高温超导带材的交流损耗特性研究

论文摘要

近年来,对于超导材料应用于电力设备中的发展趋势不断增强。超导材料零电阻的特性能够大大降低电力设备的损耗,极大的提高其工作效率,能够更好的实现高效节能的目标。然而,超导材料的应用环境较为严格,低温超导的工作温度要求为4.2K的液氦环境,高温超导的则要求77K的液氮环境,因此对于电力设备的结构设计也带来了挑战。同时,由于电力设备中存在复杂的电磁环境,不同方向、不同幅值的磁场都会导致超导材料的交流损耗（AC losses）的增加。而交流损耗的存在也会引起超导电力设备的运行不稳定、降低工作效率等。因此,对超导材料交流损耗特性的研究,尤其是对超导材料处于不同磁场环境下的交流损耗特性变化的研究具有十分重要的实际意义。本文主要对高温超导带材临界电流及和交流损耗的各向异性进行了研究,并且对测试带材特性所需的跑道型背景磁体进行了设计与加工制作。本文首先对高温超导材料的分类及其基本特性进行了阐述,基于临界态模型介绍了带材临界电流的场角依赖特性及其数学模型;对HTS的交流损耗产生原理及其分类也进行了详述,同时对其自场下及直流外场下的交流损耗数学模型进行了介绍并利用相关数据进行计算。根据高温超导带材的电磁特性,基于H方程对带材交流损耗数值计算的数学模型进行了推导得到相应的偏微分方程,并在多物理场仿真软件中进行了建模仿真;在仿真计算时不仅研究自场下交流损耗随传输电流变化的影响,同时还在模型中加入了直流外场,研究当带材处于特定幅值、特定角度下的直流外场HTS的交流损耗特性。为了能够测量带材在外场下的临界电流及交流损耗特性,本文对新型的跑道型背景磁体进行了设计制作。首先对跑道型亥姆霍兹线圈的空间磁场分布进行分析得到空间磁场分布最优化时的线圈尺寸。其次对其建模仿真,对线圈的尺寸参数进行调整计算验证解析得到的线圈尺寸的最优性。同时,为了使带材能够更好的置于磁体中进行不同背场强度及角度下的特性测量研究,本文还对磁体线圈骨架进行了设计,在线圈固定、带材固定、角度变换等方面都进行了设计。能够为长带材提供一定磁感应强度的背景磁场,同时具备改变磁场与带材之间夹角等功能。以跑道型背景磁体为核心,首先搭建了临界电流测试平台,测量拟合得到样品带材的E-I特性曲线,利用电场判据法得到带材的临界电流值。并对不同背场强度、角度情况下的临界电流特性进行了对比分析。同时基于锁相放大器测量法原理搭建了交流损耗测试平台,利用该平台测量带材样品无外场下的自场损耗;也对处于直流外场下不同磁场幅值及角度对带材的交流损耗特性影响进行了测量分析研究。将测量结果与数学理论模型的解析值及仿真模型所得的结果进行对比分析,验证高温超导带材自场及外场下交流损耗计算公式及仿真模型的正确性。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
•   1.1 高温超导带材交流损耗的研究背景及意义
•   1.2 高温超导交流损耗研究现状
•     1.2.1 国外研究现状
•     1.2.2 国内研究现状
•   1.3 本文主要研究内容
• 2 高温超导带材交流损耗计算理论分析
•   2.1 超导材料特性及其分类
•     2.1.1 零电阻特性
•     2.1.2 完全抗磁性
•     2.1.3 超导材料分类
•   2.2 高温超导带材分类及特性
•     2.2.1 高温超导带材的分类
•     2.2.2 高温超导带材临界电流的各向异性
•   2.3 交流损耗产生原理及分类
•     2.3.1 高温超导带材自场损耗
•     2.3.2 高温超导带材外场损耗
•     2.3.3 高温超导带材交流损耗各向异性
•   2.4 本章小结
• 3 高温超导带材交流损耗计算的建模与仿真
•   3.1 高温超导带材的建模
•     3.1.1 高温超导带材的数学模型
•     3.1.2 高温超导带材的仿真模型建立
•   3.2 无外场下高温超导带材交流损耗结果分析
•   3.3 直流外场下高温超导带材交流损耗分析
•   3.4 本章小结
• 4 基于高温超导带材特性测量的跑道型背景磁体设计
•   4.1 跑道型亥姆霍兹线圈空间磁场分布数值分析
•     4.1.1 直道空间磁场分布
•     4.1.2 弯道导线空间磁场分布
•   4.2 跑道型线圈空间磁场分布仿真研究
•     4.2.1 磁体模型尺寸参数设置
•     4.2.2 磁体电流参数设置
•   4.3 背景磁体骨架设计
•     4.3.1 线圈骨架
•     4.3.2 带材样品固定架
•     4.3.3 角度变换结构
•   4.4 磁体磁场实验测量
•     4.4.1 霍尔效应原理
•     4.4.2 HG-302C霍尔元件参数标定
•   4.5 基于霍尔效应测量跑道型背景磁体内部磁场
•   4.6 本章小结
• 5 高温超导带材交流损耗实验测量研究
•   5.1 临界电流各向异性实验测试
•     5.1.1 测试方法简述
•     5.1.2 实验装置及测试平台
•     5.1.3 测试结果及分析
•   5.2 交流损耗实验测量
•     5.2.1 测量方法简述
•     5.2.2 实验装置及测试平台
•     5.2.3 自场下超导带材交流损耗测试
•     5.2.4 直流外场下超导带材交流损耗测试
•   5.3 本章小结
• 6 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 工作展望
• 参考文献
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 方乐乐

导师: 方进

关键词: 高温超导带材,交流损耗,跑道型背景磁体,电测法,交流损耗测试平台

来源: 北京交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,材料科学,电力工业

单位: 北京交通大学

分类号: TM26

总页数: 92

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