新型超导带材制作的无绝缘线圈特性研究

新型的4S带材是由4mm宽的常规ReBCO带材经过窄化堆叠工艺而制成。本文研究了4S带材制作的无绝缘线圈(以下称4S线圈)与常规超导带材制作的无绝缘线圈(以下称ReBCO线圈),对两个线圈的临界电流、特征电阻、仿真模型的充电延迟特性和充电损耗以及交流损耗进行比较及分析。研究表明,4S线圈的临界电流比ReBCO线圈增加约30%;4S线圈的特征电阻是ReBCO线圈特征电阻的3.3倍;4S线圈的充电延迟时间比ReBCO线圈减小约63%,4S线圈的充放电速度大幅度提高;4s线圈的充电损耗比ReBCO线圈减少约60%;4S线圈的交流损耗比ReBCO线圈减少约70%。因此,4S线圈比ReBCO线圈更适用于无绝缘线圈的应用。

高温超导无绝缘线圈的电-磁-力耦合行为研究

基于有限元H方法,考虑力学变形对二代高温超导REBCO(稀土-钡-铜-氧)带材临界电流密度的影响,构建了高温超导无绝缘线圈的二维电-磁-力耦合模型.通过在自场充电条件下与常规的等效电路模型结果进行对比,验证了模型的可靠性;对高背景磁场下线圈的磁化和充电过程进行模拟,分析了线圈的电磁及力学行为,得到了耦合条件下线圈中临界电流密度的分布.结果表明:磁化和充电过程中电流密度、偏转角、环向应变和环向应力的方向均相反;与磁化电流反向的感应电流在背景磁场稳定而充电尚未开始时已出现.与顺序求解的结果相比,考虑力学变形的影响会导致临界电流密度的分布不再具有对称性,且靠近线圈上端的区域的临界电流密度较小;此外,当忽略力学变形的影响时,数值结果会高估线圈的屏蔽磁场.

金属匝间高温超导无绝缘线圈充电特性研究

为了减少高温超导无绝缘线圈的充电延迟,采用金属材料作为线圈的匝间添加层。同时,利用有限元仿真软件COMSOL分别建立了普通无绝缘线圈和金属匝间无绝缘线圈的二维轴对称模型,对充电过程进行了仿真研究。仿真结果对比分析表明,具有金属匝间层的无绝缘线圈的充电延迟现象得到了明显改善,延迟时间由15 s缩短到了2 s。金属匝间层的引入,提高了无绝缘线圈的匝间接触电阻率,减少了充电时间的延迟,在需要快速响应的情形中,具有金属匝间层的无绝缘线圈或许会表现出更好的性能。

高温超导无绝缘线圈励磁电压特性研究

本文通过实验研究了焊锡浸渍、励磁电流PI控制、励磁速率以及励磁幅值对高温超导无绝缘线圈励磁电压特性的影响。实验结果表明:高温超导无绝缘线圈励磁电压具有时延特性,焊锡浸渍、励磁电流PI控制分别会增大和减小时延特性,而励磁速率和励磁幅值不会影响时延特性;励磁电压幅值随励磁速率增大而增大;焊锡浸渍可降低励磁电压幅值,而励磁电流控制对励磁电压幅值影响不明显。

小型闭环无绝缘高温超导线圈失超特性研究

在持续电流模式下工作的闭环高温超导线圈可以消除电流引线引起的巨大漏热,无绝缘绕制技术的应用进一步提高了其热稳定性和失超自保护能力。当闭环无绝缘线圈发生局部热失超时,由于没有外加电源的持续供电,损失的磁能不会被及时补偿。本文建立了电-磁-热耦合模型研究闭环无绝缘线圈发生局部热点失超过程中的电磁暂态行为,系统地揭示了其热失超机制,并提出了衡量闭环线圈宏观失超特性的最终剩余磁场保有率这一概念。基于仿真结果,发现较小的匝间电阻率有助于线圈最大限度地保存磁能,以及在匝间电阻率极小时会出现饱和效应,但最高温升几乎不受匝间电阻率的影响。此外,发现线圈最高温升与热失超能量呈线性关系,而磁能损失随热失超能量的增加而增大,直至线圈中存储的磁能被完全消耗。

无绝缘高温超导线圈横向电阻率提高的方法研究

与传统高温超导绝缘线圈相比,无绝缘线圈在绕制过程中使用不锈钢带与超导带并绕,不锈钢带提高了线圈的机械强度并对线圈有保护作用,这样绕制的无绝缘线圈具有稳定性高、失超自我保护能力强、失超恢复快等优点。然而,由于其线圈匝间横向电阻率过低,在励磁过程中无绝缘线圈会出现不稳定、不均匀磁场。为此,提出一种无绝缘线圈中不锈钢带横向电阻率提高的方法,来增强线圈的稳定性和降低屏蔽电流。为提高横向电阻率,对不锈钢带进行热处理和化学处理。通过实验验证,结果表明:该处理工艺能有效提高无绝缘线圈的横向电阻率,对增强无绝缘高温超导线圈的稳定性具有重要实用价值。

无绝缘高温超导线圈焊锡浸渍的可行性研究

无绝缘线圈在各种场合中被广泛地应用和研究。为让超导线圈能够应用于高机械强度负载的场合,超导线圈必须有稳定的机械特性。环氧树脂浸渍是保护超导线圈不受机械扰动的一种常用的增强机械稳定性的方法,但传统的环氧树脂是电绝缘的材料,这可能导致无绝缘线圈的匝间电阻(turn-to-turn contact resistance)变大。因此本文提出了一种新型的浸渍方法,利用导电材料焊锡来浸渍,研究了无绝缘(No-insulation)高温超导线圈焊锡浸渍的可行性。本实验制备了两个线圈来进行对比研究,一个是未浸渍的无绝缘线圈,另一个是用焊锡浸渍后的无绝缘线圈。充放电实验和突然放电实验都在77K的液氮下完成;最后基于集中等效电路,分析了焊锡浸渍对无绝缘线圈的特性电阻及时间延时的影响。

无绝缘高温超导线圈的充电研究

基于无绝缘磁体技术,研制了一台高温超导谱仪二极磁铁,它由常温铁芯和高温超导线圈组成。该磁体包含四个双饼线圈,且在高温超导带材之间并绕紫铜带。对其中的无绝缘高温超导线圈的设计进行了描述,在液氮温度下对单个线圈和组装线圈进行了充电特性实验测试研究,并对不同充电电流速率和不同充电电流幅值下线圈的电压特性进行了研究。实验结果展现了明显的充电延迟,获取了无绝缘线圈的充电电压特性。