梯形高温超导磁体电磁特性仿真与实验研究

超导电动悬浮列车以超导磁体作为核心部件, 具有环境影响小、 高速下自稳定、 安全性能好等优点, 已成为高速轨道交通的重要发展方向之一. 然而, 传统的磁体线圈结构存在绕组内磁场过于集中的问题, 导致磁体的临界电流下降显著, 列车的悬浮及安全性能也受到影响. 针对现有悬浮磁体结构自场集中导致的临界电流衰减问题,本文提出了一种梯形高温超导磁体线圈结构. 建立了一种可以提升磁体临界电流计算效率的均质自洽模型, 设计了梯形结构线圈的结构参数并完成了磁体线圈的绕制. 实验和计算结果表明, 自洽模型计算的磁体临界电流与实验测量值吻合良好, 验证了模型的准确性. 利用该模型对日本山梨试验线上的全尺寸车载高温超导磁体进行了结构优化设计. 研究发现, 优化后的车载磁体绕组内磁场集中程度明显下降, 车载磁体的临界电流及目标区域的磁场强度显著提高. 本研究相关成果可为电动悬浮列车车载磁体的结构设计提供参考.     

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.     

基于阶梯电流法的双螺线管超导磁体的研究

超导磁体在统一电流下每个双饼线圈受到的径向磁场大小不同,而临界电流主要受最大径向磁场影响决定,使得磁体带材利用率低.本文将根据双饼线圈所受径向磁场的不同给其通入不同电流的阶梯电流方法应用于双螺线管超导磁体,建立了双螺线管超导磁体的有限元模型,提出了一种快速求解阶梯电流临界电流大小的迭代方法,计算了二阶梯双螺线管磁体临界电流大小,储能,互感与磁体间距大小的变化关系.仿真结果表明,采用阶梯电流法能够提高双螺线管的平均储能密度,提高带材的利用率,并且从机械应力方面验证了阶梯电流的可行性.相同磁体结构下,双螺线管磁体的储能密度与临界电流在间距的增大过程中存在最大值,变化趋势先增大再减小,最后趋于稳定.     

单螺线管型高温超导磁体的设计与优化

高温超导带材的各向异性严重制约着超导磁体可运行临界电流的提高,从而影响着磁体的性能。因此,电磁优化设计在高温超导磁体设计中占据着至关重要的位置。主要采用有限元软件对磁体建模仿真,根据磁体磁场的分布,采用多种带材绕制磁体,进行设计优化。结果表明,在相同体积的有效带材基础上,优化之后的临界电流明显提高,储能量提升了约22%;同时,在计算磁体的可运行临界电流时,采用了多次仿真、迭代计算的方式求解磁体的可运行临界电流。这种方法在仿真阶段可直接求解出磁体的临界电流,计算较为方便,而且获取的是实时运行的临界电流,更符合实际情况。     

电磁优化对提高Bi2223/Ag超导磁体性能的研究

在Bi2223/Ag超导磁体里,磁场的径向分量是限制其超导带临界电流和性能的主要因素之一.我们用有限元方法分析了螺线管超导磁体场强的分布,发现磁体两端磁场的径向分量最大,通过在其两端增加铁磁性导磁结构,优化其磁场分布,降低磁体端部径向磁场强度,提高了磁体的临界电流,增强了超导磁体承受过电流脉冲冲击的能力,并有效地加速了磁体在过电流冲击后的恢复速度.     

绝热超导磁体瞬态稳定模型及其数值解法

本文对绝热稳定超导磁体的瞬态稳定性问题进行较合理的物理抽象,得到简化的三维模型,并用数值方法直接求解、计算磁体临界能和特定扰动下的失超电流,结果与实验值符合较好.文章还结合数值解讨论了临界能与初始扰动及磁体各物性参量的关系.     

轴对称高场超导磁体电磁应力有限元分析方法

核磁共振成像和核磁共振谱仪是高场超导磁体的主要应用领域.高场超导磁体通常具有较高的磁场和运行电流,在运行过程中超导线会产生较高的电磁应力,其临界特性将发生退化,影响磁体的稳定性.开展高场超导磁体的电磁应力精确分析显得尤为必要.本文发展了一种快速有效的有限元分析方法,第一步,为整个超导磁体系统建立平均有限元模型,采用传统的电磁-结构耦合方法求解电磁应力,获得最大应力位置;第二步,对最大应力所在的超导线圈建立详细有限元模型,采用单积分-结构分析方法精确求解每一组分中电磁应力.基于该模型研究了500 MHz NMR超导磁体的电磁应力.该分析方法也可以用于超导磁体冷却过程中的热应力分析.为高场超导磁体设计和建造提供有益的理论依据.     

一种新的超导储能磁体结构优化方法北大核心CSCD

高温超导线材的各向异性一直影响其在工程中的使用性能,临界电流主要受磁体最大垂直磁场(垂直于带材表面)决定,最大应力通常出现在最大轴向磁场(平行于带材表面)处.文章针对单螺线管超导储能磁体,从增大临界电流和减小机械应力两方面出发,提出一种新的超导储能磁体结构优化方法.利用MATLAB从不同径高比(平均半径/高)着手,计算带材总长度为2000m的多组磁体结构参数,建立了单螺线管超导磁体的有限元模型,结合COMSOL仿真软件获得多组结构参数的应力、磁场分布以及磁场最大值,将承受最大应力区域的磁体转移至磁体两端中部区域.对参与转移的磁体参数进行计算,分析对比不同转移参数对磁体应力和临界电流的影响.仿真结果表明,对比常规磁体,优化后的磁体能有效减小最大垂直磁场从而增大临界电流,减小最大轴向磁场从而减小最大应力,对超导储能磁体的优化具有重要意义.     

一种新的超导储能磁体结构优化方法

高温超导线材的各向异性一直影响其在工程中的使用性能,临界电流主要受磁体最大垂直磁场(垂直于带材表面)决定,最大应力通常出现在最大轴向磁场(平行于带材表面)处.文章针对单螺线管超导储能磁体,从增大临界电流和减小机械应力两方面出发,提出一种新的超导储能磁体结构优化方法.利用MATLAB从不同径高比(平均半径/高)着手,计算带材总长度为2000m的多组磁体结构参数,建立了单螺线管超导磁体的有限元模型,结合COMSOL仿真软件获得多组结构参数的应力、磁场分布以及磁场最大值,将承受最大应力区域的磁体转移至磁体两端中部区域.对参与转移的磁体参数进行计算,分析对比不同转移参数对磁体应力和临界电流的影响.仿真结果表明,对比常规磁体,优化后的磁体能有效减小最大垂直磁场从而增大临界电流,减小最大轴向磁场从而减小最大应力,对超导储能磁体的优化具有重要意义.     

用于46 T全超导磁体装置的26 T REBa2Cu3O7-δ高温超导内插磁体电磁设计研究

REBa2Cu3O7-δ(REBCO)高温超导带材具有良好的电磁性能和机械强度,现已成为开发极高场超导磁体的重要基础材料.本文基于T-A 方程提出了一种极高场REBCO 内插磁体的参数化设计方法,该方法在计算中考虑了超导屏蔽电流对磁体中心场强和应变分布的影响,采用分步优化的方式从内向外依次确定各超导线圈的结构参数,每个线圈的优化过程相对独立.基于该设计方法,本文给出了46T全超导磁体中26TREBCO 内插磁体的电磁设计方案,确定了主要线圈参数和工作电流.该内插磁体由4个线圈同轴嵌套串联组成,每个线圈都由REBCO带材绕制而成的双饼线圈(Double Pancake, DP)堆叠而成.基于当前模型计算结果,在给定的20T背景场中,当内插磁体工作电流达到290A时,磁体中心场强可达46T;高温超导线圈中最大环向应变为0.61%,仍然处于危险区域.