基于ARPSO的高温超导分层储能磁体优化设计研究

提出利用双饼线圈轴向阶梯分层的方法,通过改变每层线圈的平均半径来改变径向磁场分布从而优化磁体结构,减少用线量,且能解决阶梯电流法的多电源供电问题。在COMSOL中利用2G高温超导带材建立储能磁体初始模型;在MATLAB中调用已建立完成的模型,与自适应粒子群优化算法(ARPSO)相结合,以用线量为目标,储能量及临界电流为约束,寻找每组的最佳平均半径;在COMSOL中建立优化后模型,进一步做电磁分析。分别对1、3、5阶梯型的分层储能磁体进行仿真。仿真结果表明:采用此方法得出的优化后模型,在通入相同电流的情况下,径向磁场减小约21%;在储能量为10 MJ的前提下,用线量减小约48%,应力及漏磁场亦满足要求,验证了此方法的有效性。     

考虑磁场径向分量的高温超导储能磁体几何结构优化配置

高温超导储能磁体磁场的径向分量使得带材利用率不高且磁体储能密度低.针对此问题,本文提出了一种获得高温超导储能磁体最优几何结构配置的方法.首先利用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,随后对双饼线圈进行分组,利用电磁场有限元分析软件对内外三阶梯和内外八阶梯结构磁体的磁场径向分量、储能大小进行了分析,研究了相邻双饼线圈不同厚度间距对磁体带材利用率和磁体储能密度的影响.由仿真计算结果可知,内外多阶梯结构磁体均能够提升磁体的性能,其本质是减小磁场径向分量.通过对计算结果比较分析最后获得了储能磁体几何结构的最优配置.     

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.     

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。     

粒子群算法改进及在高温超导磁体优化设计中的应用

本文阐述了基本粒子群优化方法及其改进,选用测试函数对该算法及其改进算法的寻优性能作了对比;并利用Comsol软件对单螺线管超导储能磁体进行了电磁计算,阐述了磁场垂直分量最大值的位置及高温超导磁体的磁场垂直分量对临界电流的影响;最后将各种优化方法应用于高温超导磁体的设计中。经联合仿真优化,高温超导磁体减小了体积,提高了材料利用率,节约了材料用量,并减小了制冷时所消耗的电源功率。     

35kJ高温超导储能磁体的优化设计

介绍了35kJ高温超导储能磁体的设计步骤。为了减少常规寻优方法的计算量,将加权粒子群优化算法(WPSO)引入到高温超导储能磁体的优化设计中,给出了用B i-2223超导线材进行35kJ储能磁体设计的优化结果,分析了高温超导线材的各向异性对磁体临界电流的影响,并比较了两种不同的单螺线管磁体结构在不同优化目标的情况下,超导线材用量和杂散磁场的分布的变化。     

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.     

300MJ环状高温超导储能磁体的优化设计

介绍了300M J环状高温超导储能磁体优化设计的步骤。为了提高优化设计的效率,减少常规寻优方法的计算量,将改进的粒子群优化算法引入到高温超导储能磁体的优化设计中,给出了用B i-2223超导线材进行300M J环状储能磁体设计的优化结果,并采用商用电磁场有限元分析软件ANSYS对本文关于环状螺线管系统磁场、能量计算方法的正确性进行了验证。