高温超导复合带材的交流损耗及失超行为的数值分析

发布时间：2017-07-17 02:14

  本文关键词：高温超导复合带材的交流损耗及失超行为的数值分析

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【摘要】：超导体处于交变电磁场中产生的交流损耗是其在实际应用中的关键问题。在低温环境下,交流损耗作为直接的热源输入整个超导设备中,不仅会增加制冷系统的负担,增大超导应用的成本,还会导致超导设备的运行不稳定。在超导磁体中,局部温升引起的失超及正常区域的传播也是实际应用中的安全隐患,在强电流环境下发生的失超甚至会对超导磁体产生毁灭性的损伤。本文基于有限元数值方法,对高温超导复合带材的交流损耗和失超行为分别进行了研究。首先,分析了单层超导带材和堆叠结构中的交流损耗。基于幂指数E-J关系和H方法实现超导体建模,计算了不同交变电流、磁场的幅值、频率、相位差等条件下超导带材的交流损耗。通过比较高温超导带材和超导/铁磁基底复合带材的交流损耗分析了不同电磁场中磁性铁磁基底对高温超导带材交流损耗的影响。在低磁场环境下,磁性基底会增大超导带材内的交流损耗;而在高磁场环境下,磁性基底有减小超导带材交流损耗的作用。超导/铁磁基底复合带材的交流损耗在低磁场环境中随频率增大而减小,但在高磁场环境中交流损耗随频率增大先增大后减小。相位差等于90度时交流损耗最小,电流和磁场同相和反相时的交流损耗相等。磁性铁磁基底对多层堆叠的超导带材交流损耗的影响与单层带材情况相似。其次,研究了堆叠的超导复合带材中的失超行为。考虑材料参数与温度之间的关系,结合热传导方程和麦克斯韦方程讨论了超导带材中的磁热耦合行为。当稳定运行的超导体受到局部热扰动时,超导带材的载流能力因产生的局部温升而减小,带材中的传输电流分流到铜稳定层内并产生焦耳热。绝热环境下,当铜稳定层中产生的焦耳热大于热传导的热量时,超导体中温度快速升高,超导层温度大于临界温度时,超导体转变到正常态,即超导体失超。铜稳定层产生的焦耳热使失超向外传播,直至整个导体完全失超。通过对比超导复合带材中超导层是否含有局部缺陷的计算结果发现,当一个超导复合带材的超导层中有局部缺陷时,超导体的临界电流减小,局部热源和缺陷之间的失超传播速度明显增大,并且失超在整个超导磁体中更快速地传播。
【关键词】：高温超导体 H方法 交流损耗 失超
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM26
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-20
• 1.1 超导电性研究简述9-10
• 1.2 超导材料的发展及应用10-12
• 1.3 超导体分类12-13
• 1.4 研究现状13-19
• 1.4.1 交流损耗的研究现状与进展13-17
• 1.4.2 高温超导体失超的研究现状17-19
• 1.5 本文主要工作19-20
• 第二章 超导体数值建模20-28
• 2.1 一些常用的计算电磁量的方法20-21
• 2.2 超导体的电磁本构关系21-22
• 2.2.1 临界态模型E(J)关系21
• 2.2.2 E(J)幂指数模型21-22
• 2.3 H方法22-27
• 2.3.1 棱边单元简介23-24
• 2.3.2 H方法有限元分析24-27
• 本章小结27-28
• 第三章 铁磁基底对高温超导带材交流损耗的影响28-43
• 3.1 超导体交流损耗计算28
• 3.2 单层无限长高温超导带材的交流损耗分析28-34
• 3.2.1 高温超导带材参数28-30
• 3.2.2 超导带材的总交流损耗30-34
• 3.3 堆叠带材的交流损耗34-41
• 3.3.1 堆叠超导带材的传输损耗和磁化损耗35-37
• 3.3.2 三层带材堆叠的总交流损耗37-39
• 3.3.3 三层堆叠带材中电流密度、电流分布及损耗功率分布39-41
• 本章小结41-43
• 第四章 堆叠的超导带材失超性质分析43-58
• 4.1 超导体失超理论分析43-45
• 4.1.1 基本方程43-44
• 4.1.2 稳定域与扰动能量44-45
• 4.2 无限长堆叠复合超导带材的失超数值分析45-56
• 4.2.1 复合高温超导YBCO带材低温性质参数46-49
• 4.2.2 超导磁体的临界电流49-50
• 4.2.3 绝热条件下无限长堆叠的复合超导带材的失超传播性质50-52
• 4.2.4 绝热条件下考虑超导带材结构缺陷对失超传播的影响52-56
• 本章小结56-58
• 第五章 结束语58-60
• 5.1 主要结论58-59
• 5.2 研究展望59-60
• 参考文献60-69
• 在学期间的研究成果69-70
• 致谢70

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本文编号：551560