饱和铁芯型超导限流器的高温超导磁体的磁场仿真分析

高温超导磁体是饱和铁芯型高温超导故障限流器的核心部件之一,通过超导磁体对铁芯进行直流励磁,控制铁芯的饱和状态,从而限制故障电流.本文以35kV/90MVA饱和铁芯型高温超导故障限流器的超导磁体为研究对象,通过ANSYS有限元软件建立44个双饼线圈的单螺管型磁体的二维电磁模型,得到不同结构磁体产生的磁场,特别是径向磁场的变化规律,结果表明,采用端部并联结构可以有效降低磁体端部径向磁场分量,提高临界电流,该结果为研究饱和铁芯型高温超导故障限流器的电磁特性、磁体励磁能力和结构设计提供一定的参考依据.     

用于高场加速器磁体的新型高温超导内插线圈概念设计

中国科学院高能物理研究所正在进行环形正负电子对撞机-超级质子对撞机(CEPC-SPPC)的研究工作,未来超级质子对撞机(SPPC)初期要求的主环二极磁体磁场强度为12 T,升级后的磁体场强需求为20～24 T.为了达到15 T及以上的场强,高温超导线材制作的内插高场线圈是目前的唯一选择.本文对YBCO内插线圈做了相应的探究,并提出的一种新的设计方案,具有以下特点:线圈结构采用Common-coil与Block-type混合的设计,并解决了端部弯曲半径小的问题;充分利用YBCO在高场下磁场与超导带材平行时临界电流密度是垂直情况下的数倍特性,通过优化端部结构减小线材与磁场夹角;计算了不同形状及弯曲半径组合下的线材弯曲情况,综合考虑了端部长度与线材张力之间相互制约的问题,并给出了最终结果;试绕了两种端部的铜线圈,以及balloon-end的高温超导YBCO线圈并进行了测试.     

使用改进的形状优化方法设计高均匀度的超导MRI磁体

针对设计带铁磁的超导磁共振成像磁体,提出了一种确定类的优化算法来优化极靴的形状以达到匀场的目的。这种方法集合了灵敏度分析、形状优化的理论和有限元方法计算非线性铁磁材料极靴的配置,来改善两个极靴之间大体积成像区的磁场均匀度。需要指出的是,本优化方法不受极靴初始形状的限制,均可以快速收敛。我们通过一个紧凑型的1.2T双平面磁共振磁体,展示了这种方法。     

高温超导二极磁体样机设计与测试

高温超导二极磁体是强流重离子加速装置(HIAF)的重要组成部分,能够为离子偏转提供均匀、快速变化的磁场。文中介绍了高温超导二极磁体样机的电磁设计、结构设计、加工与装配。磁体主体由Bi系跑道线圈、E型铁芯组成,线圈通流30A时气隙中心磁感应强度达到1T。通过线圈和磁体直流测试,得到了线圈的临界电流、气隙中心磁场随电流的变化曲线、磁体的最大工作电流;通过磁体交流测试,验证了高温超导磁体18.2T/s的快速变场速率。     

2.0T斜螺线管型超导二极磁体设计

基于一种新型的斜螺线管型线圈结构,我们设计了一台2.0T超导二极磁体样机。该磁体由4层斜螺线管线圈组成,工作电流为2960A。线圈孔径为40mm,其中好场区达到了孔径的2/3。由于线圈形状的特殊性,其端部结构无需优化,各高阶谐波量沿轴向积分为零。文中介绍了斜螺线管型线圈的特点和原理,借助两种电磁场分析软件,完成了超导二极磁体的磁场设计,最后简要介绍磁体的加工情况。     

S型超导六极磁体的电磁-力学分析研究

通过有限元分析的方法对14.5 GHz的ECR离子源中S型六极磁体电磁与力学特性进行了分析研究。对比分析了跑道型、马鞍型和S型三种结构的ECR离子源磁体间的相互作用力,然后以离子源所需的轴向约束场以及磁体间的电磁力为优化对象,研究S型六极磁体的优化。结果表明：相较于传统结构,S型六极磁体结构的优势在于能够提升ECR离子源的轴向磁场以及降低磁体端部所受洛伦兹力和应力。     

电磁优化对提高Bi2223/Ag超导磁体性能的研究

在Bi2223/Ag超导磁体里,磁场的径向分量是限制其超导带临界电流和性能的主要因素之一.我们用有限元方法分析了螺线管超导磁体场强的分布,发现磁体两端磁场的径向分量最大,通过在其两端增加铁磁性导磁结构,优化其磁场分布,降低磁体端部径向磁场强度,提高了磁体的临界电流,增强了超导磁体承受过电流脉冲冲击的能力,并有效地加速了磁体在过电流冲击后的恢复速度.     

强磁场的产生及应用

 强磁场通常指的是场强为几特斯拉（T）（1T=10⁴奥斯特）的磁场.强磁场是进行物性研究和应用研究的重要条件之一.在许多领域中有广泛的应用.许多发达国家都有强磁场实验室.本文简单扼要地介绍强磁场产生的方法及其在某些方面的重要应用.一、强磁场的产生强磁场有稳态式和脉冲式两种.产生稳态强磁场的磁体通常是用导体绕成的螺旋管,它可分为三种:普通导体磁体、超导体磁体、由普通导体和超导体结合绕成的混合磁体.普通导体的磁体所能达到的场强一般为20T.     

用多芯Nb/Cu挤压管法Nb_3Sn超导复合线制成13T实用超导磁体

实验证实了用“MF Nb/Cu挤压管法”超导复合线制作13T实用Nb_3Sn/Nb-Ti超导磁体的可行性。净孔径为φ40mm的复合磁体,在4.2K,中心场强达到11.0T;净孔径为φ18mm的复合磁体,在4.2K,中心场强达到13.0T,此时内绕组中的Nb_3Sn 复合线的全临界电流密度J(cw)=310A/mm_2,与短样性能相一致。     

CSNS/RCS交流二极磁铁研制关键技术

针对交流二极磁铁的磁场特性和涡流问题,利用电磁场分析软件对磁铁进行了优化设计和温度场计算,确定了交流二极磁铁关键技术的方案。对交流二极磁铁极头端面采用了罗高斯基曲线和谐波削斜的方法来提高磁铁磁场质量;对铁芯端部和端板进行开槽优化设计,有效切断磁铁端部主要的涡流回路,降低了磁铁温升;磁铁线圈采用铝绞线导线进行绕制,以减少磁铁线圈内的涡流损耗。最后,通过对样机磁铁的测试,磁场均满足物理要求,磁铁温度也控制在安全范围内。     

10MJ高温超导环形磁体电磁优化设计

随着超导技术的发展,大容量、高场强的高温超导磁体已成为未来超导磁体的主要发展方向。文中以10MJ高温超导环形磁体为研究对象,以磁体的总用线量为优化目标,采用二代YBCO带材进行了环形磁体的电磁优化设计,利用遗传算法和有限元建模获得了磁体的最小总用线量,分析了在满足磁体储能量的情况下,线圈的内直径和线圈个数对环形磁体临界电流、总用线量的影响。     

35kJ直接冷却高温超导储能磁体

介绍了直接冷却高温超导储能磁体的基本结构,分析了磁体的电磁特性,分析结果表明,磁体电磁设计中采用端部两对饼并联的方式,削弱了磁体端部磁场径向分量,提高临界电流,磁体表现了较好的电磁特性;仿真了磁体与电力系统进行功率交换时的热特性,仿真结果与实验结果两者温度变化总体趋势是一致的;介绍了磁体的冷却实验和磁体系统的动态模拟实验结果.实验结果表明磁体的冷却措施和低温系统的冷却方案是可行的,磁体具有较好的热稳定性.     

铁芯超导螺管的实验研究

本文总结了高电流密度、强磁场铁芯超导螺管的实验研究结果.被试磁体内径400mm、储能0.445MJ,峰值磁场约5T.实验结果清楚表明,铁芯的设置具有降低最强场、提高中心场、改善均匀性的效果.绕组的临界电流也有一定提高.     

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.     

Tesla变压器次级线圈电位分布

 为研究Tesla变压器锥形次级线圈的电位和电场分布问题,建立了非均匀参数双传输线模型,采用差分方法获得波动方程的数值解。计算结果表明：脉冲形成线充电过程中,最高场强点从次级线圈小半径端逐渐向大半径端移动;脉冲形成线快速放电后,次级线圈场强最大点位于大半径端部;脉冲形成线不能正常放电时,次级线圈最大场强点也位于大半径端部,此时场强达到最大值,约为平均场强的1.5倍。     

4.5 T量子计算用超导磁体系统研制

针对超导量子计算系统所需要的背景磁场环境,研制了一套中心场强4.5 T,中心孔径60 mm的超导磁体系统。该磁体系统采用密绕的NbTi线圈来提供磁场,并由稀释制冷机实现低温环境。对磁体线圈和骨架进行了应力校核,验证了结构的稳定性与可靠性。此外还介绍了磁体制造的工艺流程,并通过实验验证了磁体的性能,表明了该磁体系统的磁场强度和磁场均匀性满足用户要求。     

全Nb_3Sn 12T净孔径Φ36mm密实型超导磁体

本文报道用超导线共计11kg的三个Nb_3Sn分磁体组合成的净孔径φ36mm,中心场强12T的超导磁体。该强场超导磁体的特点是:体积小,重量轻,耗氦少,且可拆卸重新组合,以不同的孔径和中心场强多用途使用。     

CCT型超导组合磁体样机结构设计

基于斜螺线管型(Canted-Cosine-Theta,简称CCT)线圈结构,研制了一台四极与六极组合的超导磁体样机,它的四极和六极梯度场分别为22 T/m和120 T/m²。该组合型磁体的好场区范围为Φ0.16 m×1.3 m,有效长度为1.3 m。其中四极与六极磁体均采用两层骨架结构,每层骨架的线槽内并排放置多层多根超导线。本文根据导体轨迹,以约束电磁力为结构设计目标,设计了磁体关键部件线圈支撑骨架和磁体内外支撑结构,并介绍了磁体制造过程中的关键环节。     

制冷机传导冷却的MgB_2超导磁共振磁体设计分析

分析了超导磁体设计的关键问题,给出了传导冷却的中心场强0.6T的MgB_2磁共振磁体设计,重点讨论了超导磁体的铁轭设计、磁场计算以及杜瓦设计等相关技术.首先对所用MgB_2长线短样的超导性能进行了初步测试,结果表明,在20K时其临界电流约为156A.然后利用COSMOS有限元软件对磁体的中心磁场进行了分析计算,得到0.6T的磁场分布区域.本设计对国产的MgB_2高温超导长线带材在超导磁共振磁体领域的应用研究具有一定的参考价值.     

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.