高温超导电力装置的电磁场分析和优化设计

摘要

高温超导装置是超导技术在电力应用的重要研究领域,而电磁场分析和优化是高温超导电力装置的设计和应用的基础.高温超导电力装置的电磁场分析必须考虑高温超导材料的超导特性,即临界电流和磁场的特性,国内外的超导学者一般从超导的电磁特性着手,努力提高超导的临界电流特性,为超导电力装置的工程应用开辟道路.本文探讨高温超导电力装置的特点、经济技术性和发展前景,介绍计算电磁学在工程电磁场中的应用,运用经典电磁场理论分析超导螺线管的磁场计算公式.在轴对称线圈磁场分析的基础上,本文详细推导了螺旋电流线圈的磁场计算解析式,为具有螺旋结构的高温超导电力装置的磁场分析提供了数学模型和数值计算方法.在螺旋电流线圈磁场分析的基础上,将螺旋电流线圈模型用于分析具有螺旋结构的高温超导电缆的磁场,进而提出电流分布理论和等值电路模型,以典型的超导电缆物理参数计算电缆的电磁参数和电流分布比例,为减小高温超导电缆交流损耗提供理论支持.基于螺旋线圈磁场分析、电流分布理论和等值电路模型,提出螺旋调整技术,用于超导电缆电磁参数设计,为超导电缆的设计与制造提供参数依据.根据国外学者在电磁场维里定理和遗传算法领域的基础研究,电磁场维里定理的某些结论能用于SMES线圈的优化设计;编写遗传算法的MATLAB工具包,是遗传算法在高温超导磁体优化设计的成功应用.运用有限元软件ANSYS分析超导螺管线圈和超导变压器的磁场分布,能生成可视化的图形界面和命令流文件,是工程电磁场领域重要和有效的辅助分析工具.

目录

文摘

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1绪论

1.1引言

1.2超导电力装置及其发展现状

1.3超导电力装置的电磁特性

1.4高温超导线材的电磁应用

1.5论文的主要内容

2螺旋电流线圈的数学模型

2.1电磁场分析基础

2.2超导螺旋装置

2.3螺旋电流线圈的磁场理论分析之一

2.4螺旋电流线圈的磁场理论分析之二

2.5结论

3高温超导电缆的磁场分析

3.1高温超导电缆基本结构

3.2高温超导电缆的磁场计算

3.3计算实例

3.4高温超导带材实验

3.5结论

4高温超导电缆电磁参数设计

4.1超导电缆电流分布

4.2高温超导电缆的交流损耗

4.3高温超导电缆的设计与测量

4.4结论

5高温超导装置电磁场优化探索

5.1电磁场的维里定理

5.2遗传算法在电磁全局优化问题中的应用

5.3ANSYS优化设计

6全文总结

致谢

参考文献

附录1攻读硕士学位期间主要科研成果

附录2命令流文件MagField.mac代码