二代高温超导带材线性磁通泵系统的仿真及优化设计

作     者：刘欣怡 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：翟雨佳

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：二代高温超导带材 有限元分析 线性磁通泵 交流损耗 高温超导磁体 

摘      要：高温超导磁体工作在持续电流模式时,由于存在接头电阻、磁通蠕动及交流损耗,将导致闭合超导回路电流衰减,无法工作在闭环恒流模式下。当下高温超导磁体充磁的方式主要有直接驱动和无接触式磁场感应两种方式。直接驱动法需接入电流引线,电流引线跨接在室温和低温环境之间,会形成漏热源,在通电励磁时还产生焦耳热形成附加热源。对大电流超导磁体来说,引线热功率大,制冷负担极高。因此传统励磁方法能量损耗大,设备体积大,成本要求高。高温超导磁通泵技术可以在无电接触的下将直流电泵入超导闭环电路的新型无接触式充磁技术,使用电磁感应原理把外部离散磁通向超导磁体累积,在带材中产生感应电流,从而实现高温超导磁体充磁,能够使其在持续电流模式下高效稳定运行。明晰高温超导磁通泵励磁机理对于提高俘获磁场、提升磁通泵效率与稳定性、获得高效、紧凑的超导磁体具有重要意义。本文分析了宏观磁通量子耦合理论与动态电阻理论的物理模型,探讨了两种理论在高温超导磁通泵中的运行机制,并根据现有研究成果进一步阐明了线性磁通泵中感应电压的产生原理,选用公式组中关系参数最佳值及本课题模型中的实际参数拟合线性磁通泵的特征曲线,分析关系系数及特征参数,并因此提出优化线性磁通泵励磁效率的方案。对高温超导线性磁通泵的励磁部分进行了三维建模设计与优化研究。基于COMSOL Multiphysics搭建了三维模型,使用多物理场有限元仿真,分析了线性磁通泵装置中驱动电流及气隙等参数与行波磁场特征参数的对应变化关系,为达到减少特殊应用场合下装置热损耗、降低制冷负担,提高系统整体制冷效率的目的,提出了线性磁通泵运行参数最优解,考虑实际平台搭建,装置选择气隙为1mm,驱动电流相位差为120°,电流幅值为0.5～1A时最为合适。最后根据优化后的参数计算了整体装置的热损耗,包括焦耳热及铁损,驱动电流为1A时,铁耗约为0.53W,线圈热功率约为2.3W,与制冷机进行参数对比,满足传导冷却型磁通泵装置的制冷负荷要求。对高温超导感应带材及负载线圈进行了仿真建模计算研究。高温超导涂层导体作为载流导体可应用于许多要求大容量、低损耗输电的场景,精确地计算磁场各参数对高温超导体的交流损耗的影响有着重要的意义。利用有限元仿真研究了基于行波磁场的线性磁通泵装置中超导部分的交流损耗,包括放置于感应区域中的平行高温超导带材及高温超导双饼式负载线圈。基于数值分析方法,建立了三根水平平行放置的高温超导带材二维仿真模型,通过求解基于H公式的偏微分方程(PDE),研究了水平平行放置的高温超导带材的自场交流损耗,分析了不同位置下带材的交流损耗特性关系。结果表明,由于中间带感应的磁场叠加在两端带上,因此三根平行的高温超导带两端的带的交流损耗始终大于中间带的交流损耗;而当间隙减小时,中间带和末端带的交流损耗的交互作用将变得更加明显。此外,更进一步地研究了线圈自场损耗及磁化损耗,分析了高温超导线圈在交流传输电流和外部交流磁场条件下,在磁场振幅,频率,相位和其他参数影响下的交流损耗特性。结果表明,外部交流磁场较小的条件下,线圈的交流损耗主要受传输电流的影响,磁场的影响几乎可以忽略;当外部交流磁场幅值足够大时,各传输电流条件下的交流损耗曲线均较为接近,此时外加磁场已经在线圈整体交流损耗中起主导作用。基于前期的仿真工作搭建了液氮下线性磁通泵系统实验平台。综合考虑了系统中各部分优化后的参数,基于各特征参数的相互影响选择了最优的装置参数。线性磁通泵系统的搭建分为驱动电路部分,无线励磁部分,高温超导负载线圈部分及测量系统部分。该工作为后续搭建传导冷却型磁通泵提供了参数优化设计方案,为线性磁通泵在实际高温超导磁体闭环运行中的进一步应用奠定理论基础与实验验证。