Fundamentos de ingeniería de mecanismos compuestos por imanes y superconductores en estado Meissner

Résumé

A partir del desarrollo analítico para el cálculo de fuerzas entre superconductores e imanes basado en el modelo Pérez-Díaz/García-Prada (PDGP) hemos extendido su definición al cálculo de pares entre superconductores e imanes en estado Meissner completo. De las expresiones resultantes se han derivado varias pautas para la optimización y diseño de mecanismos levitantes. Hemos desarrollado un algoritmo para poder utilizar el modelo PDGP en programas de elementos finitos. Hemos estudiado además la sensibilidad a la caracterización del mallado. Hemos verificado experimentalmente la validez de estos algoritmos basados en el modelo PDGP mediante dos procedimientos. El primero basado en medidas de fuerza entre imán y superconductor y el segundo midiendo el ángulo de alineamiento entre imán y superconductor. En ambos casos obtenemos un buen acuerdo entre experimento y predicción teórica. Además, se ha demostrado que existe un fenómeno de alineamiento mecánico entre imanes y superficies superconductoras. Se ha estudiado este efecto analizando parámetros como el tamaño del imán y la altura sobre el superconductor. El acuerdo entre las medidas de fuerza y los valores calculados ha sido lo suficientemente bueno que nos ha permitido desarrollar un método mecánico para la determinación del campo de penetración inicial para superconductores de tipo II. Este método ha resultado ser más simple que los habituales hasta la fecha, además de proporcionar información adicional como la localización de la penetración inicial que otros métodos no pueden. Hemos utilizado las herramientas desarrolladas y verificadas para su cálculo en aplicaciones mecánicas concretas. Hemos calculado el comportamiento de un imán sobre una esfera superconductora comparando nuestros resultados con los obtenidos mediante otras expresiones para el cálculo de fuerzas basadas en el método de las imágenes. En una segunda aplicación, hemos aplicado el modelo para el cálculo de la interacción entre imán y superconductor toroidal demostrando que existe un efecto de volteo (o flip effect) entre un imán y un superconductor toroidal que puede ser utilizado en mecanismos levitantes. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------