外界磁场对两种YBCO超导带材临界电流及n值影响分析

为掌握钇钡铜氧(YBCO)高温超导带材在不同种类和大小的外界磁场环境下的基本特性,针对AMSC和Superpower制备的两种不同的YBCO超导带材(超导带材Ⅰ和Ⅱ)在不同磁场强度及角度下的Ic及n值进行实验测量和计算,分析了外界磁场变化对Ic及n值的影响。采用在液氮环境下改变超导带材的外界磁感应强度及角度(0～0.9T,0～90°),在交直流背景磁场下,应用直流超导电源给超导带材加载流并测量带材两端的电压,获得两种YBCO高温超导带材的Ic(1μV/cm)及n值(0.1～1.5μV/cm)。由实验结果可知,虽然两种超导带材的Ic及n值都随外界磁场强度的增大而减小,但是无论是在直流背景磁场还是在交流背景磁场下,带材表面与磁场的夹角对超导带材Ⅰ特性的影响要小于超导带材Ⅱ,超导带材Ⅰ的稳定性要好于超导带材Ⅱ。     

循轨摩擦振动执行器的运行机理和特性分析

循轨摩擦振动执行器是在电磁系统与机械弹簧共振系统的耦合作用下进行工作的,其内部系统非常复杂,难以用数学表达式来描述磁场与电磁力、电压、电流、速度之间的关系。为了能够准确计算永磁式循轨摩擦振动执行器的运行特性,采用三维有限元法计算电磁推力和磁链,通过数据网络法实现永磁式循轨摩擦振动执行器的场-路-运动的耦合仿真。分析了不同驱动方式下圆形运动轨迹的圆度误差和合成电磁力特性;研究了电压源驱动下的运行特性。     

超导电力设备中YBCO超导带材不均匀性对载流特性的影响

随着第二代高温超导带材技术的发展,YBCO超导带材在超导电力应用中愈加广泛。但超导电力设备中依然存在像制备或运行过程中产生的内部缺陷等影响超导体稳定性的因素,对超导电力设备的运行可靠性产生影响。为研究超导电力设备中超导带材的内部缺陷造成的不均匀性对带材载流特性的影响。先通过磁探针扫描法研究了带材应力型缺陷对临界电流密度的不均匀退化的影响,并通过建立缺陷仿真模型与扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscope,SEM)微观照片分析了临界电流退化的机理。随后通过实验研究了宏观缺陷的不均匀性对超导带材载流特性的影响趋势。结果表明,超导带材在应力下产生的内部缺陷会造成超导带材临界电流的退化与不均匀性,主要原因是由超导层结构损伤造成的临界电流密度退化与微裂纹造成的超导通流面积降低造成的。超导带材的载流能力不仅受到局部临界电流退化程度的影响,更是受到沿电流方向优先失超区域面积的影响。所得研究结果可以为超导带材的制备与超导电力设备的载流设计提供有益的参考。     

BI-2212超导圆筒热学特性测试及有限元分析

感应屏蔽型高温超导故障电流限制器的动态测试实验中，在故障期间，Bi-2212超导圆筒处于磁通流动状态并出现电阻，处于交变磁场中的超导圆筒的内部，有大量的感应电流产生，焦耳热引起超导圆筒温升，使限流器的阻抗不断上升，进行超导圆筒的热学性能测试和分析，对研究限流器故障阶段阻抗的变化及故障后限流器的恢复具有重要的意义。该文通过对有银皮包套的超导圆筒和没有银皮包套的超导圆筒在通过大电流(大于临界电流Ic)时温度变化的测试及有限元分析计算，得到了样品分别在液氮和77K氮气中温度的变化和分布。结果表明，银皮包套对超导圆筒的温升有很大影响，超导圆筒的中心温度高于边界温度，超导圆筒温度的恢复时间大约为3s，与限流器动态测试中的恢复时间相同。     

小型飞轮储能系统高温超导磁悬浮轴承

介绍了采用氧化物超导体钇钡铜氧(YBCO)准单畴块材作为定子构件、钕铁硼永磁体作为转子构件的立式全超导磁悬浮轴承初步研究结果。其中,转子系统由转轴、永磁体和飞轮共同组成,在三相调频感应电机驱动下,转子系统最高试验转速可达15 000r/min。初步测试结果 (0~200Hz)显示,在转动频率f0接近25Hz系统发生共振,共振时转子最大径向摆动约为±170?m。在35~200Hz范围内转子运行状态稳定,最大径向摆动约为±50?m。实验结果显示,超导磁悬浮轴承转动损耗主要来自磁滞损耗和涡流损耗,而磁场分布不均匀性与超导定子材料的磁通蠕动可能是导致转动损耗的主要原因。     

二代高温超导带材失超特性研究

高温超导带材失超会降低其通流能力，从而影响高温超导装置的运行稳定性。目前，高温超导带材失超仿真模型多为二维计算模型，无法准确模拟其失超过程中的电磁热行为。该文采用有限元方法对二代高温超导带材失超特性进行多物理场耦合分析。在三维直角坐标系下，以磁场强度矢量为求解变量，建立了二代高温超导带材失超演化电磁热仿真模型，研究了二代高温超导带材长度方向与宽度方向在不同热扰动工况下的电磁热特性及其演化过程，分析了高温超导带材过电流失超过程中的各层分流状况与超导层电阻率变化行为，区分了不同类型的过电流失超行为，并提出了高温超导带材过电流冲击失超的电阻率判据。     

配永磁机构真空断路器操动时间分散性的预测模型与影响因素研究

针对现有模型存在的难以实现多场充分耦合的问题，提出了一种对配永磁机构真空断路器动作时间进行预测的新模型。该模型考虑励磁变化和运动部件速度效应带来的涡流影响，实现了永磁操动机构的复杂机械运动、电子瞬态电路与瞬态磁场的多场耦合分析。基于该模型，对某型号配永磁机构真空断路器的动作时间进行了预测，实验证明所提方法是正确的。在此基础上，利用模型分析了励磁电压、环境温度、铁心材料和励磁方式等因素对永磁操作机构动作时间分散性的影响，并研究了各因素对动作时间分散性的影响机理。     

轴式松耦合变压器的热行为特性及影响因素

松耦合变压器作为感应耦合式无线电能传输技术的核心部件,在电能传输过程中产生的热效应会使其温度迅速上升,从而影响其电气性能和使用寿命。针对轴式松耦合变压器的运行特点,研究了松耦合变压器内部温度的分布特征及其热行为的多个影响因素。首先建立了松耦合变压器基于互感结构的电路模型与磁场模型,而后建立了松耦合变压器的热模型,对其产热、散热过程进行分析,并在此基础上实现了基于有限元分析的电磁场-热场耦合;最后根据耦合结果对轴式松耦合变压器内部温度分布进行了分析,并研究了其稳定温升的影响因素。     

牵引电机轴向空冷通风冷却温度场分析

重型装备尤其是采矿、农业、施工和材料处理行业使用的机器，其复杂性正在迅速提升，永磁材料和电机制造技术的进步，永磁无刷直流电机的功率密度不断提高。这意味着电机的电磁负载不断增加，热负载急剧上升，电机的热设计变得越来越重要。本文以某大型矿用电动车轮牵引电机为例，基于流体力学以及传热学理论，结合电机通轴向风性能以及结构特点，建立了电机三维流动与传热耦合求解的有限元模型；并给出基本假设与相应的边界条件，通过计算电机内部的电磁场和温度场，采用有限体积法对三维流体场和温度场控制方程进行耦合，不需要假定模型之间的换热系数边界条件，能够获得更加精确的温升及冷却结果。在此基础上，分析了不同工况下的电机温度场。这种新的分析方法将有助于电机的散热优化设计，为更大功率的电机综合物理场的准确计算提供了理论依据。     

基于"场-路耦合"分析的超导变压器绕组环流计算

由于超导材料的零电阻特性,绕组各支路间漏电抗微小的不平衡将会引起较大的环流,环流的存在使得磁场分布不均匀,进而影响交流损耗和临界电流。本文应用有限元软件ANSYS,采用“场-路耦合”的方法,计算了低压绕组五种不同情形的环流。研究表明,从减小环流和改善磁场分布考虑,圆筒式绕组较饼式绕组更适合需多根导线并绕的情况。     

永磁-永磁型双机械端口电机系统建模

首先对双机械端口电机进行了简单的介绍，分析了采用传统的建模方法存在着忽略两个气隙磁场耦合问题，提出一种考虑耦合的精确系统建模方法。接着以永磁－永磁型双机械端口电机为例进行了系统建模：首先根据绕组函数理论推导了这种电机在abc坐标系下的电感矩阵，得出abc坐标系下气隙耦合的数学模型；进而得到同步旋转坐标系下的数学模型。接着从能量的角度出发，推导了两个机械端口的转矩公式。最后，用仿真对传统模型和新模型进行了比较，结果证明新模型的准确性，同时看到内外两个气隙磁场的耦合对系统造成的影响不可以忽略。     

磁路互补型横向磁通切换直线电机电磁推力计算与特性分析

有铁心永磁直线电机由于齿槽、边端效应及电枢电流谐波等,不可避免地会产生较高的电磁推力波动,电磁推力波动直接影响直线电机运行精度和平稳性。该文对具有磁路互补特征的横向磁通切换直线电机展开电磁推力特性研究,通过等效磁路法分析其磁场分布规律,得出该电机次级具有等磁位的电磁特性;基于气隙磁动势-磁导分析方法,揭示互补磁路条件下,该有铁心电机消除齿槽推力波动,实现有铁心电机无齿槽效果的机理;基于该电机磁场分布特征,建立其许-克变换气隙磁场计算模型,提出定位力、电枢绕组磁阻力及永磁推力等电磁推力快速准确的计算方法,获得该电机各电磁推力特性;对样机进行了空载感应电动势和电磁推力的测试实验,对比实验和仿真结果,验证了理论分析模型及计算方法的有效性和准确性。     

基于全损耗计算的空心电力电抗器温度场研究

针对引发空心电力电抗器故障的局部过热问题,在二维和三维磁场有限元分析的基础上,计算空心电抗器的全部损耗——绕组内损耗和接线臂构架内的涡流损耗。其中绕组内损耗包括绕组电阻性损耗和绕组内的涡流损耗。以计算得到的全部损耗作为热源,结合空心电抗器的散热条件,建立空心电抗器内部温度场及周围流体场耦合有限元模型,对空心电抗器进行了二维和三维流场-温度场耦合计算,得到了电抗器各包封的温度分布,研究结果表明接线臂构架和撑条影响了电抗器的温升以及最热点位置,考虑全部损耗和散热条件的三维流-热耦合分析是十分必要的。     

HFO-1336mzz(E)应用于气体绝缘输电线路的温升特性研究

为得到新型环保气体HFO-1336mzz(E)应用于气体绝缘输电线路(GIL)中的温升特性，本文基于有限元方法建立磁场-传热场-流体场多物理耦合模型，仿真分析额定工况下GIL内部温度场分布，并研究缓冲气体类型、填充气压、混合比和运行电流对GIL温升的影响。结果表明：额定工况下GIL内部的温度场呈现上高下低的温度梯度分布规律，其中A相导体的温升比B相导体的温升高0.70℃，接地外壳的温升最小。在相同条件下，HFO-1336mzz(E)/CO₂混合气体中导体的温升仅比HFO-1336mzz(E)/N₂混合气体中的温升低0.38℃，考虑到HFO-1336mzz(E)气体分解后固体析出物的影响，选择CO₂作为缓冲气体比N₂更为合适。提高填充气压和混合比均能降低导体的温升，填充0.70 MPa的10%HFO-1336mzz(E)/90%CO₂混合气体导体的温升仅比填充0.50 MPa纯SF₆的温升高5.02℃。GIL导体和接地外壳的温升均随着运行电流的增大而增大，并...     

永磁同步电机永磁体状况在线监测

提出一种基于卡尔曼滤波器的永磁同步电机永磁体磁场状况在线监测方法。通过选择磁场同步旋转坐标系下定子电流和永磁体磁链为状态变量，构建估算转子永磁体磁链幅值和方向的卡尔曼滤波器。该方法能准确跟踪永磁体真实状况，对电机参数不敏感，鲁棒性强。基于动态估算的电机永磁体磁链，可为永磁同步电机控制系统实时提供准确的转子磁链信息，提高系统控制性能和效率。同时，基于永磁体磁场状况的动态监测，可防止永磁电机失磁状况的恶化，降低不可逆失磁程度，提高系统可靠性。实验结果验证了方法的正确性和有效性。     

基于场路结合的大功率直线超声波电机压电-热-结构多物理场分析

物理场分析对于大功率直线超声波电机的设计与优化至关重要,该文提出一种基于场路结合的超声波电机压电-热-结构多物理场解耦分析方法,解决了超声波电机传统多物理场分析方法无法兼顾分析效率与计算精度的问题。基于场的观点建立压电-结构耦合以及热-结构耦合有限元模型,基于路的观点构建定子电-振-热耦合损耗计算模型及其二维热网络模型,在此基础上通过超声波电机内部固有的电-振-热耦合效应实现压电-热-结构多物理场耦合分析,并实现了对多场耦合作用下电机作动性能、电气特性、温升特性以及关键部件机械强度的快速同步评估。利用该方法对一台V型定子大功率直线超声波电机进行理论建模与分析,仿真和实验结果表明,所提出的方法可为大功率直线超声波电机的多物理场分析及多场耦合优化设计提供理论参考。     

车用轮毂电机齿槽转矩和高能耗点效率优化

电动汽车轮毂电机内部属于多物理场非线性耦合系统,温升对电机的材料及电磁参数影响较大,为弥补磁-热场单向耦合的不足,建立了磁-热双向耦合模型。基于该模型,结合WLTP路谱图,得到功耗较高的工况点。针对电机转矩波动大及高功耗工况点效率不高的问题,设定降低气隙处齿槽转矩和提高高功耗区效率为目标,选取齿宽、槽深及气隙长度为变量,建立BP神经网络预测模型,通过NSGA-Ⅱ与纳什均衡进行了多目标组合寻优,得到最优结构组合。经实验与仿真验证,双向耦合方法提高了模型的仿真精度,多目标联合优化使得高功耗点效率提高了9.63%,齿槽转矩降低了39.6%。     

自起动永磁电动机的稳态转矩波动研究

由于自起动永磁电动机定转子双侧开槽、转子带有铸铝鼠笼,所以其谐波磁场比直流无刷电动机复杂.采用场-路-运动耦合的时步有限元方法对其稳态转矩波动现象进行研究,建立两种时步有限元计算模型对稳态转矩曲线进行分析.第一种模型包括转子运动方程,第二种模型不包括转子运动方程.分析表明采用两种模型计算谐波转矩的结果一致.采用第二种模型,通过加载基波或谐波电流,揭示了齿槽转矩、源于定子基波电流的谐波转矩及源于谐波电流的谐波转矩对稳态转矩波动的影响.通过与实测转矩对比验证了计算结果的正确性.     

分段供电双三相永磁同步直线电机电流解耦与扰动抑制

为减少电机输入端电压和驱动变流器容量,长定子永磁同步直线电机常采用定子分段方式供电,但是定子分段永磁同步直线电机会产生定子电感不平衡并导致电流耦合、动子过分段造成反电动势扰动和推力波动等问题。首先,推导了分段供电双三相直线电机电流控制环中电感不平衡导致的电流耦合和反电动势扰动的表达式,设计了一种反馈解耦补偿器对电流进行解耦,采用动态相对增益矩阵（DRGA）对参数失配下的解耦程度进行分析。在此基础上,设计一种二阶滑模扰动观测器,对由过分段导致的反电动势扰动与电机参数失配进行补偿,增强了电流环的抗扰特性,实现了精确的电流跟踪,有效降低了电机的推力波动。实验结果验证了电流解耦与扰动抑制有效性。     

电动汽车用永磁电机的失磁空间分布特性及影响因素

电动汽车用永磁电机普遍使用的高性能钕铁硼永磁材料在高温、强磁场等条件作用下易发生的不可逆失磁故障已成为该类电机高可靠性设计的主要瓶颈。针对电动汽车用永磁电机的失磁问题,该文利用永磁体虚拟分块方法,建立基于永磁体磁特性参数、工作温度、空间位置等变量的永磁体失磁分析模型;利用电磁场和温度场双向耦合的三维多物理场计算方法,研究了永磁电机失磁的空间分布特性及其影响因素。结果表明,永磁电机失磁空间分布存在明显的不均匀性。永磁体失磁分布规律受其工作温度、退磁电流幅值与角度等因素影响。最后,通过一台115 kW的永磁驱动电机样机在永磁体工作温度、转子表磁磁场分布、电机性能方面的测试,验证了该文所提分析方法和结论的准确性。