两种减少高温超导风机交流损耗的结构优化方法

超导线圈的制冷问题是高温超导(HTS)风力发电机研究中的一个重点,尤其是在使用接触式制冷的超导电机中,现有制冷机的制冷功率普遍较低,这就要求超导线圈的交流损耗不能太大。在超导风力发电机中,为了减少交流损耗,通常将超导线圈放置在转子中作为励磁线圈使用。在定子齿部材料为铁磁材料的旋转电机中,气隙磁场会发生畸变,转子旋转时超导线圈处会出现交变磁场,产生交流损耗。通过有限元软件仿真,以使用接触式制冷系统的2.5MW高温超导风力发电机为研究对象,证明使用铁磁材料的定子齿部结构是造成超导线圈处交变磁场和交流损耗的主要原因。采用均一化模型计算交流损耗,提出两种减小交变磁场和交流损耗的结构优化方法,即定子齿部采用非磁性材料和在气隙处增加磁屏蔽层。     

两种减少高温超导风机交流损耗的结构优化方法北大核心

超导线圈的制冷问题是高温超导(HTS)风力发电机研究中的一个重点,尤其是在使用接触式制冷的超导电机中,现有制冷机的制冷功率普遍较低,这就要求超导线圈的交流损耗不能太大。在超导风力发电机中,为了减少交流损耗,通常将超导线圈放置在转子中作为励磁线圈使用。在定子齿部材料为铁磁材料的旋转电机中,气隙磁场会发生畸变,转子旋转时超导线圈处会出现交变磁场,产生交流损耗。通过有限元软件仿真,以使用接触式制冷系统的2.5MW高温超导风力发电机为研究对象,证明使用铁磁材料的定子齿部结构是造成超导线圈处交变磁场和交流损耗的主要原因。采用均一化模型计算交流损耗,提出两种减小交变磁场和交流损耗的结构优化方法,即定子齿部采用非磁性材料和在气隙处增加磁屏蔽层。     

铝环在交变磁场中所受安培力的分析与探讨

针对铝环处于通以交变电流的螺线管上方跳起、悬浮的现象,分析影响铝环在交变磁场中所受平均安培力的因素。定量分析表明,在跳环实验中,铝环始终受到通电螺线管电流的平均安培力作用,其方向竖直向上,在交变磁场中铝环所受平均安培力与铁芯的相对磁导率、线圈的匝数、角频率、线圈电流的有效值、铝环的电感量、铝环的半径、铝环的电阻值、线圈与铝环间的互感系数等因素有关。     

“交流电有效值”概念教学

人教版高中物理教材<选修3-2>模块中"描述交变电流的物理量"一节介绍了交变电流的峰值、瞬时值、平均值和有效值,还给出了周期和频率的概念.一直以来该节课的教学是平淡无奇.实际上,教师在后续教学中发现,学生经常会将平均值和有效值混淆,在求交变电流的电荷和发热量时经常出错,究其原因,还是学生在有效值的学习中留下了疑点,没有将这个教学难点有效地突破.     

对教材一个演示实验的改进

1 教材给出的演示实验 高中教材(人教版)《物理·选修3-2》 第五章第3节"电感和电容对交变电流的影响"中,有一个展示电感对交流电阻碍作用的演示实验,如图1所示. 把带铁芯的线圈L与小灯泡串联起来,先把它们接到直流电源上,如图1(a)所示;再把它们接到交流电源上,如图1(b)所示.取直流电源的电压与交流电源电压的有效值相等,观察两种情况下灯炮的亮度. 这个实验说明了什么? 2 对演示实验的评价 该演示实验直观地展示了电感对交变电流的阻碍作用,对学生认知电感的"通直流阻交流"特性,起到了很好的铺垫作用.     

巧用线圈的“电流渐变”特性解自感问题

自感现象是指当线圈中电流变化时,线圈内磁通量变化,从而在线圈自身产生感应电动势的电磁感应现象.产生的感应电动势(又称自感电动势)总是阻碍线圈中电流变化,其"阻碍"效果,可以从教材中的通电和断电自感实验很好地体现出来.不少教师在教学中发现,学生对于课本实验的理解并不     

交流电大小、方向变化演示仪

针对教科版高中物理演示交变电流的实验仪器存在的一些不足,对交流电大小变化的演示实验装置进行了改进,方法是利用满天星激光笔将原仪器看不见摸不着的磁感线用清晰可见的光点直观地展示出来。为了观察交变电流方向的变化则将两只红、绿发光二极管并联在线圈闭合回路中,利用红、绿发光二极管交替发光来演示电流方向变化,另外将大指针检流计串联在闭合线圈回路中来演示线圈切割磁场产生的感应电流大小呈周期性变化。     

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.     

连续波核磁共振实验的新型功率源设计

连续波核磁共振实验是近代物理实验中具有代表性的一个实验．本文提出一种新型磁铁控制功率源设计,该功率源能够产生有直流偏置的交变电流,直流偏置大小与交变电流的大小和波形都可调节,驱动绕在永磁体上的一组线圈,改变主磁场大小和扫场的扫场模式．     

简易风力发电机模型

多数玩具电动机内都带有永磁体,转动它的转轴时,线圈中会产生感应电动势.这时如果将电动机的引线与外电路相连,电路中就有电流产生,电动机就可以当作发电机用.为此本人经实验并设计制作了一个取材容易成本低的风力发电机模型.     

电感和电容对交流电的影响的实验设计

观察和实验是学生认识物理现象、获得有关感性认识的源泉,是学生学习物理知识、掌握科学方法的基础,同时也是研究和学习物理的重要手段.在高中物理"电感和电容对交变电流的影响"一节中,课本上设计的演示实验不能区别对于电感、电容对交变电流的具体影响;特别是在论述当交变电流的频率发生变化时,课本只是进行了理论上的阐述,没有相对应的实验演示来说明.这使学生在学习过程中缺乏感性认识,对这些规律基本上以记忆为主,缺乏深入的理解,教学效果不理想.我们在教学中摸索出一套演示实验,取材方便、操作简单、现象明显,能够有效地给学生答疑解惑,增加学生学习物理的兴趣.     

超导变压器YBCO线圈轴向错位对交流损耗影响

为了研究超导变压器YBCO线圈轴向错位对交流损耗的影响，基于H公式法对超导线圈使用中会出现的两种轴向错位情况进行了仿真，并与无轴向错位的线圈进行对比分析。结果表明，在50 Hz的激励电流下，当施加的电流小于0.75I_c0,倾斜错位和无序错位会导致交流损耗增加。而当激励电流大于0.75I_c0时，轴向错位线圈产生的交流损耗小于完美缠绕线圈。在外加交变磁场下，轴向错位线圈的交流损耗始终大于完美缠绕线圈。随着磁场幅值的增大，轴向错位线圈与完美缠绕线圈的交流损耗偏差逐渐缩小并趋于稳定。     

结构参数对高温超导绕组线圈磁化损耗影响分析

为了研究高温超导电力设备的绕组密度对其磁化损耗的影响,优化绕组线圈结构,减小交流损耗。利用有限元仿真软件,建立了多匝双根单饼线圈绕组的二维轴对称模型。在外加交变磁场条件下,分别改变超导绕组线圈匝数、匝间间距,分析磁化损耗的变化规律。结果表明,线圈间存在屏蔽作用,在一定范围内,超导线圈匝数越多,磁化损耗越小,匝间间距与超导线圈的磁化损耗正相关。     

电感电容对交直流电的影响的演示

在现行高二物理教材中,学生认为"电感电容对交变电流的影响"这一节内容比较抽象,难以理解,更难以掌握.而实验室内又无现成的仪器.为此,笔者设计并制作了教具"电感电容对交直流电的影响演示器".如图1所示.     

大型FFAG磁铁的2维POISSON设计

 为减小边缘场效应，大型固定磁场交变梯度（FFAG）磁铁的磁场分布由修整线圈和磁极形状两者共同来实现。通过2维POISSON模拟计算，确定了修整线圈电流和位置的分布以及磁极形状, 得到了局域磁场梯度指数与设计值之间的最大差异只有0.5％的磁场分布。为提高POISSON模拟计算的效率，POISSON输入文件中有关线圈电流和位置、磁极形状的输入和调整由程序自动完成。     

超导变压器YBCO线圈轴向错位对交流损耗影响

为了研究超导变压器YBCO线圈轴向错位对交流损耗的影响,基于H公式法对超导线圈使用中会出现的两种轴向错位情况进行了仿真,并与无轴向错位的线圈进行对比分析。结果表明,在50 Hz的激励电流下,当施加的电流小于0.75I_c0,倾斜错位和无序错位会导致交流损耗增加。而当激励电流大于0.75I_c0时,轴向错位线圈产生的交流损耗小于完美缠绕线圈。在外加交变磁场下,轴向错位线圈的交流损耗始终大于完美缠绕线圈。随着磁场幅值的增大,轴向错位线圈与完美缠绕线圈的交流损耗偏差逐渐缩小并趋于稳定。     

磁悬浮系统中多芯复合Nb3Sn超导线磁通跳跃的可调性研究

超导磁悬浮列车在加速启动的过程中,载有恒定大电流的超导线圈处在变化的磁场中,这会导致超导线圈发生磁通跳跃,从而降低线圈的载流能力.并且磁通跳跃会产生大量热量而使超导线圈温度急剧升高,严重时会导致超导线圈失超,所以对磁通跳跃的研究具有非常重要的科学意义.Nb₃Sn超导线是由多根微米级的超导芯丝、铜和环氧树脂形成的复合结构.本文通过约束每根芯丝的静电流为零的二维模型来分析三维绞扭效应,研究了超导线在交变磁场和恒定电流下的磁热不稳定性行为.通过分析交变磁场的幅值和频率对Nb3Sn超导线磁通跳跃的影响,发现当磁场幅值不变时,初次发生磁通跳跃的磁场阈值B_th随频率非单调变化.而当频率一定时,初次发生磁通跳跃的磁场阈值B_th随交变磁场幅值单调变化.此外,随着幅值的减小,发生磁通跳跃的频率区间先变大后变小,直到某个临界频率后超导线不再发生磁通跳跃.本文的研究结果能够为调控超导线的磁热不稳定性行为提供理论依据.     

电磁复合场对Zn-10 wt%Bi过偏晶合金凝固组织的影响

以Zn-10 wt%Bi的过偏晶合金作为研究对象,在强磁场条件下,考察了不同电磁体积力对其显微凝固组织与凝固过程的影响.实验结果表明,在一定的强静磁场下,当交变电流增加到某一特定值时(交变电流频率为50 Hz),得到的凝固组织最为均匀,第二相颗粒直径也达到最小;在固定交变电流值的条件下(交变电流频率为50Hz),Zn-10 wt%Bi合金的凝固组织随着磁感应强度的增加,其偏析程度、弥散程度和第二相Bi颗粒的大小都有明显的改善.实验分析结果表明,磁场复合交变电流产生的电磁体积力的大小,对合金凝固组织都有显著影响,通过控制磁感应强度和交变电流大小,从而获得较为理想的过偏晶合金凝固组织.     

全超导托卡马克极向场超导线圈的失超检测

EAST装置做为全超导托卡马克装置,其纵场和极向场线圈全部由超导磁体组成,所以进行安全,准确,有效的超导线圈的失超保护是装置安全运行的首要环节.由于等离子体电流的建立必须由极向场线圈系统提供极快速的磁通变化,随之产生较高的交流损耗使得极向场线圈很容易发生失超.如何对快速交变脉冲磁场下的超导线圈进行有效的失超检测,这在世界上也无先例可循.EAST装置的失超检测系统经过几十轮单饼超导线圈实验及多轮装置正式放电实验后逐步建立和完善起来,并已通过工程验收满足了装置实验运行要求.本文主要介绍了EAST装置失超检测系统的基本结构和检测原理,重点阐述了极向场超导磁体失超检测的设计方法及实验结果。     

趋肤效应的一种解释

福里斯、季莫列娃的《普通物理学》对趋肤效应的解释是不正确的.如图1所示:i表示通过导体的交变电流.ib表示如图所示的闭合回路里的感应电流.图1中所表示的是交变电流i正在增长时的情况.结果,在导体中心处i和ib这两个电流方向相反,电流被减弱.在导体表面处两个电流方向相同,电流得到加强.表面处的电流大于中心处的电流. 按照这种解释,则当导体中的交变电流i衰减时,导体中心处的电流将得到加强,而表面处的电流将被减弱.这样,在交变电流的一个全周期内,无论在导体的表面或中心,电流加强和减弱的机会均等,效果相同,也就无所谓趋肤了.可见福里斯…