超導發(fā)電機中超導磁體的設計及其實踐.pdf

1、超導發(fā)電機是電機領域的一種新型電機，具有功率密度大、同步電抗小、效率高、維護方便等優(yōu)點，將成為本世紀最有潛力、最理想的能源轉換裝置。超導發(fā)電機之所以具有這些優(yōu)點是因為超導發(fā)電機中包含有超導磁體，因此超導磁體能否正常運行是決定超導發(fā)電機成敗的一個關鍵因素。本文主要對一臺50 kW超導發(fā)電機中的超導磁體進行研究。首先，分析超導磁體的電磁特性以及超導磁體在發(fā)電機中的應用原理，并結合實用化超導材料特性和應用背景進行超導磁體的選材;其次，對樣機中

2、超導磁體進行電磁設計，并提出一種優(yōu)化算法對超導磁體結構進行優(yōu)化;然后，為了驗證仿真結果，進行超導磁體的實驗研究，根據優(yōu)化后的結構參數制作同等尺寸的超導磁體，為了給超導磁體提供低溫環(huán)境，進行低溫系統(tǒng)的方案設計;最后搭建實驗測試平臺，并通過實驗的方法驗證設計的超導磁體是否滿足本課題的要求。
　　本論文主要研究成果包括以下幾個方面:
　　分析超導體的電磁性質方程，推導出超導體的零電阻特性和邁斯納效應;選取以電流密度為基礎，得到計算

3、不同類型超導磁體空間任意一點磁場的方法;分析超導磁體在四種不同類型發(fā)電機中的應用原理，總結超導發(fā)電機的特性;結合目前5種實用化超導材料的特性，從發(fā)電機的制造成本，難易程度，性能等角度選擇二硼化鎂(MgB2)超導材料繞制樣機中的超導磁體，并論證了所選超導材料的適用性和可行性。
　　根據超導發(fā)電機的四種基本結構，分析了這四種結構的工作原理并比較了它們的優(yōu)缺點，確定了樣機的基本結構;針對所選MgB2超導線圈的電磁特性，根據已知參數和約束

4、條件，對樣機中超導磁體進行電磁設計，通過大量的有限元仿真計算，得到了MgB2超導磁體的初始結構參數;對樣機的性能進行分析，性能參數滿足課題提出的設計要求，因此通過仿真計算驗證了設計的超導磁體滿足本課題的要求。
　　詳細地分析了超導磁體結構參數對樣機性能的影響，為了充分發(fā)揮超導磁體的優(yōu)勢，使超導發(fā)電機的性能更好，提出了一種將響應曲面法(RSM)和粒子群算法(PSO)相結合的優(yōu)化算法對超導磁體結構進行優(yōu)化;根據所提出的優(yōu)化算法詳細地給

5、出了超導磁體結構優(yōu)化的過程，并將優(yōu)化前后樣機的性能進行了對比，驗證了所提出的優(yōu)化方法的可行性和有效性。
　　通過比較幾種常用冷卻媒質的優(yōu)缺點，結合本課題的具體情況選擇出適合本文的低溫媒質;分析了幾種冷卻方式的優(yōu)缺點，綜合考慮它們的冷卻效果、系統(tǒng)復雜程度、成本以及選擇的冷卻媒質，選擇出合適的冷卻方式;通過分析圓筒真空層導熱性，選擇出合適的真空度;確定了低溫系統(tǒng)的基本方案。
　　根據優(yōu)化后的尺寸制作超導磁體，并搭建了測試平臺;然