超导磁体绕制预应力有限元分析北大核心CSCD

为保证绕组平整,导线排列紧凑,避免超导磁体运行时因导线过大移动而造成大的机械扰动,在绕制磁体过程中需要对超导线施加适当的绕制张力.超导磁体绕制过程中的预应力问题是一个非线性问题.每绕制一层导线,已绕制导线层中的预应力均会发生改变,磁体中预应力的分布很难用方程来近似表达.本文提出了研究超导磁体绕制应力的详细有限元模型,为导线建立独立模型,为每匝导线施加绕制张力,采用非线性结构分析,动态模拟绕制过程.基于该模型研究了传导冷却超导磁体的预应力,分析了绕制张力对环向应力和径向应力的影响.在该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特性,为高性能超导磁体的设计和建造提供理论指导.     

超导磁体绕制预应力有限元分析

为保证绕组平整,导线排列紧凑,避免超导磁体运行时因导线过大移动而造成大的机械扰动,在绕制磁体过程中需要对超导线施加适当的绕制张力.超导磁体绕制过程中的预应力问题是一个非线性问题.每绕制一层导线,已绕制导线层中的预应力均会发生改变,磁体中预应力的分布很难用方程来近似表达.本文提出了研究超导磁体绕制应力的详细有限元模型,为导线建立独立模型,为每匝导线施加绕制张力,采用非线性结构分析,动态模拟绕制过程.基于该模型研究了传导冷却超导磁体的预应力,分析了绕制张力对环向应力和径向应力的影响.在该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特性,为高性能超导磁体的设计和建造提供理论指导.     

CFETR中心螺管模型线圈用超导电缆的绞制研究

超导磁体系统是中国聚变工程实验堆(CFETR)装置的重要组成部分,其超导磁体线圈采用CICC(Cable-In-Conduit Conductors)导体绕制而成。介绍了CFETR中心螺管模型线圈(CSMC)用超导电缆的绞制过程,分析了绞制过程中放线张力和模具设置等因素对结构参数控制及其绞制质量的影响,确定了超导电缆绞制技术方案,成功绞制了一根长度为20m的超导电缆,并根据超导电缆的结构特点,对超导线的损伤进行了分析。     

实验和数值模拟超导绕组的机械特性

为了减少环氧浸渍的超导磁体的锻炼和退化效应，基于实验和数值模拟研究了在热应力的电磁力的条件下超导绕组的机械特性；研究的基本目的是决定超导复合线圈基本的材料特性，其中复合超导绕组的杨氏模量和热收缩系数是基本的参数，使用这些参数我们可以用有限元方法精确地研究超导磁体的机械特性，通过分析各种超导磁体的设计，判断好的和坏的磁体设计，从而发展新的超导磁体的设计标准，形成超导磁体的设计和建造的基本方法，本中我们将通过实验和FEA模拟研究复合绕组的基本参数和应用特性。     

15 T NbTi/Nb3Sn超导磁体的设计

提出了一个冷孔直径150 mm、中心磁场为15 T的NbTi/Nb_3Sn超导磁体电磁结构。分析了超导磁体各线圈中磁场的分布规律,结合超导材料临界性能,得到了超导磁体的运行电磁裕度。针对线圈结构组份材料的机械性能,采用平均有限元法仿真了超导磁体的应力/应变,最大环向应力和应变分别为112 MPa和0.297%。该结果表明了超导Nb_3Sn线圈中的应力/应变处于合理水平。     

YBCO高场内插线圈的应力分析研究

YBCO内插线圈绕制过程中施加的绕制预紧力、降温过程中的热应力以及通电运行时产生的电磁力,是内插线圈应力的主要机械载荷。内插线圈中YBCO导体中的应力是影响线圈超导性能的主要因素之一。文中采用有限元方法,针对一个25T的YBCO内插线圈,通过建立3D仿真模型,从绕制预紧力、冷收缩和洛伦兹力等应力载荷出发,依次分析了YBCO涂层导体在三种载荷下的应力分布特点。进一步采用细化线圈模型,得到了YBCO带材层状结构中不同材料的应力分布特点。研究结果可为高场内插线圈的工艺设计提供依据。     

轴对称高场超导磁体电磁应力有限元分析方法

核磁共振成像和核磁共振谱仪是高场超导磁体的主要应用领域.高场超导磁体通常具有较高的磁场和运行电流,在运行过程中超导线会产生较高的电磁应力,其临界特性将发生退化,影响磁体的稳定性.开展高场超导磁体的电磁应力精确分析显得尤为必要.本文发展了一种快速有效的有限元分析方法,第一步,为整个超导磁体系统建立平均有限元模型,采用传统的电磁-结构耦合方法求解电磁应力,获得最大应力位置;第二步,对最大应力所在的超导线圈建立详细有限元模型,采用单积分-结构分析方法精确求解每一组分中电磁应力.基于该模型研究了500 MHz NMR超导磁体的电磁应力.该分析方法也可以用于超导磁体冷却过程中的热应力分析.为高场超导磁体设计和建造提供有益的理论依据.     

大孔径真空压力浸蜡超导磁体稳定化及保护

研制了一种中心场3 T的大孔径真空压力浸蜡超导磁体。NbTi超导线圈内径0.928 m,外径1.02 m,长0.355 m。超导线圈采用液氦浸泡冷却,低温系统采用两台G-M制冷机提供冷量,实现运行过程中液氦零蒸发。超导线圈采用二元电流引线与电源连接,二元电流引线由高温段的铜引线和低温段的高温超导引线通过换热器连接而成。线圈制造过程中采用密绕、张紧以及真空压力浸渍石蜡的措施以提高磁体稳定性。外接二极管与分段保护相结合的方案用于磁体失超保护。测试结果表明,稳定化措施及失超保护方案可行。     

三相行波磁场中涂层超导线圈的电-磁-力特性研究

随着超导线圈在电力领域中的应用越来越广泛,该文利用有限元仿真软件对处于交变磁场中载流高温超导带材的电-磁-力特性进行了研究,通过超导体的非线性E-J本构关系和基于棱边元法的磁场强度法来求解超导线圈内的电流分布、线圈周围的磁场分布及其受到的电磁力大小等电磁特性,重点研究了在以涂层超导磁体为励磁线圈的直线牵引系统中超导线圈和三相绕组之间的电磁力大小.基于仿真结果,分析了超导线圈内电流分布随气隙的变化关系;线圈周围的磁场分布情况及其对超导线圈临界电流的影响;线圈受到的电磁力随时间和气隙的变化关系等,所得结果为高温超导直线电机的设计和应用提供参考依据.     

用于46 T全超导磁体装置的26 T REBa2Cu3O7-δ高温超导内插磁体电磁设计研究

REBa2Cu3O7-δ(REBCO)高温超导带材具有良好的电磁性能和机械强度,现已成为开发极高场超导磁体的重要基础材料.本文基于T-A 方程提出了一种极高场REBCO 内插磁体的参数化设计方法,该方法在计算中考虑了超导屏蔽电流对磁体中心场强和应变分布的影响,采用分步优化的方式从内向外依次确定各超导线圈的结构参数,每个线圈的优化过程相对独立.基于该设计方法,本文给出了46T全超导磁体中26TREBCO 内插磁体的电磁设计方案,确定了主要线圈参数和工作电流.该内插磁体由4个线圈同轴嵌套串联组成,每个线圈都由REBCO带材绕制而成的双饼线圈(Double Pancake, DP)堆叠而成.基于当前模型计算结果,在给定的20T背景场中,当内插磁体工作电流达到290A时,磁体中心场强可达46T;高温超导线圈中最大环向应变为0.61%,仍然处于危险区域.     

先进超导导体测试装置设计分析

针对聚变工程大型超导导体样品在高场下的性能测试需求,设计了内径0.6m、磁场13T的背景磁体系统。磁体系统由6层12个分离式超导线圈组成,线圈采用常规的螺线管结构,由外至内分别使用NbTi、Nb₃Sn和YBCO三种超导材料绕制而成;在直径500mm的测试区域范围内产生最高达13.22T的背景磁场,均匀性不低于95%。介绍了磁体线圈主要设计参数,用有限元软件完成电磁、结构分析。结果表明,设计合理可靠,能够满足导体测试装置的需求。     

SECRAL超导磁体系统的结构分析

An advanced superconducting ECR ion source named SECRAL has been constructed at Institute of Modern Physics of Chinese Academy of Sciences,whose superconducting magnet assembly consists of three axial solenoid coils and six sextupole coils with a cold iron structure as field booster and clamp.In order to investigate the structure of sextupole coils and to increase the structural reliabilities of the magnet system, global and local structural analysis have been performed in various operation scenarios.Winding pack and support structure design of magnet system,mechanical calculation and stress analysis are given in this paper. From the analysis results,it has been found that the magnet system is safe in the referential operation scenarios and the configuration of the magnet complies with design requirements of the SECRAL.     

25T超导磁体优化中线圈数量影响分析

20 T以上强磁场在高场科学工程中有着不可替代的作用. 电工研究所正在研制一个25 T全超导磁体系统, 包括15 T背景磁场和10 T高温超导内插磁体. 在磁体的设计和优化中, 线圈的数量和种类对于最终优化结果十分关键. 为了研究磁体数量和磁体相关参数的关系, 计算了20 组不同的线圈组合下磁体的优化结果. 优化中除了考虑必要的限制条件以外, 还采用了一种结合局部优化算法和全局优化算法的方法. 通过对比分析发现, 线圈数量和磁体造价之间, 存在一个“V”形的关系. 更进一步地, 本文分析了不同超导体在磁体中应该贡献的最佳磁场, 以及背景磁体统一供电给优化结果带来的影响.     

超导离子源铌三锡六极线圈镜像磁场约束结构的优化设计

中国科学院近代物理研究所正在进行国际首台45 GHz全铌三锡超导离子源FECR(Fourth Electron Cyclotron Resonance)磁体的研制，该离子源磁体线圈由六个铌三锡超导六极线圈和四个铌三锡超导螺线管线圈组成。由于单根超导线绕制异形六极线圈(非标准鞍型)技术难度大，且铌三锡超导性能对应力敏感，为了测试单个铌三锡六极线圈性能能否达到设计指标，基于铝合金壳层结构和Bladder-Key精确预紧技术，设计了镜像磁场约束结构。本工作主要阐述了运用ANSYS参数化设计编程对镜像磁场结构进行优化设计的过程和优化后的镜像磁场结构，确定了室温预应力大小，并给出了线圈经过室温预紧、冷却降温和加电励磁后的最大等效应力。进一步结合实际六极线圈制作公差(±0.1 mm)，分析和评估了公差对镜像磁场结构中六极线圈预应力施加的影响。     

Quality of the simulation of torus conditions with different three coil arrangements

The displacement and stress distributions in toroidally arranged circular superconducting coils producing the toroidal field for fusion experiments are computed by a finite element method. The results are compared with the displacement and stress distributions in one superconducting coil which forms part of different arrangements simulating torus conditions. Four arrangements with three coils are discussed; three of them consist of one superconducting coil with an inner coil winding diameter of 0.94 m and a maximum stored magnetic energy of 2.1 MJ, and two copper coils which were designed for experimental tests. The fourth 3-coil arrangement consists of three identical superconducting coils forming a sector of the torus.     

Effect of partial insulation winding scheme on discharge characteristics of GdBCO coils

In this study, sudden discharge tests were performed on partially-insulated (PI) GdBCO coated conductor single-pancake coils to investigate the effects of a PI winding scheme on the discharge characteristics. Three sets of PI coils were constructed with insulation at 3 different intervals: every 2nd, 4th, and 8th turn. Each set included coils with 4 different insulation-angles: 90°, 180°, 270°, and 360°. Discharge delay of the PI coils was alleviated by increasing the insulation-interval or insulation-angle due to increased insulated area, which partially hinders radial current flow. The results of the sudden discharge test were in fairly good agreement with simulations of the PI coils using an equivalent circuit model consisting of a single RL circuit in parallel. The characteristic resistance of the PI coils was reasonably estimated through the numerical approach with contact surface resistance and compensation for the current-bottleneck effect, which enables the PI coils to be utilized in practical superconducting magnet applications.     

基于ANSYS的超导磁体机械结构的应力应变分析

为合理设计超导磁体机械结构,保证磁体正常运行,机械结构的应力分析在磁体设计中起到非常重要的作用.借助于ANSYS有限元分析软件,给出一了个5T超导磁体机械结构的受力分析,讨论了超导磁体内部电磁力对不同材料的机械结构所产生的应力和应变.结果表明,由磁体内部电磁力引起的机械结构的最大应力和应变,出现在磁体芯筒的中间部位,最...     

5T有源屏蔽式超导磁体结构设计

介绍了为兰州Penning离子阱项目专门设计的5T有源屏蔽式超导磁体。 为达到物理设计要求的场均匀度, 超导磁体有3层共计6个线包组成。 同时为了确保线圈绕制的定位精度和在强磁场下的稳定性, 绕制骨架采用三筒体结构, 模拟计算表明线圈的绝缘和固定结构能够达到强磁场下的电气和机械性能要求。 对5T有源屏蔽式超导磁体结构设计材料选择以及线圈的绕制工艺进行了详细的论述。 A 5T actively shielded superconducting magnet was designed for Lanzhou Penning Trap project. In order to achieve homogeneity of physical requirements, superconducting magnet was made up of six coils, which were wound on framework of three layers. Meanwhile, three framework structure can ensure the precision of coil winding and the mechanical stability under intense magnetic field. The results of simulation show that the insulation and fixed structure of the coil can satisfy the electrical and mechanical requirements under intense magnetic field. At last, properties of the used materials and coil fabrication have been presented.     

CRAFT TF导体弯绕成形力学仿真与试验

聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT)是为了探索与建设中国聚变工程试验堆(CFETR)关键技术和原型系统的大科学装置.环向场(Toroidal Field, TF)线圈是CRAFT系统的重要组成部分，旨在研制出用于CFETR环向场原型线圈.本文基于弹塑性力学理论，通过建立TF导体连续弯绕成形有限元分析模型，对TF导体弯曲成形过程进行力学仿真，获得了TF导体在成形过程中的应力、应变和成形力等力学参数，预测了TF线圈绕制过程导体截面变形、回弹、应力和应变情况，并采用TF导体开展了弯曲成形验证试验，为TF线圈的精密绕制和成形设备的工程设计提供了可靠的依据.     

Remarkable weakness against cleavage stress for YBCO-coated conductors and its effect on the YBCO coil performance

Cleavage strength for an YBCO-coated conductor at 77 K was investigated with a model experiment. The nominal cleavage strength for an YBCO-coated conductor is extremely low, typically 0.5 MPa. This low nominal cleavage strength is due to stress concentration on a small part of the YBCO-coated conductor in cleavage fracture. Debonding by the cleavage stress occurs at the interface between the buffer layer and the Hastelloy substrate. The nominal cleavage strength for a slit edge of the conductor is 2.5-times lower than that for the original edge of the conductor; cracks and micro-peel existing over the slit edge reduce the cleavage strength for the slit edge. Cleavage stress and peel stress should be avoided in coil winding, as they easily delaminate the YBCO-coated conductor, resulting in substantial degradation of coil performance. These problems are especially important for epoxy impregnated YBCO-coated conductor coils. It appears that effect of cleavage stress and peel stress are mostly negligible for paraffin impregnated YBCO-coated conductor coils or dry wound YBCO-coated conductor coils.