一种混合高温超导磁体及其电磁特性研究

近年来, 高温超导磁体由于载流能力高、 磁场强等优点在磁悬浮列车、 医疗成像、 飞轮储能器等系统具有广阔的应用前景. 在这些应用中, 工作面上磁场越强, 系统的性能越优. 高温超导块材能够俘获强磁场, 但因为尺寸的限制, 其磁场发散区域小, 在大气隙条件下工作面区域磁场弱. 相比而言, 高温超导线圈的尺寸不受限制, 但其磁场会随着口径的增大而降低. 因此, 本文将高温超导线圈和块材结合, 提出了一种结构紧凑、 口径大、 磁场强的混合高温超导磁体. 同时, 利用有限元仿真软件建立混合高温超导磁体的二维轴对称自洽模型并进行了实验验证, 仿真计算了混合高温超导磁体的磁场分布以及不同温度下的临界电流和最大磁场强度. 结果表明, 混合高温超导磁体可显著增加工作面的磁场, 相比于独立的高温超导线圈和高温超导块材最大磁场分别最小提升了102% 和12% .另外, 混合高温超导磁体工作面上的有效磁通相比于高温超导块材也提高了.     

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.     

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.     

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。     

应用于高速轮轨交通的高温超导同步直线电机研究

为实现高速铁路列车突破600km/h的速度极限,本文提出了一种与现有轮轨交通兼容的高温超导同步直线电机方案,并通过有限元方法建立了高温超导同步直线电机的仿真模型.设计并制作了小型实验样机,其定子由三相铜绕组与硅钢材质的铁轭构成,使用二代高温超导材料YBCO带材绕制车载磁体.通过实验方法验证了模型的有效性,并用该模型研究了高温超导线圈回路电流、线圈匝数和气隙对电机推进力和法向力等电磁力特性的影响规律.本文的研究结果为高温超导同步直线电机在轮轨交通领域中的应用提供了可行性依据.     

120kJ高温超导储能磁体的研究

阐述了120k J高温超导储能磁体的高温超导带选择及磁体主要参数。为确定120k J高温超导储能磁体绕组的通电方式,比较了30个高温超导双饼线圈两种连接方式在225A电流下的磁场特性。为满足杜瓦强度要求,针对120k J高温超导储能磁体杜瓦开展了结构设计及强度分析,结果表明,杜瓦满足高温超导绕组吊挂对其强度的要求。     

高温超导磁体系统发热仿真及实验研究

本论文对高温超导磁体在传输直流电流时产生的损耗进行了理论分析和实验验证.本文考虑了高温超导带材非线性模型磁场方向对带材临界电流和n值的影响,用Bi2223超导带材绕制了(一个由20个双饼组成的高温超导磁体,用数值仿真和实验方法研究了此磁体传输直流电流时的指数损耗.并对每个双饼以及每匝线圈的损耗进行了分析.在液氮温度下对一个双饼线圈进行了指数损耗的测量,测量结果与数值仿真结果相当吻合.利用高温超导体临界电流此非线性模型,本文对此磁体快速励磁情况下的交流损耗的特点进行了数值模拟.     

0.5MJ高温超导储能磁体设计分析与研究

高温超导储能磁体(HTS-SMES)是电力系统中的重要应用.文中设计了一种0.5MJ级SMES装置,采用YBCO高温超导带材绕制为14组线圈饼,每组线圈饼由四个单饼线圈组成,设计工作温度为20K,工作电流100A.SMES装置在运行时,中心磁场接近3T,保证高磁场下YBCO带材的临界电流是SMES装置正常运行的必要条件.文中通过有限元的方法分析了运行工况下SMES装置的漏磁场,线圈内磁感应强度的分布,在该磁场条件下带材性能满足运行条件.通过电磁,结构耦合计算与冷却过程的应力分析,得到了线圈上的米塞斯应力与形变,满足储能磁体运行的条件,可以为SMES装置的设计和运行提供参考.     

高速动车组用高温超导变压器的绕组结构优化设计和线圈批量绕制

从高速动车组用6 .6 MVA 高温超导变压器样机的总体设计和电磁方案出发, 根据国产高温超导线材的性能和结构特点, 开发并掌握了满足变压器样机耐压要求的高温超导线材绝缘包覆工艺, 确定了样机高压和牵引绕组用高温超导线材的截面规格. 在此基础上, 考虑工程化需要, 优化设计了构成绕组的串、 并联饼式线圈, 提出了线圈骨架结构和组装、 串联焊接、 并联线材交叉换位等方案. 之后, 成批试制了实验线圈, 得到了满意的临界电流测量结果, 验证了线圈设计和工程化方案的可行性.     

YBCO线圈在低温下的温度仿真分析

近几年,高温超导线材的制造技术已日趋成熟。作为第二代高温超导带材的代表,YBCO在低温下具有的优点使其在超导磁体领域的应用越来越突出。但是在高温超导磁体的运行中会因为受到扰动而失超。为了探讨这个问题,模拟了一个磁体在低温下(20K左右)有加热点扰动时的稳定性情况,即对YBCO线圈在低温下的工作情况进行了模拟仿真。文中根据实验设计的YBCO单饼线圈参数,利用热传导方程和基本电路方程,采用有限元计算方法,模拟出线圈内部的温度分布。分析仿真结果可以为后续实验设计提供参考。     

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。     

An Efficacious Target-Field Approach to Design Shim Coils for Halbach Magnet of Mobile NMR Sensors

The main magnetic fields of mobile nuclear magnetic resonance (NMR) magnets differ from those of conventional NMR and magnetic resonance imaging (MRI) magnets. In the Halbach magnet, the main field B ₀ is perpendicular to the longitudinal axis, the symmetry of the current distribution with respect to the symmetry of the magnetic field differs from that in conventional target-field applications, and the current distribution on the coil surface cannot be expressed in terms of periodic basis functions. To obtain the winding pattern of the coil, an efficacious target-field approach. The surface of a coil is divided into small discrete elements, where each element is represented by a magnetic dipole. From the stream function of the elements, the resultant magnetic field is calculated. The optimization strategy follows an objective function defined by the power dissipation or efficiency of the coil. This leads to the optimum stream function on the coil surface, whose contour lines define the winding patterns of the coil. This paper shows winding patterns designed of shim coils for Halbach magnet and illustrates the craft of a shim coil using flexible printed circuit board. The performance of the coils is verified by simulating the fields they produce over the sensitive volume.     

On some consequences of an external magnetic field applied to HTS coils

A computational model which enables to evaluate the distribution of the critical currents, electric fields and the voltage in the winding of a solenoidal high temperature superconducting (HTS) magnets subjected to an external magnetic field parallel with the magnet axis, was developed. The model comes out from the well-known power law between the electric field and the transport current of the HTS tape short sample. It allows to predict the voltage–current V(I) characteristics of both the pancake coils and the complete magnet. The model was applied to the magnet system consisting of 22 pancake coils made of multifilamentary Bi(2223)/Ag tape at 20 K, which is subjected to an external uniform magnetic field parallel with the coil axis. A rather unexpected behavior of the magnet at different operating conditions (operating current and external magnetic field strength) is predicted, analyzed and reported together with a theoretical explanation. On one hand, the external uniform magnetic field parallel with the coil axis increases the resulting magnetic field strength, however, on the other hand it simultaneously decreases the angle between the resulting magnetic field and the tape surface. Thus, the effect of higher magnetic loading caused by the presence of an external magnetic field strength which is acting on individual turns located close to the coil’s flanges is compensated by more favorable orientation of the tape with respect to the resulting magnetic field. As a result, increase in the critical currents of these turns is expected. Further, the results indicate, that in case of the high field HTS insert coils the anisotropy in the I_c(B) characteristic does not play a substantial role. As a consequence, the technology of the production of the tapes for high field insert HTS coils should concentrate rather on the tapes having the current carrying capacity as high as possible, than on the attempt how to decrease the anisotropy in the I_c(B) by changing the architecture of the filaments in the tape.     

跑道型Bi系高温超导双饼线圈I～E特性计算与实验研究

本文使用Ansys有限元分析软件,建立三维跑道线圈模型,考虑超导线截面电流密度的非均匀分布特性,计算Bi系高温超导双饼线圈中各区域磁场分布、临界电流分布、电流密度分布和电场分布,从而计算线圈的I～E关系曲线,为超导线圈提供一个更为准确的检验标准,对照线圈的测试结果,用此程序计算的线圈I～E关系曲线与测试曲线吻合的较好.     

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.     

Analysis and experimental validation of an HTS linear synchronous propulsion prototype with HTS magnetic suspension

A high temperature superconducting (HTS) linear propulsion system composed of a single-sided HTS linear synchronous motor (HTSLSM) in its middle and HTS magnetic suspension sub-systems on both sides has been developed. The HTSLSM uses an HTS bulk magnet array on the moving secondary, and the field-trapped characteristics of the HTS bulk using different magnetized methods have been measured and compared to identify their magnetization capability. In order to generate a large levitation force for the system, three different types of permanent magnet guideways (PMGs) have been numerically analyzed and experimentally verified to obtain an optimal PMG. Based on comprehensive experimental prototype tests, the results show that the HTS linear propulsion system can run with stable magnetic suspension having a constant air-gap length, and the thrust characteristics versus the exciting current, working frequency and the air-gap length have also been obtained. This work forms the basis for developing a practical HTS linear propulsion system by using HTS bulks both for propulsion and suspension.     

临界电流磁矢量分析法在YBCO线圈上的验证

高温超导磁体临界电流磁矢量分析法准确地预测了BSCCO高温超导磁体的临界电流,为了进一步验证该方法预测YBCO高温超导磁体临界电流的准确性,文中作者用9.3m二代高温超导YBCO带材绕制了一个内径为70mm,外径为100mm,共35匝的单饼,测试了单饼5-15匝,15-25匝,25-35匝和5-35匝在77K下的临界电流,并用磁矢量分析法进行了仿真分析。通过对比发现,仿真分析和实验结果的误差在5%左右,最大误差是6.75%,最小误差是4.77%,验证了磁矢量分析法在预测YBCO高温超导磁体临界电流时的准确性。     

新型高温超导复合导体的磁场仿真与实验分析

针对兆伏安级容量的超导变压器,通过绕组初步设计,考虑导体的电流密度、载流量和交流损耗,提出面向大容量超导变压器应用的新型超导复合导体结构,介绍了含内外超导层的新型高温超导复合导体的结构。引入电流矢量T和磁矢量势A的方法,考虑临界电流密度J_c和磁场B的关系,建立了导体不对称三维数值载流模型,计算分析了不同结构参数对导体临界电流的影响规律。通过绕制的新型高温超导复合导体短样,在液氮环境下对其自场临界电流进行了测量,计算结果和实验结果基本吻合,验证了模型的合理性。