基于YBCO的3MJ超导储能线圈模型样件的测试

高温超导储能磁体(HTS-SMES)是超导在电力系统中的重要应用之一。项目设计的3MJ级SMES装置采用YBCO高温超导带材绕制为16组线圈饼,每组线圈饼由8个双饼线圈组成,工作电流超过500A。文中选取3MJ储能线圈中的1个双饼作为模型样件,在完成该模型样件制造及装配后,对其进行了77K液氮环境下的临界电流、磁场分布、应力应变等项目的测试,测试结果满足测试样件的设计条件,可以为工程化SMES装置的设计和运行提供参考。     

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.     

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.     

结构参数对YBCO高温超导螺线管磁体临界电流密度的影响

高温超导带材具有很强的电磁各向异性,是超导螺线管线圈在设计、优化及运行中必须考虑的重要因素。该文通过对SCS4050型YBCO高温超导带材的实验参数进行分析,得出不同背景场下带材临界电流密度的变化曲线;通过有限元仿真软件Ansoft Maxwell,分析了带材结构参数变化时,对螺线管磁体最大磁场、临界电流密度以及储能的影响。研究结果得出随结构参数变化磁体临界电流密度的变化趋势以及影响YBCO磁体临界电流密度的主要磁场角度,为Y系高温超导螺线管型磁体的设计提供一定的理论依据。     

一种新型YBCO高温超导带材临界电流特性测试方法

针对YBCO高温超导带材临界电流特性,文中基于四引线法,构造了一个集成有背景磁场发生装置的减压降温的低温测量装置。该装置包括一个提供背景磁场的双"E"形铁心线圈磁体;一个可以旋转0—360°的超导带材样本架以及一套可实现减压降温功能的低温测试系统。通过对低温杜瓦内温度、YBCO带材所处背景磁场大小、背景磁场与YBCO带材表面夹角的控制,实现了YBCO超导带材在不同温区、不同磁场及磁场方向下的临界电流特性的测量。这种新颖的测量方法和装置,综合考虑了环境温度、背景磁场和磁场方向变化的具体影响,能够获得较全面的YBCO高温超导带材临界电流性能参数。     

YBCO线圈在液氮中的失超特性研究

由于高温超导材料的临界温度较高,可以运行在一个较宽的温度范围内,因此高温超导磁体被看作是稳定性较好的磁体,它在超导电力、超导磁体方面的应用占着日益重要的地位.YBCO带材作为第二代高温超导体的代表,近年来其生产工艺水平也得到了迅速发展和提高.磁体失超是影响超导磁体运行稳定性的重要问题之一.本文研究了YBCO单饼线圈在液氮环境中因由热扰动诱发的失超特性,设计了一套高温超导线圈在液氮浸泡下的失超测量系统,通过软件LABVIEW和数据采集卡对线圈的温度和电压进行采集和记录,测量YBCO单饼线圈在不同运行条件下的失超特性.     

微型SMES用超导储能磁体试验研究

超导储能磁体是超导储能系统(SMES)的关键部件,因此有必要在SMES系统运行前对超导储能磁体进行系统试验研究.本文以第二代高温超导(YBCO)线材设计制作的超导储能磁体为试验对象,通过降温试验、临界电流测试、储能量测试和对地绝缘测试等试验测试并分析了超导储能磁体的电气和低温绝缘性能.试验结果表明:超导储能磁体基本性能...     

YBCO线圈交流损耗的有限元分析与实验验证

随着高温超导YBCO带材载流能力的不断提高和成本的逐渐降低,YBCO线圈及磁体的应用将日益广泛。文中利用有限元方法研究了YBCO线圈的交流损耗特性,计算了50Hz下线圈的瞬时交流损耗,分析了每匝带材中的电流和磁场分布。仿真结果表明,线圈内侧承受的磁场最大,但线圈中部每周期的交流损耗最大,且线圈中始终存在未被磁场穿透的区域。除此之外,文中实验测量了YBCO线圈的临界电流和交流损耗,实验结果良好地验证了仿真方法的正确性。     

10MJ高温超导环形磁体电磁优化设计

随着超导技术的发展,大容量、高场强的高温超导磁体已成为未来超导磁体的主要发展方向。文中以10MJ高温超导环形磁体为研究对象,以磁体的总用线量为优化目标,采用二代YBCO带材进行了环形磁体的电磁优化设计,利用遗传算法和有限元建模获得了磁体的最小总用线量,分析了在满足磁体储能量的情况下,线圈的内直径和线圈个数对环形磁体临界电流、总用线量的影响。     

120kJ高温超导储能磁体的研究

阐述了120k J高温超导储能磁体的高温超导带选择及磁体主要参数。为确定120k J高温超导储能磁体绕组的通电方式,比较了30个高温超导双饼线圈两种连接方式在225A电流下的磁场特性。为满足杜瓦强度要求,针对120k J高温超导储能磁体杜瓦开展了结构设计及强度分析,结果表明,杜瓦满足高温超导绕组吊挂对其强度的要求。     

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.     

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。     

临界电流磁矢量分析法在YBCO线圈上的验证

高温超导磁体临界电流磁矢量分析法准确地预测了BSCCO高温超导磁体的临界电流,为了进一步验证该方法预测YBCO高温超导磁体临界电流的准确性,文中作者用9.3m二代高温超导YBCO带材绕制了一个内径为70mm,外径为100mm,共35匝的单饼,测试了单饼5-15匝,15-25匝,25-35匝和5-35匝在77K下的临界电流,并用磁矢量分析法进行了仿真分析。通过对比发现,仿真分析和实验结果的误差在5%左右,最大误差是6.75%,最小误差是4.77%,验证了磁矢量分析法在预测YBCO高温超导磁体临界电流时的准确性。     

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.     

YBCO线圈在低温下的温度仿真分析

近几年,高温超导线材的制造技术已日趋成熟。作为第二代高温超导带材的代表,YBCO在低温下具有的优点使其在超导磁体领域的应用越来越突出。但是在高温超导磁体的运行中会因为受到扰动而失超。为了探讨这个问题,模拟了一个磁体在低温下(20K左右)有加热点扰动时的稳定性情况,即对YBCO线圈在低温下的工作情况进行了模拟仿真。文中根据实验设计的YBCO单饼线圈参数,利用热传导方程和基本电路方程,采用有限元计算方法,模拟出线圈内部的温度分布。分析仿真结果可以为后续实验设计提供参考。     

高温超导磁体临界电流影响因素的研究

临界电流值是描述Bi2223高温超导带材性能的一个基本参数,在一定的温度条件下,Bi2223高温超导带材的临界电流是带材所在位置磁场大小和磁场方向的函数,其短样的临界电流值可以通过四引线法测量,单根超导带材的自场很小,磁场对临界电流的影响可以忽略.高温超导磁体的临界电流被定义成引发该磁体失超的最小电流,高温超导磁体的自场比单根超导带材的自场要大得多,磁体各个位置的磁场大小和方向各不相同,很难用理论的方法准确计算磁体的临界电流.对于高温超导磁体而言,除了磁场的影响因素以外,绕制磁体所用的超导带材自身的均匀性也是影响其临界电流的一个重要因素.本文对这两个因素进行探讨,并着重讨论高温超导带材自身的均匀性对临界电流大小的影响,本文的结论可以为高温超导磁体的设计、磁体绕制时带材的选择、磁体运行时安全工作电流的确定提供帮助.     

1MJ环型高温超导储能磁体在不同单元线圈高度下的电磁场分析

近年来高温超导储能系统(SMES)由于其高密度的储能优势得到广泛关注,因此对其核心组成部分高温超导磁体的研究显得尤为重要.本文通过ANSYS有限元软件建立了四个螺线管组成的1MJ环型磁体在单元线圈高度不同情况下的模型,分析总结了四螺线管组成的环型磁体的漏磁场与磁场分布规律,为磁体的设计提供了一定的参考依据.     

高温超导磁体系统发热仿真及实验研究

本论文对高温超导磁体在传输直流电流时产生的损耗进行了理论分析和实验验证.本文考虑了高温超导带材非线性模型磁场方向对带材临界电流和n值的影响,用Bi2223超导带材绕制了(一个由20个双饼组成的高温超导磁体,用数值仿真和实验方法研究了此磁体传输直流电流时的指数损耗.并对每个双饼以及每匝线圈的损耗进行了分析.在液氮温度下对一个双饼线圈进行了指数损耗的测量,测量结果与数值仿真结果相当吻合.利用高温超导体临界电流此非线性模型,本文对此磁体快速励磁情况下的交流损耗的特点进行了数值模拟.     

2T高温超导Bi-2223带材磁体

通过带材Ic及其弯曲性能测试,进行磁体设计,采用先处理后绕制(R&W)的工艺,制得中心磁场达2T的高温超导Bi-2223带材饼状线圈磁体.该磁体在液氮(77K)下通电流22.4A,中心磁场达0.25T;在液氦下可通电流170A,中心磁场达2.0T(4.2K),为液氮下的8倍,表明所采用的工艺,对制作中小规模高温超导Bi-2223带材饼状线圈磁体,是合适的.