轴向感应子式高温超导电机及其低温系统研究

论文摘要

超导电机是利用超导技术及超导材料研制的一种高性能电机。由于用超导线圈代替了常规铜绕组,提高了绕组的载流能力,可以产生很大的磁场而又几乎无焦耳热损耗,因而具有一系列的先进的技术和经济特性。随着高温超导材料技术的发展,材料的临界温度、电性能和机械性能都得到极大提升,使采用高温超导材料的电机要考虑的制冷功率比低温材料低的多。因此,高温超导电机已经成为电机研究的一个重要方向。对于传统结构的高温超导电机,尽管采用超导材料对电机性能上有很大提升,但是也带来一系列问题:超导绕组的绕制受限于超导材料的机械性能、超导绕组的低温冷却、旋转密封、复合力矩管等等。这些问题成为高温超导电机发展的重要限制。考虑到低速、大转矩电机在船舶推进和风力发电方面的应用,同时考虑传统电机结构产生的技术难点,基于先进高温超导材料的性能特性提出了一种新型高温超导电机的设计方案——轴向感应子式高温超导电机。该类电机在结构上有一些典型特点,如全超导结构、轴向气隙、超导绕组静止、液氮冷却等等。与高温超导电机发展对应的是低温系统的发展。相对简单、费用较低、更高效率、稳定性高的低温系统的研制是高温超导电机进一步商业化的基础。轴向感应子式高温超导电机由于感应子的结构特点,可以采用过冷氮冷却。本文将归纳分析各种过冷氮低温系统的结构流程、工作原理和初步设计,提出了一种新型过冷氮低温冷却系统。新型低温系统采用热虹吸子系统联接了正常工作模式和备份运行模式,避免了开式系统的运行成本高和闭式系统稳定性低的缺点。高温超导电机的设计都是基于超导材料的性能和由材料组成的绕组的性能来进行的。对于低温系统研究,更为关注的是超导绕组在给定的冷却方式和磁体所处磁场环境等条件下的热稳定性,即给定的冷却方式能否满足磁体温度裕度的要求。以磁体精确模型为分析对象,把磁滞损耗作为内热源加载,边界上采用温度稳定边界条件,进行HTS磁体稳态运行时热稳定型分析,得到稳态时磁体温度分布。最大温度点温度为66.13K,位置为靠近端部,磁体温度稳定性良好。另一方面,从低温系统功耗的角度,对高温超导磁体运行温度进行优化。从分析中得,当交流磁体和直流磁体工作温度在60～70K之间时,对应的低温系统具有较低的功耗。直流磁体工作温度的最优值为65K,此时系统功耗低至85W。交流磁体最优工作温度为70K,此时功耗值为245W,高达直流磁体最优功耗的两倍多。即过冷氮低温系统用于冷却HTS磁体系统功耗较小。最后根据12.5kW轴向感应子式样高温超导电机热负荷要求,给出了300W/66K开式过冷氮低温系统的初步设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 高温超导电机简介
• 1.1.2 高温超导电机冷却技术概述
• 1.2 高温超导电机国内外研究现状
• 1.3 高温超导电机低温系统国内外研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 轴向感应子式高温超导电机结构及超导材料的确定
• 2.1 引言
• 2.2 传统高温超导同步电机结构
• 2.3 轴向感应子式高温超导电机
• 2.3.1 轴向气隙结构
• 2.3.2 全超导结构
• 2.3.3 感应子和铁心结构
• 2.3.4 轴向感应子式高温超导电机总体结构
• 2.4 工作原理及工作状态分析
• 2.5 高温材料及超导磁体结构
• 2.5.1 高温超导材料
• 2.5.2 高温超导磁体
• 2.6 本章小结
• 第3章 高温超导磁体热稳定性分析
• 3.1 前言
• 3.2 高温超导磁体热稳定性分析
• 3.2.1 分析模型和方法
• 3.2.2 物性参数
• 3.3 高温超导磁体磁场计算和模拟
• 3.4 高温超导磁体工作电流确定
• 3.4.1 高温超导带材场角依赖理论模型
• 3.4.2 高温超导带材的“应力－应变”的不可逆性
• 3.4.3 高温超导磁体临界电流退化
• c （ B , T ） 和J_c （ B , T ） 的获得'>3.4.4 I_c （ B , T ） 和J_c （ B , T ） 的获得
• 3.5 高温超导线圈损耗计算
• 3.5.1 电阻损耗
• 3.5.2 指数损耗
• 3.5.3 交流损耗
• 3.6 高温超导线圈热稳定性分析结果
• 3.7 铁磁材料对高温超导线圈的影响
• 3.8 本章小结
• 第4章 过冷氮低温系统设计
• 4.1 前言
• 4.2 高温超导磁体工作温度优化
• 4.3 过冷氮低温系统
• 4.3.1 开式低温系统
• 4.3.2 闭式低温系统
• 4.4 新型过冷氮低温系统
• 4.4.1 过冷氮循环
• 4.4.2 热虹吸子系统：正常运行
• 4.4.3 热虹吸子系统：备份运行
• 4.5 300W/66K 过冷氮低温系统设计
• 4.5.1 总体结构及特点
• 4.5.2 工作原理
• 4.5.3 设计计算
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢