面向高温超导块材电机应用的原位脉冲磁化研究

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REBCO(RE=Y,Gd,Sm,Nd等)准单畴高温超导块材具有独特的自稳定悬浮特性和强大的磁通俘获能力,在超导飞轮储能、超导磁悬浮列车和超导电机等领域具有巨大的应用潜力。超导块材主要的磁化方式有场冷磁化和脉冲磁化两种:场冷磁化通常使用超导磁体产生穏恒磁场对样品进行磁化,磁化效果好,但成本高,而且不能实现原位磁化;脉冲磁化通过电容器给铜螺线管线圈通入脉冲电流产生脉冲磁场对样品进行磁化,具有设备简单,成本低,磁化速度快,可以原位磁化等优点,是一种更加实用的磁化方式。当前,脉冲磁化过程中磁场和超导体的相互作用机制、磁通动力学过程尚不清晰,系统中冷却和磁化的物理实现也有很多难点,这些是实现超导块材应用的瓶颈问题。针对上述关键问题,本论文的主要研究内容和结果如下:(1)自主设计和搭建了一套包括脉冲磁场发生、样品固定冷却和磁通密度动态测量的实验装置,用以系统地研究超导块材在脉冲磁场下的磁化特性以及磁通密度的动态变化。脉冲磁场峰值最高达到9.3 T,且与充电电压具有良好的线性关系,可以实现磁场幅值的精细调控。(2)系统地研究了钇钡铜氧块材磁体的磁化过程,对比了超导块材在场冷磁化和脉冲磁化两种方式下的磁化效果。研究表明,在77 K下脉冲磁化的俘获磁场可以达到场冷磁化的95%。(3)根据实际应用场景,进行了两块样品组合的脉冲磁化研究,揭示了脉冲磁化过程中相邻样品对于磁通穿透过程及俘获磁场的影响。研究结果显示,相邻样品的磁屏蔽效应使得连接位置磁通密度提高,改变了磁通穿透样品的过程。不均匀的磁通穿透以及热量的产生,影响了样品的局域临界电流密度。组合样品的俘获磁场略小于单块样品的俘获磁场。(4)对基于高温超导块材的准永磁电机进行了原位磁化测试和运行测试。该电机转子包含4个磁极,每个磁极由12块钇钡铜氧块材组成。实验采用液氮对超导转子进行循环冷却,并通过定子绕组产生脉冲磁场,实现了超导转子的整体原位磁化。
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