行波磁场中高温超导块材磁体力-磁特性实验与仿真研究

摘要

随着超导材料制备工艺的逐渐成熟以及高温超导应用技术快速发展。将具有优良俘获磁通特性的高温超导块材磁体作为准永磁体应用于传统同步直线电机中，可有效减轻电机重量，缩小体积，并提高其工作效率。关于高温超导直线电机的主要研究工作始于上世纪末，虽然已取得了很多阶段性成果，但在实验与理论研究方面均明显落后于高温超导旋转电机，目前仍处于实用化的基础研究阶段。高温超导块材磁体的俘获磁通在直线电机定子产生的行波磁场中会逐渐衰减甚至消失，从而大大影响推进力和悬浮力并降低电机性能。因此结合当前研究背景，针对行波磁场中高温超导块材磁体的电磁力、俘获磁通、交流损耗等进行实验与仿真研究。 本论文以探究高温超导块材在直线电机中应用特性为目的，搭建多物理场测试平台，实现液氮环境中力和磁场物理参数的实时采集。依托该平台实验探究了充磁电流对高温超导块材电磁力、俘获磁通的影响。探究直线电机初级三相交流电幅值和频率变化时高温超导块材磁体电磁力、俘获磁通的变化规律。实验发现：充磁电流较小时电磁力出现相位上的偏移，是由于块材的感应力与同步力叠加造成的。行波磁场频率越大，俘获磁通衰减越明显。 明确高温导块材俘获磁通在行波磁场中衰减的规律后，为抑制衰减提出几种改善措施。采取实验和仿真相结合的方法，探究添加铁磁片和铜环对高温超导块材俘获磁通衰减的抑制效果以及对电磁力的影响。实验发现：在块材下方添加铁磁片可有效抑制高温超导块材俘获磁通衰减，但同时导致电磁力发生畸变。块材添加铜环在直线电机工频范围内对高温超导块材俘获磁通衰减无抑制作用。 建立高温超导块材直线电机二维模型，详细介绍高温超导块材在行波磁场中的仿真步骤。进一步研究块材数量、高度对电磁力的影响；结合块材内部感应电流分布规律，分析行波磁场强度对高温超导块材磁体俘获磁通的影响；最后对比高温超导块材在行波磁场和驻波场中内部交流损耗的分布。仿真发现：块材数量增多，并没有带来电磁力额外的增量；块材高度增加，块材电磁力逐渐增大，之后继续增加块材高度电磁力趋于稳定；持续增加行波磁场强度，块材内剩余俘获磁通密度先减小后增大，这是块材被再次磁化造成的；最后比较块材在同幅值行波磁场和驻波场中内部交流损耗的分布情况，发现驻波场中块材交流损耗更高，行波磁场中交流损耗分布与行波磁场施加方向有关。

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