超导限流储能系统的磁体结构优化

超导限流储能系统(SFCL-MES)的能量以磁场的形式存储在超导磁体中,因此漏磁场对于变电站的电磁干扰问题成为影响其应用的关键问题之一.文中对用于SFCL-MES的多种磁体结构的漏磁场进行了分析与优化,以选择合适的磁体构型,便于SFCL-MES安装在变电站中.首先对于超导限流储能系统磁体的漏磁场进行了勒让德多项式分析.在此基础上,对于多种磁屏蔽型磁体构型,包括同轴同心、轴向排列、轴线平行组合磁体结构,以减小漏磁场和所用的超导线材最少为目标,给出了优化模型,并采用序列二次规划(SQP)方法对模型进行求解.最后对优化结果进行了比较分析.     

超导限流储能系统的磁体结构优化

超导限流储能系统(SFCL-MES)的能量以磁场的形式存储在超导磁体中,因此漏磁场对于变电站的电磁干扰问题成为影响其应用的关键问题之一。文中对用于SFCL-MES的多种磁体结构的漏磁场进行了分析与优化,以选择合适的磁体构型,便于SFCL-MES安装在变电站中。首先对于超导限流储能系统磁体的漏磁场进行了勒让德多项式分析。在此基础上,对于多种磁屏蔽型磁体构型,包括同轴同心、轴向排列、轴线平行组合磁体结构,以减小漏磁场和所用的超导线材最少为目标,给出了优化模型,并采用序列二次规划（SQP）方法对模型进行求解。最后对优化结果进行了比较分析。     

跑道型高温超导磁体的磁场解析计算模型

基于均匀电流密度假设和毕奥-萨伐尔定律，该文建立了三种计算跑道型高温超导磁体磁场的解析模型。通过有限元仿真和实验测量验证了解析模型的有效性，对比分析了三种解析模型的计算精度和效率。基于解析模型，探究了椭圆段和电流密度穿透深度对跑道型超导磁体磁场分布的影响，揭示了自洽模型的磁场边界大小对超导磁体临界电流估计值的影响规律。该文建立的磁场解析模型能够准确快速地计算复杂形状超导磁体和常导磁体的磁场，可进一步应用于磁体电感、临界电流、交流损耗和电磁力等参数的计算，以提升磁体电磁设计效率。     

基于磁-路耦合分析法的高温超导环形储能磁体电磁优化设计

高温超导磁储能(HTS-SMES)系统可将运行温区提高到20~77K,极大地降低了制冷成本。高温超导储能磁体作为HTS-SMES系统的核心部件,其电磁优化设计显得尤为重要。应用REBCO涂层导体,采用储能密度大、漏磁场小的环形磁体构型,利用磁-路耦合分析方法,对高温超导环形储能磁体开展设计研究。提出一种基于Matlab与COMSOL联合进行高温超导环形储能磁体电磁优化的设计方法,分析了环形储能磁体在运行工况下的磁感应强度及漏磁场情况,得到了给定总用线量以及一定运行温度下储能量所能达到的最大环形储能磁体结构参数。优化结果表明,在总用线量和运行温度一定的条件下,不同单元线圈数目的环形储能磁体所能达到的最大储能量差别较小,而且随着单元线圈数目的增加储能量呈现先增加后减小的趋势。利用该电磁优化设计方法,能使环形储能磁体的储能量得到较大的提高,在寻找储能量最大值所对应的结构参数计算方面效果良好。     

变压器箱体涡流损耗的三维有限元分析

建立了电力变压器漏磁场及箱体涡流损耗的计算模型,计算了变压器箱体的涡流损耗分布,提出了减少箱体涡流损耗的电磁屏蔽和磁屏蔽方法.     

磁导航外科手术用改进型四极磁体优化设计

磁导航外科手术系统是一种利用外界磁场引到药物或其他治疗手段在患者脑部完成复杂外科手术的一种全新的治疗手段.根据该系统对磁体的特殊要求,本文提出了一种改进型四极磁体结构,将采用球坐标系下目标场法推导出的电流密度分布重新进行了工程近似和优化,建造完成了工程上易于实现的具有恒定电流密度分布的球形四极磁体模型.与先前磁外科手术系统采用的普通螺线管磁体相比,该结构的磁体具有较大的磁场梯度和较好的梯度均匀性,同时还有较小的电感.在实验室已经用铜导线完成了上述改进型四极磁体的建造和相关的测试工作.     

电磁脱扣器动态特性的仿真

借助于三维场分析软件ANSYS,对各种常用电磁脱扣器建立了三维有限元模型,通过分析其磁场分布,用磁场分割的方法并经过拟合后,得到计算气隙磁导和漏磁导公式.用此计算公式结合已有的磁路法,实现各种形式的电磁脱扣器的动态特性仿真.     

梯形Halbach永磁阵列空心直线同步电动机特性的解析计算与优化

提出了一种新型的双边不对称梯形永磁空心直线电动机。首先使用等效磁荷法建立了梯形单块磁体的三维空间磁场解析模型,再由叠加原理得到双边Halbach阵列空心电机的气隙磁密三维模型。在考虑线圈横向端部效应的基础上,推导出电机运行过程中的反电动势与电磁推力的表达式。利用解析模型分析了梯形磁体阵列气隙磁密谐波分布的规律,并对其进行优化;三维有限元仿真结果表明所提解析模型具有较高的准确度,同时采用经过优化的梯形阵列定子,可以达到提高气隙磁密正弦性从而减小推力波动的目的。     

轴向磁通调速磁力耦合器漏磁系数分析计算与试验研究

针对有限元法求解漏磁系数不易把握、模型的建立和处理耗时等问题,应用区域划分法对磁力耦合器的漏磁导进行计算,进而克服了磁力耦合器漏磁系数难以估计所带来计算结果偏差大的问题。在分析了轴向磁通调速型永磁磁力耦合器结构的基础上,对磁力耦合器的主磁路径及漏磁路径进行划分;采用磁路法全面考虑了磁力耦合器内部三种不同漏磁路径;对磁力耦合器样机漏磁系数及电磁性能进行了计算;采用有限元方法进行了仿真分析,并设计制造了一台样机,最后搭建试验台进行了试验。仿真结果和试验结果都验证了解析计算方法的正确性和可行性,为后期该类产品的设计提供了参考。     

超导储能系统的磁屏蔽

以单螺管线圈为基础的超导磁体储能系统由于具有较大的漏磁场,使其应用范围受到了限制。本文比较了磁屏蔽的几种常规方法,提出了适合超导储能磁体的屏蔽方式－多螺管线圈系统,并将多螺管线圈系统和单螺管系统进行了主要性能上的对比,最后指出了多螺管线圈系统实际应用中还需解决的一些问题。     

高电流密度超导储能磁体的研制

分析了不同结构超导储能磁体的特点,针对储能量为MJ量级的超导储能磁体计算了漏磁场分布和超导材料的利用率,提出了储能为1 MJ的单螺管型超导储能磁体的设计方案。采用窄液氦通道技术,利用多芯NbTi/Cu复合超导线,研制了储能量为1 MJ的紧凑型超导储能磁体。磁体内径为439 mm,外径为600 mm,高为550 mm。在运行电流为305A时,磁体的最大磁场为4.9 T,中心磁场为4 T。对超导磁体的试验结果表明,磁体的最大运行电流为303 A,放电功率为100 kW。研制的超导储能磁体可作为恒压/恒功率放电的不间断电源的关键部件。     

基于磁场解析模型与遗传算法的轴向磁通永磁电机多目标优化设计

针对基于有限元法(FEM)的常规优化方法存在计算量大、耗时长的问题,提出一种磁场解析模型与遗传算法相结合的轴向磁通永磁电机(AFPMM)多目标优化设计方法,该方法能够在保证一定计算精度的前提下快速实现电机的优化设计.首先,将AFPMM从复杂的三维模型等效为二维模型,通过子域法得到了电机的磁场解析模型,利用麦克斯韦张量法...     

超导磁储能系统的序贯克里金优化方法

超导磁储能系统(superconducting magnetic energy storage,SMES)是超导应用研究的热点。SMES利用超导磁体的低损耗和快速响应能力,通过电力电子型变流器与电力系统相连,组合为一种既能为其储存电能又能为其释放电能的多功能电磁系统。SMES的先进功能主要体现于,它能大容量超低损耗的储存电能、改善供电质量、提高系统的稳定性和可靠性。该文以SMES的优化设计(IEEE TEAM Workshop Problem 22)为例,介绍了序贯优化方法和克里金(Kriging)统计近似模型在低维和高维、离散域和连续域优化问题中的应用。优化结果显示,该优化方法能在保证设计精度的前提下,极大降低有限元的计算量。如3参数优化问题中有限元的计算量比直接优化的1/10还要少;而8参数优化问题中有限元的计算量约为直接优化的1/3。从而该方法可广泛应用于电磁装置的优化设计问题。     

少稀土非对称永磁电机的分层多目标优化分析

针对传统稀土永磁电机稀土材料用量高、永磁磁场不易调节问题,本文提出了一种少稀土非对称混合永磁电机,采用两种不同永磁材料励磁以降低稀土永磁材料的用量,混合永磁材料的非对称放置结构设计以改善电机的电感性能,提升电机弱磁升速性能。针对该电机相对复杂的结构,提出基于参数敏感度的分层多目标优化设计。对电机进行了参数化建模,建立包含转矩、转矩脉动、反凸极比和铁耗的多优化目标函数。通过参数敏感度分析对众多尺寸参数进行分层筛选,针对主敏感参数采取多目标遗传算法优化,而次敏感参数则采用响应面与多目标自适应优化结合的方法确定电机最优的尺寸参数,并对电机优化前后的电磁性能进行了分析比较,验证了优化方法的可行性,为该类复杂结构电机性能的改善提供了更加丰富的优化设计方法。     

井下双位自锁式电磁铁参数优化及性能分析

针对井下的恶劣工作环境,为了降低电磁阀能耗,提出了一种利用永磁体自锁的电磁阀。为了提高电磁阀在工作过程中的性能,利用Ansoft Maxwell软件建立电磁铁的分析模型,并对模型进行有限元分析。分别考虑电磁铁衔铁在不同位置、永磁体不同长度情况下,电磁铁的自锁性能和抗振动的能力。针对不同长度的线圈以及衔铁的不同位置,对电磁铁的换向能力进行有限元分析,得到合理的线圈长度。仿真结果分析表明,井下自锁式电磁铁增加永磁体的长度有助于衔铁抗振动能力的提高,但会削弱电磁铁的换向能力。综合考虑上述因素,结合电磁铁的实际尺寸,得到永磁体长度和线圈长度的优化设计参数分别为3mm和21mm。     

复合结构混合永磁电机抗退磁性能分析及优化

针对传统稀土永磁电机的稀土永磁材料用量高的问题,本文提出一种由钕铁硼和铁氧体混合永磁的交替极加局部Halbach结构的少稀土永磁同步电机,分析了该复合结构混合永磁电机的结构特点。比较分析了该电机与传统一字型钕铁硼稀土永磁电机的电磁性能,并依据退磁特性建立了该电机的局部退磁有限元模型,通过磁路耦合联合仿真对电机多运行工况进行了仿真,针对高速弱磁和变载运行工况下电机局部退磁的性能损耗,以提高永磁体工作点和降低退磁率为优化目标,给出了该电机的抗退磁优化设计方案。仿真结果验证了所提电机结构的合理性,电机抗退磁性能较优化前提升了10.3%。     

有源屏蔽的超导核磁共振成象磁体的设计

本文提出了一种具有有源屏蔽的核磁共振成象(MRI)超导磁体的设计方法。主线圈和屏蔽线圈几何参数的配合应使磁场中的所有12次以下谐波完全消除,以满足MRI装置对磁场均匀度的要求。屏蔽线圈和主线圈的磁矩正好相互抵消,使离磁体较远处的杂散磁场基本消除,以满足对杂散磁场进行屏蔽的要求。屏蔽线圈径向和轴向尺寸的确定综合考虑了屏蔽效果、超导线用量、屏蔽线圈和主线圈间电磁作用力以及低温容器结构尺寸的影响。文章给出了一个设计实例。     

Electromechanical energy conversion in a system with a bulk high-temperature superconductor. Part 1. Mathematical simulation of processes

Features of energy conversion in the linear electromechanical vibration device with an element made of high-temperature superconducting (HTS) material are considered. A disk-shaped permanent magnet with axial magnetization moves inside a fixed circular coil, and a ceramic HTS element, also disk-shaped, is fixed at a distance from the permanent magnet. All converter elements are arranged coaxially. The HTS element transitions into a superconducting state in the magnetic field of the permanent magnet. The purpose of the investigation is to find the effect of the HTS element effect on the static and dynamic parameters of the converter by comparing the operation of the device with the HTS element and without it. Mathematical models are developed for the calculation of dynamic characteristics of the device in the Matlab/Simulink software environment for electrical and mechanical subsystems. The connection between the subsystems is defined by functions of flux linkage of the coil and the electromagnetic force, which are obtained by the analysis of the electromagnetic field by the method of spatial integral equations taking into account HTS material properties. A combined model of HTS material properties is proposed with two sources of magnetic fields (magnetization and current density), which is more universal than current only models.     

屏蔽套材料对屏蔽式永磁同步电机电磁场和温度场的影响研究

针对单向耦合法分析屏蔽式永磁同步电机电磁场和温度场时计算精度低的问题,提出了一种磁热双向耦合法。首先,建立了磁热耦合计算模型。其次,采用双向耦合法分析了屏蔽套材料对电机性能的影响,并与单向耦合计算结果进行了比较。最后,建立了电机三维模型,利用有限元软件进行了电磁场和三维温度场分析。研究结果表明所提的磁热双向耦合计算方法可以有效提高电磁场和温度场的计算精度,此外屏蔽套采用不导电不导磁材料可有效提高屏蔽式永磁同步电机效率,降低电机温升。这不仅为屏蔽式永磁同步电机的设计提供了参考,同时对于保证电机高效和可靠运行具有重要意义。