100kJ高温超导储能磁体电磁分析及研究

超导磁储能系统(SMES)是超导在电力领域的一个重要应用。文中介绍的100k J SMES磁体由30个Bi2223/Ag带材绕制的双饼线圈组成,设计工作温度20K,工作电流200A。SMES在运行时,磁体不同位置的带材所受到的磁场的大小和方向不同,其临界电流退化程度也不相同。保证一定的临界电流裕度是磁体稳定工作的前提。文中通过有限元法计算了磁体的磁场分布,分析了磁体的临界电流裕度以及磁体在不同温度下的临界电流。结果表明,磁体在设计工况下电流裕度可达57.5%。计算结果可以为SMES磁体的设计和运行提供参考。     

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.     

单螺管型高温超导储能磁体的ANSYS磁场仿真分析

超导磁储能系统通过超导体制成的导电线圈储存能量,它的投入使用完全依赖于超导磁体的设计和研制,作为电磁储能元件,超导磁体在运行过程中会产生相当强的磁场。以储能量为1MJ的单螺管型、Bi系高温超导磁体作为研究对象,根据电磁场理论,推导出数学模型,并借助ANSYS有限元分析软件,建立了一个由44个双饼线圈构成的二维电磁分析模型,得到磁场分布规律等。该分析结果对超导磁体的结构设计、优化及漏磁屏蔽提供了一定的参考依据。     

高温超导储能磁体几何参数的优化

对于高温超导储能磁体的设计,必须在保证磁体性能满足设计要求的前提下,对磁体的几何参数进行优化,以达到减小导线使用量和提高磁体性能的目的.文中介绍对双饼单螺管高温超导储能磁体,根据磁体性能随双饼数目的变化关系的计算进行磁体设计参数优化的方法.     

Y系超导螺管储能磁体的优化设计

磁体结构的好坏将直接关系到磁体的制造成本以及磁体能否正常运行.在磁体结构的优化设计中,选定磁体的体积为目标函数,在满足磁体储能,符合超导材料的B～J特性,尽量减小漏磁等条件下,使目标函数达到最小.文章选定新一带超导涂层导体YBCO为SMES线圈的制造材料,分析了Y系带材的材料特性,并采用大型有限元仿真软件ANSYS和磁体优化中常用的算法-模拟退火算法(simulated annealing)对SMES线圈进行优化仿真分析,得出最优的磁体结构.     

Y系超导螺管储能磁体的优化设计

磁体结构的好坏将直接关系到磁体的制造成本以及磁体能否正常运行．在磁体结构的优化设计中，选定磁体的体积为目标函数，在满足磁体储能，符合超导材料的B～J特性，尽量减小漏磁等条件下，使目标函数达到最小．文章选定新一带超导涂层导体Ⅵ瑚为SMES线圈的制造材料，分析了Y系带材的材料特性，并采用大型有限元仿真软件ANSYS和磁体优化中常用的算法-模拟退火算法（simulated annealing）对SMES线圈进行优化仿真分析．得出最优的磁体结构．     

基于单螺线管的超导储能磁体阶梯结构设计优化

高温超导带材各向异性严重制约了磁体临界电流密度的提高,从而使其储能也受到影响。主要通过有限元分析软件对磁体建模仿真,在磁体带材用量不变的前提下,首先以单螺线管型磁体为前提,研究不同径高比对磁体储能的影响,并获取储能最高时的最佳径高比。在此基础上,通过结构优化,建立二阶梯结构的磁体使储能进一步提高,并获得此时储能最大时磁体结构所满足的条件——即满足θ约等于40°时。最后,通过由单一带材到混合带材的使用进一步提高储能。仿真结果表明,通过上述的结构和带材的优化,磁体的储能效率明显提高约61%。     

一种混合高温超导磁体及其电磁特性研究

近年来,高温超导磁体由于载流能力高、磁场强等优点在磁悬浮列车、医疗成像、飞轮储能器等系统具有广阔的应用前景.在这些应用中,工作面上磁场越强,系统的性能越优.高温超导块材能够俘获强磁场,但因为尺寸的限制,其磁场发散区域小,在大气隙条件下工作面区域磁场弱.相比而言,高温超导线圈的尺寸不受限制,但其磁场会随着口径的增大而降低.因此,本文将高温超导线圈和块材结合,提出了一种结构紧凑、口径大、磁场强的混合高温超导磁体.同时,利用有限元仿真软件建立混合高温超导磁体的二维轴对称自洽模型并进行了实验验证,仿真计算了混合高温超导磁体的磁场分布以及不同温度下的临界电流和最大磁场强度.结果表明,混合高温超导磁体可显著增加工作面的磁场,相比于独立的高温超导线圈和高温超导块材最大磁场分别最小提升了102%和12%.另外,混合高温超导磁体工作面上的有效磁通相比于高温超导块材也提高了.     

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。     

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。     

基于新型三电平变流器的超导磁储能系统设计

为改善超导磁储能系统在充放电过程中的输出特性,并提高其能量转换效率,在分析了A-NPC三电平变流器拓扑结构及其工作原理的基础上,以此变流器为核心,设计了一套超导磁储能系统。该系统采用一种基于SVPWM调制的三电平直接功率控制策略,并利用功率前馈解耦算法,实现了储能系统充放电过程中的单位功率因数控制。实验结果表明,储能系统充放电过程稳定可靠,工作效率有效提高,并能获得良好的电流、电压波形。     

宽平顶低横向场分量螺线管线圈设计

介绍了非均匀绕线技术和匀场环技术在螺线管线圈设计中的应用。分析表明这两种技术的采用可以减小线圈间隙的磁场波动、屏蔽线圈磁场的横向分量,从而设计出宽平顶低横向场分量的螺线管线圈。针对中国工程物理研究院12 MeV直线感应加速器螺旋管线圈的设计结果表明,非均匀绕线技术可以使线圈间隙处的轴向磁场波动减小约70%,匀场环的采用则能使线圈磁场的横向分量减小96.5%。     

宽平顶低横向场分量螺线管线圈设计

介绍了非均匀绕线技术和匀场环技术在螺线管线圈设计中的应用。分析表明这两种技术的采用可以减小线圈间隙的磁场波动、屏蔽线圈磁场的横向分量,从而设计出宽平顶低横向场分量的螺线管线圈。针对中国工程物理研究院12 MeV直线感应加速器螺旋管线圈的设计结果表明,非均匀绕线技术可以使线圈间隙处的轴向磁场波动减小约70%,匀场环的采用则能使线圈磁场的横向分量减小96.5%。     

The magnet design for the HLS storage ring upgrade project

In order to improve the performance of the Hefei Light Source (HLS), in particular to get higher brilliance synchrotron radiation and increase the number of straight section insertion devices, an upgrade project called HLSII will be launched soon. The storage ring lattice, which has a double bend achromatic structure with four periods, comprises eight dipoles, 32 quadrupoles and 32 combined function sextupoles. The design and analysis of the magnets are shown in this paper, along with the optimization of the multipurpose combined function magnet, which consists of three magnets: skew quadrupole, horizontal dipole and vertical dipole, with the main sextupole magnet. This type of magnet is the first one that has been designed and used in China. The mechanical design and fabrication procedures for the magnets are also presented.     

分磁环对高温SMES磁体交流损耗的影响研究

高温SMES磁体的交流损耗是制约其投入实际应用的因素之一,交流损耗的大小与超导导线所承受的磁场位型关系紧密,加装分磁环是改变超导磁体磁场位型的手段之一,因此对交流损耗的抑制也有实际意义.文中对高温SMES螺线管磁体进行了有限元建模,阐述了分磁环对减小超导磁体交流损耗的原理,分别计算了超导磁体在加装分磁环与未装分磁环下交流损耗的大小、分布,分析了分磁环的降损率参数r随磁体电流的变化规律,并对提高分磁环降损率的关键问题进行了探讨.     

Optimization of magnet sorting in a storage ring using genetic algorithms

In this paper, the genetic algorithms are applied to the optimization problem of magnet sorting in an electron storage ring, according to which the objectives are set so that the closed orbit distortion and beta beating can be minimized and the dynamic aperture maximized. The sorting of dipole, quadrupole and sextupole magnets is optimized while the optimization results show the power of the application of genetic algorithms in magnet sorting.     

Quasioptical design for an EPR spectrometer based on a horizontal-bore superconducting solenoid

We describe a novel high-frequency electron paramagnetic resonance (HF-EPR) spectrometer design based on a horizontal-bore superconducting solenoid. Designs for components of a quasioptical HF-EPR spectrometer operating with a horizontal-bore 7.85 T solenoid are discussed. A rigid concentric tube construction permits precise placement and control of the optical elements in the magnet bore. A mechanically coupled, sliding optical table bearing the quasioptical bridge is another essential feature of the design. The horizontal configuration greatly improves optical alignment as well as physical access to the sample area compared to existing vertical-bore instruments. As a result, the minimum spin concentration that is detectable with an inexpensive room-temperature diode is comparable to the lowest values reported for aqueous samples in vertical-bore magnets using high-sensitivity detectors.     

基于能量修正法进行大尺寸指数型超声变幅杆准确设计

基于能量修正法修正了大尺寸变幅杆纵振动共振频率方程，得出了其修正频率表达式，分析了大尺寸指数型变幅杆的共振频率修正值，并利用有限元软件ANSYS对一组大尺寸指数变幅杆进行了模态分析。结果表明，比起一维理论值，修正后的频率值更接近于有限元仿真分析结果，变幅杆的尺寸越大（即径长比越大）这种修正效果越明显。