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.     

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.     

磁悬浮列车用超导直线开关磁阻电机设计与分析

通过引入高温超导材料,提出一种新型的超导直线开关磁阻电机结构。建立超导直线开关磁阻电机有限元仿真模型,考虑超导材料的非线性特性,搭建电机控制电路,并详细阐述控制电路实施过程。然后对计算结果进行分析,研究了超导直线开关磁阻电机的励磁电流、推力及法向力变化以及磁场分布等问题,对比分析了传统直线开关磁阻电机与超导直线开关磁阻电机的电磁力特性,结果表明了所提直线电机结构的可行性和有效性。     

直线电机用高温超导块材磁体作用力—磁场特性分析

本文以探究高温超导块材磁体在同步直线电机实际应用特性为目标,搭建了对磁场、三维电磁力信号同时采集的多物理场测试平台.实验探究了作为直线电机次级的高温超导块材磁体所受电磁力、俘获磁通随充磁电流、电机初级三相交流电电流幅值、频率等参数的变化规律.理论分析了高温超导块材俘获磁通在行波磁场中的衰减规律.基于所得结论,提出可有效抑制磁场衰减的方法—引入铁磁材料,并重点讨论该方法对初次级间电磁力的影响.     

基于ANSYS的高温超导直线感应电机仿真分析

随着直线感应电机在地铁等城市轨道交通中的不断应用和高温超导带材技术的不断完善,文中提出一种新型高温超导直线感应电动机的设计思路,依据直线感应电机电磁设计原理,对高温超导直线感应电机进行了研究和设计;利用大型有限元软件ANSYS对电机的电磁场、电磁力等进行仿真,给出仿真结果;并对仿真结果进行简要说明。最后通过对普通铜绕组直线感应电机和高温超导直线感应电机的理论和仿真分析对比,验证了高温超导直线感应电机将具有更大的优越性。     

以二代高温超导磁体为动子的同步直线电机静动态特性仿真研究

随着高温超导磁体技术的日趋成熟,本文提出了一种基于二代高温超导磁体的新型高温超导直线同步电机的电磁仿真分析方法,依据永磁同步直线电机的电磁设计原理,以二代高温超导磁体取代普通永磁体,对高温超导同步直线电机进行了仿真研究.本文首先从理论上推导了高温超导体的非线性本构关系模型,获得了仿真模拟高温超导体电磁特性的数学描述,提出了电机推力的计算方法,并建立了电机的二维仿真模型,利用电机有限元软件对电机的静动态电磁场、电磁力和启动速度等参数进行了仿真分析,之后对不同动子质量和工作频率的启动特性进行了分析.最后通过对电机变频启动特性研究,验证了最大速度变频启动方式同样适用于高温超导直线同步电机.在此仿真设计的基础上,我们成功研制了相关的实验室原理性样机.     

高温超导感应电机的电磁性能分析

总结了高温超导电机的研究背景及国内外研究现状。分别对不同类型的高温超导电机的特性进行了简要分析,考虑到转子型超导电机的不足之处,研究设计了一种定子型的高温超导感应电机,并利用ANSOFT软件对该高温超导电机进行仿真。仿真包括空载工况和负载工况,通过对仿真结果的分析得到了电机内部磁场的分布规律及电机性能参数。电机空载气隙磁场最大幅值为0.7 T,满足性能要求。空载时启动性能良好,稳态时转矩脉动小,定子电流在超导线圈的临界电流以下,能够保证超导电机稳定运行。负载时最大转矩倍数为3.76,过载能力良好。     

高温超导同步直线电机的数值仿真分析

利用Comsol Multiphysics多物理场耦合软件对单极高温超导直线电机进行有限元电磁仿真分析,首先详细介绍高温超导直线电机的二维仿真模型和计算流程,并通过计算结果和实验结果作对比的方法对该模型进行了有效性验证;利用仿真模型详细分析高温超导线圈几何参数对力学性能的影响:高温超导线圈匝数、高度对直线电机力学性能的影响;随着线圈匝数的增加,虽然最大推进力随匝数的增加而单调增加,但对应的作用力增量却随匝数的增加而逐渐减小.另外随着超导线圈高度的增加,当推进力达到一定饱和值后,继续增大线圈高度只能导致法向力的增大,却并不能带来推进力的进一步提高.最后重点讨论在高温超导带材线圈中引入铁磁材料后,铁芯和背部铁轭几何参数对直线电机作用力的影响.所得结论对高温超导直线电机的电磁结构设计具有指导意义.     

轨道交通用高温超导直线感应电机电磁分析

设计研究了一种用于轨道交通的新型高温超导直线感应电机模型。并结合轨道交通用直线感应电机的实际运行状况,利用ANSYS软件对超导直线感应电机模型进行电磁分析。获得电机内部的磁场分布规律;并研究了电磁气隙、次级材料及次级感应板厚度对电机电磁推力的影响。最后在相同运行条件下,将传统铜绕组电机与高温超导电机做了比较,超导直线感应电机在电磁推力上有优势。     

动磁式直线压缩机电磁特性分析及实验

设计开发了一种动磁式直线压缩机样机,利用磁路分析法对直线压缩机的静态特性进行定性分析,得到了电磁力、磁链关于电流、位移以及直线振荡电机结构参数之间的函数关系.又利用电磁场的二维有限元参数化分析进行定量分析,精确计算了不同位置和电流下的电磁力和磁链.修正了磁路分析的计算结果.为研究其动态特性,将有限元静态分析与状态方程法相结合,建立了动力学模型,并利用4阶Runge-Kutta法求解状态方程.实验证明,此动态特性仿真方法是有效的,样机的性能能够满足冰箱压缩机的前求.     

高温超导高速磁浮交通系统悬浮导向与牵引方案研究

本文提出了一种全高温超导高速磁悬浮交通技术模式, 该技术模式采用高温超导钉扎悬浮导向和高温超导直线电机牵引, 具有高速运行、 静态悬浮和动态自稳定悬浮导向三大特征. 根据5 编组时速500 公里磁悬浮列车的运行要求和工况, 本文对高温超导钉扎悬浮导向系统和高温超导直线牵引系统进行了方案设计, 并通过有限元仿真对所提方案进行了可行性分析和验证. 结果证明了全高温超导磁悬浮系统的高速运行、 静态悬浮和动态自稳定悬浮导向技术优势和设计方案的可行性.     

时变外磁场中高温超导块材导向力性能的数值模拟

基于Bean临界态模型,针对目前的高温超导磁悬浮车系统,提出了一种模拟计算方法,该方法可计算在时变外磁场中块材导向力的衰减变化情况。通过对时变外磁场中块材温度、俘获磁通以及导向力等参数变化情况的实验结果和计算结果的对比,证实了该模拟计算方法的有效性。该模拟计算方法可用于定性研究高温超导块材的导向力性能在时变外磁场作用下的变化情况,为高温超导磁悬浮车的研究和工程实践提供了较为重要的科学依据。     

5 kVA高温超导变压器双饼线圈不同有限元模型对比分析

本文基于5 kVA 高温超导变压器的高压绕组双饼线圈, 运用有限元软件, 完成了均质化建模. 相比于全模型, 采用均质化模型不仅不影响计算精度, 而且大大减少了计算时间, 同时能够快速有效地计算出双饼线圈的磁场分布、 电流密度分布以及线圈交流损耗. 为了验证双饼线圈有限元计算模型的正确性, 本文进行了 H 方程全模型、H 方程均质化模型、T-A 方程全模型及T-A 方程均质化模型下的对比仿真分析. 仿真结果的一致性表明了双饼线圈有限元计算模型的正确性. 本文为后续基于T-A 方程下高温超导变压器均质化模型的研究提供了参考.     

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。     

基于ANSYS的高温超导混合磁轴承悬浮力分析

基于商用电磁场有限元软件ANSYS以及Bean临界态模型,对由圆柱形高温超导块材、永磁体和超导线圈组成的新型高温超导混合磁轴承的电磁场分布及悬浮力进行了仿真分析,研究了超导线圈对高温超导混合磁轴承悬浮力的影响,同时还通过实验测试了悬浮力。结果表明:仿真与实验具有较好的一致性,使用软件仿真方便可行,其结果较为准确可靠,可为高温超导混合磁轴承的设计和优化提供理论依据。     

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。     

基于动态阻抗模型的磁控式持续电流开关

本文研究了高温超导闭合线圈的重要励磁方式——持续电流开关(persistent current switch).高温超导闭合线圈在各种场合中被广泛地应用和研究.为了使高温超导线圈能够工作在持续电流模式(persistent current mode)下,需要持续电流开关利用超导体在超导状态和电阻状态之间的转换来实现开关状态的切换,而磁控式持续电流开关具有响应速度快、励磁效率较高等优点,因而在闭合超导线圈的励磁中具有广阔应用前景.本文提出一种基于动态阻抗模型的磁控式持续电流开关,将动态阻抗以及磁控式持续电流开关的理论研究与探究实验相结合,深入分析磁控式持续电流开关应用于线圈励磁的影响因素,从而实现动态阻抗的灵活设计以及闭合线圈励磁性能的改善.     

Suppression of guidance force decay of HTS bulk exposed to AC magnetic field perturbation in a maglev vehicle system

Superconducting maglev vehicle was one of the most promising applications of HTS bulks. In such a system, the HTS bulks were always exposed to AC external magnetic field, which was generated by the inhomogeneous surface magnetic field of the NdFeB guideway. In our previous work, it was observed that the guidance force of the YBCO bulk over the NdFdB guideway used in the high-temperature superconducting maglev vehicle system was decayed by the application of the AC external magnetic field. In this paper, we adopted a method to suppress the decay by altering the field–cooled height of the bulk. From the experimental results, it was found that the decay rate of the guidance force was smaller at lower field–cooled height. So we could suppress the guidance force decay of HTS bulk exposed to AC external magnetic field perturbation in the maglev vehicle system by reducing the field–cooled height of the bulk. Furthermore, all the experimental results in this paper were explained based on Bean critical-state model.     

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.