利用强磁场探究低掺杂铜基高温超导体中赝能隙区域的电子特性

高温超导材料及其机理的研究是凝聚态物理学的前沿领域。高温超导的机理至今仍是物理学界面临的一个重大科学挑战,并且被《Science》杂志在2005年和2021年两次列为全球125个最前沿的科学问题之一。在强磁场的作用下,高温超导电性会受到抑制,而对其电子特性的深入研究,例如量子振荡研究[1],为揭开高温超导机理的神秘面纱提供了一种有效的途径。

二元富氢高温超导的实验研究进展

近室温富氢超导材料相关实验报道引发了科研人员对富氢超导的广泛关注,理论预测与实验探索新的富氢超导体及其物性研究已经成为目前超导领域的研究热点。本文结合课题组在富氢超导材料方面的实验研究工作,详细介绍了二元富氢超导体的实验研究进展。

高温超导磁浮车水平曲线通过适应性研究

针对高温超导磁浮车刚性悬浮架曲线通过性差,文章提出了一种具有一定点头和摇头自由度的半解耦悬浮架结构,将高温超导的悬浮力和导向力简化为线性特性,建立了高温超导磁悬浮车辆的动力学理论模型,通过UM软件,在周期性激励的作用下,对理论模型进行了动力力学响应的仿真验证,证明了动力学理论模型的合理性。文章进一步利用UM软件分析了高温超导磁浮车的水平曲线通过性能,对比了悬浮架不同垂向扭转刚度、横向扭转刚度、空气弹簧垂向刚度对杜瓦的横向位移、垂向位移的影响。仿真结果表明,释放一定点头自由度和摇头自由度的半解耦悬浮架,能够更好地适应曲线轨道的线路弯曲和线路扭曲,减少了构架对悬浮系统的不利影响,充分发挥了高温超导钉扎效应的特性,提高了车辆的曲线通过性能,同时合理的空气弹簧刚度能够很好地抑制杜瓦的振动,使车辆运行平稳。最后提出了满足车辆安全运行的悬浮架方案,高温超导磁悬浮车辆曲线通过性能有明显的提升。

高温超导磁悬浮引纬结构悬浮稳定性分析

针对现有电磁投梭技术能量利用率低、引纬幅宽提升有限等问题,提出了一种基于超导磁悬浮的引纬方式,基于高温超导体的迈斯纳效应高温超导片梭能实现其自稳定悬浮,再通过设计的电磁线圈轨道产生行波磁场驱动片梭,从而实现增加片梭织机引纬幅度。由于引纬结构中永磁轨道间磁场存在相互干扰使轨道产生的磁场非对称分布,导致超导片梭两侧超导体悬浮力不相同,超导片梭不能稳定悬浮在轨道上方,后续引纬过程不能进行。为了保证引纬前片梭悬浮稳定性,通过有限元仿真软件分析超导片梭受到的悬浮力,并通过数值计算对永磁轨道磁场进行求解,从而研究磁场分布与超导片梭悬浮稳定性之间的影响。研究表明,轨道上方磁场分布对称性越高,超导片梭悬浮稳定性越高。通过数值计算方法确定了永磁轨道之间的距离为30-40 mm,即永磁轨道之间磁场发生干扰的临界距离,磁场分布具有很强对称性,超导片梭能够稳定悬浮于永磁轨道上方,并且能使超导片梭尺寸最小。

轨道不平顺激励对高温超导磁浮列车电机悬挂的影响

高温超导磁浮列车在运行过程中受到轨道随机不平顺激励的影响,车体和磁浮架的振动会传递至直线电机动子而导致气隙变化,变化后的电磁力反作用于电机悬挂系统,进而影响磁浮架和车体振动。二者的耦合振动一定程度上会影响高温超导磁浮列车的安全运行。为了减少轨道随机不平顺激励对电机悬挂系统的影响,文章建立了多刚体动力学理论模型,并在周期性激励的作用下,对理论模型进行了动力学响应的仿真验证,证明了动力学理论模型的正确性。进一步地,在UM软件中以电机法向力和轨道随机不平顺作为外部激励,对高温超导磁浮列车动力学模型进行仿真,研究了电机悬挂系统的垂向刚度对直线电机气隙、车体和悬浮架振动、列车运行平稳性等参数的影响并对该刚度值进行了合理优化。结果表明:增大直线电机悬挂系统的垂向刚度能一定程度提高车体平稳性;同时增大垂向刚度能一定程度上减小气隙的变化和电机的振动,从而降低和悬浮架的耦合作用。研究结果是在特定的结构参数、负载条件下的仿真分析结果,可为高温超导磁浮列车动力学分析提供一定参考作用。

高温超导电缆应用场景与产业发展

高温超导电缆具有容量大、损耗低、自限流、环境友好等突出优点,是解决城市电网升级难题、实现高效率电力传输、赋能大容量电力应用的新兴解决方案,探讨相关产业发展兼具基础研究与工程应用价值。本文剖析了高温超导电缆的技术特点与应用要素,凝练了超级开关站、大电流专线、数据中心供电、基于新能源的电解铝与电解水制氢、集中型充电站、城市轨道交通、大容量直流电网等高温超导电缆的应用场景;从国际、国内两方面总结了高温超导电缆的研制及应用进展,尤其是全面梳理了我国的关键产品研制、关键技术研究、工程项目实施情况。进一步探讨了加强运维技术、攻克大型制冷机技术、降低工程整体造价、与传统电网设施的耦合、形成收益共享机制等高温超导电缆产业未来发展挑战,并针对性地提出了发展建议。相关内容可为高温超导电缆产业高质量发展研究提供参考。

紧凑新型高温超导可控电抗器的仿真研究

为解决电网配网侧无功就地消纳的需求,文章提出了一种紧凑新型高温超导可控电抗器,介绍了该紧凑新型高温超导可控电抗器工作原理与基本结构,搭建了有限元分析模型并得到其电感调节特性,以期为相关人员提供参考。

二代高温超导带材失超特性研究

高温超导带材失超会降低其通流能力,从而影响高温超导装置的运行稳定性。目前,高温超导带材失超仿真模型多为二维计算模型,无法准确模拟其失超过程中的电磁热行为。该文采用有限元方法对二代高温超导带材失超特性进行多物理场耦合分析。在三维直角坐标系下,以磁场强度矢量为求解变量,建立了二代高温超导带材失超演化电磁热仿真模型,研究了二代高温超导带材长度方向与宽度方向在不同热扰动工况下的电磁热特性及其演化过程,分析了高温超导带材过电流失超过程中的各层分流状况与超导层电阻率变化行为,区分了不同类型的过电流失超行为,并提出了高温超导带材过电流冲击失超的电阻率判据。

高温超导材料与技术的发展及应用

近一个世纪以来,超导理论、超导材料和超导应用技术已经取得了重大的发展,尤其是新近发展的具有很高实用性能的高温超导(HTS)材料与技术,已开始从实验研究走向实际应用阶段．该文简要介绍了高温超导(HTS)材料的发现历史,阐述了HTS带材、块材和薄膜的制备工艺及特性,总结了HTS材料在强电和弱电领域中的应用发展现状．

基于射频识别的高温超导磁浮列车定位方法

[目的]为解决目前传统列车定位技术不适用于高温超导磁浮列车,以及高温超导磁浮列车现有定位技术具有局限性的问题,提出一种基于RFID(射频识别)技术的列车定位监测方法。[方法]介绍了RFID定位技术,提出该定位技术在系统应用中的理论误差模型,设计并搭建完成定位软件及硬件系统。为提高系统的定位精度,分析了列车运行速度、读写器响应时间、读写器信标距离等参数对定位误差的影响。在此基础上,结合高温超导磁浮列车具体运行环境搭建试验平台,验证所提RFID定位方法的可行性。[结果及结论]所设计的基于RFID的高温超导磁浮列车定位方法,能够对环形试验线中运行的磁浮列车进行较高精度的定位,所提RFID系统具有可靠性高、成本低、易于维护等优点。

高温超导磁力传动的发展现状及前景

鉴于高温超导材料具有高载流、强捕获磁场特性与迈斯纳效应,将高温超导材料应用于磁力传动装置,可在实现无接触转矩传输的同时,显著提高转矩密度、传动效率等性能。国内外已开展高温超导磁力传动的理论与应用研究工作,并取得了相应的进展。以高温超导磁力耦合器和高温超导磁齿轮为研究对象,通过调研国内外相关文献,从结构及原理、建模与分析两方面综述高温超导材料在磁力传动领域的研究现状。在此研究基础上,进一步探讨高温超导磁力传动研究在创新拓扑结构设计、冷却与供电、超导磁体交流损耗、复杂传输特性的多目标优化所面临的问题及未来发展前景。

计及制冷系统和过热保护的含高温超导电缆配电网可靠性评估方法

为适应高温超导电缆商业化运行需求,提出一种考虑不同应用模式下制冷系统和过热保护影响的含高温超导电缆的配电网可靠性评估方法。依据高温超导电缆制冷系统的工作原理、故障特性及过热保护装置的动作逻辑和自动重合规则,对高温超导电缆系统可靠性进行建模分析。考虑了低压联络和配电线路增效2种典型应用模式下高温超导电缆接入对配电网的可靠性影响,采用融入了计及高温超导电缆的新增故障模式的最小割集法求解配电网可靠性指标,实现含高温超导电缆的配电网可靠性评估。以某实际配电网为算例,通过仿真分析了制冷系统故障和过热保护对配电网不同可靠性指标的影响,并与传统的配电网改造方案进行对比,验证了所提方法的有效性。

基于YBCO高温超导线圈的新型无线供电悬浮系统电能传输特性研究

近年来,以氧化钇钡铜(YBCO)为代表的第二代高温超涂层导体以其在20~77K温区下极高的载流能力以及优越的力学性能和电磁性能,被广泛应用于电力、医疗、交通、军事、能源等领域。该文设计并构造了一种基于YBCO高温超导线圈的小型充电悬浮系统,该系统可以同时实现无线充电和自稳定悬浮功能,可应用于为小型物体无线供电悬浮展示。通过理论推导和有限元仿真分析发现,将低电阻、高载流密度的高温超导线圈引入无线充电系统中,可使系统的输出功率和输出效率都有显著的提高,最大分别提高了3倍和2.6倍,在低频段提升效果尤为明显。此外,实验表明该系统在10 mm悬浮高度范围内可以保持稳定悬浮和负载电压的高效输出,解决了现有电磁悬浮和电动悬浮技术中需要设计特定磁路结构和安装内置电池或电源而导致装置复杂及持续供电时间较短等问题,为超导无线电能传输技术的应用开辟了新方向。

六通道高温超导导体载流性能和交流损耗特性的仿真研究

为了满足未来聚变装置磁体系统大电流、强磁场以及优良机械特性的要求,提出一种六通道TSTC-CICC高温超导导体,并采用自洽模型和T-A法,对三种结构的六通道高温超导导体的载流性能和交流损耗特性进行了二维有限元仿真研究,其中结构1中带材堆叠方向垂直于径向方向,结构2中带材堆叠方向平行于径向方向,结构3中带材堆叠方式既有垂直于径向又有平行于径向两种方式。由研究结果可知,结构1导体的临界电流最大,结构2导体的最小,结构3导体的介于两者之间。结构1和结构3导体在低磁场下具有较好的临界电流各向同性特性。三种结构导体的临界电流随外磁场角度及磁场强度的变化各不相同。结构1导体的传输交流(AC)损耗最小,结构2导体的传输AC损耗最大,结构3导体的AC传输损耗介于两者之间。在不同角度的外磁场中,三种结构的导体表现出的AC损耗各不相同。

高温超导输电电缆的现状与发展

超导输电电缆具有截流能力大、损耗低和体积小的优点,是解决大容量、低损耗输电的一个重要途径。文章概括介绍了高温超导电缆的结构、电缆的损耗、低温冷却系统,以及中国科学院电工研究所等单位研制的75 m长高温超导电缆。文中还简要提出了高温超导电缆的应用领域和前景。

超导成“材”之路——实用化高温超导材料的制备及发展

超导材料因具有零电阻效应、完全抗磁性以及量子隧穿效应,在电力、医疗、交通、量子计算、工业、国防等多个领域有着重要的现实意义和巨大的发展前景。自1911年超导现象被发现以来,超导理论、超导材料和超导应用技术均取得了重大进展。近年来,随着制备技术的日益成熟,高温超导材料已经从实验研究走向提升性能、突破应用的实用化阶段。文章将对超导材料的发展历程、物理特性以及分类等进行简要介绍,并系统介绍几种典型的实用化高温超导材料的基本结构、性能特点、制备技术及应用研究进展。在此基础上,对高温超导材料的性能提升和应用发展方向进行展望。

不同载荷工况下缩比高温超导悬浮架的振动实验研究

通过建立缩比高温超导悬浮架实物模型,针对乘客频繁上下车导致载重变化实际现象,模拟车辆空载、满载和超载的三种工况,实验研究不同工况下悬浮架固有频率的变化规律和振动响应特性。实验结果表明,高温超导悬浮架的横垂向固有频率均随载重增加而减小,但数值变化较小,可有效避免了因载重变化导致横垂向固有频率改变引发共振;相比空载,高温超导悬浮架满载时的动态性能更优,因此具有良好的空重载荷性能。

基于高温超导的高精度电压互感器研究

电压互感器的励磁误差由励磁电流在电压互感器绕组上的压降产生,是电压互感器误差的主要来源。双级励磁技术可以有效降低电压互感器的励磁电流,但绕组阻抗始终无法消除,励磁误差仍然存在。文中将77 K高温超导技术应用于电压互感器,绕组和互感器铁心均工作在高温超导环境,达到超导态时绕组的阻抗为零,励磁电流经过绕组引起的压降也为零,可以从根本上消除励磁误差。分析了高温超导下的铜损和铁心磁性能,重点针对铁心的磁滞和涡流损耗进行了理论分析并提出抑制措施,设计了一台变比为1 kV/10 V的电压互感器的铁心和绕组结构,研制了高温超导电压互感器样机,设计了低温杜瓦容器及其外部冷屏设计,减小热量损失温度场,开展温度场仿真分析温度分布梯度。最后开展了误差校准,校准结果表明,该样机在20%~120%额定电压范围内,比值误差优于4×10-6,相位误差优于5μrad,比常温电压互感器的误差减小一个数量级。77 K高温超导电压互感器对于提升电压互感器的精度具有重要意义,同时也可为更高电压等级的超导互感器研制提供理论支撑。

高温超导电力科学技术应用及前景展望

进入21世纪科学技术以更快的速度发展,一个新兴的科学——超导电力科学,正在兴起。超导电力科学是将超导和电力两门科学有机地结合,是一门发展中的新科学、新技术。超导科学与电力技术的结合,将在传统的电力系统的改造、超导技术实用化和产业化方面取得重大突破,并有所创新。超导电力技术主要包括超导电缆、超导电机、超导变压器、超导储能系统、超导限流器和基于超导技术和现代电力电子技术及控制技术而产生的灵活功率变换和调节技术。超导电力技术的发展,也必将促进超导物理、超导材料、电力电子、低温工程等的交叉与融合。

缺陷带材对多层高温超导电缆交流损耗的影响

在拉伸、扭转和弯曲条件下,超导带材会出现缺陷,从而导致临界电流的降低,为了对钇钡铜氧(yttrium barium copper oxide,YBCO)涂层导体组成的多层高温超导电缆进行缺陷情况下的数值仿真分析,建立了不同分布的缺陷带材在同一导体层和不同导体层中的仿真模型,研究了不同分布的缺陷带材在不同临界电流退化率下对多层高温超导电缆交流损耗的影响。结果表明:当缺陷发生在同一层时,交流损耗与缺陷的数量和程度有关,但与缺陷的分布无关;多层高温超导电缆在不同导体层发生缺陷时,靠近最外层缺陷越多,损耗越大,而靠近中间层缺陷越多,损耗越小;当56根超导带材中出现8根缺陷带材时,D34(40)的最大交流损耗相比于无缺陷超导带材增加了18.80%,为了避免缺陷造成的额外交流损耗,需要在实际运行中考虑保留冷却系统一定的余量。所做工作为缺陷带材对多层高温超导电缆交流损耗的研究提供了理论依据和应用参考。