轴向磁通感应子式高温超导电机的基础研究

论文摘要

随着高温超导材料的发展,液氮冷却的轴向磁通感应子式高温超导电机在舰船的电力推进系统中,有着广泛的应用前景。与传统超导电机相比,它不采用中空轴、电刷、集电环、低温旋转容器等装置,具有了更多的优势。本文采用理论解析、有限元仿真分析的方法,对轴向磁通感应子式高温超导电机的设计与优化进行了研究。首先,回顾了高温超导材料以及超导电机的发展历程和现状,介绍了轴向磁通感应子式高温超导电机的基本结构和工作原理,并分析了采用高温超导材料对电机设计带来的限制因素。通过初步的电磁设计,建立了轴向磁通感应子式高温超导电机的三维仿真分析模型,设计了高温超导绕组,确定了超导绕组的最大安全流通电流。其次,建立了轴向磁通感应子式高温超导电机的数学模型,采用简化等效磁网络模型的方法,解析了电机的电感特性和转矩特性,并利用有限元仿真对电机的直流励磁绕组、电枢绕组的自感和互感特性进行了详细分析,得到了不同励磁电流、电枢电流对电机电感特性的影响。再次,文中分别研究了不同极弧系数、倾斜形式、爪极形式的感应子对电机转矩性能的优化,为感应子在结构尺寸和电磁性能方面的优化设计提供了参考的依据。最后,研究了在弯曲、交变电流、交变磁场的工作状态下高温超导绕组的性能,主要对超导绕组的交流损耗、弯曲损耗进行了分析,可为绕组的优化设计、冷却系统的设计提供参考依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 高温超导材料的国内外发展现状
• 1.2.1 高温超导带材的研究状况
• 2 线材的研究现状'>1.2.2 MgB₂线材的研究现状
• 1.2.3 高温超导块材的研究状况
• 1.3 超导电机的国内外研究状况
• 1.3.1 超导直流电机的研究状况
• 1.3.2 超导交流电机的研究状况
• 1.3.3 高温超导块材电机的研究状况
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 轴向磁通感应子式高温超导电机的结构特性
• 2.1 引言
• 2.2 电机的工作原理和结构特性
• 2.2.1 电机的工作原理
• 2.2.2 电机关键部件的结构特性
• 2.3 轴向磁通感应子式超导电机的基本电磁关系
• 2.4 高温超导电机绕组的设计
• 2.4.1 高温超导体的基本特性
• 2.4.2 高温超导绕组实体模型的建立
• 2.4.3 高温超导绕组额定电流的确定
• 2.5 本章小结
• 第3章 轴向磁通感应子式高温超导电机的数学模型
• 3.1 引言
• 3.2 轴向磁通感应子式超导电机数学模型的建立
• 3.2.1 等效磁网络模型的建立
• 3.2.2 不考虑电枢磁势的等效磁网络模型
• 3.2.3 不考虑直流励磁的等效磁网络模型
• 3.3 轴向磁通感应子式超导电机的电感特性分析
• 3.3.1 电感特性的数学解析
• 3.3.2 电感特性的仿真分析
• 3.4 轴向磁通感应子式超导电机的转矩特性解析
• 3.5 本章小结
• 第4章 轴向磁通感应子式高温超导电机转矩特性的分析与优化
• 4.1 引言
• 4.2 气隙磁场的分布特点
• 4.3 电机转矩性能的优化
• 4.3.1 感应子极弧系数的优化
• 4.3.2 倾斜形式感应子对转矩性能的优化
• 4.3.3 爪极形式感应子对转矩性能的优化
• 4.4 本章小结
• 第5章 高温超导电机绕组的损耗分析
• 5.1 引言
• 5.2 高温超导绕组的交流损耗分析
• 5.2.1 高温超导绕组交流损耗产生的原因
• 5.2.2 高温超导绕组交流损耗的数值计算
• 5.2.3 超导电枢绕组的交流损耗分析
• 5.3 高温超导绕组的弯曲损耗分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢