increase by connecting several cells in series (constituting a stack). Due to its low DC voltage amplitude, its use in electrical systems requires the use of power converters. In this work, we have been interested taking benefit of such DC low voltage power source and more precisely the use of the FC as a current source controllable by the one of the reactant flow rates. The expertise of GREEN laboratory in the field of superconductors has naturally led us to an innovative application, namely to substitute the power supplies dedicated to the superconducting devices by a FC. A first promising test conducted on a 4 mH superconducting coil highlighted the full potential of such an application and encouraged us to extend the study to highly inductive superconducting coils where the energies involved are more important. This requires to carefully design the test bench with a protection system for the FC as well as operating conditions. To this end, a FC model supplying a superconducting coil has been developed and tested experimentally. At the same time, we have focused on the supply part of the superconducting coil by designing an innovative superconducting device, commonly called a three-axis vector magnet. This system can be used as a load for a fuel cell, but also, and above all, as a tool for the characterization of superconducting samples. This vector magnet allows to orient a magnetic field of several tesla in the three space directions, with a uniformity of more than 95 % in a 100 mm sphere of diameter. This design allowed us to realize the windings supporting structure and to choose a superconducting wire. The complete system has to cost less than 50 k€, including the cryostat, we have finally choose a superconducting wire with low critical temperature, cooled by liquid helium; La pile à combustible convertit l’énergie chimique des réactants en énergie électrique continue, en chaleur et en eau. Elle est généralement utilisée autour d’un point de fonctionnement (ou zone) correspondant à un maximum de puissance électrique. Le courant continu produit par la réaction d’oxydo-réduction est proportionnel à la surface active de la pile et la tension, qui est d’environ 0,6 V au point de nominal de fonctionnement, peut être augmentée par la mise en série de plusieurs cellules (constituant un stack). En raison de son faible niveau de tension continue, son utilisation dans des systèmes électriques nécessitent de l’associer à des convertisseurs de puissance. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse s’intéressent au potentiel d’une source électrique continue basse tension et plus exactement à l’utilisation de la pile à combustible en fonctionnement source de courant commandée (par le débit d’un des réactants). L’expertise du laboratoire GREEN dans le domaine des supraconducteurs, nous a conduits naturellement vers une application innovante à savoir substituer les alimentations de puissance dédiées aux dispositifs supraconducteurs par une pile à combustible. Un premier essai prometteur mené sur une bobine supraconductrice de 4 mH a mis en évidence tout le potentiel d’une telle application et nous a encouragés à étendre l’étude à des bobines supraconductrices fortement inductives, des plusieurs henrys. En effet, les énergies mises en jeu sont alors plus importantes et exigent de dimensionner avec soin le banc d’essai, aussi bien du point de vue de la protection de la pile que des conditions opératoires. Pour ce faire, une modélisation et une expérimentation d’un ensemble pile à combustible/bobine supraconductrice ont également été réalisées. En parallèle du travail mené sur la partie alimentation de la bobine supraconductrice, nous avons travaillé sur le dimensionnement d’un dispositif supraconducteur innovant, communément appelé aimant vectoriel, à trois axes. Ce système peut servir comme charge pour une pile à combustible mais aussi, et surtout, comme outils de caractérisation d’échantillons supraconducteurs. Cet aimant vectoriel permet d’orienter dans les 3 directions de l’espace un champ magnétique de plusieurs teslas, uniforme à plus de 95 % dans une sphère de 100 mm de diamètre. Ce dimensionnement, nous a permis de concevoir et réaliser la structure supportant le bobinage du fil et de choisir un certain fil supraconducteur. Le système complet devant coûter moins de 50 k€, cryostat inclus, nous nous sommes orientés vers du fil supraconducteur à basse température critique, refroidi à l’hélium liquide

The fuel cell (FC) converts the chemical energy of the reactants into direct electrical energy, heat and water. The FC is generally used around an operating point (or area) corresponding to a maximum of electric power. The direct current produced by the redox reaction is proportional to the active surface of the single cell and its voltage, which is approximately 0.6 V at the nominal operating point, can be increase by connecting several cells in series (constituting a stack). Due to its low DC voltage amplitude, its use in electrical systems requires the use of power converters. In this work, we have been interested taking benefit of such DC low voltage power source and more precisely the use of the FC as a current source controllable by the one of the reactant flow rates. The expertise of GREEN laboratory in the field of superconductors has naturally led us to an innovative application, namely to substitute the power supplies dedicated to the superconducting devices by a FC. A first promising test conducted on a 4 mH superconducting coil highlighted the full potential of such an application and encouraged us to extend the study to highly inductive superconducting coils where the energies involved are more important. This requires to carefully design the test bench with a protection system for the FC as well as operating conditions. To this end, a FC model supplying a superconducting coil has been developed and tested experimentally. At the same time, we have focused on the supply part of the superconducting coil by designing an innovative superconducting device, commonly called a three-axis vector magnet. This system can be used as a load for a fuel cell, but also, and above all, as a tool for the characterization of superconducting samples. This vector magnet allows to orient a magnetic field of several tesla in the three space directions, with a uniformity of more than 95 % in a 100 mm sphere of diameter. This design allowed us to realize the windings supporting structure and to choose a superconducting wire. The complete system has to cost less than 50 k€, including the cryostat, we have finally choose a superconducting wire with low critical temperature, cooled by liquid helium; La pile à combustible convertit l’énergie chimique des réactants en énergie électrique continue, en chaleur et en eau. Elle est généralement utilisée autour d’un point de fonctionnement (ou zone) correspondant à un maximum de puissance électrique. Le courant continu produit par la réaction d’oxydo-réduction est proportionnel à la surface active de la pile et la tension, qui est d’environ 0,6 V au point de nominal de fonctionnement, peut être augmentée par la mise en série de plusieurs cellules (constituant un stack). En raison de son faible niveau de tension continue, son utilisation dans des systèmes électriques nécessitent de l’associer à des convertisseurs de puissance. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse s’intéressent au potentiel d’une source électrique continue basse tension et plus exactement à l’utilisation de la pile à combustible en fonctionnement source de courant commandée (par le débit d’un des réactants). L’expertise du laboratoire GREEN dans le domaine des supraconducteurs, nous a conduits naturellement vers une application innovante à savoir substituer les alimentations de puissance dédiées aux dispositifs supraconducteurs par une pile à combustible. Un premier essai prometteur mené sur une bobine supraconductrice de 4 mH a mis en évidence tout le potentiel d’une telle application et nous a encouragés à étendre l’étude à des bobines supraconductrices fortement inductives, des plusieurs henrys. En effet, les énergies mises en jeu sont alors plus importantes et exigent de dimensionner avec soin le banc d’essai, aussi bien du point de vue de la protection de la pile que des conditions opératoires. Pour ce faire, une modélisation et une expérimentation d’un ensemble pile à combustible/bobine supraconductrice ont également été réalisées. En parallèle du travail mené sur la partie alimentation de la bobine supraconductrice, nous avons travaillé sur le dimensionnement d’un dispositif supraconducteur innovant, communément appelé aimant vectoriel, à trois axes. Ce système peut servir comme charge pour une pile à combustible mais aussi, et surtout, comme outils de caractérisation d’échantillons supraconducteurs. Cet aimant vectoriel permet d’orienter dans les 3 directions de l’espace un champ magnétique de plusieurs teslas, uniforme à plus de 95 % dans une sphère de 100 mm de diamètre. Ce dimensionnement, nous a permis de concevoir et réaliser la structure supportant le bobinage du fil et de choisir un certain fil supraconducteur. Le système complet devant coûter moins de 50 k€, cryostat inclus, nous nous sommes orientés vers du fil supraconducteur à basse température critique, refroidi à l’hélium liquide

The development of new superconducting materials and of new cables manufacturing processes such as YBaCuO films, allow to consider new application or to improve their performances. For the study of industrial applications, it is necessary to know the electromagnetic characteristics of these new materials. For superconductors, the difficulty lies in the reconstruction of the local electric law E(J), from measurements. This thesis therefore consists in the developing theoretical and experimental tools for characterization of high temperature superconductors. The work has mainly been carried out on two methods: - the MB method, which consists in making measurements on a coil and then extracting the properties of the superconducting tape. - the field mapping, based on the measurement of a map of the magnetic flux density. These methods have been tested and validated both experimentally and theoretically; Le développement de nouveaux matériaux supraconducteurs et la mise au point de processus de fabrication de câbles comme les films YBaCuO, permettent d'envisager de nouvelles application ou d'en améliorer les performances. Pour l'étude des applications industrielles, il est nécessaire de connaitre les caractéristiques électromagnétiques de ces nouveaux matériaux. Pour tous les supraconducteurs, la difficulté réside dans la reconstitution de la loi électrique locale E(J), à partir des mesures. Cette thèse consiste donc à la mise au point d'outils théoriques et expérimentaux permettant la caractérisation des matériaux supraconducteurs à haute température critique. Les travaux ont principalement été menés sur deux méthodes : - la méthode MB, qui consiste à effectuer des mesures sur une bobine puis d'extraire les propriétés du ruban supraconducteur. - le field mapping, qui repose sur la mesure d'une cartographie de l'induction magnétique. Ces méthodes ont été testée et validée tant au niveau expérimental que théorique

The development of new superconducting materials and of new cables manufacturing processes such as YBaCuO films, allow to consider new application or to improve their performances. For the study of industrial applications, it is necessary to know the electromagnetic characteristics of these new materials. For superconductors, the difficulty lies in the reconstruction of the local electric law E(J), from measurements. This thesis therefore consists in the developing of theoretical and experimental tools for characterization of high temperature superconductors. The work has mainly been carried out on two methods: _the MB method, which consists in making measurements on a coil and then extracting the properties of the superconducting tape. _the field mapping, based on the measurement of a map of the magnetic flux density. These methods have been tested and validated both experimentally and theoretically., Le développement de nouveaux matériaux supraconducteurs et la mise au point de processus de fabrication de câbles comme les films YBaCuO, permettent d'envisager de nouvelles application ou d'en améliorer les performances. Pour l'étude des applications industrielles, il est nécessaire de connaitre les caractéristiques électromagnétiques de ces nouveaux matériaux. Pour tous les supraconducteurs, la difficulté réside dans la reconstitution de la loi électrique locale E(J), à partir des mesures. Cette thèse consiste donc à la mise au point d'outils théoriques et expérimentaux permettant la caractérisation des matériaux supraconducteurs à haute température critique. Les travaux ont principalement été menés sur deux méthodes : _la méthode MB, qui consiste à effectuer des mesures sur une bobine puis d'extraire les propriétés du ruban supraconducteur. _le field mapping, qui repose sur la mesure d'une cartographie de l'induction magnétique. Ces méthodes ont été testée et validée tant au niveau expérimental que théorique.

While conventional permanent magnets only reach about 2 T, a Japanese research group has already managed to trap 17 T in a superconducting bulk at 29 K. The Pulsed Field Magnetization (PFM) is one such technique of magnetization. This is based on the ability of superconducting bulk to keep part of the magnetic field after a pulse discharge from RLC circuit. The purpose of this report is to implement this magnetization technique in GREEN laboratory. After studying various articles about this method of magnetization, we initially carried out simulations to determine the levels of intensity and magnetic field. We realized then vortex coils, specially designed for PFM. We will explain in the report the reasons that urged us to adopt this type of coil. In a second step, we performed the complete device of the PFM, that is to say, the retaining sheets for coils, bulk, Hall sensors, and a small coil to measure the dynamic magnetic field. Finally, we conducted experiments with different bulks and different tensions. We managed to trap 275 mT in a drilled bulk. These experiments highlight the importance of the quality of the bulk and the circuit to successfully trap more magnetic field.; Tandis que les aimants classiques n'atteignent qu'environ 2 T, un groupe de recherche japonais a déjà réussi à piéger 17 T, à la température de 29 K dans une pastille supraconductrice. La Pulsed Field Magnetization (PFM) est une de ces techniques d'aimantation. Celle-ci repose sur la capacité qu'ont les pastilles supraconductrices à conserver une partie du champ magnétique après une décharge impulsionnelle. Cette décharge étant réalisée par un circuit RLC. Le but de ce stage est de mettre en oeuvre au GREEN cette technique d'aimantation. Après avoir étudié différents articles concernant cette méthode d'aimantation, nous avons dans un premier temps réalisé des simulations pour connaître les niveaux d'intensité, et donc de champ magnétique atteints. Nous avons réalisé ensuite des bobines de type vortex, spécialement conçues pour la PFM. Nous expliquerons dans ce rapport les raisons qui nous ont poussé à adopté ce type de bobine. Dans un second temps, nous avons réalisé le dispositif complet de la PFM, c'est-à-dire les plaques support des bobines, de la pastille, des sondes à effet Hall, et d'une petite bobine pour mesurer le champ magnétique en dynamique. Enfin, nous avons réalisé des expériences avec différents pastilles et différentes tensions. Nous avons réussi à piéger 275 mT dans un pastille perforée. Ces expériences ont permis de mettre en évidence l'importance de la qualité de la pastille et du circuit pour réussir à pièger davantage de champ magnétique.