高温超导脉冲变压器设计及性能优化

发布时间：2020-03-25 11:07

【摘要】：作为一门新兴学科,脉冲技术被广泛用于医疗、电力等行业。目前,该技术的核心是高密度的能量存储以及高功率能量释放。超导脉冲技术将超导磁储能、脉冲功率结合,具有能量存储久、无耗能、分量轻、对初级输入要求低等优点。超导储能脉冲变压器是超导脉冲功率系统的重要组成部件,它集初级能量的存储和高脉冲成形功能于一体。本论文以Bi-2223/Ag高温超导脉冲变压器为对象,对其先后展开了相关理论分析、基本组成结构设计、多种性能优化分析、直流试验验证分析。介绍了本课题的来源、研究背景、意义,对相关文献进行了归纳总结,详细地介绍了脉冲功率系统储能方式、超导材料发展进程及现状。对超导体基本特性进行分析,介绍了有限元分析基本理论。借助Ansoft软件分析了Bi-2223/Ag线圈模型的轴向、径向感应磁场分布特点,提出了Bi-2223/Ag高温超导线圈临界电流计算方法。分析了脉冲变压器基本工作原理,设计了小型单模块Bi-2223/Ag高温超导脉冲变压器模型,结合有限元仿真结果,拟合出了变压器原边临界电流密度表达式。采用改变线圈高厚比的方案对单模块脉冲变压器原边临界电流、储能容量、耦合系数、线圈受力进行优化分析。选择了发散磁场小、储能大、载流能力强的环形组合结构作为多模块高温超导脉冲变压器组合排列方式。分析了多模块磁场坐标转换方法,针对不同路径下的磁场分布进行分析。对环形多模块高温超导脉冲变压器的相关性能参数进行了优化分析与对比。设计并组装一小型单模块Bi-2223/Ag脉冲变压器,在液氮条件下进行了直流测试试验。把测试结果与仿真结果进行对比,有力地验证了本论文中关于Bi-2223/Ag高温超导脉冲变压器原边线圈临界电流值计算方法的可行性。本文的相关研究结果对Bi-2223/Ag高温超导脉冲变压器在超导脉冲功率系统中的实用化提供了一定的基础。
【图文】：

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常见的储能方式主要分为：机械、电感、电容器、化学等储能[1]。图各种方式在放电时间与储能密度两方面的对比。就储能密度来说，以机械储能和化学储能为最高[2]。但是对于脉冲功率技术来种储能方式均具有一定的限制：化学储能具有不可重复性、能量释放慢的缺点能的脉冲压缩装置结构复杂，同时也具有能量释放慢的缺点[3-4]。传统脉冲功率技术依靠电容储能[5]。电容储能型脉冲功率技术的典型代表是 S试验室的 ZA 设备，其最大释放电流约为 26KA，储能达 23MJ，电压可达 6上升沿为 100ns。但是，整个装置的直径达 33m，体积庞大、储能密度相对较较高，存在一定的电流泄露问题。

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度达到了 164K[47]。图1.2 呈现了超导材料的发展示意图[48]。图 1.2 超导材料发展示意图Fig. 1.2 Aschematic diagram for the superconducting materials传统的低温超导材料有 NbTi、Nb3Sn、Nb3Al、Nb3Ge 等；高温超导材料有 YBCO、Bi2212、Bi-2223 等[67]。表 1.1 列举了目前常见的超导线材的基本特点，其中 Bc为线材的临界磁感应强度，Tc为其超导转变温度。NbTi、Nb3Sn 等传统的低温超导线材大部分可实现大规模生产。NbTi 材料的本质是金属合金，它具有较好的机械强度，目前已经可以制成微米级极细芯导线。作为一种金属化合物，Nb3Sn 的机械性能较弱，一般需采用内锡发制作，另一方面 Nb3Sn 所能承受
【学位授予单位】：山东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM417

【参考文献】