铁磁材料作用于Bi-2223带材临界电流的研究

主要研究了铁磁材料对Bi-2223带材的临界电流的影响。通过计算铁磁材料在不同布局下对带材磁场分布的影响,进行了相应的临界电流测试实验。分析表明,将铁磁材料垂直放在带材边缘能有效地提高带材的临界电流。     

金属封装内冷型高温复合超导体电磁特性的有限元分析

基于工程化高温超导带材的内冷型复合超导体电磁特性受磁场各向异性影响较大,采用有限元方法分析了内冷型复合超导体的电磁特性。利用COMSOL Multiphysics建立了基于商品化高温超导带材的金属封装内冷型高温复合导体的有限元计算模型,并对其进行电磁仿真分析,得到了内冷型复合超导体的磁场分布,应用高温超导材料在磁场下的Jc-B曲线关系,获得内冷型复合导体在77K液氮温区下临界电流受磁场影响的变化规律。采用电场强度与电流密度进行面积分的方法,计算得到了不同频率、不同通流下内冷型复合导体的交流损耗情况,计算表明,相同频率下交流损耗随激励电流的增大而增大,相同激励电流条件下交流损耗与通流频率成正比关系。     

高温超导带材临界电流各向异性的试验研究

二代高温超导带材因其机械和磁场下的性能优于一代带材,近年来受到广泛关注。文中针对高温超导带材的特点,结合实验室的现有设备,设计了超导带材临界电流的测试平台,对三种二代高温超导带材在77K、不同磁场、不同角度下的临界电流进行了测量,分析了其在不同背景磁场和磁场角度下的各向异性,并用插值法拟合出了其临界电流与磁场及其角度的关系曲面,为超导磁体设计中高温超导带材临界电流的计算提供依据。     

一种基于阶梯电流的高温超导储能磁体优化方法

高温超导带材的各向异性特性一直影响着它工程使用中性能的充分发挥,为了提高带材的利用率,本文提出了一种基于阶梯电流的优化方法,利用MATLAB对YBCO高温超导储能单螺管磁体的结构进行优化获得初步模型,对双饼线圈进行分组,以两阶梯电流和三阶梯电流为例对磁体进行了优化.分析了各组双饼线圈的磁场分布和临界电流,计算了各部分带材性能的利用率.利用有限元软件分析阶梯电流引起的磁场变化,在充分考虑带材的临界特性和各向异性的前提下优化各组线圈的电流大小.仿真计算表明,和统一电流磁体相比,采用阶梯电流法能够优化磁体磁场构型,提高平均储能密度,最终提高磁体带材的利用率从而提升储能.阶梯电流法同样适用于多螺管磁体,对于超导储能磁体的优化是一种行之有效的方法.     

高温超导带材的临界电流各向异性的实验研究

高温超导带材的临界电流在77K不同磁场大小和方向上相差很大, 表现出强烈的各向异性.我们对此进行了仔细的实验研究,得到了磁场与超导带带面任何夹角情况下临界电流非常简单的解析经验表达式:只要得到在平行场和垂直场下临界电流的变化特性就可以计算出任何磁场与超导带面夹角下的临界电流,计算结果与实验结果吻合得很好,对高温超导带材的应用研究具有重要的实际意义.     

背景磁场下Y系超导带材临界电流的测量

高温超导电力装置一般工作于低磁场情况下,测量超导带材在低场下的临界电流特性非常重要.文中通过自行设计的实验平台,采用四引线法对Y系超导带材低场下的临界电流特性进行了测量,得到了带材临界电流随外加磁场变化的曲线,并与Bi系带材低场下的临界电流特性进行比较.     

直流偏置下YBCO单层导体的交流损耗特性研究

在高压直流输电系统中,高温超导直流电缆具有高功率密度特点被广泛使用。然而,电网中的直流以及开关器件和环境产生的交流纹波,都造成交流损耗。由第二代(2G)带材组成的五边形单层导体在交流和直流作用下,进行了交流损耗特性研究。该次实验从电压引线高度,接触位置和频率等不同角度测量分析了五边形单层导体的交流损耗。结果表明,尽管电压引线的接触位置不同,由于五边形单层导体的对称结构,每根带材的交流损耗几乎相同;当总电流大于临界电流时交流损耗取决于频率。此外,对五边形单层导体进行了仿真计算,与实验结果做了比较分析。结果表明,交流损耗实验测试结果与模型仿真结果基本吻合。     

YBCO线圈交流损耗的有限元分析与实验验证

随着高温超导YBCO带材载流能力的不断提高和成本的逐渐降低,YBCO线圈及磁体的应用将日益广泛。文中利用有限元方法研究了YBCO线圈的交流损耗特性,计算了50Hz下线圈的瞬时交流损耗,分析了每匝带材中的电流和磁场分布。仿真结果表明,线圈内侧承受的磁场最大,但线圈中部每周期的交流损耗最大,且线圈中始终存在未被磁场穿透的区域。除此之外,文中实验测量了YBCO线圈的临界电流和交流损耗,实验结果良好地验证了仿真方法的正确性。     

高温超导电流引线电磁特性及交流损耗研究

在无限长堆叠带材模型的基础上对高温超导电流引线的交流损耗建立了新的计算模型,即正十二边形骨架计算模型.由于正十二边形对称性,通过建立合适的坐标系,对坐标进行旋转即可求出每堆带材处的磁场.使用matlab编程计算并得出一系列电流下的交流损耗值,通过将所得数据绘成图形,比较了不同电流下穿透深度及交流损耗的大小.然后搭建实验平台,测量了不同频率下电流引线的交流损耗,并将理论与实验对比,得到较好的一致性.     

Bi-2223/Ag高温超导带临界电流各向异性的实验测量及分析

本文介绍了Bi-2223/Ag高温超导带临界电流各向异性的实验测量方法及原理,指出了在不同磁场方向(与超导带面夹角)下,Bi-2223/Ag带临界电流随直流背景磁场的变化规律以及实验应注意的问题.Bi-2223/Ag带材的各向异性决定了其临界电流对垂直于带材表面的磁场非常敏感,这是该带材在高温超导磁体等强电应用方面的不利因素.     

Effect of the twisting chirality configuration on the electromechanical behavior of multilayer superconducting tapes

Seeking a geometry that can withstand greater transverse loads based on the electromechanical material properties of high-temperature superconducting (HTS) tape is an effective way of improving the transport performance of HTS cables. The cabling method requires the determination of the optimum twist angle of the HTS tape for withstanding transverse loads. This paper investigates the critical current characteristics of HTS tapes under combined deformation. The limit range of the twist angle under the combined deformation is measured and the optimum twist angle of the HTS tape is determined. The results show that the twisting chirality configuration obviously affects the bending strength of the HTS tape. In the elastic range, increasing the pre-twist angle increases the bending strength of the HTS tape, thereby improving the transport performance. In addition, a numerical model is built to further investigate the effect of the twisting chirality configuration on the electromechanical properties of the HTS tape, and the experimental results are explained. The experimental and simulation results generally agree well, and calculations show that there is always a sharp change in stress at the interface of different materials. These findings explain the mechanism of the effect of the twisting chirality configuration on the mechanical behavior and critical current of the HTS tape. They also provide a reference for cabling methodologies for the HTS cable configuration.     

Electro-mechanical behavior of single twisted high-temperature superconducting tape under transverse Lorentz force

In recent years, several cabling methods of high temperature superconducting (HTS) cable have been proposed; e.g., the conductor on a round core cable (CORC), the Roebel assembled coated conductor cable, the helical twisted stacking-tape cable (TSTC) and the twisted-stack slotted core HTS cable (TSSC). These cabling methods allow the high temperature superconducting tapes widely used in the high-field magnets. The single superconducting tape performance under applied loads directly relates to the transport performance of the cable and the choice of the cabling method. In this paper, we investigate the effect of twisting morphology on the electro-mechanical properties of HTS tapes. Particular attention is given to the transverse Lorentz force of a pre-twisted HTS tape. The analytical solution of the deflection of the HTS tape under transverse Lorentz force is derived. Then, the current distribution and AC loss of the tape are calculated by using H-formulation. The effects of twist angle and loading conditions are examined for different HTS tape lengths. The results show that the stiffness resistance ability to Lorentz force of the HTS tape can be increased in several ranges by increasing the twist angle. The twisting structure can also reduce current degradation and AC loss, and thus enhance the transport capacity of HTS tape. This study helps understand the electro-mechanical properties of pre-twisted HTS tapes and provides theoretical reference for the design of novel HTS cable structures.     

第二代高温超导带材的大电流V-I测量与热效应消除

介绍了0～400 A零外场下高温超导带材大电流V-I测试系统。实验利用计算机自动实现电流/电压扫描、采集并处理数据,测量温度为液氮温区。利用导热分析,优化仪器设计,最大程度地消除V-I测量的爬坡效应和大电流的热效应,提高试样的耐大电流冲击能力、测量精度和稳定性。     

新型高温超导扭绞缆线的临界电流评估方法及其特性研究

高温超导缆线是研究各种大电流高温超导应用的基础.将超导材料通过不同方式组合成复合导体,不仅可以让缆线的载流量得到提升,更可以在机械强度和电磁特性等方面得到改善.在国内外众多研究缆线的团队中,上海交通大学超导团队提出了一种基于YBCO高温超导带材的新型高温超导扭绞缆线结构.这种结构在理论上不仅实现了载流量和机械强度的平衡,还通过扭绞改善了电磁特性[4-5].但是目前对于这种缆线的研究还处于起步阶段,特别是对其临界电流特性的研究.因此为了研究新型高温超导扭绞缆线的临界电流特性,本文从新型高温超导扭绞缆线的结构出发,通过仿真和实验两个角度对新型高温超导扭绞缆线的临界电流特性进行研究.在仿真方面,用H方程法计算缆线的临界电流,并探究扭绞节距是否会对临界电流的衰减产生影响.在实验方面,研究出了一种最适合于该缆线结构的临界电流评估方法“SVWE-copperwire-TU”.并用该方法测量了新型高温超导扭绞缆线的临界电流特性.本研究的结论对于后续制作更大电流的新型高温超导扭绞缆线具有重要意义.     

低温/高温复合超导体中的电流分布的研究

低温/高温复合超导体是将高温超导体部分取代复合实用低温超导体中的金属稳定材料或两者直接复合成一体,这种复合超导体具有稳定性高,工程电流密度大等优点.本文对NbTi/Bi2223高温复合超导体中的电流分布进行了理论研究,并得出液氦温度下,如果复合超导导体中,低温超导体和高温超导体具有相同的临界电流,超导体正常运行时低温超导体中的电流大于高温超导体中的电流,两者之比随运行电流的升高而降低.     

ITER电流引线高温超导叠制作工艺及性能测试

ITER高温超导电流引线载流能力最大要达到68 kA,一根电流引线共需要1000多根银金基Bi-2223高温超导带并联.这些高温超导带分成90叠,每叠由12层带组成.银金基Bi-2223带价格是普通银基Bi系带的4～5倍,而目前欧洲超导公司提供的超导叠的报价几乎是其带价格加倍,所以开发超导叠的制作工艺是非常有价值的.本文详细的介绍了超导叠的真空钎焊制作工艺,并进行了77 K下超导带的接头电阻测试和77 K自场下的临界电流测试,以及模拟在实际运行温度65～5 K条件下高温超导叠的载流能力测试和接头电阻的测试.测试结果证明了此工艺的可行性.     

国产MOCVD-YBCO带材高温超导线圈研制与磁场温度特性研究

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.     

Comparison of transport and magnetic AC losses in Bi-2223/Ag tapes — the role of superconducting core geometry

AC losses were measured by 4-probe transport method and by external magnetization method in three samples of Bi-2223/Ag tape: a multifilamentary tape with separated filaments, another multifilamentary tape with ‘bridges' between filaments, and a two-shell tape. The transport losses agreed with those calculated using I_c from DC experiment. Magnetization experiments gave indications about the various paths of induced currents. For the tape with well separated filaments the main part of screening current closes inside individual filaments. Additional screening of the whole filamentary zone involves the normal metal matrix, leading to frequency dependent losses. In the case of tape with ‘bridged' filaments, supercurrents interconnect the filaments into bundles whose screening (and loss) is frequency-independent. Matching the experimental data indicates that a typical bundle was composed of 8 filaments. Magnetic losses of the two-shell tape were explained by a model for magnetization of superconducting wire with elliptical cross-section.     

拉伸应力下的高温超导带材临界电流特性研究

针对在低温、拉伸应力共同作用下,高温超导带材临界电流测量困难的问题,详细介绍了一种独立改造后的简便拉伸设备,利用四引线法对两种具有代表性的高温超导带材的临界电流进行了测量,并对结果进行了一系列的验证,证明了此设备能较好的完成测量任务。最后,结合带材的物理结构,简要分析了临界电流产生变化的原因。对今后的测量工作和超导磁体的设计与制备有一定的指导意义。     

高温超导磁体临界电流影响因素的研究

临界电流值是描述Bi2223高温超导带材性能的一个基本参数,在一定的温度条件下,Bi2223高温超导带材的临界电流是带材所在位置磁场大小和磁场方向的函数,其短样的临界电流值可以通过四引线法测量,单根超导带材的自场很小,磁场对临界电流的影响可以忽略.高温超导磁体的临界电流被定义成引发该磁体失超的最小电流,高温超导磁体的自场比单根超导带材的自场要大得多,磁体各个位置的磁场大小和方向各不相同,很难用理论的方法准确计算磁体的临界电流.对于高温超导磁体而言,除了磁场的影响因素以外,绕制磁体所用的超导带材自身的均匀性也是影响其临界电流的一个重要因素.本文对这两个因素进行探讨,并着重讨论高温超导带材自身的均匀性对临界电流大小的影响,本文的结论可以为高温超导磁体的设计、磁体绕制时带材的选择、磁体运行时安全工作电流的确定提供帮助.