非均匀高温超导体传输交流损耗研究

《非均匀高温超导体传输交流损耗研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、非均匀高温超导体传输交流损耗研究内容提要：由于高温超导（HTS）材料在电传输领域应用中所产生的交流损耗直接影响到高温超导设备的安全稳定运行，且交流损耗也是该设备运行时所产生的主要损耗，因而一直受到各国研究人炅高度重视。然而目前交流损耗计算模型中均未充分考虑到高温超导体所具有的临界电流密度非均匀分布的性质及材料所具有的各向异性，故对高温超导体传输交流损耗的实验结果并不理想。本文进一步探究该领域所缺失的内容，基于高温超导体材料所具有的层状结构提出了将高温超导体临界电流密度非均匀分布的形式和材料各向异性同时考虑进传输交流损托计算公式的推导过程中。为了更加精准的模

2、拟真实运作情况下的高温超导体的传输交流损耗，我们将推导出在外加直流磁场下的高温超导体临界电流密度呈指数型的非均匀分布传输交流损耗计算公式，通过该公式进行高温超导体传输交流损耗值的预测并与已有实验结果及前人所得结论进行对比。关键字：高温超手体（HTS）材料，交流损耗，指数型临界电流密度分布，各向异性一.引言1.1超导体超导体是指某些具有在一定的低温（4.2K）条件下呈现出电阻为零且排斥磁力线的性质的材料。［1］零电阻效应和迈斯纳效应（完全抗磁性）是超导体的基本物理现象，这也是我们研宂超导体的主要原因。最初，超导材料必须通过使其处于不易处理的液氮环境中才能维系

3、其零电阻效应和迈斯纳效应的性质。否则，该材料便会变成一般导体，不具备更高的使用价值。［21然而随着铜氧化物超导材料的发现，我们获得了具有更高的超导临界温度的超导体材料,突破了超导材料的“温度壁垒”，该材料也被我们称为髙温超导体（HTS）材料。［3］当然,高温超导体材料所具有的临界温度是相对的，与其最初的临界温度（4.2k）相比已然是有着极大的提商。而随着岛温超导材料的发现，人们在超导材料的广泛应用和实验研宄方而取得极大的进步，诸如交流超导发电机、超导输电线路、超导量子干涉仪、超导悬浮装置、超导磁约束聚变反应堆等［21都匕运用到我们生活的方方而而。1.2苟温

4、超导体的传输又流损耗交流损耗,是超导体传输交变电流时或处于交变磁场屮或存在电磁扰动时所产生的损粍宏观角度，是由于变化的磁场在超导体中产生的感生电场引起的：微观角度，是由于量子化磁通线的粘滞运动而产生的。而交流损耗在物理本质方面可划分为磁滞损耗、涡流损耗和耦合损耗；在其损耗产生条件下可划分为外场损耗和自场损耗。［4］随着高温超导体材料在电力应用上多为在外磁场环境下传输交变电流，进而上述的后两种损耗都要同时考虑到。［5lrti于高温超导体（HTS）材料在电力应用方面要求其应具有较小的交流损耗和较高的稳定性，而交流损耗的产生一方而会使制冷系统的负担加重，另一方而

5、会引起超导装置运行的不稳定［61故商温超导体交流损耗的大小直接影响到超导装置运行时的效率，运营成木，安全性及稳定性。所以,交流损耗是高温超导设备设计时所考虑的一个重要参数，减小交流损耗则是超导应用研宄的重要P、j容之一。因此，预测与计算传输交流损耗伉则变得I•分重要。传输损耗计算的传统方法來自于Norris方程所推导的矩形和椭圆型横截面的传输交流损耗计算而得出的。［7］随后，人们对于交流损耗值的研宂又扩展到了具有更复杂几何形状的高温超导体材料上，如椭圆状的、条带状的和中空圆筒状的。W这些研究大多是建立在临界状态的模型基础之上的，即假设当前的电流密度是均匀分

6、布的且仅能达到两种数值：0或即临界电流密度。1.3高温超导体的各向异性巾于高温超导体的层状结构决定了该材料的传输交流损耗与该材料的各向异性有着密切的关联。该性质的产生源自于钉扎力及宽厚比，体现在宏观上便是由于变化的角度的外加磁场导致该材料的临界电流密度的变化。［9］而高温超导体传输交流损耗的计算是以临界电流密度为出发点的，因此各向异性的研究是关于商温超导体材料性质所研究的另一个侧重点。然而我们经常会得到与理论上的预测相违背的临界状态模型的实验数据。这意味着我们必须考虑到非均匀分布的特征和材料所具有的各向异性。而一些计算超导体传输损耗的分析方法或是把在超导体

7、材料横截面上不均匀分布的考虑在内，h7_2（）1或是将因具有层状结构的高温超导体的各向异性考虑在内，进而分别提出了各自的相关计算方法。［14_16］但鲜有山现关于将两者情况共同璩括在传输交流损耗的计算式推导过程中。而本文将创新地提出在考虑高温超导体临界电流密度分布不均匀和其所具有的各向异性的同时引入指数型临界电流密度分布形式进行高温超导(HTS)传输交流损耗值的计算，最后与已有实验结果进行对比验证。一.高温超导体的交流损耗计算基本方法2.1各向异性下超导体传输交流损耗(ACloss)计算我们设定一个半径长为％的儿何圆柱形超导线材，且该线材的轴线坐落在柱面坐

8、标的Z轴上。而该线材的长度I被设定为使其具有足够的长度以避免末端效