三相行波磁场中高温超导磁体的力—磁—热特性研究

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1、国内图书分类号：TM359.4密级：公开国际图书分类号：621.3西南交通大学研究生学位论文三相行波磁场中高温超导磁体的力-磁-热特性研究年级2015级姓名龚天勇申请学位级别硕士专业电气工程指导教师马光同研究员二零一八年五月ClassifiedIndex:TM359.4U.D.C:621.3SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisRESEARCHONTHEFORCESANDTHERMO-ELECTROMAGNETICPROPERTIESOFHIGH-TEMPER

2、ATURESUPERCONDUCTINGMAGNETSIN3-PHASETRAVELLINGMAGNETICFIELDGrade:2015Candidate:TianyongGongAcademicDegreeAppliedfor:MasterSpeciality:ElectricalEngineeringSupervisor:Prof.GuangtongMaMay,2018西南交通大学硕士研究生学位论文第I页摘要高温超导直线同步电机具有推力密度高、能量损耗小、转弯半径大、爬坡能力强、质量轻且结构紧凑等优点，相

3、比于传统电机驱动，超导直线同步电机驱动不仅能够突破列车高速运行的限制，还能提高牵引系统的运行效率和稳定性，所以，高温超导直线电机在驱动高速轮轨列车甚至超高速磁悬浮列车方面具有很高的应用前景。目前，高温超导直线电机的电磁力特性已得到丰富研究，但对电机中高温超导磁体的电磁场与温度场分布规律研究还比较缺乏。为提高直线牵引电机中高温超导磁体的运行稳定性，促进由高温超导直线牵引电机驱动的高速轮轨列车或磁悬浮列车的发展，本文结合仿真建模、实验测试和解析计算的方法，对行波磁场中高温超导磁体的电磁力、交流损耗及温度分布规律展开

4、研究。首先，在d-q坐标系下推导了直线同步电机的电磁推力和法向力表达式；基于Maxwell方程组给出了电机的电磁场控制方程，建立起高温超导直线同步电机的有限元模型，研究了不同运行工况下电机的堵转电磁力、磁体内电磁场分布与交流损耗大小。然后，实验测量了扁平定子的磁场分布、电机的堵转电磁力及电机次级超导磁体内感应传输电流随气隙和定子电流频率的变化规律。基于Biot-Savart定律推导出了无铁芯定子电机的气隙磁场分布解析表达式；基于麦克斯韦应力张量与洛伦兹力公式推导出电机的电磁力表达式。解析计算了电机的气隙磁场分布

5、、堵转电磁力、空载电动势、同步电磁力等电磁特性；确定了行波磁场中超导线圈的临界电流，得到了超导线圈交流损耗随定子电流幅值和频率的变化关系。考虑并计算在无铁芯电机的初级或次级加入铁磁材料后电机的气隙磁场分布及电磁力大小；基于磁场的镜像原理，证明了在铁磁材料未饱和情况下，仍可以用解析表达式准确表征电机的磁场分布。考虑超导带材的多层几何结构、尺寸奇异性及各层材料的非线性热导率，建立了行波磁场中超导磁体电磁场与温度场之间的单向耦合模型，研究不同初始温度与改变定子电流频率时超导磁体内交流损耗大小，并根据初始温度与最终温度

6、曲线确定了超导磁体的工作温度范围。采用串并联等效电路原理求解了超导磁体的等效热导率，并基于均质化建模方法建立了行波磁场中超导磁体内电磁场与温度场之间的双向耦合模型，计算并总结了电机在启动和同步运行过程中超导磁体内交流损耗和温度场随时间的演变规律。关键词：直线牵引电机；高温超导磁体；均质化建模方法；毕奥-萨伐尔定律；电磁力；交流损耗；温度场西南交通大学硕士研究生学位论文第II页AbstractHighTemperatureSuperconducting(HTS)LinearSynchronousMotor(LSM

7、)withhighthrustdensity,lowpowerloss,greatlyturningradii,stronglyclimbingability,andlightqualityaswellascompactstructure,thantheconventionalonebecomesthepromisingpropulsionsystemforfuturehigh-speedrailtrafficandevenultra-high-speedvacuummaglevtrain,becausewhi

8、chisabletoovercomethemorehigh-speedchallengeandalsokeepthehighefficiencyandstabilityforthepropulsivesystem.Atpresent,althoughthestaticelectromagneticforceofHTSLSMhasbeenresearchedrichlyandgreatl