脉冲磁体用高强高导Cu-Nb复合线材的研究进展

高强高导铜合金材料是集优良物理性能和力学性能于一体的有色金属材料,能够同时具备高强度、高电导率以及高热导率等性能。近年来,铜合金材料备受关注,在脉冲强磁场、转换开关、电接触器、引线框架及电车和电力火车导线等诸多领域展现出广阔的应用前景。Cu-Nb复合线材作为一种典型的高强度、高电导、高导热铜基复合材料,是制备超高场脉冲磁体的首选导体材料。本文系统总结了脉冲强磁场发展史,脉冲磁体导体材料用Cu-Nb复合线材的主要制备技术,芯丝结构演变特征,材料的热稳定性、强化机理及导电机理等方面的研究进展,最后指出了目前我国脉冲强磁场突破110 T所需Cu-Nb复合线材存在的问题及面临的挑战,并提出了关于未来研究重点的建议。

强磁场实验装置中脉冲磁体电阻变化模型

因脉冲磁体的电阻受电流、电阻率、比热容等多因素影响呈非线性变化,为在磁体电源设计、磁场波形调节和磁体设计时,准确模拟脉冲磁体的电阻变化,依据迭代计算的数学思想,以Pspice电路仿真软件为平台,建立了脉冲磁体的电阻电路模型。磁体的电压、电流和温度变化等模拟结果与实验结果吻合的很好,证明所建立的脉冲磁体中电阻模型的正确性。该模型可作为在脉冲磁体电源设计、磁场波形调节和磁体设计时研究脉冲磁体电阻变化时的工具。此电路模型还可应用于研究类似的电阻非线性变化情况。

基于数字锁相的脉冲磁体阻抗测量系统的研究

电阻和电感的精确测量对于磁体的设计和分析具有重要意义。文中阐述了数字锁相放大技术测量脉冲磁体阻抗的基本原理。详细分析了参考信号与被测信号频率偏差对测量结果的影响。提出了一种基于无感高精电阻的改进方案。改进的测量系统在一定的频率偏差范围内,可以减小频率偏差对测量结果的影响。最后,通过实验验证了这一方案的可行性。

放电过程中脉冲磁体的热传导

对脉冲磁体放电过程中的热传导进行理论分析与实验测试,结果表明:对于短脉冲磁体,采用绝热模型与考虑热传导后的模型所得计算结果相近,并且二者均与实验测量得到的结果相符;对于长脉冲磁体,由于热传导时间相对较长,绝热模型计算得到的温升与考虑热传导后模型得到的温升有较大差别。通过理论分析可知:无论是短脉冲磁体还是长脉冲磁体,放电过程中的热传导只对磁体温升分布有较大影响,而对磁场波形则几乎没有影响。

脉冲磁体中电磁与温度场耦合的有限元分析

脉冲强磁体处于复杂的电磁、热、应力等多物理场共同作用下,设计中考虑的因素众多,物理关系复杂,分析过程繁琐。借助大型有限元软件分析工具ANSYS建立了70T脉冲强磁体中电磁、温度场耦合分析模型,实现了磁场与温度场的计算,并通过有限元方法实现了脉冲磁体性能的优化。实验结果表明,磁体样机达到70T磁场水平。

磁热效应直接测量用液氮冷却脉冲磁体系统

介绍了一个液氮冷却脉冲磁体系统,用于磁性材料的磁热效应的直接测量。该磁体系统使用了相对小的脉冲电源(22kW),其脉冲间隔设为5档(1,2,3,4,5s)。螺线管孔径为20mm,实验测得该磁体系统能稳定工作到2.232T(在180A电流时),在螺线管中心直径为10mm的实验空间内,磁场的理论计算得到均匀度小于1%,满足了磁性材料磁热效应测试的需要。

用于直接测量磁热效应脉冲磁体的理论设计

采用经典电磁场、有限元数值计算两种方法,设计了一种用于磁热效应直接测量的脉冲螺线管磁体.在螺线管磁体中心处,磁感应强度的计算值及测量值均在2.2T左右(180A电流时),且它们之间的误差很小;在以螺线管中心为球心,直径为10mm球内,磁感应强度的均匀度优于1%,达到了脉冲磁体的设计要求.

基于微通道液氮换热的脉冲磁体快速冷却方法研究

影响脉冲磁体重频运行能力的关键因素是磁体的冷却速度。提出了一种脉冲磁体快速冷却方法:在磁体导体内开微小通道,在通道内注入液氮,通过增大导体与液氮之间的直接接触面积(换热面积)、液氮单相流动换热、液氮流动沸腾换热这三个途径来大幅提高导体的冷却速度,与此同时尽可能减小对脉冲磁体性能(磁场强度、脉宽和内直径)的影响。阐述了基于微通道内液氮流动、沸腾换热的脉冲磁体快速冷却方法的原理,开展了数值模拟和验证性试验,结果表明,对于25 T的20 mm口径脉冲磁体,采用快速冷却方法,30 s即可冷却至初始温度,为磁体仅浸泡在液氮中的冷却时间(600 s)的5%,冷却速度提高了19倍。

低温脉冲磁体的电流和温升计算

在低温脉冲磁体中,由于导体热容量减小,因此在脉冲期间,绕组的温度和电阻都将明显地增加,这就使电流和温升的计算复杂化了。忽略脉冲期间的传热,给出导体电阻率 ρθ和电阻率与比热之比 ρθ/Sθ 随温度变化的关系,便可计算出脉冲磁体电流和温升随时间的变化。以一个液氮预冷的铜导体脉冲磁体为例,给出了计算的具体方法和结果。

脉冲磁体的计算

本文给出了设计脉冲磁体的计算方法,根据给定的电容器组参数,线圈内半径租场均匀度,可以确定出磁体的参数和所达到的磁场。计算值与实际值符台得比较好,一般误差不超过±5％。

超高场脉冲磁体失效及结构屈曲研究

结构力学表明,磁体失效包含材料强度失效和结构整体失效两个方面。现有磁体失效模型是基于材料强度模型,忽略结构失稳问题,难以解释超高场脉冲磁体经常在低于其设计值就发生破坏的现象。且已有研究显示,屈曲是导致超高场脉冲磁体失效的主要原因之一,但脉冲磁体屈曲的形成机理和演变规律尚不明确。该文从结构稳定性的角度出发,分析指出脉冲磁体自由分离层可等效为薄壁圆柱壳,具有高屈曲风险,并提出基于圆柱壳体结构屈曲的超高场脉冲磁体力学失效分析方法,建立脉冲磁体静态电磁屈曲Ansys有限元模型,进行了屈曲行为研究分析,仿真结果与实际结果吻合。屈曲分析结果表明:在电磁载荷方面,轴向电磁力是产生屈曲的决定性因素,径向电磁力对于外层绕组轴向屈曲的影响不明显,可在一定程度上抑制内层绕组的轴向屈曲;在绕组结构方面,外层绕组对螺旋绕组缝隙较为敏感,需重点关注。

脉冲电磁式EMAT-涡流检测复合系统的研究

常规电磁超声换能器(EMAT)中永磁体难以应用于实际情况、产生的信号幅值较小,根据电磁超声检测和涡流检测在检测范围内的互补性,本文设计了脉冲电磁式EMAT—涡流检测复合传感器结构,采用多物理场耦合技术验证了复合检测方法的可行性,并讨论了影响传感器检测灵敏度的关键参数。结果表明:该复合传感器能够激发用于检测表面缺陷的涡流信号和检测深层缺陷的超声波信号,并且对不同宽度和深度缺陷具有良好的灵敏度;此外,对励磁线圈与涡流线圈进行参数优化设计,为电磁超声和涡流的复合检测应用提供思路。

脉冲强磁体中应力的有限元分析

提高脉冲磁场强度的主要障碍是磁体中巨大的应力,而脉冲磁体中应力的产生和作用过程比较复杂,要准确地计算出来很困难。采用有限元法对脉冲磁体中的应力进行分析,计算中全面考虑了预应力、电磁力、热应力等情况。通过计算,得出了一些设计脉冲磁体的基本原则。

65T脉冲强磁体设计与实验研究

研制并实验测试一台65T脉冲强磁场磁体。磁体线圈采用14层纯铜导线与Zylon纤维交替缠绕而成,内绕组采用分布式加固技术,实现应力分布的优化,外层由不锈钢套筒与碳纤维加固。内外绕组分别采用两种不同横截面导线平衡能量分布,实现内外绕组温度分布相对均匀,避免局部过热。磁体孔径为12mm,高为120mm,通过1MJ/3.2mF/25kV高储能密度电容器供电,在20.6kV电压时,获得了磁感应强度为65T、持续时间为20ms的脉冲磁场。

脉冲磁体增强技术发展概述

在脉冲强磁体设计中 ,磁应力是目前面临的最大困难 ,当磁场强度达到 10 0T时 ,磁体绕组中的磁应力高达 4GPa,这是目前任何实用导体材料都无法承受的 ,因此 ,脉冲强磁体的发展在很大程度上取决于磁应力的解决情况 .文章介绍了国外在解决脉冲强磁体巨大应力问题上采用的方法 ,主要叙述了新材料技术、绕组加固技术和改善电流分布技术 。

脉冲磁体中不锈钢筒对磁场的影响研究

建立脉冲磁体线圈与不锈钢筒之间电磁耦合分析模型,利用数值分析法,对不锈钢套筒对磁场波形的影响进行理论分析与计算。结果表明,不锈钢套筒增加了放电回路中的等效电阻,降低了等效电感,导致磁场到达峰值时刻的时间缩短,磁场峰值降低。壁厚20 mm的不锈钢筒,磁场峰值降低4.9%,磁场达到峰值时间缩短6.7%。实验结果与理论分析吻合。

脉冲强磁体专用设计软件开发

在设计脉冲强磁体时,需综合考虑材料的电性能、热性能和机械性能,优化磁体结构,使其达到最佳。本工作开发的脉冲强磁体专用设计软件,不仅能准确计算放电过程、温度和应力分布,还能使用优化技术,寻找最佳磁体结构,提高磁体设计水平和效率。实验结果表明,软件分析结果与实验结果吻合。

脉冲强磁体导体材料研究

在脉冲强磁体设计中,磁应力是我们面临的最大挑战,当磁场强度达到100T时,磁体绕组中的磁应力高达4GPa,这是目前任何实用导体材料都无法承受的,因此,脉冲强磁体的发展在很大程度上取决于磁应力的解决情况。文章从提高导体材料机械强度的角度出发,介绍了目前各种导体材料的加工过程和技术参数,包括铜、铜宏复合导体材料、铜微复合导体材料、多层绞线复合导体材料等。

脉冲强磁体的概念性设计和行为仿真

本文对一个内径为10mm、能产生60T场强、持续脉冲时间为10ms的强磁体的相关参数进行了设计计算,并对该强磁体在不同脉冲电源条件下的电特性行为进行了仿真。

脉冲磁体磁场强度实现75T

10月26日,国家脉冲强磁场科学中心（筹）在高场磁体测试方面取得重要突破,由中心自行设计、绕制、加工的脉冲磁体磁场强度成功突破了75T,刷新了国内最高脉冲场强记录,提前2a达到国家发改委对中心的磁场强度验收标准.