行波磁场中磁通泵励磁超导磁体的损耗机制与补偿方法

论文摘要

高温超导磁悬浮技术由于具有无摩擦、噪声低、效率高等特点,已成为面向更高速地面轨道交通的必然选择。作为高温超导磁悬浮交通的重要组成部分,高温超导直线电机因其具有更高的推力密度、更佳的运行可靠性、更小的体积及更低的噪音,极具应用前景。高温超导直线电机的核心是高温超导磁体。理想情况下,高温超导磁体以闭环恒流模式运行,可产生稳定的强磁场且发热量较小。然而,不同于低温超导磁体,由于运行环境振动、电磁激扰以及自身存在的接头电阻、磁通蠕动等消耗,使得高温超导磁体难以实现闭环恒流运行,这将导致其性能衰减,影响电机的正常工作。为此,目前普遍采用外加驱动电源的直接供电方法补偿电流损耗,但由此带来的引线漏热问题将严重降低低温系统的冷却性能,容易诱发磁体失超。因此,采用消除电流引线的非接触供电方法是实现磁体闭环恒流运行的理想方式。本文首先利用基于电磁感应原理的高温超导磁通泵实现了对闭合高温超导磁体的非接触供电,该方法不仅可以在磁体工作前对其进行励磁,还可在磁体运行中对其损耗进行及时补偿,且极大地降低了系统漏热。依据建立的电路模型和有限元仿真模型,阐述了磁通泵将交流电转变为直流电且无需整流器件的工作原理。基于上述分析研制了高温超导磁通泵原理样机,同时分析了影响磁通泵充磁效率的因素。通过对磁通泵系统的损耗分析,说明了磁通泵在降低系统漏热等方面的优越性。其次,本文实验研究了经磁通泵励磁后的闭合高温超导磁体在行波磁场作用下的损耗特性。以磁体电流、中心磁场及电磁力作为关键参数,利用自主搭建的多物理量三维测试平台,得到了各参数随时间的变化曲线。实验结果表明,行波磁场的存在将极大地加速高温超导磁体电流的衰减速率,由此降低磁体所产生磁场的大小及与三相定子之间的电磁力大小。最后,借助动态电阻这一概念,基于磁场强度H法,建立了描述高温超导磁体动态电阻的二维有限元仿真模型,揭示了承载直流电的高温超导磁体在行波磁场中发生衰减加剧的物理本质。通过引入正常态电阻率,修正了表征超导材料E-J非线性关系的电阻率模型,解决了高温超导磁体失超计算收敛困难的问题。通过分析高温超导磁体在不同直流电幅值、不同行波磁场强度及不同时刻的电流分布,阐明了高温超导磁体内动态电阻的变化规律。仿真结果表明,动态电阻在数值上远大于磁体的接头电阻,由此带来的损耗作用于高温超导磁体,将加速其内部电流衰减。因此在实际应用中,应将动态电阻的影响考虑在内,进而采取有效措施抑制由动态电阻带来的损耗。

论文目录

摘要

abstract

第1章绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文主要研究内容与方法

第2章高温超导磁通泵实验系统的搭建与测试

2.1 磁通泵的工作原理

2.1.1 电路模型

2.1.2 有限元仿真模型

2.2 磁通泵原理样机制作

2.2.1 电路结构

2.2.2 超导接头焊接

2.2.3 信号发生与数据采集系统

2.3 磁通泵充磁实验

2.4 损耗分析

2.4.1 断续工作模式

2.4.2 连续工作模式

2.5 本章小结

第3章行波磁场中闭合高温超导磁体的损耗特性

3.1 无外场的电流-磁场衰减测试

3.2 行波磁场中的电流-磁场衰减测试

3.2.1 实验平台搭建

3.2.2 电流-磁场衰减实验

3.3 行波磁场中的电磁力衰减测试

3.3.1 电磁力衰减实验

3.3.2 感应力测试实验

3.4 本章小结

第4章高温超导磁体动态电阻的计算与分析

4.1 动态电阻的成因

4.2 动态电阻的有限元仿真建模

4.2.1 几何建模及参数设置

4.2.2 边界条件及网格剖分

4.3 仿真结果分析

4.3.1 电流密度分布

4.3.2 动态电阻

4.4 模型验证

4.5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

1.发表论文

2.专利受理

3.科研项目

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王超

导师: 马光同

关键词: 高温超导磁悬浮,直线电机,高温超导磁体,磁通泵,闭环恒流,损耗特性,动态电阻

来源: 西南交通大学

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: 西南交通大学

基金: 国家自然科学基金(51722706,51475389),四川省杰出青年基金(2016JQ0003)

分类号: TM26

DOI: 10.27414/d.cnki.gxnju.2019.000151

总页数: 74

文件大小: 6179K

下载量: 34

行波磁场中磁通泵励磁超导磁体的损耗机制与补偿方法

论文摘要

论文目录

文章来源

相关论文文献

猜你喜欢