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超导线圈低/变温热膨胀系数预测与实验

低温与超导 2023年第1期51卷 8-14页

作者：金乘慧吴北民何天虎关明智兰州理工大学理学院兰州730050 中国科学院近代物理研究所兰州730000

为表征超导线圈低/变温环境热膨胀系数,首先基于细观力学有限元方法建立了超导线圈代表性体积元模型,并利用多项式函数赋予材料属性进一步完成低/变温环境热膨胀系数有限元预测,通过复合律公式计算出理论值验证了有限元模型的准确性。其... 详细信息

为表征超导线圈低/变温环境热膨胀系数,首先基于细观力学有限元方法建立了超导线圈代表性体积元模型,并利用多项式函数赋予材料属性进一步完成低/变温环境热膨胀系数有限元预测,通过复合律公式计算出理论值验证了有限元模型的准确性。其次,基于应变片测量热膨胀系数的原理,搭建了超导线圈低/变温热膨胀系数测量系统,最后,针对常规材料热膨胀系数进行了实验测量,验证了搭建系统的可靠性。进一步地,基于上述基础表征研究,开展了超导线圈相关低温测量的实验研究,得到了极端低/变温环境下超导线圈热应变、热膨胀系数与温度之间明显的非线性关系,且实验测试结果与理论值吻合良好。该数值模型、实验方法与测试系统的成功发展一方面丰富了极端环境下材料热膨胀系数的表征方法,另一方面,将为我国各类大型超导磁体结构设计、制备与实验提供重要参数与热-力学基础测试平台。

关键词：超导线圈代表性体积元有限元法热膨胀系数低/变温

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超导线圈预紧碟形弹簧弹性特性研究

超导线圈预紧碟形弹簧弹性特性研究

作者：赵高攀安徽工程大学

学位级别：硕士

碟形弹簧作为常见的一种非线性元件,其变形范围小,承受的载荷变化范围宽广。随着对碟形弹簧的深入研究,其优良的力学性能与可变的组合方式使得碟形弹簧的使用范围越来越广泛。由于碟形弹簧具有独特的几何特征和结构形态,其受力情况也不... 详细信息

碟形弹簧作为常见的一种非线性元件,其变形范围小,承受的载荷变化范围宽广。随着对碟形弹簧的深入研究,其优良的力学性能与可变的组合方式使得碟形弹簧的使用范围越来越广泛。由于碟形弹簧具有独特的几何特征和结构形态,其受力情况也不尽相同,这就使得其载荷计算极其复杂。近年来,随着计算机科学的迅猛发展,许多复杂的工程应用都能够利用它们来获取有效的数学模型。本文以超导线圈预紧结构中的碟形弹簧为对象,通过碟形弹簧理论计算公式求得碟形弹簧对应的载荷数值,利用有限元软件ANSYS对碟形弹簧预紧结构进行了静力学分析,并开展碟形弹簧常低温弹性特性试验研究。主要研究内容如下:1.本文首先介绍了导体性能研究平台及其关键子系统背场线圈的主要组成,描述了背场线圈中预紧结构的组成及作用。通过对国内外大型超导磁体预紧结构的调研,结合背场线圈的结构特点,确定了背场线圈预紧结构的结构形式。基于超导线圈预紧结构中预紧力的设计要求,明确了预紧碟形弹簧的设计。同时采用碟形弹簧理论计算公式,得到了预紧碟形弹簧在室温预紧、降温及通电运行工况下的预紧力满足设计要求。2.运用有限元的分析方法,开展了在室温独立预紧、整体组装、整体降温及通电运行四种工况下预紧结构的静力学分析,得到了在不同工况下预紧结构各部件的应力和变形情况,同时根据相关评定准则对各部件进行力学校核。分析结果表明,预紧结构各部件的强度满足工程的设计要求。3.通过开展预紧碟形弹簧弹性特性试验研究,得到了预紧碟形弹簧在特定压缩行程下的滞回曲线及极限载荷。分析预紧碟形弹簧多次循环后载荷变化的原因,并对预紧碟形弹簧进行优化,从而延长预紧碟形弹簧使用寿命,保证结构安全。试验结果表明,预紧碟形弹簧提供的预紧载荷满足设计要求。

关键词：碟形弹簧超导线圈预紧结构滞回曲线

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超导线圈绕制过程的力学行为研究

物理学报 2013年第5期62卷 508-514页

作者：李兰凯王厚生倪志鹏程军胜王秋良中国科学院电工研究所应用超导重点实验室北京100190 中国科学院研究生院北京100049

为了增加超导线圈中导线的占空比,提高超导磁体正常运行时的机械稳定性,通常在超导线圈绕制过程中施加一定的绕制张紧力.绕制张紧力的大小会对超导磁体的失超特性和退化性能产生重要的影响,因此有必要对绕制过程中的机械应力进行详细的... 详细信息

为了增加超导线圈中导线的占空比,提高超导磁体正常运行时的机械稳定性,通常在超导线圈绕制过程中施加一定的绕制张紧力.绕制张紧力的大小会对超导磁体的失超特性和退化性能产生重要的影响,因此有必要对绕制过程中的机械应力进行详细的分析.本文仔细地分析了绕制过程中导线的受力情况,进行了一些合理的假设和近似,提出了研究超导线圈绕制应力的理论模型,并根据轴对称结构的弹性力学方程式推导了计算超导线圈应力应变分布的理论公式.基于该模型分别研究了单一绕组的超导线圈和双绕组的超导线圈的绕制应力,分析了绕制张紧力和绕组的各向异性特性对径向应力和环向应力的影响.在该理论模型分析结果的基础上可以进一步分析多物理场作用下的超导磁体的应力应变行为,为高性能超导线圈的设计和建造提供理论指导.

关键词：超导线圈机械稳定性绕制张力应力

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高温超导线圈失超特性及保护研究

高温超导线圈失超特性及保护研究

作者：梅涛北京交通大学

学位级别：硕士

高温超导(High Temperature Superconducting,HTS)线圈是超导电力装置中的核心组成部分,凭借其高效率、低损耗和轻量化的优势广泛应用在轨道交通和工业生产领域,并在系统中发挥着传输电能和电磁能量转换的关键作用。然而运行在复杂电磁... 详细信息

高温超导(High Temperature Superconducting,HTS)线圈是超导电力装置中的核心组成部分,凭借其高效率、低损耗和轻量化的优势广泛应用在轨道交通和工业生产领域,并在系统中发挥着传输电能和电磁能量转换的关键作用。然而运行在复杂电磁环境下的HTS线圈会受到机械弯折作用、热量冲击和导体局部坏点等干扰,很可能会失去超导特性,从而危害超导电力装置的运行稳定性和安全性。因此开展HTS线圈失超特性研究对于保障超导电力装置安全稳定运行具有重要意义。本文采用模型仿真和实验探究相结合的方式开展HTS线圈失超特性的研究,主要包括以下几个内容:首先,分析了超导线圈的基本组成结构和超导特性,并建立了超导线圈电-热特征的数值模型,同时分析了HTS线圈失超时的伏安特性,为建立HTS线圈失超有限元仿真模型提供了理论基础。其次,建立了单根和堆叠HTS带材的有限元热扰动失超模型,研究了单根和堆叠带材局部失超时,失超电流、失超电压、失超温度和失超传播速度随时间的变化规律。结果表明:失超时,导体超导层电流向相邻金属基底分流,电流密度横向流动比沿径向流动更快,失超区域的电流密度以失超点为中心呈现对称分布;失超电压和失超温度受导体区域温度和传输电流的影响,热扰能量和传输电流越大线圈的失超温度与失超电压越大,失超传播越快;最小失超能随着传输电流的增加逐渐减小,并表征了线圈的温度稳定裕度。然后,基于仿真模型进行了超导带材和线圈的制作,搭建了失超实验平台,研究了超导线圈的失超特性变化规律,实验结果与仿真结果相吻合,验证了仿真模型和结果的正确性,为HTS线圈的失超检测研究奠定了基础。最后,结合HTS线圈的失超特点,开展了失超的检测与保护方法研究,设计了线圈的有源功率失超检测方法和自触发式失超保护方案,完成了检测系统硬件的设计和实物功能的实验验证,同时对超导变压器线圈在多种故障类型下的保护过程进行了仿真,并实现了保护系统的有效动作,为HTS线圈失超检测与保护设计提供了方案设计和技术参考。

关键词：高温超导体超导线圈失超特性失超检测与保护方法

Nb3Sn复合超导线圈的热应力分析与断裂行为研究

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Nb3Sn复合超导线圈的热应力分析与断裂行为研究

作者：田栋长安大学

学位级别：硕士

NbSn超导磁体因其优异的超导性能,在大科学装置、交通、医疗和能源等领域是最具竞争力的超导材料。较高的临界电流密度和较高的超导磁场强度成为超导磁体领域的研究热点之一。由于NbSn材料具有较高的应变敏感性,且NbSn超导线在热处理、... 详细信息

NbSn超导磁体因其优异的超导性能,在大科学装置、交通、医疗和能源等领域是最具竞争力的超导材料。较高的临界电流密度和较高的超导磁场强度成为超导磁体领域的研究热点之一。由于NbSn材料具有较高的应变敏感性,且NbSn超导线在热处理、加工、冷却、运行等过程中会不可避免地受到热应力和电磁体力的作用,较大的应变会对超导磁体结构的稳定性产生一定的影响。因此,开展NbSn超导线圈的热应力分析及断裂行为的研究对超导磁体线圈安全稳定运行显得尤为重要。本文建立了NbSn超导线圈的三维有限元模型,考虑到超导线圈内部超导线的复合结构,为了避免庞大的计算量,采用双向均质化方法研究超导线内部各材料的应力-应变随线圈层数和匝数的变化情况。本文首先验证了采用双向均质化方法计算超导线圈应力-应变的准确性,接着利用细观力学中的代表性单元法计算超导线单元的等效力学参数,建立三维均质化线圈模型,得到NbSn超导线圈在热应力作用下的各层各匝超导线单元的位移场,然后将等效超导线单元的位移场施加到精细的超导线单元结构上,计算超导线中各材料的应力-应变随线圈层数和匝数的变化情况。结果表明,当NbSn超导线圈仅承受热应力作用时,超导线中各材料的应力-应变随线圈层数匝数表现出较强的线性关系。接着通过改变超导线中NbSn芯丝数量、芯丝大小和铜基直径大小等因素,分析各材料中应力-应变随这些因素的变化关系。当芯丝数量越多、芯丝尺寸越大或者铜基直径越小时超导线的强度越大,从而选取合理超导芯丝排布,在力学性能方面对超导线结构进行优化设计。随后考虑超导线圈在热应力和电磁体力共同作用下,给出了超导线中各材料的应力-应变随超导线圈层数和匝数的变化关系,超导线中各材料的应力-应变随电磁体力的分布有着密切的关系。在NbSn超导线的生产、装配和运行过程中不可避免地会产生微小裂纹,这些微小裂纹的存在会使得超导线可能发生严重的断裂破坏。本文通过建立NbSn超导线的二维有限元模型,利用J积分求解裂纹尖端的应力强度因子。首先给出了应力强度因子在拉应变下随着NbSn芯丝大小和铜基直径的变化关系。随后讨论了在热应力作用下NbSn超导线中各材料上裂纹区域的受力状态,裂纹在不同区域表现出不一样的扩展状态。讨论了在不同温度场下裂纹长度和裂纹角度与裂纹尖端应力强度因子的变化关系。最后讨论了两条裂纹之间的距离与应力强度因子的变化关系,当裂纹逐渐靠近时,裂纹尖端的应力强度因子逐渐增大。

关键词：超导线圈 Nb3Sn芯丝热应力电磁体力应力应变场 J积分应力强度因子

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超导线圈在强磁场作用下的弹塑性变形分析

应用力学学报 2012年第5期29卷 481-486,623页

作者：黄晨光周又和兰州大学兰州730000

根据超导线圈受电磁力、热膨胀、弯曲应力作用的受力机制,首先理论研究了超导线圈在发生弹塑性变形时内部的应力、应变、位移,然后使用两段直线之间由过渡曲线相连接的简化模型作为超导线的应力-应变曲线的近似特性。利用有限元方法,数... 详细信息

根据超导线圈受电磁力、热膨胀、弯曲应力作用的受力机制,首先理论研究了超导线圈在发生弹塑性变形时内部的应力、应变、位移,然后使用两段直线之间由过渡曲线相连接的简化模型作为超导线的应力-应变曲线的近似特性。利用有限元方法,数值模拟了电磁力作用下典型的Nb3Sn超导线材在不同边界条件下的应力、应变、位移分布情况。计算结果定量显示了超导线的弹塑性变形特性同电流密度的关系,初步预测了超导线圈发生塑性变形的区域和扩展以及支撑结构对超导磁体力学行为的影响。

关键词：超导线圈弹塑性变形 Prandtl.Reuss流动法则增量法

230 MeV质子回旋加速器超导线圈力学分析及固化工艺研究

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原子能科学技术 2018年第2期52卷 359-364页

作者：尹蒙王川张天爵张素平张喜虎郭如勇吕银龙崔涛成渝中国原子能科学研究院串列加速器升级工程部北京102413 上海辰光医疗科技股份有限公司上海201707

本文对230 MeV质子回旋加速器超导线圈进行了力学分析,对其在绕制、降温、励磁等不同工艺条件下的强度进行了校核,并对其固化工艺进行了研究。通过7次绕制与浸渍实验,得到满足超导线圈固化要求的主要工艺参数。根据以上研究结果制造的... 详细信息

本文对230 MeV质子回旋加速器超导线圈进行了力学分析,对其在绕制、降温、励磁等不同工艺条件下的强度进行了校核,并对其固化工艺进行了研究。通过7次绕制与浸渍实验,得到满足超导线圈固化要求的主要工艺参数。根据以上研究结果制造的超导线圈在励磁过程中没有失超,验证了其具有良好的结构稳定性。

关键词：回旋加速器超导线圈力学分析固化工艺

150kVA超导线圈和锂电池-电容组合式SVG-APF设计技术

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电力系统保护与控制 2010年第16期38卷 163-167页

作者：沈小晴陆广香南京邮电大学计算机学院江苏南京210003 南京大学电气工程系江苏南京210096

超导线圈和锂电池-电容组合式SVG-APF可以防止由'堵转多米诺效应'(Choke Domino Effect,CDE)引起的电压崩溃,也可以进行谐波治理从而提高电能质量。从应用角度出发,系统地总结了在研制380 V/150 kVA超导线圈和锂电池-电容组合式SVG-APF... 详细信息

超导线圈和锂电池-电容组合式SVG-APF可以防止由'堵转多米诺效应'(Choke Domino Effect,CDE)引起的电压崩溃,也可以进行谐波治理从而提高电能质量。从应用角度出发,系统地总结了在研制380 V/150 kVA超导线圈和锂电池-电容组合式SVG-APF过程中解决的关键技术:在高频、过压、过热环境下确保IGBT、控制模块和控制电路等大功率电力电子设备可靠稳定运行;利用数字滤波器、数字锁频、锁相等软件算法技术确保SVG-APF的精准输出,向电力系统输出工频同相电压实现无功补偿、向电力系统输出同频同幅反相谐波实现有源滤波。

关键词：超导线圈有源电力滤波器无功补偿电压崩溃 DSP控制器

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超导线圈的等效热膨胀系数的理论与实验研究

低温工程 2013年第2期 9-12页

作者：李兰凯冯忠奎程军胜倪志鹏王秋良中国科学院电工研究所应用超导重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

给出了计算超导线圈等效热膨胀率的理论模型和计算方法,对比了各种测量材料线膨胀系数的实验方法,并且给出了低温应变片测量热膨胀系数的技术原理。采用低温应变片法测量了矩形截面导线缠绕成型的超导线圈由77 K到300 K的线膨胀系数,并... 详细信息

给出了计算超导线圈等效热膨胀率的理论模型和计算方法,对比了各种测量材料线膨胀系数的实验方法,并且给出了低温应变片测量热膨胀系数的技术原理。采用低温应变片法测量了矩形截面导线缠绕成型的超导线圈由77 K到300 K的线膨胀系数,并将实验测试结果与理论计算结果进行了对比分析。

关键词：低温热膨胀系数理论模型低温应变片超导线圈