三相行波磁场中涂层超导线圈的电-磁-力特性研究

随着超导线圈在电力领域中的应用越来越广泛,该文利用有限元仿真软件对处于交变磁场中载流高温超导带材的电-磁-力特性进行了研究,通过超导体的非线性E-J本构关系和基于棱边元法的磁场强度法来求解超导线圈内的电流分布、线圈周围的磁场分布及其受到的电磁力大小等电磁特性,重点研究了在以涂层超导磁体为励磁线圈的直线牵引系统中超导线圈和三相绕组之间的电磁力大小.基于仿真结果,分析了超导线圈内电流分布随气隙的变化关系;线圈周围的磁场分布情况及其对超导线圈临界电流的影响;线圈受到的电磁力随时间和气隙的变化关系等,所得结果为高温超导直线电机的设计和应用提供参考依据.     

YBCO线圈在液氮中的失超特性研究

由于高温超导材料的临界温度较高,可以运行在一个较宽的温度范围内,因此高温超导磁体被看作是稳定性较好的磁体,它在超导电力、超导磁体方面的应用占着日益重要的地位.YBCO带材作为第二代高温超导体的代表,近年来其生产工艺水平也得到了迅速发展和提高.磁体失超是影响超导磁体运行稳定性的重要问题之一.本文研究了YBCO单饼线圈在液氮环境中因由热扰动诱发的失超特性,设计了一套高温超导线圈在液氮浸泡下的失超测量系统,通过软件LABVIEW和数据采集卡对线圈的温度和电压进行采集和记录,测量YBCO单饼线圈在不同运行条件下的失超特性.     

用于46 T全超导磁体装置的26 T REBa2Cu3O7-δ高温超导内插磁体电磁设计研究

REBa2Cu3O7-δ(REBCO)高温超导带材具有良好的电磁性能和机械强度,现已成为开发极高场超导磁体的重要基础材料.本文基于T-A 方程提出了一种极高场REBCO 内插磁体的参数化设计方法,该方法在计算中考虑了超导屏蔽电流对磁体中心场强和应变分布的影响,采用分步优化的方式从内向外依次确定各超导线圈的结构参数,每个线圈的优化过程相对独立.基于该设计方法,本文给出了46T全超导磁体中26TREBCO 内插磁体的电磁设计方案,确定了主要线圈参数和工作电流.该内插磁体由4个线圈同轴嵌套串联组成,每个线圈都由REBCO带材绕制而成的双饼线圈(Double Pancake, DP)堆叠而成.基于当前模型计算结果,在给定的20T背景场中,当内插磁体工作电流达到290A时,磁体中心场强可达46T;高温超导线圈中最大环向应变为0.61%,仍然处于危险区域.     

一种高温超导磁悬浮装置

本文介绍一个基于倒挂吸引式(EMS)原理的高温超导磁悬浮试验装置．这个装置由高温超导磁体、单臂梁金属导轨、位置传感器、控制电路等组成．绕制超导磁体线圈所用的是Bi-2223／Ag高温超导线材．超导磁体工作在激磁电流为3．2A时，在5mm的空气间隙中产生0．21T的磁通密度，与单臂梁金属导轨可产生72N的垂直悬浮力．通过引入压控电流源，利用常规的超前一滞后校正实现了该磁悬浮装置的稳定悬浮和鲁棒控制，在负载变化87．5%的情况下仍能实现超导磁悬浮装置的稳定悬浮．该试验装置首次验证了高温超导线圈的可控性问题，为进一步探索高温超导线圈用于磁悬浮轨道交通系统的可行性打下了基础．     

一种实验用交流超导磁体的研制

该文介绍了用于探测线圈法测量超导材料交流损耗的一种交流超导磁体的设计、加工与绕制。超导磁体设计采用成熟的螺线管磁体技术,磁体骨架为低温环氧树脂加工而成,所用超导线为NbTi/Cu复合超导绞线。为了满足磁体的稳定性,每两层超导线间留出了一条冷却通道。所绕磁体的磁场强度和均匀度都满足设计要求。     

超导线圈绕制过程的力学行为研究

为了增加超导线圈中导线的占空比, 提高超导磁体正常运行时的机械稳定性, 通常在超导线圈绕制过程中施加一定的绕制张紧力. 绕制张紧力的大小会对超导磁体的失超特性和退化性能产生重要的影响, 因此有必要对绕制过程中的机械应力进行详细的分析. 本文仔细地分析了绕制过程中导线的受力情况, 进行了一些合理的假设和近似, 提出了研究超导线圈绕制应力的理论模型, 并根据轴对称结构的弹性力学方程式推导了计算超导线圈应力应变分布的理论公式. 基于该模型分别研究了单一绕组的超导线圈和双绕组的超导线圈的绕制应力, 分析了绕制张紧力和绕组的各向异性特性对径向应力和环向应力的影响. 在该理论模型分析结果的基础上可以进一步分析多物理场作用下的超导磁体的应力应变行为, 为高性能超导线圈的设计和建造提供理论指导. 关键词： 超导线圈 机械稳定性 绕制张力 应力     

EAST新超导母线稳定性分析

EAST装置超导母线电流传输线的核心部件是13对Nb Ti材料CICCs,其作用是连接超导磁体系统和高温超导电流引线,为磁体系统的运行提供馈电通道和失超状态下能量的释放通道。超导母线的稳定性直接影响了电流传输线运行的可靠性,同时还关系到超导磁体系统的安全性,需要对其进行严谨的研究。为了研究EAST新超导母线的稳定性,分别利用数学模型和GANDALF程序对超导母线的温度裕度和能量裕度进行了计算分析。计算结果表明由于超导母线的背景磁场很小,因此其稳定性要远高于超导磁体线圈的。该文的结果将为EAST新超导母线的运行提供参考。     

15 T NbTi/Nb3Sn超导磁体的设计

提出了一个冷孔直径150 mm、中心磁场为15 T的NbTi/Nb_3Sn超导磁体电磁结构。分析了超导磁体各线圈中磁场的分布规律,结合超导材料临界性能,得到了超导磁体的运行电磁裕度。针对线圈结构组份材料的机械性能,采用平均有限元法仿真了超导磁体的应力/应变,最大环向应力和应变分别为112 MPa和0.297%。该结果表明了超导Nb_3Sn线圈中的应力/应变处于合理水平。     

高温超导材料强磁场下的制备研究

得益于低温技术和超导磁体技术的发展,10T以上无液氦超导磁体技术已经比较成熟.作为提高高温超导材料性能的手段,强磁场技术应用于高温超导材料制备过程中的研究得到了广泛开展.本文介绍强磁场下高温超导材料制备研究的现状、进展及发展趋势.     

单螺管型高温超导储能磁体的ANSYS磁场仿真分析

超导磁储能系统通过超导体制成的导电线圈储存能量,它的投入使用完全依赖于超导磁体的设计和研制,作为电磁储能元件,超导磁体在运行过程中会产生相当强的磁场。以储能量为1MJ的单螺管型、Bi系高温超导磁体作为研究对象,根据电磁场理论,推导出数学模型,并借助ANSYS有限元分析软件,建立了一个由44个双饼线圈构成的二维电磁分析模型,得到磁场分布规律等。该分析结果对超导磁体的结构设计、优化及漏磁屏蔽提供了一定的参考依据。     

High critical current density YBa2Cu3O7−δ tapes prepared by the surface-oxidation epitaxy method

YBa₂Cu₃O_7−δ (YBCO) films with high critical current density (J_c) were successfully fabricated on nickel tapes buffered with epitaxial NiO. NiO was prepared on the textured nickel tape by the surface-oxidation epitaxy (SOE) method. We have reported so far a critical temperature (T_c) of 87 K and J_c=4–6×10⁴ A/cm² (77 K, 0 T) for the YBCO films on NiO/Ni tapes. To enhance the superconducting properties of the YBCO films on the SOE-grown NiO, depositions of thin oxide cap layers such as YSZ, CeO₂, and MgO on NiO were investigated. These oxide cap layers were epitaxially grown on NiO and provided the template for the epitaxial growth of YBCO films. Substantially improved data of T_c=88 K and J_c=3×10⁵ A/cm² (77 K, 0 T) and 1×10⁴ A/cm² (77 K, Hc, 4 T) were obtained for YBCO film on NiO, by using a MgO cap layer with a thickness of 50 nm. The method described in this paper is a simple way to produce long YBCO tape conductors with high-J_c values.     

临界电流磁矢量分析法在YBCO线圈上的验证

高温超导磁体临界电流磁矢量分析法准确地预测了BSCCO高温超导磁体的临界电流,为了进一步验证该方法预测YBCO高温超导磁体临界电流的准确性,文中作者用9.3m二代高温超导YBCO带材绕制了一个内径为70mm,外径为100mm,共35匝的单饼,测试了单饼5-15匝,15-25匝,25-35匝和5-35匝在77K下的临界电流,并用磁矢量分析法进行了仿真分析。通过对比发现,仿真分析和实验结果的误差在5%左右,最大误差是6.75%,最小误差是4.77%,验证了磁矢量分析法在预测YBCO高温超导磁体临界电流时的准确性。     

Zn doping of YBa2Cu3O7 in melt textured materials: peak effect and high trapped fields

The previously introduced modified melt crystallization process (MMCP) has been applied to prepare single grain YBCO bulk material with Zn partially substituting for Cu. Hole doping was controlled by an appropriate oxidizing treatment of the as-grown bulk. A field induced pinning was indicated by a well pronounced peak of the critical current density j_c in the j_c vs. H relationship for the maximal oxidized (overdoped) material containing Zn, whereas pure overdoped YBCO shows no peak effect. The peak effect for Zn-doped YBCO appearing for T=77 K at a relatively high field of about 3 T can be attributed to pair breaking by locally induced magnetic moments due to in plane Zn for Cu substitution. Besides high quality of the bulk YBCO, the peak effect is the reason for the trapped field as large as 1.12 T at 77 K in the cylinder of only 25 mm in diameter.     

用于高场加速器磁体的新型高温超导内插线圈概念设计

中国科学院高能物理研究所正在进行环形正负电子对撞机-超级质子对撞机(CEPC-SPPC)的研究工作,未来超级质子对撞机(SPPC)初期要求的主环二极磁体磁场强度为12 T,升级后的磁体场强需求为20～24 T.为了达到15 T及以上的场强,高温超导线材制作的内插高场线圈是目前的唯一选择.本文对YBCO内插线圈做了相应的探究,并提出的一种新的设计方案,具有以下特点:线圈结构采用Common-coil与Block-type混合的设计,并解决了端部弯曲半径小的问题;充分利用YBCO在高场下磁场与超导带材平行时临界电流密度是垂直情况下的数倍特性,通过优化端部结构减小线材与磁场夹角;计算了不同形状及弯曲半径组合下的线材弯曲情况,综合考虑了端部长度与线材张力之间相互制约的问题,并给出了最终结果;试绕了两种端部的铜线圈,以及balloon-end的高温超导YBCO线圈并进行了测试.     

Bi2223/Ag高温超导带的侧向弯曲率对载流能力的影响

Bi2 2 2 3银包套超导带材是研制高温超导磁体和高温超导强电应用的基础。文中就对高温超导磁体最大运行电流有重要影响的 Bi2 2 2 3银包套带材侧向弯曲形变进行了初步探讨 ,就不同的侧向弯曲率对超导带载流能力的影响进行了实验测试 ,并提出了提高 HTS磁体最大运行电流的方法。     

AC-induced DC voltage in HTS coil

The interplay between AC and DC currents in a High-T_c Superconducting (HTS) coil, made of multifilamentary silver-sheathed Bi-2223 tape, was investigated. We observed that the application of a small sinusoidal current in the frequency range of 50–500 Hz into the coil, while it is already carrying a DC current in the range of 16–22.5 A, caused an increase in the coil DC voltage. The DC voltage increment due to the AC signal is found to increase linearly with frequency and quadratically with amplitude. The DC voltage increment increases as the coil current grows towards its critical value of 22.2 A. This result may be important in some power applications such as fault current limiters (FCL) and superconducting magnet energy storage (SMES) based on HTS coils.     

25T超导磁体优化中线圈数量影响分析

20 T以上强磁场在高场科学工程中有着不可替代的作用. 电工研究所正在研制一个25 T全超导磁体系统, 包括15 T背景磁场和10 T高温超导内插磁体. 在磁体的设计和优化中, 线圈的数量和种类对于最终优化结果十分关键. 为了研究磁体数量和磁体相关参数的关系, 计算了20 组不同的线圈组合下磁体的优化结果. 优化中除了考虑必要的限制条件以外, 还采用了一种结合局部优化算法和全局优化算法的方法. 通过对比分析发现, 线圈数量和磁体造价之间, 存在一个“V”形的关系. 更进一步地, 本文分析了不同超导体在磁体中应该贡献的最佳磁场, 以及背景磁体统一供电给优化结果带来的影响.     

YBCO线圈在低温下的温度仿真分析

近几年,高温超导线材的制造技术已日趋成熟。作为第二代高温超导带材的代表,YBCO在低温下具有的优点使其在超导磁体领域的应用越来越突出。但是在高温超导磁体的运行中会因为受到扰动而失超。为了探讨这个问题,模拟了一个磁体在低温下(20K左右)有加热点扰动时的稳定性情况,即对YBCO线圈在低温下的工作情况进行了模拟仿真。文中根据实验设计的YBCO单饼线圈参数,利用热传导方程和基本电路方程,采用有限元计算方法,模拟出线圈内部的温度分布。分析仿真结果可以为后续实验设计提供参考。     

Bi2223／Ag带HTS双饼磁体实验

用国产Bi2223／Ag带（西北有色金属研究院提供）设计的中心场3．0T．贮能35kJ的传导冷却高温超导磁体正在建造中．磁体由绕组内径150mm．外径272mm的32个双饼磁体组成．磁体在温度T=20K下．设计临界电流Ic=132A．额定运行电流I=100A.在T=20K附近进行四双饼组合磁体实验，得到磁体Ic=140A，中心场Bcc=1．14T，相应Bi2223／Ag带上最大轴向场Brmax=1．91T．Bi2223／Ag带上最大垂直场Brmax=1．14T．四双饼组合磁体的实验结果预示：35kJ HTS贮能磁体的设计目标能够达到．     

1.5 T关节磁共振成像超导磁体的设计、制作与测试

磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)是当今世界上最先进的医学影像技术之一,现阶段MRI技术正朝着成像质量更清晰、功能更强大、效率更高、个体化更强的趋势发展.与全身MRI设备相比,专科型MRI设备具有体积小、重量轻、成本低、病人舒适度高、成像质量高、功能更强等优点.但是关节专用超导MRI系统需要长度方向上被严格限制的超导磁体在160 mm直径球域(diameter sphere volume,DSV)内产生高均匀度的磁场.本文综合考虑了超导线用量、中心磁感应强度和成像区磁场不均匀度等因素,使用0-1规划和遗传算法相结合的方法设计了一种非屏蔽型1.5 T关节MRI超导磁体,该磁体的室温孔径为280 mm,总长度为520 mm,液氦量为30 L,载流区最大磁场为5.48 T,5高斯线范围为径向3.2 m、轴向2.6 m,160 mm DSV的磁场不均匀度设计值为22 ppm,考虑加工误差及冷缩因素,磁体加工完成并经过被动匀场后的预估值为60 ppm.经过绕制、固化、组装、焊接等工序,该磁体已制作完成.经过3次锻炼后成功励磁到1.5 T,经过被动匀场后160 mm DSV的磁场不均匀度达到50 ppm,各项指标均达到设计目标.