传导冷却高温超导储能磁体的电磁热综合分析

摘要

传导冷却高温超导磁体系统具有维护方便、轻便和紧凑、安全性好、效率高等诸多优点，正在从初期的低电流小型实验用磁体系统，向实用化的磁体系统发展。随着高温超导线材性能的提高和价格的降低，传导冷却的高温超导磁体系统具有广阔的应用前景。 本文构造了高温超导储能磁体在各种运行状态的计算模型，基于电磁场、应力场和温度场理论，综合分析了传导冷却的高温超导储能磁体的电磁特性，机械特性和热稳定性。具体作了以下几方面的工作： 1. 完成了高温超导储能磁体的电磁概念设计，分别对磁体的螺管型和环型结构进行了研究，对不同磁体结构进行优化并对优化结果进行比较；对储能容量在10 MJ 以下的磁体的应力分布和杂散场状况进行比较；比较了层绕式和饼式两种不同绕制方式的磁体的磁场特性。 2. 分别对高温超导磁体中高温超导体产生的交流损耗和导冷结构中常态导体的涡流损耗进行了研究，综述了高温超导体交流损耗模型，提出了高温超导储能磁体的交流损耗计算方法，分析了储能磁体交流损耗各分量随直流幅值的变化关系；计算了磁体导冷结构各部分的涡流损耗，提出了有效减小涡流损耗的导冷片结构。 3. 建立了高温超导储能磁体在热扰动下的模型，仿真了磁体在热扰动幅值和持续时间变化下磁体的热响应，比较了局部出现多点扰动下磁体的热响应，提出了改进磁体热稳定性的方法；建立了高温超导储能磁体在直流背场下施加一定交流电流情况下的模型，仿真了磁体不同交流工况下的热响应，分析了导冷结构的改善对磁体热稳定性影响；针对两种不同导冷结构模型，仿真了磁体在过电流下磁体的响应和恢复特性，并对两种结果进行比较。 4. 在对磁体电磁设计、损耗分析和热稳定性研究的基础上，探索了高温超导储能磁体的综合优化问题，提出了二次优化的概念，并给出了一个磁体优化实例，对优化前后结果进行比较，优化后效果显著。 5. 分析了35kJ磁体在直流运行状态的电磁特性，计算了磁体在进行功率交换时高温超导体的交流损耗和导冷结构中的涡流损耗，仿真了磁体功率交换时磁体内部温度场分布，并与实验结果进行比较，验证了仿真结果的正确性，最后提出了减小磁体涡流损耗，提高磁体热稳定性的措施。 本文对高温超导储能磁体的电磁热进行了系统的分析，建立磁体在各种工况下的仿真模型，这些模型和对这些模型的分析方法可以推广到其它的高温超导磁体的分析和研究。