Nb3Sn超导磁体电磁分析

摘要

随着超导技术的不断开发和应用，对高临界电流密度超导材料的需求与日俱增，以金属间化合物为基体的超导材料Nb3Sn制成的导体临界性能高于NbTi导体，是未来聚变堆超导磁体的首选材料。　　针对国内首个聚变堆用大型Nb3Sn CICC超导磁体，本论文从三个部分进行了分析研究。首先对Nb3Sn超导磁体进行电磁分析。在轴对称线圈磁场分析的基础上，推导了螺旋电流线圈磁场的计算公式，给出了详细的磁场分布状态，同时计算得到最大磁场时磁体中电磁力的分布状态。运用磁通法、能量法以及经典公式法，分别计算线圈电感，获得了接近一致的计算结果，为磁体失超的后续研究奠定基础。接着研究磁体的交流损耗，重点研究超导股线及各级子缆之间的耦合损耗，在理论计算的基础上，一并计算了耦合损耗在导体上的能量沉淀，同时与导体的稳定性裕度进行比较，验证了导体设计的稳定性。论文最后研究超导磁体失超过程、检测和保护电路。基于三维失超传播模型，分析失超传播速度，给出失超电阻、温度及电流动态变化曲线；采用有源功率法进行失超检测，再利用并联卸能电阻的保护方案进行失超保护。利用MATLAB软件完成失超检测和保护方案的功能仿真，验证了理论计算及方案的正确性。　　对Nb3Sn磁体的电磁分析和电感参数确定、交流损耗以及磁体失超的分析计算及失超检测和保护方案设计，为超导磁体的稳定运行提供了依据。

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第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 核聚变的发展

1.3 超导特性

1.4 本论文主要研究工作

第二章 Nb3Sn超导磁体电磁分析

2.1 Nb3Sn超导磁体的数学模型

2.2 磁场强度的分析计算

2.2.1 计算原理

2.2.2 磁场计算流程

2.2.3 结果分析

2.3 电磁力的分析计算

2.3.1 计算原理

2.3.2 结果分析

2.4 电感的计算

2.4.1 计算原理

2.4.2 计算流程

2.4.3 结果分析

2.5 结论

第三章 Nb3Sn超导磁体交流损耗分析

3.1 耦合损耗

3.2 耦合时间常数

3.3 耦合损耗计算

3.4 结论

第四章 超导磁体失超检测和保护

4.1 失超过程分析

4.1.1 失超模型的建立

4.1.2 失超电阻的计算

4.1.3 电流和温度的分析

4.1.4 计算过程

4.1.5 结果分析及讨论

4.2 磁体失超后的检测与保护

4.2.1 失超检测方法

4.2.2 检测电路

4.2.3 保护电路

4.3 系统仿真

4.4 结论

第五章 全文总结和展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文