YBCO高温超导磁体线圈的设计与优化

基于YBCO涂层导体的临界电流特性,采用有限元数值计算法设计了一个螺管型结构的混合带材高温超导磁体线圈。根据磁场分布、并考虑到带材的临界电流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分量在线圈中的位置分布。为了进一步提高磁体的工作电流和储能量大小,在考虑到磁场分量最不利点位置分布的情况下,对涂层导体磁体的结构和形状进行了优化,其结果对涂层导体超导电力装置的设计和构造具有一定的指导意义。

感应加热用传导冷却YBCO高温超导磁体的热稳定性实验研究

与传统的高频交流感应加热技术相比,高温超导直流感应加热技术能够大幅度提升低电阻率、非铁磁性金属材料的透热处理加工效率。在高温超导感应加热系统中,超导磁体的热稳定性是保证系统安全稳定运行的关键。本文对传导冷却YBCO高温超导磁体进行通流实验,通过布置在磁体不同位置的多个温度传感器来监测各部分的温度情况,以温度能否在安全范围内趋于平稳作为判定条件研究超导磁体的热稳定性。同时,本文还研究了磁体载流的幅值与上升速率对磁体温升的影响。结果表明,高温超导磁体在传导冷却条件下,其长期安全稳定运行电流值的安全裕度因子选择通常比浸泡冷却式磁体略低,对于运行的实验磁体,安全裕度因子可取为0.65;传导冷却磁体远端导热性能差,可通过增加导冷点以及改善传热的方式来弥补冷却不均的缺陷;在磁体能够稳定运行的一定范围内,电流不同的上升速率对最终温升无明显影响。本文的研究成果将为今后大型传导冷却超导磁体的热稳定性分析与安全运行提供有价值的参考。

跑道型高温超导磁体的磁场解析计算模型

基于均匀电流密度假设和毕奥-萨伐尔定律,该文建立了三种计算跑道型高温超导磁体磁场的解析模型。通过有限元仿真和实验测量验证了解析模型的有效性,对比分析了三种解析模型的计算精度和效率。基于解析模型,探究了椭圆段和电流密度穿透深度对跑道型超导磁体磁场分布的影响,揭示了自洽模型的磁场边界大小对超导磁体临界电流估计值的影响规律。该文建立的磁场解析模型能够准确快速地计算复杂形状超导磁体和常导磁体的磁场,可进一步应用于磁体电感、临界电流、交流损耗和电磁力等参数的计算,以提升磁体电磁设计效率。

500 kV限流器高温超导磁体的制作与测试

超导限流器是对超高压输电线路短路故障电流实现快速、有效限制的一种新型电力装置。近年来随着国民经济的发展,用电负荷增长和供电可靠性需求增加,电网短路电流水平已经逼近甚至超过传统开关设备的开断能力,成为超高压电网发展和安全、稳定运行的重要制约因素之一。然而,电网结构调整等传统限流措施降低了电网的安全性和灵活性,亟需研制适用于超高压电网的限流装置。超导限流器集短路故障检测、触发和限流功能于一身,是电力系统最理想的限流装置。依托高电压等级限流器用超导磁体系统的研制项目,完成500 kV限流器用高温超导磁体系统制作与测试工作。该超导磁体的室温孔径为1660 mm,总高度为1960 mm,液氮量为2000 L,中心最大磁场为0.45 T,额定励磁安匝数为468000安匝,由3组线圈共计88个双饼组成,运行电流分别为220 A(YBCO线圈)/1000 A(Bi2223线圈)/220 A(YBCO线圈),杜瓦注入液氮后抽空减压至72 K稳定运行。经过绕制、接线、组装、焊接、检测等工序,完成磁体系统集成,降温后进行整体测试,一次性励磁成功,没有失超。整个系统绝缘等级大于10 kV、真空漏率优于10^(-6)(Pa·L)/s、液氮蒸发量小于70 L/d,指标均达到设计目标。

某高温超导磁体夹紧装配工艺方案分析及优化

高温超导电动悬浮是磁悬浮轨道交通的重要发展方向之一,高温超导磁体作为整个高温超导电动悬浮系统中的关键部件需要工作在30~40 K,其内部相关导冷组件的装配质量决定了超导磁体的导冷能力,更决定了超导磁体的整体性能。以某高温超导磁体为例,介绍超导磁体的导冷结构和导冷路径,总结并分析超导磁体相关导冷组件在进行夹紧装配方案中的工艺细节。利用有限元仿真验证导冷组件分别处于夹紧状态和未夹紧状态时,对超导磁体导冷能力的影响;针对夹紧装配方案中的难点提出一种新型装配辅助液压夹紧装置来替代生产中使用的简易工具,该装置可显著提高超导磁体的生产效率和装配质量。

行波磁场中高温超导电动悬浮磁体的热性能研究

地面线圈的交变磁场会在超导电动悬浮磁体中感应出涡流,产生涡流损耗,导致磁体温度上升。该文研究地面推进线圈产生的行波磁场对车载高温超导磁体热性能的影响,首先介绍高温超导磁体和推进线圈结构,分析行波磁场空间分布特征;搭建高温超导磁体热性能测试平台,测量行波磁场激扰下超导磁体内关键组件的温度分布,揭示各组件温度耦合关系;最后探究行波磁场频率和峰值对磁体温升的影响规律。结果表明,行波磁场激扰下,超导线圈的温升可忽略不计,但辐射屏温升显著,进一步使超导电流引线温度升高,增大电流引线失超风险,为此提出2种方法来限制电流引线温升。该研究成果可为高温超导悬浮磁体低温结构和电流引线的设计提供参考。

用于高功率微波器件的传导冷高温磁体研制

为了利于高功率微波系统的紧凑化和小型化,降低系统能耗,对产生引导磁场的超导磁体系统进行了研究设计。超导磁体使用稀土钡铜氧化物线饼组成。低温系统采用4台小型风冷式斯特林制冷机对超导磁体冷却。为了适用于车载环境并降低漏热,采用了一种非金属材料的新型锥体结构作为磁体的承载结构,并通过仿真分析了一般的车载环境下的磁体结构承载情况。整个高温超导磁体工作温区为40~50 K,达到目标场时的通电电流为77.49 A,均匀区场强达到4 T。整个系统能耗较传统技术降低80%。通过实验测试出高温超导磁体的温度运行上限为48.9 K。

电动悬浮列车及车载超导磁体研究综述

电动悬浮列车具有速度高、悬浮间隙大、安全系数高等优点,在超高速磁悬浮列车领域具有十分光明的应用前景.车载超导磁体是超导电动悬浮列车的核心组成部分之一,其服役可靠性是列车安全运行的重要基础.本文系统地阐述国内外电动悬浮列车的发展历史及现状,针对国内外电动悬浮系统中车载超导磁体的结构和技术方案进行对比和总结.高温超导磁体技术已经成为超导电动悬浮领域的重要发展方向,在列车行驶过程中车载超导磁体系统的热稳定性和振动稳定性是影响其可靠服役的重要因素.高温超导磁体闭环运行技术、轻量小型化低温系统结构设计、高强度低漏热支撑结构设计等将是未来超导电动悬浮系统中车载超导磁体需要重点研究和解决的关键技术难题.

冷却高温超导磁体的大冷量单级G-M制冷机

随着高温超导磁体在电工技术方面日益广泛的应用 ,如高温超导限流器、高温超导变压器、高温超导储能系统等 ,对工作在 30K～ 4 0K、并可提供 50W～ 1 0 0W制冷量的低温制冷机提出了需求。常规的单、双级G M制冷机产品不能满足高温超导磁体的冷却要求。本文初步得到了提高单级G M制冷机性能、增大4 0K温度以下制冷量的方法 ,并在一台常规单级G M制冷机上验证 ,获得了 30W/4 0K制冷量的好结果 ,指明了研制这种大冷量G M制冷机的方向 ,为成功研制冷却高温超导磁体的大冷量单级G M制冷机走出了第一步。

高温超导磁体临界电流的磁矢量分析法及其验证

临界电流是高温超导磁体的关键参数,文中提出了一种名为"磁矢量分析法"的高温超导临界电流计算方法。这种方法以高温超导带材性能测试结果为依据,以有限元仿真软件为手段,通过对计算高温超导磁体内部电磁感应强度矢量的分布,采用插值运算来确定高温超导磁体的临界电流。通过在77K温度下进行1:1的磁体实验,磁矢量分析法的可行性得到了验证。

直接冷却的高温超导磁体热稳定性有限元仿真

制冷机直接冷却超导磁体是一门新兴技术,研究超导磁体在直接冷却下的热稳定性具有重要意义。用有限元方法解决复杂边界问题的热力学问题非常有效,而有限元分析软件ANSYS能使得用有限元法解决问题更加方便。该文用有限元方法对直接冷却高温超导磁体进行了热稳定性数值仿真。仿真结果表明,在设定热负荷作用下,直接冷却的B i2223系高温超导磁体具有较好的热稳定性,磁体温度低于其临界温度。

高温超导磁体试验装置设计

在高温超导磁体试验装置设计中,冷却方式有制冷机传导冷却和液氮浸泡冷却两种。制冷机传导冷却是将磁体通过一种热导率高的材料与制冷机冷头相连。该方式为保证绝缘、冷量传递、温场均匀性等指标,对磁体的结构设计要求较高;液氮浸泡冷却是将高温超导磁体浸泡在液氮中,该方式虽然对磁体结构设计要求有所降低,但在试验过程中需定期补充蒸发掉的液氮,试验过程较繁琐。有鉴于此,我们设计了一套利用热虹吸原理的零蒸发液氮浸泡冷却高温超导磁体试验装置,超导磁体吊装在杜瓦上盖板法兰下,液氮浸泡超导磁体,带GM制冷机的液氮再冷凝杜瓦与超导磁体分开,用一根真空绝热管道将两者连接起来,利用热虹吸原理构成自循环系统。

制冷机传导冷却固氮保护的高温超导磁体系统的研究进展

简要的回顾了制冷机传导冷却固氮保护的高温超导磁体系统的发展历史,介绍了此磁体系统的特点,并展望其未来发展趋势。

高温超导磁体液氮零蒸发冷却系统设计及性能试验

随着高温超导技术的发展,可用于交变电磁场条件下且临界温度高于77K的高温超导线材已经得到商业化应用,液氮温区的高温超导磁体冷却技术也取得了巨大进步。本文作者设计了一种高温超导磁体液氮零蒸发冷却系统,并进行了相关性能试验。结果表明,整个试验过程中,液氮无损耗,实现液氮零蒸发功能;系统液氮温度处于70K^77K之间,且温度可控,为高温超导磁体在特定温度下的性能研究提供了条件;给出了液氮温度与系统净输出冷量的关系,并与理论计算进行了比较;提出了影响系统性能的关键问题。

1.5T Bi-2223高温超导磁体的研制

针对Bi-2223(Bi2Sr2Ca2Cu3OX)高温超导带材在超导磁体中的应用展开研究,在磁体设计、制造中采用饼式线圈结构,超导带材层与层之间没有轴向应力,可以减小超导带材载流能力的退化.与单饼线圈相比,用单根超导线绕制双饼线圈可以使磁体内的非超导连接数减少近一半,有利于减少磁体内部的热干扰以提高磁体稳定运行能力.最后,给出一个线圈内径为100mm、外径为140mm、长为121mm,中心场强为1 5T的高温超导磁体实验样机的设计方案及实验数据,测量结果与理论计算吻合.

高温超导磁体低温氦气冷却系统设计及性能试验

高临界温度的超导材料的出现,使得使用高于液氦温度的低温氦气来冷却高温超导磁体的冷却系统有着广泛的应用前景。设计了一种高温超导磁体低温氦气循环冷却系统,并进行了相关性能试验。结果表明,系统使用温度范围广,可对多种不同临界温度的高温超导磁体进行冷却;系统控温精度较高,为高温超导磁体在特定温度下的性能研究提供了条件;指出了影响系统性能的关键问题。

高温超导磁体稳定能力的理论估算

本文定义了超导磁体的稳定能力；研究了影响稳定能力的因素；分析计算了７７Ｋ和４．２Ｋ两种高温超导磁体的稳定能力并将它们与低温超导磁体的稳定能力进行了比较。结果表明高温超导磁体具有比低温超导磁体高得多的稳定能力，因此稳定化问题在高温超导磁体中并不像在低温超导体中那样突出。

高温超导磁体热应力的有限元数值模拟

为了研究高温超导磁体的热应力应变,利用B i223带材试绕制了一个双饼型高温超导磁体,并以此为研究对象,为磁体中的带材和环氧涂层都建立了应力应变的有限元模型,分析其从室温冷却至液氮温度过程中应力应变的变化。

高温超导磁体冷却系统LabVIEW测试平台架构

高温超导储能磁体应用在电力系统中,可以极大地改善电能质量,是电力工业中正在研究的一项重大技术革新;为了研究高温超导磁体在交变电流运行下的性能特征,完善的磁体冷却系统是必不可少的;设计了基于LabVIEW开发环境的高温超导磁体冷却系统测试平台;该测试平台由操作台控制系统和程控仪器测试系统两部分组成,具有实验参数采集、分析、显示、数据存储,历史数据曲线查询以及数据打印等功能。经过在系统运行测试,可以达到平台设计要求,完成自动化控制和数据采集、处理的各项要求。

高温超导磁体指数损耗研究(英文)

研究了高温超导磁体的指数损耗的特征。数值仿真了在20K温度下由20个高温超导双饼线圈组成的超导磁体的指数损耗。分析了每个双饼及每匝线圈的指数损耗。研究了磁体的指数损耗随电流变化的趋势。通过在磁体两端增加铁轭改变磁体上的磁场,研究发现增加铁轭可以有效的减少磁体上产生的指数损耗。