MJ级高温超导储能磁体机械特性研究

发布时间：2017-07-15 13:08

  本文关键词：MJ级高温超导储能磁体机械特性研究

  更多相关文章： 高温超导体 储能磁体 优化设计 机械特性 电磁力 应力应变 结构加强

【摘要】：随着以YBCO为代表的第二代高温超导材料制备技术及工艺的日趋成熟,高温超导带材性能也不断提高,同时其价格逐步降低,为高温超导磁体的实际应用提供了更加广阔的前景,因为高温超导储能系统相比于低温超导储能系统的运行温度更高,能很大程度上减小制冷系统的复杂程度以及制冷成本。相比于BSCCO带材,YBCO各向异性弱,在液氮温区和高磁场下有更好的载流性能,是设计中大型储能磁体的良好选择。而单根带材的载流能力有限,设计中大型储能磁体时通常为了保证磁体电感不能太大而增加磁体响应时间需要使用多根超导带材复合而成的带材。储能磁体的设计需要综合考虑电磁特性、机械特性、热稳定性等才能保证磁体的工作性能。本文基于不同复合导体对储能磁体进行了设计和优化,分析了平衡状态下磁体的机械特性,提出了磁体结构加强措施,主要工作如下：首先,本文介绍了基于YBCO材料的高温磁体设计中的磁场、电磁力以及应力应变的计算方法,介绍了商用有限元分析软件ANSYS,重点介绍了其强大的电磁-结构耦合功能,提出了磁体设计及其相关问题的处理途径,为磁体设计工作提供了一个基础参考。其次,分析了几种不同类型带材和复合导体用于绕制高温超导储能磁体的可能性及其优劣,设计了由四层YBCO带材组成的CORC型复合导体,根据已有数据计算得到了该导体的I-B曲线。第三,以磁体的电磁设计为核心,以节约超导材料和减小电磁力为目标进行了磁体的设计和优化。利用MATLAB优化工具箱和ANSYS磁场计算模块联合优化的方式,给出了基于ROEBEL导体以及由四层YBCO带材组成的CORC导体的磁体优化设计方案,对比分析了使用不同导体所设计磁体的优劣。最后,对所设计的磁体进行了应力应变分析,针对高温超导储能磁体受力危险区域提出了结构加强措施,并利用有限元软件进行了数值仿真验证,证明所提出的方法能在一定程度上增加磁体的机械稳定性。
【关键词】：高温超导体 储能磁体 优化设计 机械特性 电磁力 应力应变 结构加强
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM26
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 引言10-11
• 1.2 第二代高温超导导体的研究及应用现状11-14
• 1.2.1 第二代高温超导带材的发展现状11-12
• 1.2.2 第二代高温超导复合导体的研究及发展现状12-14
• 1.3 高温超导储能磁体的发展与应用14-15
• 1.4 超导储能磁体机械特性的研究现状15-17
• 1.5 本文的主要研究内容17-19
• 第2章 高温储能磁体设计基础19-27
• 2.1 引言19
• 2.2 电磁设计理论基础19-22
• 2.2.1 磁体临界电流确定方法19-20
• 2.2.2 电感计算20-22
• 2.3 结构设计基础22-26
• 2.4 有限元软件ANSYS26
• 2.5 本章小结26-27
• 第3章 高温超导储能磁体设计及优化27-39
• 3.1 引言27
• 3.2 磁体优化设计方法及步骤27-32
• 3.2.1 设计步骤27-30
• 3.2.2 设计方法30-32
• 3.3 基于ROEBEL导体的磁体优化设计32-35
• 3.4 基于CORC导体的磁体优化设计35-38
• 3.5 本章小结38-39
• 第4章 高温超导储能磁体应力应变分析39-50
• 4.1 引言39
• 4.2 磁体应力应变仿真分析方法39-40
• 4.3 磁体危险区域确定及结构安全准则40-42
• 4.4 磁体应力应变分析42-46
• 4.4.1 基于ROEBEL导体的磁体应力应变分析42-45
• 4.4.2 基于CORC导体的磁体应力应变分析45-46
• 4.5 降低磁体受力损害风险的方法46-49
• 4.6 本章小结49-50
• 第5章 总结与展望50-52
• 5.1 本文总结50-51
• 5.2 下一步工作展望51-52
• 参考文献52-56
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果56-57
• 致谢57

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本文编号：543994