超導(dǎo)發(fā)電機中超導(dǎo)磁體的設(shè)計及其實踐.pdf

1、超導(dǎo)發(fā)電機是電機領(lǐng)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(jì)最有潛力、最理想的能源轉(zhuǎn)換裝置。超導(dǎo)發(fā)電機之所以具有這些優(yōu)點是因為超導(dǎo)發(fā)電機中包含有超導(dǎo)磁體，因此超導(dǎo)磁體能否正常運行是決定超導(dǎo)發(fā)電機成敗的一個關(guān)鍵因素。本文主要對一臺50 kW超導(dǎo)發(fā)電機中的超導(dǎo)磁體進(jìn)行研究。首先，分析超導(dǎo)磁體的電磁特性以及超導(dǎo)磁體在發(fā)電機中的應(yīng)用原理，并結(jié)合實用化超導(dǎo)材料特性和應(yīng)用背景進(jìn)行超導(dǎo)磁體的選材;其次，對樣機中

2、超導(dǎo)磁體進(jìn)行電磁設(shè)計，并提出一種優(yōu)化算法對超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化;然后，為了驗證仿真結(jié)果，進(jìn)行超導(dǎo)磁體的實驗研究，根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)制作同等尺寸的超導(dǎo)磁體，為了給超導(dǎo)磁體提供低溫環(huán)境，進(jìn)行低溫系統(tǒng)的方案設(shè)計;最后搭建實驗測試平臺，并通過實驗的方法驗證設(shè)計的超導(dǎo)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(dǎo)體的電磁性質(zhì)方程，推導(dǎo)出超導(dǎo)體的零電阻特性和邁斯納效應(yīng);選取以電流密度為基礎(chǔ)，得到計算

3、不同類型超導(dǎo)磁體空間任意一點磁場的方法;分析超導(dǎo)磁體在四種不同類型發(fā)電機中的應(yīng)用原理，總結(jié)超導(dǎo)發(fā)電機的特性;結(jié)合目前5種實用化超導(dǎo)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(dǎo)材料繞制樣機中的超導(dǎo)磁體，并論證了所選超導(dǎo)材料的適用性和可行性。
　　根據(jù)超導(dǎo)發(fā)電機的四種基本結(jié)構(gòu)，分析了這四種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu);針對所選MgB2超導(dǎo)線圈的電磁特性，根據(jù)已知參數(shù)和約束

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

5、出了超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程，并將優(yōu)化前后樣機的性能進(jìn)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(zhì)的優(yōu)缺點，結(jié)合本課題的具體情況選擇出適合本文的低溫媒質(zhì);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(fù)雜程度、成本以及選擇的冷卻媒質(zhì)，選擇出合適的冷卻方式;通過分析圓筒真空層導(dǎo)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(jù)優(yōu)化后的尺寸制作超導(dǎo)磁體，并搭建了測試平臺;然