發(fā)布時(shí)間：2019-08-10 12:54

【摘要】：高溫超導(dǎo)電機(jī)具有高功率密度、高效率的優(yōu)勢(shì)，是高溫超導(dǎo)材料應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域，可以廣泛應(yīng)用于船舶推進(jìn)、風(fēng)力發(fā)電、飛輪儲(chǔ)能等多個(gè)領(lǐng)域中，具有重要的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值和經(jīng)濟(jì)應(yīng)用前景�，F(xiàn)有的高溫超導(dǎo)電機(jī)多利用高溫超導(dǎo)線圈作為轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁線圈，以提高電機(jī)磁負(fù)荷的方式來(lái)提高電機(jī)的功率密度，這種結(jié)構(gòu)的高溫超導(dǎo)電機(jī)的冷卻溫度低（10K-50K），冷卻介質(zhì)為液氖或冷氣氦，且冷卻成本高、冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本文針對(duì)現(xiàn)階段高溫超導(dǎo)電機(jī)的研究現(xiàn)狀和高溫超導(dǎo)線材的性能水平，提出一種具有高溫超導(dǎo)電樞繞組的高溫超導(dǎo)永磁同步電機(jī)系統(tǒng)，開(kāi)展其高溫超導(dǎo)線材及定子超導(dǎo)電樞繞組特性的研究，突破高溫超導(dǎo)線圈在復(fù)雜磁場(chǎng)條件下載流能力下降、超導(dǎo)永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)和制造的關(guān)鍵難點(diǎn)問(wèn)題。 本文首先針對(duì)普通永磁同步電機(jī)極限輸出轉(zhuǎn)矩的理論和試驗(yàn)進(jìn)行分析，揭示了永磁同步電機(jī)極限功率與其電、磁負(fù)荷之間的影響關(guān)系，得到了限制永磁同步電機(jī)輸出特性的主要因素不是鐵心材料的飽和，而是由于定子電樞繞組的損耗。因此，本文提出利用高溫超導(dǎo)線圈代替普通的銅繞組線圈作為定子電樞繞組，以提升永磁同步電機(jī)的功率密度與效率。將高溫超導(dǎo)線材/線圈的載流特性規(guī)律引入到傳統(tǒng)電機(jī)學(xué)理論中，通過(guò)數(shù)值解析方法得到高溫超導(dǎo)線圈表面磁場(chǎng)密度，揭示了高溫超導(dǎo)永磁同步電機(jī)定子電樞繞組臨界電流的影響因素，進(jìn)而得到了超導(dǎo)電樞繞組類同步電機(jī)相似性類比方法。通過(guò)銅繞組超導(dǎo)永磁同步樣機(jī)的試驗(yàn)和有限元仿真結(jié)果，驗(yàn)證了超導(dǎo)電樞永磁同步電機(jī)類比方法的正確性，為高溫超導(dǎo)永磁同步電機(jī)的研制奠定了理論基礎(chǔ)。 針對(duì)YBCO高溫超導(dǎo)線材在復(fù)雜變化磁場(chǎng)環(huán)境下的交流載流特性進(jìn)行了研究。在美國(guó)Superpower公司的SCS12050超導(dǎo)線材性能的基礎(chǔ)上，建立了高溫超導(dǎo)線材復(fù)雜磁場(chǎng)條件下臨界電流測(cè)試平臺(tái)。通過(guò)此平臺(tái)分別對(duì)YBCO高溫超導(dǎo)線材進(jìn)行了不同幅值的恒定外加磁場(chǎng)、不同幅值和頻率正弦磁場(chǎng)條件下的線材交流載流特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，揭示了高溫超導(dǎo)線材在復(fù)雜磁場(chǎng)環(huán)境中的交流載流特性規(guī)律，為高溫超導(dǎo)線圈的特性及高溫超導(dǎo)電機(jī)的研發(fā)奠定了試驗(yàn)基礎(chǔ)。 分析高溫超導(dǎo)電樞繞組永磁同步電機(jī)定子槽內(nèi)的磁場(chǎng)分布特性，針對(duì)這種分布特性，提出了一種磁場(chǎng)調(diào)制方法，可以有效減小高溫超導(dǎo)線圈表面垂直磁場(chǎng)的分布，從而提高高溫超導(dǎo)電樞繞組的載流能力，進(jìn)一步提升高溫超導(dǎo)永磁同步電機(jī)的功率密度。建立不同結(jié)構(gòu)、不同尺寸參數(shù)的高溫超導(dǎo)繞組磁場(chǎng)調(diào)制方法的有限元模型，通過(guò)有限元軟件的分析和計(jì)算，揭示高溫超導(dǎo)線圈磁場(chǎng)調(diào)制方法的結(jié)構(gòu)參數(shù)與線圈表面磁場(chǎng)、槽漏磁場(chǎng)之間的影響規(guī)律。磁場(chǎng)調(diào)制方法的仿真數(shù)據(jù)表明，該方法可以降低高溫超導(dǎo)線圈表面垂直磁場(chǎng)4倍左右。根據(jù)分析計(jì)算的數(shù)據(jù)，研制高溫超導(dǎo)線圈和相應(yīng)的磁場(chǎng)調(diào)制作用的導(dǎo)磁片，通過(guò)在液氮溫度（77K）下的測(cè)量，，驗(yàn)證了具有磁場(chǎng)調(diào)制方法的超導(dǎo)線圈臨界電流提升了35%，在不增加額外的制冷成本和線材成本的條件下，提升了高溫超導(dǎo)線圈的性能。 研制一套等效高溫超導(dǎo)電機(jī)槽內(nèi)磁場(chǎng)環(huán)境的高溫超導(dǎo)線圈測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)該測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試了繞制的12個(gè)高溫超導(dǎo)線圈，測(cè)試結(jié)果表明繞制完成的高溫超導(dǎo)線圈在液氮溫度下（77K）的臨界電流均為250A左右，達(dá)到了預(yù)先的設(shè)計(jì)指標(biāo)。 通過(guò)上述理論和試驗(yàn)研究，揭示具有高溫超導(dǎo)電樞繞組的超導(dǎo)永磁同步電機(jī)電磁功率同其電、磁負(fù)荷之間的規(guī)律，提出具備高電樞電流承載能力的超導(dǎo)同步電機(jī)電負(fù)荷選取策略及超導(dǎo)電樞繞組永磁電機(jī)相似性類比方法；明確高溫超導(dǎo)線材/線圈在復(fù)雜磁場(chǎng)條件下的載流能力規(guī)律，提高高溫超導(dǎo)電樞繞組的載流能力，突破超導(dǎo)同步電機(jī)高溫超導(dǎo)電樞繞組的關(guān)鍵技術(shù)，推進(jìn)高溫超導(dǎo)材料在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。
【圖文】：

第I類超導(dǎo)體臨界磁場(chǎng)

圖 1-3 文獻(xiàn)[25]中得到的交、直流磁場(chǎng)下 Bi 系帶材的 E—I 特性曲線g.1-3 E-I characteristic curve of Bi superconducting wire in constant and alternamagnetic field in [25]圖 1-4 文獻(xiàn)[18]中得到的 Bi 系高溫超導(dǎo)帶材臨界電流與交、直流磁場(chǎng)的關(guān).1-4 Curve of Bi superconductor between critical current and constant and alternmagnetic field in [18]- 6 -
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM341

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2525244