【摘要】：近年來(lái),對(duì)于超導(dǎo)材料應(yīng)用于電力設(shè)備中的發(fā)展趨勢(shì)不斷增強(qiáng)。超導(dǎo)材料零電阻的特性能夠大大降低電力設(shè)備的損耗,極大的提高其工作效率,能夠更好的實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的目標(biāo)。然而,超導(dǎo)材料的應(yīng)用環(huán)境較為嚴(yán)格,低溫超導(dǎo)的工作溫度要求為4.2K的液氦環(huán)境,高溫超導(dǎo)的則要求77K的液氮環(huán)境,因此對(duì)于電力設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也帶來(lái)了挑戰(zhàn)。同時(shí),由于電力設(shè)備中存在復(fù)雜的電磁環(huán)境,不同方向、不同幅值的磁場(chǎng)都會(huì)導(dǎo)致超導(dǎo)材料的交流損耗(AC losses)的增加。而交流損耗的存在也會(huì)引起超導(dǎo)電力設(shè)備的運(yùn)行不穩(wěn)定、降低工作效率等。因此,對(duì)超導(dǎo)材料交流損耗特性的研究,尤其是對(duì)超導(dǎo)材料處于不同磁場(chǎng)環(huán)境下的交流損耗特性變化的研究具有十分重要的實(shí)際意義。本文主要對(duì)高溫超導(dǎo)帶材臨界電流及和交流損耗的各向異性進(jìn)行了研究,并且對(duì)測(cè)試帶材特性所需的跑道型背景磁體進(jìn)行了設(shè)計(jì)與加工制作。本文首先對(duì)高溫超導(dǎo)材料的分類(lèi)及其基本特性進(jìn)行了闡述,基于臨界態(tài)模型介紹了帶材臨界電流的場(chǎng)角依賴特性及其數(shù)學(xué)模型;對(duì)HTS的交流損耗產(chǎn)生原理及其分類(lèi)也進(jìn)行了詳述,同時(shí)對(duì)其自場(chǎng)下及直流外場(chǎng)下的交流損耗數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了介紹并利用相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)高溫超導(dǎo)帶材的電磁特性,基于H方程對(duì)帶材交流損耗數(shù)值計(jì)算的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了推導(dǎo)得到相應(yīng)的偏微分方程,并在多物理場(chǎng)仿真軟件中進(jìn)行了建模仿真;在仿真計(jì)算時(shí)不僅研究自場(chǎng)下交流損耗隨傳輸電流變化的影響,同時(shí)還在模型中加入了直流外場(chǎng),研究當(dāng)帶材處于特定幅值、特定角度下的直流外場(chǎng)HTS的交流損耗特性。為了能夠測(cè)量帶材在外場(chǎng)下的臨界電流及交流損耗特性,本文對(duì)新型的跑道型背景磁體進(jìn)行了設(shè)計(jì)制作。首先對(duì)跑道型亥姆霍茲線圈的空間磁場(chǎng)分布進(jìn)行分析得到空間磁場(chǎng)分布最優(yōu)化時(shí)的線圈尺寸。其次對(duì)其建模仿真,對(duì)線圈的尺寸參數(shù)進(jìn)行調(diào)整計(jì)算驗(yàn)證解析得到的線圈尺寸的最優(yōu)性。同時(shí),為了使帶材能夠更好的置于磁體中進(jìn)行不同背場(chǎng)強(qiáng)度及角度下的特性測(cè)量研究,本文還對(duì)磁體線圈骨架進(jìn)行了設(shè)計(jì),在線圈固定、帶材固定、角度變換等方面都進(jìn)行了設(shè)計(jì)。能夠?yàn)殚L(zhǎng)帶材提供一定磁感應(yīng)強(qiáng)度的背景磁場(chǎng),同時(shí)具備改變磁場(chǎng)與帶材之間夾角等功能。以跑道型背景磁體為核心,首先搭建了臨界電流測(cè)試平臺(tái),測(cè)量擬合得到樣品帶材的E-I特性曲線,利用電場(chǎng)判據(jù)法得到帶材的臨界電流值。并對(duì)不同背場(chǎng)強(qiáng)度、角度情況下的臨界電流特性進(jìn)行了對(duì)比分析。同時(shí)基于鎖相放大器測(cè)量法原理搭建了交流損耗測(cè)試平臺(tái),利用該平臺(tái)測(cè)量帶材樣品無(wú)外場(chǎng)下的自場(chǎng)損耗;也對(duì)處于直流外場(chǎng)下不同磁場(chǎng)幅值及角度對(duì)帶材的交流損耗特性影響進(jìn)行了測(cè)量分析研究。將測(cè)量結(jié)果與數(shù)學(xué)理論模型的解析值及仿真模型所得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證高溫超導(dǎo)帶材自場(chǎng)及外場(chǎng)下交流損耗計(jì)算公式及仿真模型的正確性。
【圖文】：

７邐長(zhǎng)絲逡逑圖２＿６第一代多芯復(fù)合高溫超導(dǎo)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋２－６邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｆｉｒｓｔ邋ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋ｍｕｌｔｉ－ｃｏｒｅ邋ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ逡逑ｈｉｇｈ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ逡逑（２）二代高溫超導(dǎo)帶材逡逑不同于一代高溫超導(dǎo)多絲芯結(jié)構(gòu)，第二代高溫超導(dǎo)帶材采用涂層技術(shù)，在薄逡逑的金屬帶上向外延伸形成多層結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)帶材。二代高溫超導(dǎo)帶材的結(jié)構(gòu)如圖２－７逡逑所示。逡逑銀（Ａｇ）穩(wěn)定層逡逑ｙｂｃｏ邋超導(dǎo)層■逡逑■邐邐？緩沖層逡逑哈氏合金基材逡逑＾銅（Ｃｕ）穩(wěn)定層逡逑圖２－７二代高溫超導(dǎo)帶材內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋２－７邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｓｅｃｏｎｄ邋ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋ｈｉｇｈ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ邋ｔａｐｅ逡逑導(dǎo)體內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)有穩(wěn)定層、超導(dǎo)層、緩沖層、基材等。穩(wěn)定層主要由Ｃｕ、逡逑Ａｇ等具有良好的導(dǎo)電性常導(dǎo)金屬組成，，在超導(dǎo)導(dǎo)體失超時(shí)，能有一定的分流作用逡逑防止大電流通過(guò)超導(dǎo)層對(duì)導(dǎo)體造成損傷，起到失超保護(hù)的作用；超導(dǎo)層中使用的逡逑是含稀土的鋇銅氧化物（ＲｅＢａ２Ｃｕ３０７，邋ＲｅＢＣＯ），邋Ｒｅ表示的是稀土元素，包括鈥逡逑（Ｈｏ）、釓（Ｇｄ）、釔（Ｙ）等，這種材料研制成本較低，且在液氮的工作溫度下逡逑有較高的上臨界磁場(chǎng)（７Ｔ），能夠使用高磁場(chǎng)的工作環(huán)境，不易失超同時(shí)具有較小逡逑的交流損耗。根據(jù)超導(dǎo)層應(yīng)用的稀土元素的不同，將二代高溫超導(dǎo)帶材分別命名逡逑為ＧｄＢＣＯ

（２）二代高溫超導(dǎo)帶材逡逑不同于一代高溫超導(dǎo)多絲芯結(jié)構(gòu)，第二代高溫超導(dǎo)帶材采用涂層技術(shù)，在薄逡逑的金屬帶上向外延伸形成多層結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)帶材。二代高溫超導(dǎo)帶材的結(jié)構(gòu)如圖２－７逡逑所示。逡逑銀（Ａｇ）穩(wěn)定層逡逑ｙｂｃｏ邋超導(dǎo)層■逡逑■邐邐？緩沖層逡逑哈氏合金基材逡逑＾銅（Ｃｕ）穩(wěn)定層逡逑圖２－７二代高溫超導(dǎo)帶材內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋２－７邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｓｅｃｏｎｄ邋ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋ｈｉｇｈ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ邋ｔａｐｅ逡逑導(dǎo)體內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)有穩(wěn)定層、超導(dǎo)層、緩沖層、基材等。穩(wěn)定層主要由Ｃｕ、逡逑Ａｇ等具有良好的導(dǎo)電性常導(dǎo)金屬組成，在超導(dǎo)導(dǎo)體失超時(shí)，能有一定的分流作用逡逑防止大電流通過(guò)超導(dǎo)層對(duì)導(dǎo)體造成損傷，起到失超保護(hù)的作用；超導(dǎo)層中使用的逡逑是含稀土的鋇銅氧化物（ＲｅＢａ２Ｃｕ３０７，邋ＲｅＢＣＯ），邋Ｒｅ表示的是稀土元素，包括鈥逡逑（Ｈｏ）、釓（Ｇｄ）、釔（Ｙ）等，這種材料研制成本較低，且在液氮的工作溫度下逡逑有較高的上臨界磁場(chǎng)（７Ｔ），能夠使用高磁場(chǎng)的工作環(huán)境，不易失超同時(shí)具有較小逡逑的交流損耗。根據(jù)超導(dǎo)層應(yīng)用的稀土元素的不同，將二代高溫超導(dǎo)帶材分別命名逡逑為ＧｄＢＣＯ，ＹＢＣ０等；緩沖層內(nèi)部也存在多層結(jié)構(gòu)，每層的材料有Ｙ２０３、Ａ１２０３、逡逑ＭｇＯ等等
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TM26

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2675777