本文關鍵詞：MJ級高溫超導儲能磁體機械特性研究

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【摘要】：隨著以YBCO為代表的第二代高溫超導材料制備技術及工藝的日趨成熟,高溫超導帶材性能也不斷提高,同時其價格逐步降低,為高溫超導磁體的實際應用提供了更加廣闊的前景,因為高溫超導儲能系統(tǒng)相比于低溫超導儲能系統(tǒng)的運行溫度更高,能很大程度上減小制冷系統(tǒng)的復雜程度以及制冷成本。相比于BSCCO帶材,YBCO各向異性弱,在液氮溫區(qū)和高磁場下有更好的載流性能,是設計中大型儲能磁體的良好選擇。而單根帶材的載流能力有限,設計中大型儲能磁體時通常為了保證磁體電感不能太大而增加磁體響應時間需要使用多根超導帶材復合而成的帶材。儲能磁體的設計需要綜合考慮電磁特性、機械特性、熱穩(wěn)定性等才能保證磁體的工作性能。本文基于不同復合導體對儲能磁體進行了設計和優(yōu)化,分析了平衡狀態(tài)下磁體的機械特性,提出了磁體結構加強措施,主要工作如下：首先,本文介紹了基于YBCO材料的高溫磁體設計中的磁場、電磁力以及應力應變的計算方法,介紹了商用有限元分析軟件ANSYS,重點介紹了其強大的電磁-結構耦合功能,提出了磁體設計及其相關問題的處理途徑,為磁體設計工作提供了一個基礎參考。其次,分析了幾種不同類型帶材和復合導體用于繞制高溫超導儲能磁體的可能性及其優(yōu)劣,設計了由四層YBCO帶材組成的CORC型復合導體,根據(jù)已有數(shù)據(jù)計算得到了該導體的I-B曲線。第三,以磁體的電磁設計為核心,以節(jié)約超導材料和減小電磁力為目標進行了磁體的設計和優(yōu)化。利用MATLAB優(yōu)化工具箱和ANSYS磁場計算模塊聯(lián)合優(yōu)化的方式,給出了基于ROEBEL導體以及由四層YBCO帶材組成的CORC導體的磁體優(yōu)化設計方案,對比分析了使用不同導體所設計磁體的優(yōu)劣。最后,對所設計的磁體進行了應力應變分析,針對高溫超導儲能磁體受力危險區(qū)域提出了結構加強措施,并利用有限元軟件進行了數(shù)值仿真驗證,證明所提出的方法能在一定程度上增加磁體的機械穩(wěn)定性。
【關鍵詞】：高溫超導體 儲能磁體 優(yōu)化設計 機械特性 電磁力 應力應變 結構加強
【學位授予單位】：華北電力大學(北京)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM26
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-19
• 1.1 引言10-11
• 1.2 第二代高溫超導導體的研究及應用現(xiàn)狀11-14
• 1.2.1 第二代高溫超導帶材的發(fā)展現(xiàn)狀11-12
• 1.2.2 第二代高溫超導復合導體的研究及發(fā)展現(xiàn)狀12-14
• 1.3 高溫超導儲能磁體的發(fā)展與應用14-15
• 1.4 超導儲能磁體機械特性的研究現(xiàn)狀15-17
• 1.5 本文的主要研究內容17-19
• 第2章 高溫儲能磁體設計基礎19-27
• 2.1 引言19
• 2.2 電磁設計理論基礎19-22
• 2.2.1 磁體臨界電流確定方法19-20
• 2.2.2 電感計算20-22
• 2.3 結構設計基礎22-26
• 2.4 有限元軟件ANSYS26
• 2.5 本章小結26-27
• 第3章 高溫超導儲能磁體設計及優(yōu)化27-39
• 3.1 引言27
• 3.2 磁體優(yōu)化設計方法及步驟27-32
• 3.2.1 設計步驟27-30
• 3.2.2 設計方法30-32
• 3.3 基于ROEBEL導體的磁體優(yōu)化設計32-35
• 3.4 基于CORC導體的磁體優(yōu)化設計35-38
• 3.5 本章小結38-39
• 第4章 高溫超導儲能磁體應力應變分析39-50
• 4.1 引言39
• 4.2 磁體應力應變仿真分析方法39-40
• 4.3 磁體危險區(qū)域確定及結構安全準則40-42
• 4.4 磁體應力應變分析42-46
• 4.4.1 基于ROEBEL導體的磁體應力應變分析42-45
• 4.4.2 基于CORC導體的磁體應力應變分析45-46
• 4.5 降低磁體受力損害風險的方法46-49
• 4.6 本章小結49-50
• 第5章 總結與展望50-52
• 5.1 本文總結50-51
• 5.2 下一步工作展望51-52
• 參考文獻52-56
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術論文及其他成果56-57
• 致謝57

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本文編號：543994