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高温超导磁体的交流损耗快速评估方法研究

发布时间:2020-07-06 07:03
【摘要】:交流损耗是高温超导磁体动态运行中的主要热源,其大小和分布直接影响超导磁体的热稳定性。快速、准确地评估超导磁体在动态运行中的交流损耗,有助于确定磁体安全运行电流区间和变化率,优化磁体的结构和低温系统参数,降低动态运行时的热损耗,提高的超导磁体的热稳定性,降低失超保护装置的压力。超导磁体交流损耗的实时评估十分重要,但由于实际工程应用中,超导磁体一般规模较大,目前交流损耗计算中应用广泛的有限元方法计算量大、计算速度慢,难以对超导磁体交流损耗进行实时评估。本文提出了一种可以快速计算交流损耗的多尺度建模方法,通过一系列改进型的背景磁场估算方法提高了多尺度模型的准确度,在此基础上,建立了基于神经网络的交流损耗快速评估模型。具体工作内容如下:(1)介绍了多尺度模型的基本思想和传统多尺度模型的建模方法,归纳了其背景磁场估算方法——均匀电流密度法的原理,利用多尺度模型计算了单螺管高温超导线圈的交流损耗,对比分析了多尺度模型、均质化模型与H方程模型。(2)阐述了改进多尺度模型背景磁场估算方法的思路,提出了一系列改进型背景磁场估算方法,给出了其建模流程,以H方程模型的计算结果为参考,分析对比了不同背景磁场估算方法在计算速度、准确度、适用范围等方面的特点。(3)开发了基于神经网络模型的交流损耗实时预测工具,采用多尺度模型构建了150kJ高温超导磁体在不同运行工况下的交流损耗数据库,得到了超导磁体交流损耗与运行工况的映射关系,利用该神经网络模型预测了新工况下的交流损耗。以均质化模型为参考,验证了该模型的准确性与适用性。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TM26
【图文】:

示意图,超导磁体,热稳定性,交流损耗


图 1-1 超导磁体热稳定性示意图本文将研究一种速度快、准确度高的超导磁体交流损耗预测模型,该模型结合了有限元仿真方法与神经网络预测模型,能够快速准确地评估超导磁体在动态运行中的交流损耗。理论上,该模型可以预测高温超导磁体的电磁特性以及任意电流波形下的交流损耗,从而预测超导磁体安全的电流运行区间和变化率,有助于冷却系统优化设计,降低运行中的热损耗,提高超导磁体的热稳定性和经济性。交流损耗大小受磁体参数、运行电流、温度和材料属性等诸多因素的影响,目前常用的传统交流损耗有限元仿真计算方法需要对具体运行工况进行建模与仿真计算,计算速度极慢,难以达到快速评估磁体在不同状态的交流损耗的要求,快速的交流损耗评估方法在超导磁体优化设计,热稳定性实时评估方面发挥着重要作用。交流损耗的快速评估方法在超导磁体的失超保护过程中也有重要用途。失超保护直接关系着超导磁体的稳定性,其主要作用是防止超导磁体中正常态区域的出现

示意图,管线圈,多尺度模型,轴对称


r00r图 2-2 超导单螺管线圈二维轴对称多尺度模型示意图结果分析验证采用均匀电流法估算背景磁场的多尺度模型的准确性和适用性,本文四双饼的单螺管超导磁体为研究对象,分别利用传统的 H 方程模型,均质多尺度模型计算该磁体在不同的运行电流下的交流损耗情况。该超导磁体饼线圈组成,每个单饼线圈由 100 匝超导带材绕制而成,共 100×8 匝。螺管线圈的旋转轴对称结构,采用二维轴对称模型进行仿真分析,模型示 2-2 所示。为了比较不同模型的特点,同时考虑到 H 方程应用较为广泛,也得到很多理论与实验的证明[53-59],所以在结果分析的过程中,采用传统计算结果作为参考。线圈采用 Super Power 公司生产的型号为 4050 的材进行绕制,磁体的工作温区设置在 77K,相应的磁体参数和带材参数均

示意图,超导带材,单元,电流


i1 1223(a)超导带材分布与编号示意图, (b) 边缘处电流单元, (c) 中间处电流单元 所示,抽样带材在图中已被标出,指定图中虚线框内的超导带材为,在每一个电流单元中,只有一根抽样带材,每根抽样带材的左侧 5 根非抽样带材,位于线圈模型边缘的电流单元只有单侧存在非抽单元细节如图 2-6(b)、(c)所示,其中(b)为处于线圈边缘的电为处于线圈中部的电流单元。在一个电流单元中,所有非抽样带材该电流单元中的抽样带材保持一致,所有非抽样带材的交流损耗由带材插值得到。抽样带材的抽样密度取决于计算准确度要求和速度次建模计算,反复对比,对于一个百匝量级的超导线圈,抽样带材根非抽样带材,这样的抽样密度能同时兼顾计算精度和计算时间要

【参考文献】

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1 李兆霞;;大型土木结构多尺度损伤预后的现状、研究思路与前景[J];东南大学学报(自然科学版);2013年05期

2 汪楚清;王虎长;李亮;赵雪灵;孙清;;大跨越输电钢管塔结构多尺度有限元分析[J];工程力学;2013年07期

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本文编号:2743313

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