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双定子场调制超导电机超导磁体电磁特性的分析与计算

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中国电机工程学报 2022年第16期42卷 6064-6072页

作者：宁新福程明朱新凯王玉彬许利通东南大学电气工程学院江苏省南京市210096 中国石油大学(华东)新能源学院山东省青岛市266580

双定子场调制高温超导电机(double-stator field-modulated high temperature superconducting machine,DSFM-HTSM)是一种新型超导电机,其使用高温超导(hightemperature superconducting,HTS)磁体励磁,且实现HTS磁体的静态密封冷却与电机的无刷化。针对10kW DSFM-HTSM样机使用的100匝BSCCO双饼线圈,结合超导临界态模型和麦克斯韦方程建立其二维电磁场有限元计算模型,对HTS线圈的自场通流过程进行数值模拟,得到线圈电流的分布与变化特征,并求得线圈临界电流;采用边界替换法,对电机额定运行下的HTS线圈进行快速的电磁场有限元计算,求得HTS线圈的交流损耗;最后进行HTS磁体的制造和实验测试,在液氮冷却下线圈临界电流达70A,与理论计算值相符;样机稳定运行,HTS磁体满足设计要求,验证所提分析计算方法的正确性和有效性。

关键词：高温超导电机高温超导磁体临界电流交流损耗超导电磁场数值计算

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跑道型高温超导磁体的磁场解析计算模型

电工技术学报 2023年第8期38卷 1991-2003页

作者：龚天勇马光同任刚牵引动力国家重点实验室(西南交通大学) 成都610031 西南交通大学电气工程学院成都610031

基于均匀电流密度假设和毕奥-萨伐尔定律,该文建立了三种计算跑道型高温超导磁体磁场的解析模型。通过有限元仿真和实验测量验证了解析模型的有效性,对比分析了三种解析模型的计算精度和效率。基于解析模型,探究了椭圆段和电流密度穿透... 详细信息

基于均匀电流密度假设和毕奥-萨伐尔定律,该文建立了三种计算跑道型高温超导磁体磁场的解析模型。通过有限元仿真和实验测量验证了解析模型的有效性,对比分析了三种解析模型的计算精度和效率。基于解析模型,探究了椭圆段和电流密度穿透深度对跑道型超导磁体磁场分布的影响,揭示了自洽模型的磁场边界大小对超导磁体临界电流估计值的影响规律。该文建立的磁场解析模型能够准确快速地计算复杂形状超导磁体和常导磁体的磁场,可进一步应用于磁体电感、临界电流、交流损耗和电磁力等参数的计算,以提升磁体电磁设计效率。

关键词：跑道型磁体高温超导磁体磁场计算电磁设计电动磁悬浮

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高温超导磁体非接触补偿供电可行性研究

低温物理学报 2017年第5期39卷 55-60页

作者：王超马光同王志涛龚天勇周鹏博钱航宇西南交通大学电气工程学院西南交通大学牵引动力国家重点实验室

高温超导磁浮列车运行在高速状态,要受到环境振动、电磁激扰、轨道不平顺等问题,由此带来的运行损耗与高温超导接头电阻损耗等自身损耗相互叠加,使得高温超导磁体难以实现恒流运行.因此,本文基于近年来快速发展的非接触传能技术,提出了... 详细信息

高温超导磁浮列车运行在高速状态,要受到环境振动、电磁激扰、轨道不平顺等问题,由此带来的运行损耗与高温超导接头电阻损耗等自身损耗相互叠加,使得高温超导磁体难以实现恒流运行.因此,本文基于近年来快速发展的非接触传能技术,提出了一种无漏热高温超导磁体非接触补偿供电方案,从理论上建立等效电路模型进行阻抗匹配,确定系统最优参数,同时利用搭建的实验测试平台研究了不同传输间距、不同负载的供电效率,证实了非接触传能技术用于现代轨道交通中高温超导磁体供电补偿的可行性.

关键词：高温超导磁浮列车高温超导磁体闭环恒流运行非接触补偿供电

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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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

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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高温超导磁体屏蔽电流特性研究

高温超导磁体屏蔽电流特性研究

作者：贾冬雨北京交通大学

学位级别：硕士

第二代高温超导材料具有高临界磁场、高临界温度、高电流密度等优势,促进了高温超导磁体广泛应用在核磁共振、磁共振成像、医疗加速器等高场强的仪器设备上,极大的开阔了高温超导磁体的应用前景。但当高温超导磁体在通电励磁或者置于背... 详细信息

第二代高温超导材料具有高临界磁场、高临界温度、高电流密度等优势,促进了高温超导磁体广泛应用在核磁共振、磁共振成像、医疗加速器等高场强的仪器设备上,极大的开阔了高温超导磁体的应用前景。但当高温超导磁体在通电励磁或者置于背景磁场时,会产生屏蔽电流,屏蔽电流严重破坏磁场的均匀性和稳定性,影响高温超导磁体在核磁共振和磁共振成像等高精度设备上的应用,因此非常有必要开展高温超导磁体中屏蔽电流的特性研究。基于T-A方程,从高温超导带材的临界电流密度出发,对高温超导磁体的电流密度进行了公式推导,并进一步在多物理场分析有限元软件COMSOL中建模与仿真,系统的研究了不同控制条件下高温超导带材中的屏蔽电流特性,主要包含有:（1）只施加交变的背景磁场;（2）只施加交变的传导电流;（3）施加了交变传导电流的高温超导带材同时处在交变的背景磁场中。进一步分析了传导电流和背景磁场的幅值对超导带材电流密度分布的影响规律。对高温超导磁体屏蔽电流引起的磁场衰减进行了数值分析,分别对有屏蔽电流情况下和电流密度均匀分布情况下高温超导双饼线圈中心产生的磁场进行仿真计算,进而得到屏蔽电流引起的磁场衰减,研究了屏蔽电流引起的磁场衰减和磁滞现象。对高温超导磁体屏蔽电流引起的磁场衰减进行了实验研究,绕制了高温超导双饼线圈,搭建了液氮77K条件下的实验测试平台,测量线圈的中心磁场和线圈的磁场常数,研究了屏蔽电流引起的磁场衰减和磁滞现象,并与仿真结果比较,验证仿真结果的正确性和实验的准确性。对消除屏蔽电流的方法进行了总结和介绍,考虑到线圈空间结构有限,对之前的振动线圈法进行改进,只在线圈外侧加入同轴线圈,搭建了改进的振动线圈法的实验平台,测量加入振动线圈前后线圈中心的磁场,得到改进的振动线圈法对消除屏蔽电流的影响,并进一步研究交流电流的幅值对消除屏蔽电流的影响规律。

关键词：高温超导磁体屏蔽电流场漂移 T-A方程振动线圈法

国产MOCVD-YBCO带材高温超导线圈研制与磁场温度特性研究

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物理学报 2018年第6期67卷 250-257页

作者：丁发柱张京业谭运飞陈治友董泽斌张慧亮商红静许文娟张贺屈飞高召顺周微微古宏伟中国科学院电工研究所北京100190 中国科学院应用超导重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049 中国科学院强磁场科学中心合肥230031

超导磁体的场强与超导材料的载流能力、磁体口径和低温环境有密切关系.为了在中高温区域实现高磁场强度的超导磁体,采用国产第二代高温超导带材,成功绕制出内直径为100 mm的高温超导线圈.该超导线圈在77,65,55和46 K不同温区下进行了性... 详细信息

超导磁体的场强与超导材料的载流能力、磁体口径和低温环境有密切关系.为了在中高温区域实现高磁场强度的超导磁体,采用国产第二代高温超导带材,成功绕制出内直径为100 mm的高温超导线圈.该超导线圈在77,65,55和46 K不同温区下进行了性能测试,其最大运行电流分别为65,147,257和338 A,对应的中心磁场强度分别为0.78,1.77,3.1和4.08 T.所研制的超导线圈的中平面上磁场基本一致.

关键词：高温超导磁体钇钡铜氧带材

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行波磁场中高温超导电动悬浮磁体的热性能研究

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中国电机工程学报 2023年第1期43卷 415-424页

作者：龚天勇马光同罗俊王瑞晨李婧赵正伟牵引动力国家重点实验室(西南交通大学) 四川省成都市610031

地面线圈的交变磁场会在超导电动悬浮磁体中感应出涡流,产生涡流损耗,导致磁体温度上升。该文研究地面推进线圈产生的行波磁场对车载高温超导磁体热性能的影响,首先介绍高温超导磁体和推进线圈结构,分析行波磁场空间分布特征;搭建高温... 详细信息

地面线圈的交变磁场会在超导电动悬浮磁体中感应出涡流,产生涡流损耗,导致磁体温度上升。该文研究地面推进线圈产生的行波磁场对车载高温超导磁体热性能的影响,首先介绍高温超导磁体和推进线圈结构,分析行波磁场空间分布特征;搭建高温超导磁体热性能测试平台,测量行波磁场激扰下超导磁体内关键组件的温度分布,揭示各组件温度耦合关系;最后探究行波磁场频率和峰值对磁体温升的影响规律。结果表明,行波磁场激扰下,超导线圈的温升可忽略不计,但辐射屏温升显著,进一步使超导电流引线温度升高,增大电流引线失超风险,为此提出2种方法来限制电流引线温升。该研究成果可为高温超导悬浮磁体低温结构和电流引线的设计提供参考。

关键词：电动磁悬浮高温超导磁体传导冷却低温系统行波磁场推进线圈热性能

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高温超导磁体的交流损耗及动态稳定性分析

高温超导磁体的交流损耗及动态稳定性分析

作者：郭汶璋华中科技大学

学位级别：硕士

高温超导磁体的热稳定性是磁体安全评估的一个重要部分,高温超导材料的性能受到磁场、温度、电流的共同影响,其伏安特性曲线呈现出非常强的非线性。本文综合考虑电磁场、温度场等多种因素,对常见结构的高温超导磁体的建模进行了分析,在... 详细信息

高温超导磁体的热稳定性是磁体安全评估的一个重要部分,高温超导材料的性能受到磁场、温度、电流的共同影响,其伏安特性曲线呈现出非常强的非线性。本文综合考虑电磁场、温度场等多种因素,对常见结构的高温超导磁体的建模进行了分析,在此基础上提出了一种基于扩充临界电流密度的恒流失超模型,并利用实验验证了上述模型的有效性。本文利用两种不同的评价指标来衡量高温超导线圈在失超过程中的动态稳定性,并分析了无绝缘磁体作为提高磁体稳定性的方法。具体内容如下:(1)对常见的环形磁体和跑道型磁体的建模进行了详细的分析,建立基于E-J指数模型的二维轴对称和三维有限元模型,将电磁场和温度场直接耦合计算,综合考虑了带材在磁场和温度下的性能,该模型可以准确评估高温超导磁体的稳定性且为失超模型的研究奠定了基础。(2)基于带材本身的伏安特性,本文对超导带材的电导率进行了重新的定义,提出了扩充临界电流密度的概念,很好的解决了J(B,T)模型中由于存在奇点T而导致的计算不收敛的问题,其本质是对正常态超导带材电导率的扩充描述。本文基于扩充临界电流密度进而提出了恒流失超模型,实验结果与二维轴对称恒流失超模型的计算结果相一致,验证了轴对称失超模型的有效性。(3)本文基于LabVIEW平台,以高温超导恒流失超测试项目为目标,设计并搭建了高温超导线圈测试平台,该平台集成了各项测试与处理系统,有效解决了数据采集和储存的规范化、波形参数化、测量模块化等设计难点,可以实现数据的自动采集、处理和分析,且留有足够的接口,增强了该系统后续的扩展性。(4)基于高温超导线圈测试系统,本文研究了提高高温超导磁体电磁热稳定性的相关技术,分析了无绝缘高温超导磁体的基础特性,无绝缘磁体可提升恒流情况下高温超导磁体的热稳定性。

关键词：高温超导磁体交流损耗热稳定扩充临界电流密度轴对称失超模型

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高温超导磁体的交流损耗快速评估方法研究

高温超导磁体的交流损耗快速评估方法研究

作者：张中平华中科技大学

学位级别：硕士

交流损耗是高温超导磁体动态运行中的主要热源,其大小和分布直接影响超导磁体的热稳定性。快速、准确地评估超导磁体在动态运行中的交流损耗,有助于确定磁体安全运行电流区间和变化率,优化磁体的结构和低温系统参数,降低动态运行时的热... 详细信息

交流损耗是高温超导磁体动态运行中的主要热源,其大小和分布直接影响超导磁体的热稳定性。快速、准确地评估超导磁体在动态运行中的交流损耗,有助于确定磁体安全运行电流区间和变化率,优化磁体的结构和低温系统参数,降低动态运行时的热损耗,提高的超导磁体的热稳定性,降低失超保护装置的压力。超导磁体交流损耗的实时评估十分重要,但由于实际工程应用中,超导磁体一般规模较大,目前交流损耗计算中应用广泛的有限元方法计算量大、计算速度慢,难以对超导磁体交流损耗进行实时评估。本文提出了一种可以快速计算交流损耗的多尺度建模方法,通过一系列改进型的背景磁场估算方法提高了多尺度模型的准确度,在此基础上,建立了基于神经网络的交流损耗快速评估模型。具体工作内容如下:(1)介绍了多尺度模型的基本思想和传统多尺度模型的建模方法,归纳了其背景磁场估算方法——均匀电流密度法的原理,利用多尺度模型计算了单螺管高温超导线圈的交流损耗,对比分析了多尺度模型、均质化模型与H方程模型。(2)阐述了改进多尺度模型背景磁场估算方法的思路,提出了一系列改进型背景磁场估算方法,给出了其建模流程,以H方程模型的计算结果为参考,分析对比了不同背景磁场估算方法在计算速度、准确度、适用范围等方面的特点。(3)开发了基于神经网络模型的交流损耗实时预测工具,采用多尺度模型构建了150kJ高温超导磁体在不同运行工况下的交流损耗数据库,得到了超导磁体交流损耗与运行工况的映射关系,利用该神经网络模型预测了新工况下的交流损耗。以均质化模型为参考,验证了该模型的准确性与适用性。

关键词：高温超导磁体交流损耗预测多尺度模型神经网络模型 H方程均质化模型