高温超导磁体的电磁热分析方法—学位论文

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1、 分类号分类号 学号学号 M201271328 学校代码学校代码 密级密级 硕士学位论文硕士学位论文 高温超导磁体的电磁热分析方法高温超导磁体的电磁热分析方法 学位申请人邓序之学位申请人邓序之 学 科 专 业：电气工程学 科 专 业：电气工程 指 导 教 师：唐跃进指 导 教 师：唐跃进 教授教授 答 辩 日 期：答 辩 日 期：2015.5.22 A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree for the Master of Engineering Electromagnetic-T

2、hermal Analysis Method of High Temperature Superconducting Magnets Candidate : Deng Xuzhi Major : Electrical Engineering Supervisor : Prof. Tang Yuejin Huazhong University of Science & Technology Wuhan 430074, P.R.China June, 2015 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知， 除文中已经标明引用的内容外

3、， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、 使用学位论文的规定， 即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方

4、框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 I华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 摘摘 要要 超导磁体的电磁热稳定性直接影响超导装置以及含超导装置电磁系统（如电力系统）的运行特性。高温超导体的电磁特性与温度、电流、磁场矢量相关并表现出明显的非线性， 因此， 高温超导磁体的稳定性分析极其复杂， 必须综合考虑电流、 磁场、温度以及磁体内部热量、 冷却条件等多种因素。 本文研究了影响高温超导磁体电磁、热稳定性的交流损耗分析方法， 高温超导磁体电感与电流、 磁场、 温度的相关关系，探讨了减小高温超导磁体内部

5、热量的电流引线漏热优化设计方法、超导导线接头电阻焊接技术等关键问题，并进行了实验验证。具体内容如下： （1）建立了不同带材特性下的交流损耗计算模型，使用该模型分析了不同交流幅值下高温超导双饼中的损耗大小； 构建了有限元方法电磁热分析直接耦合模型， 并使用该模型计算并分析了不同制冷条件下磁体的温度分布，为评估高温超导磁体的电磁热稳定性奠定了基础。 （2）研究了提高高温超导磁体电磁热稳定性的相关技术，提出了使用分磁环减小储能磁体交流损耗的方法， 该方法考虑了磁储能系统运行时的电流形态， 能够有效抑制磁体损耗；改进了电流引线的优化设计方法，制作了额定电流为250A的二元电流引线；开发了可保证工程实践

6、中低电阻导线接头焊接一致性的超导带材压力焊接机； 探讨了无绝缘高温超导磁体的基础特性， 无绝缘磁体可能提升直流高温超导磁体热稳定性。 （3）采用电磁热耦合模型，并考虑磁场在高温超导导线中的穿透特性，分析了在不同温度、 不同载流条件下高温超导磁体的电感变化特性， 其研究成果对高温超导磁体电感的设计具有指导意义。 关键词：关键词：高温超导磁体 电磁热分析 热稳定 交流损耗 分磁环 电感变化 II华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 ABSTRACT The electromagnetic and thermal stabilities of superconduc

7、ting magnets have direct effects on the operation feature of the electromagnetic system such as the power system with superconducting facilities. Since the electromagnetic feature of high temperature superconductors (HTS) are highly depend on the temperature, the current density and the magnetic fie

8、ld vector, it is extremely complex to analyze the stability of HTS magnets as the current wave, the magnetic field distribution, heat losses and the cooling condition should be taken into consideration. This paper has investigated the calculating method of AC loss which is the base of the electro-th

9、ermal analysis, the relationship between inductance variation and physical factors influencing the critical current, besides, methods to reduce the heat sources of HTS magnets have been investigated including the optimizing method of current leads and reducing the joint resistance of HTS tapes. (1)

10、In terms of AC loss calculation, a numerical model based on different tape features has been established. Then, this model has been applied to calculating the AC loss in a HTS double pancake coil in different currents. What is more, the direct couple of electromagnetic field and the temperature fiel

11、d have been realized by the finite element method. This model is able to analyze the temperature distribution continuously with different cooling conditions, laying the foundation for assessing the dynamic thermal stability of HTS magnets. (2) The related technics to increase the electro-thermal sta

12、bility have been studied. First, a method to reduce the AC loss by applying flux diverters in a HTS superconducting magnetic energy storage magnet has been presented considering the magnetization features of the flux diverters. Second, based on the optimizing design, a composite current lead operati

13、ng in 250A has been fabricated. Third, a splicing machine has been developed to fabricate the low resistance HTS tapes joints repeatedly and reliably. Finally, essential features of the no-insulation coil has been studied which has proved that the thermal stability of HTS magnets can be improved by

14、this magnet configuration. (3) The inductance variation of HTS magnets has been investigated by applying the electro-thermal direct coupling model, considering the magnetic penetration in different temperatures and directing transport currents. The result is of great value in the inductance III华华 中中

15、 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 designing on HTS energy storage magnets. Key words： High temperature superconducting magnet Electromagnetic-thermal analysis Thermal stability AC loss Flux diverter Inductance variation IV华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 目目 录录 摘摘 要要 . I Abstract . II 目目 录录 . IV 1 绪论绪论 .