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高温超导磁体“直线电机式”大电流磁通泵的结构及输出特性研究

高温超导磁体“直线电机式”大电流磁通泵的结构及输出特性研究

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作者：叶汉新四川大学

学位级别：硕士

高温超导磁体具有工作温度高、强磁场下较高的临界电流和强机械性能等特点。然而,目前面临的问题是如何补偿磁通蠕动以及焊接电阻所带来的损耗等,从而让高温超导磁体工作在恒流模式下。传统的接触式电源使用金属电流引线来对磁体供电。... 详细信息

高温超导磁体具有工作温度高、强磁场下较高的临界电流和强机械性能等特点。然而,目前面临的问题是如何补偿磁通蠕动以及焊接电阻所带来的损耗等,从而让高温超导磁体工作在恒流模式下。传统的接触式电源使用金属电流引线来对磁体供电。电流引线给低温系统带来巨大的热泄漏,并大大增加了其运行成本。另外由电流引线引起的热泄漏会破坏超导磁体的热稳定性。为了减少能量损失和提高磁体系统的稳定性,发明了磁通泵技术。本文工作重点是为大电流超导磁体开发更节能、更灵活的电源。基于有限元仿真和实验检测的方法,本论文致力于“直线电机式”磁通泵的结构及输出特性研究,主要工作内容如下:(1)设计并制造了旋转永磁式高温超导磁通泵。通过有限元软件计算不同条件下施加在超导定子表面的磁场。通过实验获得旋转永磁式磁通泵在不同磁场强度和频率下泵入电流的大小。(2)在实验室原有的“直线电机式”磁通泵基础上进行了结构优化和输出特性研究。通过多物理场仿真软件对“直线电机式”磁通泵的磁路和气隙磁场进行数值计算,使得磁通泵结构小型化,并能产生0.45 T以上直流偏置的行波磁场。制造组装了波长为21 mm“直线电机式”磁通泵。在77 K(液氮)下进行了磁通泵的负载实验。从磁体的电流-时间充电曲线中,直接推导出了“直线电机式”磁通泵输出电压随时间的变化关系以及“直线电机式”磁通泵系统输出电压-电流关系,本文提出的这种方法可以直接推导出行波磁通泵的输出电压,也适用于其他类型的磁通泵。(3)基于小型的“直线电机式”磁通泵的结构,设计制造了用于大电流超导磁体的“直线电机式”磁通泵,并进行了输出特性研究。通过有限元仿真软件对大输出电流磁通泵的磁路和气隙磁场进行数值计算。基于该磁通泵提出了自适应磁通泵的概念以及不同方式的励磁方案。使用该磁通泵对多个超导单匝闭环负载进行充电,得到了大输出电流的“直线电机式”磁通泵在不同频率和不同磁场下的泵入电流实验结果,磁通泵在77 K时可输出超过640 A的直流电流。实验结果还表明,该类型的磁通泵具有良好的可扩展性,通过进一步优化和设计,输出电流可以达到千安培的水平。

关键词： “直线电机式”磁通泵高温超导无线直流电源高温超导磁体伏安特性曲线钇钡铜氧

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