粒子群算法改进及在高温超导磁体优化设计中的应用

本文阐述了基本粒子群优化方法及其改进,选用测试函数对该算法及其改进算法的寻优性能作了对比;并利用Comsol软件对单螺线管超导储能磁体进行了电磁计算,阐述了磁场垂直分量最大值的位置及高温超导磁体的磁场垂直分量对临界电流的影响;最后将各种优化方法应用于高温超导磁体的设计中。经联合仿真优化,高温超导磁体减小了体积,提高了材料利用率,节约了材料用量,并减小了制冷时所消耗的电源功率。     

Bi2223/Ag带小型高温超导实验磁体设计

Bi2223／Ag带材的强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。我们从减小磁体最大径向场BRmax对磁体运行电流的影响、充分利用超导材料的原则出发，讨论了高温超导磁体的设计方法。在小型Bi2223／Ag实验磁体的设计中，根据对径向磁场的计算、分析，确定了磁体的工作点。     

内/外部励磁方式下高温超导环的俘获场特性

高温超导磁体在闭环运行时,可以提供稳定磁场,但是由于高温超导带材无法实现无阻焊接,成为高温超导磁体闭环运行的技术瓶颈.本文利用第二代高温超导带材制备闭环超导环,采用内部励磁和外部励磁对超导环进行励磁,在液氮温度中(77 K)测量超导环的中心俘获磁场.结果表明超导环在内部励磁俘获的磁场值比外部励磁俘获的磁场值高;外部励磁中,超导环中插入铁芯柱能提高俘获场;内部励磁中,超导环在螺线管闭环运行俘获的磁场值比开环运行俘获的磁场值高.结果对于高温超导闭环磁体励磁和高温超导带材磁通动力学研究具有很重要参考价值.     

考虑磁场径向分量的高温超导储能磁体几何结构优化配置

高温超导储能磁体磁场的径向分量使得带材利用率不高且磁体储能密度低.针对此问题,本文提出了一种获得高温超导储能磁体最优几何结构配置的方法.首先利用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,随后对双饼线圈进行分组,利用电磁场有限元分析软件对内外三阶梯和内外八阶梯结构磁体的磁场径向分量、储能大小进行了分析,研究了相邻双饼线圈不同厚度间距对磁体带材利用率和磁体储能密度的影响.由仿真计算结果可知,内外多阶梯结构磁体均能够提升磁体的性能,其本质是减小磁场径向分量.通过对计算结果比较分析最后获得了储能磁体几何结构的最优配置.     

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.     

高温超导储能磁体双圈分裂式嵌套屏蔽研究

随着高温超导储能磁体储能量的进一步增大,对高储能量磁体周围漏磁场的屏蔽愈加重要.增强屏蔽效果与减少屏蔽成本成为磁体屏蔽的两个重要目的.本文利用有限元仿真软件ANSYS对高温超导磁体周围的漏磁场分布进行分析,并对其进行双圈分裂式嵌套屏蔽.以屏蔽效果和超导带材用量为优化目标,对屏蔽磁体的几何参数进行计算和优化,并对不同屏蔽方案进行对比分析.     

35kJ高温超导储能磁体的优化设计

介绍了35kJ高温超导储能磁体的设计步骤。为了减少常规寻优方法的计算量,将加权粒子群优化算法(WPSO)引入到高温超导储能磁体的优化设计中,给出了用B i-2223超导线材进行35kJ储能磁体设计的优化结果,分析了高温超导线材的各向异性对磁体临界电流的影响,并比较了两种不同的单螺线管磁体结构在不同优化目标的情况下,超导线材用量和杂散磁场的分布的变化。     

一种新的超导储能磁体结构优化方法北大核心CSCD

高温超导线材的各向异性一直影响其在工程中的使用性能,临界电流主要受磁体最大垂直磁场(垂直于带材表面)决定,最大应力通常出现在最大轴向磁场(平行于带材表面)处.文章针对单螺线管超导储能磁体,从增大临界电流和减小机械应力两方面出发,提出一种新的超导储能磁体结构优化方法.利用MATLAB从不同径高比(平均半径/高)着手,计算带材总长度为2000m的多组磁体结构参数,建立了单螺线管超导磁体的有限元模型,结合COMSOL仿真软件获得多组结构参数的应力、磁场分布以及磁场最大值,将承受最大应力区域的磁体转移至磁体两端中部区域.对参与转移的磁体参数进行计算,分析对比不同转移参数对磁体应力和临界电流的影响.仿真结果表明,对比常规磁体,优化后的磁体能有效减小最大垂直磁场从而增大临界电流,减小最大轴向磁场从而减小最大应力,对超导储能磁体的优化具有重要意义.     

一种新的高温超导磁体电磁结构优化设计方法

本文阐述了用于高温超导磁体电磁结构优化设计的一种新方法,与一般优化方法不同之处在于其不用定义磁体的初始结构形状,采用该方法可以得到满足规格和性能要求的较佳磁体结构.通过此方法优化设计了一个中心磁场为3T的Bi系高温超导磁体,其设计结果与满足同样要求且经过优化的单螺管高温超导磁体的设计结果作了对比,由结果表明该方法具有很好的优化效果.     

一种新的超导储能磁体结构优化方法

高温超导线材的各向异性一直影响其在工程中的使用性能,临界电流主要受磁体最大垂直磁场(垂直于带材表面)决定,最大应力通常出现在最大轴向磁场(平行于带材表面)处.文章针对单螺线管超导储能磁体,从增大临界电流和减小机械应力两方面出发,提出一种新的超导储能磁体结构优化方法.利用MATLAB从不同径高比(平均半径/高)着手,计算带材总长度为2000m的多组磁体结构参数,建立了单螺线管超导磁体的有限元模型,结合COMSOL仿真软件获得多组结构参数的应力、磁场分布以及磁场最大值,将承受最大应力区域的磁体转移至磁体两端中部区域.对参与转移的磁体参数进行计算,分析对比不同转移参数对磁体应力和临界电流的影响.仿真结果表明,对比常规磁体,优化后的磁体能有效减小最大垂直磁场从而增大临界电流,减小最大轴向磁场从而减小最大应力,对超导储能磁体的优化具有重要意义.     

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.     

高温超导磁体临界电流的磁矢量分析法及其验证

临界电流是高温超导磁体的关键参数,文中提出了一种名为"磁矢量分析法"的高温超导临界电流计算方法。这种方法以高温超导带材性能测试结果为依据,以有限元仿真软件为手段,通过对计算高温超导磁体内部电磁感应强度矢量的分布,采用插值运算来确定高温超导磁体的临界电流。通过在77K温度下进行1:1的磁体实验,磁矢量分析法的可行性得到了验证。     

300MJ环状高温超导储能磁体的优化设计

介绍了300M J环状高温超导储能磁体优化设计的步骤。为了提高优化设计的效率,减少常规寻优方法的计算量,将改进的粒子群优化算法引入到高温超导储能磁体的优化设计中,给出了用B i-2223超导线材进行300M J环状储能磁体设计的优化结果,并采用商用电磁场有限元分析软件ANSYS对本文关于环状螺线管系统磁场、能量计算方法的正确性进行了验证。     

Evaluation of critical current based on a new transition concept

The critical current of high-temperature superconductor (HTS) tapes depends on temperature, magnetic field, and flux angle against the tape. Analyzing the performance of an HTS coil relies on the critical current equation, which has these dependencies. To date, the critical current equation has been obtained by fitting the measured data. However, this fitting method requires the time-consuming and laborious work of measuring the tapes. In this study, based on a new transition concept in applying a magnetic field, we show how to obtain the critical current equation, while keeping the temperature constant. From the wave function of the Cooper pair which distributes along a magnetic flux quantum, a wave function at the transition state is obtained; this yields the wave functions with perpendicular and parallel magnetic components against the tape. Combining these wave functions yields the conclusive critical current density equation. To confirm the accuracy of this equation, used Bi-2223/Ag tapes, it was compared with the measured critical current under various magnetic fields and flux angles; it was found that they agree well. The parameters of this equation can be obtained by measuring the perpendicular/parallel critical magnetic field component. This equation does not require fitting the measured data, therefore, it can be employed with any Bi-2223/Ag tape.     

梯形高温超导磁体电磁特性仿真与实验研究

超导电动悬浮列车以超导磁体作为核心部件, 具有环境影响小、 高速下自稳定、 安全性能好等优点, 已成为高速轨道交通的重要发展方向之一. 然而, 传统的磁体线圈结构存在绕组内磁场过于集中的问题, 导致磁体的临界电流下降显著, 列车的悬浮及安全性能也受到影响. 针对现有悬浮磁体结构自场集中导致的临界电流衰减问题,本文提出了一种梯形高温超导磁体线圈结构. 建立了一种可以提升磁体临界电流计算效率的均质自洽模型, 设计了梯形结构线圈的结构参数并完成了磁体线圈的绕制. 实验和计算结果表明, 自洽模型计算的磁体临界电流与实验测量值吻合良好, 验证了模型的准确性. 利用该模型对日本山梨试验线上的全尺寸车载高温超导磁体进行了结构优化设计. 研究发现, 优化后的车载磁体绕组内磁场集中程度明显下降, 车载磁体的临界电流及目标区域的磁场强度显著提高. 本研究相关成果可为电动悬浮列车车载磁体的结构设计提供参考.     

Current-carrying element based on second-generation high-temperature superconductor for the magnet system of a fusion neutron source

Application of current-carrying elements (CCEs) made of second-generation high-temperature superconductor (2G HTS) in magnet systems of a fusion neutron source (FNS) and other fusion devices will allow their magnetic field and thermodynamic stability to be increased substantially in comparison with those of low-temperature superconductor (LTS) magnets. For a toroidal magnet of the FNS, a design of a helical (partially transposed) CCE made of 2G HTS is under development with forced-flow cooling by helium gas, a current of 20–30 kA, an operating temperature of 10–20 K, and a magnetic field on the winding of 12–15 T (prospectively ~20 T). Short-sized samples of the helical flexible heavy-current CCE are being fabricated and investigated; a pilot-line unit for production of long-sized CCE pieces is under construction. The applied fabrication technique allows the CCE to be produced which combines a high operating current, thermal and mechanical stability, manufacturability, and low losses in the alternating modes. The possibility of fabricating the CCE with the outer dimensions and values of the operating parameter required for the FNS (and with a significant margin) using already available serial 2G HTS tapes is substantiated. The maximum field of toroidal magnets with CCEs made of 2G HTS will be limited only by mechanical properties of the magnet’s casing and structure, while the thermal stability will be approximately two orders of magnitude higher than that of toroidal magnets with LTS-based CCEs. The helical CCE made of 2G HTS is very promising for fusion and hybrid electric power plants, and its design and technologies of production, as well as the prototype coils made of it for the FNS and other tokamaks, are worth developing now.     

超导变压器绕组环流及漏磁场计算

高温超导变压器的漏磁场降低绕组中的临界电流并增加交流损耗;超导材料的零电阻特性使得绕组限制环流的能力极低.因此,在设计超导变压器时,进行磁场分析和环流计算显得尤其重要.本文采用场-路结合的方法,即在用ANSYS求得反映变压器各支路之间电磁耦合的电感矩阵的基础上列出电路方程,计算了变压器低压绕组5种不同形式的各支路电流分布,并进而分析了磁场.同时提出了减小环流和改善磁场分布的一些措施.