【摘要】：高溫超導電機具有高功率密度、高效率的優(yōu)勢，是高溫超導材料應用的一個重要領(lǐng)域，可以廣泛應用于船舶推進、風力發(fā)電、飛輪儲能等多個領(lǐng)域中，具有重要的學術(shù)研究價值和經(jīng)濟應用前景�，F(xiàn)有的高溫超導電機多利用高溫超導線圈作為轉(zhuǎn)子的勵磁線圈，以提高電機磁負荷的方式來提高電機的功率密度，這種結(jié)構(gòu)的高溫超導電機的冷卻溫度低（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)復雜。本文針對現(xiàn)階段高溫超導電機的研究現(xiàn)狀和高溫超導線材的性能水平，提出一種具有高溫超導電樞繞組的高溫超導永磁同步電機系統(tǒng)，開展其高溫超導線材及定子超導電樞繞組特性的研究，突破高溫超導線圈在復雜磁場條件下載流能力下降、超導永磁同步電機設計和制造的關(guān)鍵難點問題。 本文首先針對普通永磁同步電機極限輸出轉(zhuǎn)矩的理論和試驗進行分析，揭示了永磁同步電機極限功率與其電、磁負荷之間的影響關(guān)系，得到了限制永磁同步電機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的功率密度與效率。將高溫超導線材/線圈的載流特性規(guī)律引入到傳統(tǒng)電機學理論中，通過數(shù)值解析方法得到高溫超導線圈表面磁場密度，揭示了高溫超導永磁同步電機定子電樞繞組臨界電流的影響因素，進而得到了超導電樞繞組類同步電機相似性類比方法。通過銅繞組超導永磁同步樣機的試驗和有限元仿真結(jié)果，驗證了超導電樞永磁同步電機類比方法的正確性，為高溫超導永磁同步電機的研制奠定了理論基礎。 針對YBCO高溫超導線材在復雜變化磁場環(huán)境下的交流載流特性進行了研究。在美國Superpower公司的SCS12050超導線材性能的基礎上，建立了高溫超導線材復雜磁場條件下臨界電流測試平臺。通過此平臺分別對YBCO高溫超導線材進行了不同幅值的恒定外加磁場、不同幅值和頻率正弦磁場條件下的線材交流載流特性進行了試驗研究，通過試驗數(shù)據(jù)，揭示了高溫超導線材在復雜磁場環(huán)境中的交流載流特性規(guī)律，為高溫超導線圈的特性及高溫超導電機的研發(fā)奠定了試驗基礎。 分析高溫超導電樞繞組永磁同步電機定子槽內(nèi)的磁場分布特性，針對這種分布特性，提出了一種磁場調(diào)制方法，可以有效減小高溫超導線圈表面垂直磁場的分布，從而提高高溫超導電樞繞組的載流能力，進一步提升高溫超導永磁同步電機的功率密度。建立不同結(jié)構(gòu)、不同尺寸參數(shù)的高溫超導繞組磁場調(diào)制方法的有限元模型，通過有限元軟件的分析和計算，揭示高溫超導線圈磁場調(diào)制方法的結(jié)構(gòu)參數(shù)與線圈表面磁場、槽漏磁場之間的影響規(guī)律。磁場調(diào)制方法的仿真數(shù)據(jù)表明，該方法可以降低高溫超導線圈表面垂直磁場4倍左右。根據(jù)分析計算的數(shù)據(jù)，研制高溫超導線圈和相應的磁場調(diào)制作用的導磁片，通過在液氮溫度（77K）下的測量，，驗證了具有磁場調(diào)制方法的超導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，提升了高溫超導線圈的性能。 研制一套等效高溫超導電機槽內(nèi)磁場環(huán)境的高溫超導線圈測試系統(tǒng)，通過該測試系統(tǒng)測試了繞制的12個高溫超導線圈，測試結(jié)果表明繞制完成的高溫超導線圈在液氮溫度下（77K）的臨界電流均為250A左右，達到了預先的設計指標。 通過上述理論和試驗研究，揭示具有高溫超導電樞繞組的超導永磁同步電機電磁功率同其電、磁負荷之間的規(guī)律，提出具備高電樞電流承載能力的超導同步電機電負荷選取策略及超導電樞繞組永磁電機相似性類比方法；明確高溫超導線材/線圈在復雜磁場條件下的載流能力規(guī)律，提高高溫超導電樞繞組的載流能力，突破超導同步電機高溫超導電樞繞組的關(guān)鍵技術(shù)，推進高溫超導材料在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的應用。
【圖文】：

第I類超導體臨界磁場

圖 1-3 文獻[25]中得到的交、直流磁場下 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[18]中得到的 Bi 系高溫超導帶材臨界電流與交、直流磁場的關(guān).1-4 Curve of Bi superconductor between critical current and constant and alternmagnetic field in [18]- 6 -
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM341

【參考文獻】

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1 唐紹棟;高溫超導交流同步電動機——一種理想的艦船推進動力設備[J];船電技術(shù);2004年01期

2 李亞旭,李琳;美國1000 hp高溫超導電動機[J];船電技術(shù);2005年01期

3 王銀順,趙祥,許熙,肖立業(yè),林良真,魯光輝,惠東,戴少濤;高溫超導帶材的臨界電流各向異性的實驗研究[J];低溫物理學報;2003年S1期

4 王超,黃暉,宋守森,張博,楊明,王秋良;Bi-2223/Ag高溫超導帶臨界電流各向異性的實驗測量及分析[J];低溫物理學報;2004年03期

5 曹永青;張正臣;李曉航;肖立業(yè);;Bi—2223帶材在拉伸應力下的臨界電流[J];低溫與超導;2006年05期

6 ;美國艦用36.5MW高溫超導推進電機成功完成滿功率試驗[J];船電技術(shù);2009年07期

7 ;世界第一臺1000—HP高溫超導電機研制成功[J];電器工業(yè);2001年03期

8 ;36.5兆瓦高溫超導船舶推進電機[J];軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品;2009年03期

9 王麗芝,祁爍;彎曲對B_i-2223/Ag帶材臨界電流I_c的影響[J];沈陽化工學院學報;2003年01期

10 徐曉燕;;美國超導公司研制的36.5MW高溫超導電機通過工廠驗收測試[J];稀有金屬快報;2007年09期

本文編號：2525244