基于近似解析法的超导储能磁体设计

降低超导储能磁体的研制成本一直是控制超导磁储能系统(Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES) 总成本的重要手段之一. 本文考虑在一定磁体结构参数范围内, 磁体产生的最大磁场值可以采用级数进行 表示, 磁体的电感值可以采用线性函数表示, 给出了超导储能磁体磁场能量的近似解析表达式, 提出了一种基于近 似解析法的超导储能磁体设计方法. 该方法以储能磁体的线材用量最小作为设计目标, 在给定超导线材参数和临界电流特性曲线, 以及磁体储能总量要求的情况下, 依据此方法可快速的得到成本最优时所对应的磁体结构参数.将近似解析法优化和采用传统的有限元软件 Ansys 仿真优化进行对比分析, 结果表明采用近似解析法进行磁体优化更加方便快捷, 节省了大量计算时间.     

基于阶梯填充系数法的单螺管储能磁体优化设计

高温超导带材的出现,使超导储能磁体能以更高的性价比应用于工程中,然而YBCO的各向异性使带材整体的利用率较低,储能潜力没很好开发出来。本文通过ANSYS maxwell建立磁体有限元模型,结合YBCO带材的临界电流特性以及磁体上"坏点"的位置分布规律,提出一种新磁体结构即阶梯填充系数结构。与初始储能磁体相比,优化后双阶梯填充系数磁体最大径向磁场值降低14.08%,储能提高24.88%;三阶梯填充系数磁体最大径向磁场值降低44.52%,储能提高67.17%。在此基础上进行了磁体机械稳定性检验,结果表明,机械稳定度约达80%,可稳定运行。     

矩形截面超导线圈的径高比对最大磁场点位置和幅值的影响分析

为了充分利用超导线材的载流能力, 需要精确计算超导线圈产生的最大磁场值, 还需要明确最大磁场值所处的具体位置. 其中, 最大磁场点的位置主要由线圈的形状( 径高比) 决定. 本文基于单积分法并通过 MATLAB编程, 将矩形截面线圈的径高比α 和β 参数化, 计算分析线圈内壁边上和端面边上各点磁场的变化趋势. 同时, 利用电磁场有限元软件 ANSYS, 对矩形截面线圈的空间磁场进行仿真分析, 得到线圈的内壁磁场系数、 端面磁场系数和最大磁场系数随α 和β 的变化规律; 进而, 计算并寻找到了线圈截面上最大磁场点的位置和幅值. 综合分析表明, 线圈内壁边上的最大磁场点并不是始终位于内壁中点Bc 处, 而是可能偏离端点Be 一小段距离的某点(a1 ,b -δ )处; 线圈端面边上的最大磁场点一定不位于端点Be 处, 而是偏离端点Be 一小段距离的某点(a1 +δ ,b ) 处. 本文给出了线圈截面上最大磁场系数 K mc 对应于线圈径高比(α ,β ) 变化的等高曲线, 矩形截面超导线圈最大磁场值可以通过计算内壁中点的磁场值与最大磁场系数的乘积获得.