空芯大气隙高温超导直线电机电磁力实验研究

直线电机是一种无需中间传动装置而直接将电磁力转换为线性运动的特种电机,在交通运输领域具有广泛的应用前景.将高温超导技术与电机理论相结合,能够有效利用超导材料的强载流能力与高场特性提高直线电机的输出能力.本文提出了一种应用于超导磁悬浮列车牵引的空芯高温超导直线电机,首先建立空芯高温超导直线电机的二维有限元模型对电机结构参数进行初步探索,并完成了超导直线电机样机的设计与制作.通过搭建实验测试平台完成了空芯高温超导直线电机定子磁场和电磁力的实验测试.有限元计算结果与实验数据有较好的一致性,验证了模型的有效性,并利用该模型研究了定子电流,超导线圈电流以及电机气隙对电机推进力输出的影响.本文的相关成果将促进超高速磁浮交通领域关键驱动技术的研究与发展.     

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.     

YBCO高温超导磁体临界电流密度快速确定方法

基于绘图法基本原理,以及YBCO高温超导带材的临界电流特性,采用有限元电磁场分析软件AnsoftMaxwell建立了空心圆柱磁体模型.根据磁场分布、并考虑到带材的临界电流密度随磁场大小和方向的变化关系,给出了影响磁体工作电流特性的磁场的分布.基于以上工作提出了一种利用Ansoft电磁场分析软件快速确定YB-CO高温超导带材临界电流密度的方法.     

一种行波磁场中高温超导块材的电磁-热仿真方法（英文）

对高温超导块材在行波磁场中的电磁-热特性研究是掌握超导块材在直线电机中良好应用的基础.本文提出一种快速计算的仿真方法,建立了超导块材处于行波磁场中的有限元模型来计算超导块材内的电磁和温度分布.这个模型考虑了超导块材的非线性E-J本构关系及利用磁场强度法来分析行波磁场的频率和幅值对块材内电磁和温度分布的影响,并对提出的新方法与传统方法的计算结果和计算时间进行了对比,发现两种模型的计算结果相同但本文提出的新方法计算时间更短.     

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.     

高温超导带材的临界电流各向异性的实验研究

高温超导带材的临界电流在77K不同磁场大小和方向上相差很大, 表现出强烈的各向异性.我们对此进行了仔细的实验研究,得到了磁场与超导带带面任何夹角情况下临界电流非常简单的解析经验表达式:只要得到在平行场和垂直场下临界电流的变化特性就可以计算出任何磁场与超导带面夹角下的临界电流,计算结果与实验结果吻合得很好,对高温超导带材的应用研究具有重要的实际意义.     

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。     

高温超导变压器绕组端部分磁环的优化设计与研究

本文采用有限元方法研究了低损耗分磁环对高温超导变压器绕组端部漏磁场分布、线圈所承受的电磁力以及高温超导线圈交流损耗的影响,并以高温超导线圈交流损耗最小和并联超导绕组间环流最小为目标,对分磁环的结构参数进行优化.结果表明,分磁环对提高高温超导变压器的性能有一定的作用.     

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.     

基于Ansoft的Bi系高温超导磁体临界电流的仿真计算

本文基于Bi2223/Ag超导带材的临界电流特性,探讨了高温超导磁体临界电流的计算方法,使用有限元电磁仿真软件Ansoft Maxwell建立了双饼线圈和小型超导磁体的模型,给出了磁场按方向分解后各分量的分布情况和找出各分量磁场的最大值的方法,利用各分量磁场最大值确定超导磁体的励磁直线,再依据超导磁体的励磁线和临界电流与各磁场分量的关系曲线确定其临界电流,并以实际双饼线圈和小型超导磁体对计算结果进行了验证,较小的误差证明了该计算方法的可行性.     

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.     

300 kvar超导同步调相机样机的转子磁体设计与测试

正在研制的300 kvar高温超导同步调相机样机采用二极转子结构,每极上堆叠四组跑道形双饼高温超导线圈,线圈之间使用增强型超导电流桥接头结构来降低磁体内部的接头电阻。通过有限元软件对超导转子磁体的静态磁场分布进行了三维仿真计算,根据计算结果和超导带材临界电流-磁场-角度依赖性数据,得到该超导转子磁体在30 K温度的工作电流不能超过333 A。磁体制造完成后,对磁体以不同的升流速度进行了液氮下的通流实验,结果显示,超导转子磁体在液氮下能够安全通流50 A。在通流实验中,测量得到超导转子磁体内部各接头的电阻值均小于1μΩ。     

电枢参数对电枢超导型高温超导电机性能的影响

高温超导材料存在背景磁场依赖性和各向异性的问题,针对超导感应电机采用双层绕组结构,提出了双重镜像法建立开口矩形槽内漏磁场垂直方向和水平方向的解析模型,利用该模型研究了超导线圈在传输不同电流情况下磁场分布规律,揭示了开口矩形槽电磁结构参数对槽内超导线圈所受表面磁场的影响规律。研究结果表明,适当增大槽宽尺寸可以有效降低超导线圈表面所受最大磁场,传输电流和线圈匝数均能够近乎线性增大超导线圈表面所受最大磁场。     

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.     

基于有限元的高温超导线圈临界电流快速算法

超导线圈在电力设备中应用广泛。临界电流作为超导线圈的一项重要参数,在电力设备复杂的电磁环境中快速和准确预测线圈的临界电流是非常重要的。基于有限元(FEM),分别使用H方程模型与磁场(简称:MF)等效模型对一个双层的高温超导线圈临界电流进行了计算,两种模型的仿真结果一致,并分析了MF等效模型仿真快速高效的原因。将MF等效模型拓展至含分磁环的超导线圈中,进一步计算不同外场条件下分磁环对临界电流的影响,并发现分磁环影响下的端部电场激升是线圈临界电流下降的主要原因。     

小型YBCO超导脉冲变压器线圈结构优化设计

超导脉冲变压器在电感储能的脉冲功率电源技术中具有非常大的应用潜力.设计合理的线圈结构参数,可以减小脉冲功率电源系统的体积和成本.本文基于YBCO超导带材的临界特性,探讨了高温超导线圈的临界电流计算方法,以饼式线圈叠加形式为超导脉冲变压器的基本结构,通过有限元仿真软件Ansoft Maxwell建模分析了结构参数对脉冲变压器中超导线圈的最大磁场、临界电流密度、储能和变压器耦合系数的影响.通过结果分析,确定了能够实现较大储能和较高耦合系数要求的结构参数范围,最后综合脉冲功率电源的要求选择了一个小型高温超导脉冲变压器的结构参数.     

垂向磁场变化量对高温超导块材悬浮力特性的影响

高温超导体因其无源自稳定的特性,受到许多学者的重视,具有广阔的应用前景.目前针对高温超导块材悬浮性能的研究主要集中于由永磁体产生的低磁场环境.本文基于超导磁体平台提供的强磁场环境,通过改变高温超导块材不同的场冷高度,实验研究了高温超导块材悬浮力与垂向磁场变化量的关系.研究结果表明随着垂向磁场变化量的增加,高温超导块材的悬浮力增长趋缓,并最终出现悬浮力饱和的现象.本文还对比了YBCO 和Gd-BCO 两种不同材料超导块材的悬浮性能,结果发现GdBCO 的悬浮力在强磁场环境中表现出更大的潜力.这为高温超导磁浮在强磁场中的应用奠定了基础,通过更加合理地调节磁场的分布,可以更好地发挥高温超导块材的悬浮性能潜力     

背景磁场下Y系超导带材临界电流的测量

高温超导电力装置一般工作于低磁场情况下,测量超导带材在低场下的临界电流特性非常重要.文中通过自行设计的实验平台,采用四引线法对Y系超导带材低场下的临界电流特性进行了测量,得到了带材临界电流随外加磁场变化的曲线,并与Bi系带材低场下的临界电流特性进行比较.     

磁场下高温超导带材临界电流试验研究

高温超导带材在受到外界磁场的影响时,临界电流会发生衰减,衰减程度由外界磁场的方向和强度决定.本文研究了第一代和第二代高温超导带材在不同方向、不同大小的磁场下,临界电流的变化情况.在温度77K、0~0.4T垂直磁场和平行磁场下,分别对比测量了北京英纳超导技术有限公司、日本住友公司、American Superconductor、Superpower、日本藤仓和韩国苏南生产的第一、第二代高温超导带材样品的临界电流.文中详细介绍了试验情况,包括电路搭建、线材固定方法和测量标准.通过比较这些样品的测试结果,为高温超导带材的应用提供有价值的参考.