实用高温超导材料及其在电机中的应用

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1、国内图书分类号：TM26西北工业大学工学博士学位论文实用高温超导材料及其在电机中的应用博士研究生：白利锋导师：张平祥教授申请学位级别：博士学科、专业：材料学所在单位：材料学院答辩日期：2017年9月授予学位单位：西北工业大学Classifiedindex：TM26DissertationsubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofPhilosophyStudyonPracticalHighTemperatureSuperconductingMaterialsandtheAp

2、plicationsinMotorsPh.DCandidate：BAILifengAdvisor：ProfessorZHANGPingxiangDegreeAppliedfor：DoctorofPhilosophySpecialty：MaterialsScienceSchool：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofOralDefence：September，2017UniversityConferringDegree：NorthwesternPolytechnicalUniversity摘要摘要超导电机是最重要的

3、超导强电应用之一，它具有体积小、重量轻和效率高的特点，在船舶电力推进、风力发电、大型工业电机、电动汽车等领域具有广阔的应用前景。可用于超导电机的实用化高温超导材料主要有Bi2Sr2Ca2Cu3O10（Bi-2223）和YBa2Cu3O7（YBCO）涂层导体。针对超导电机对超导材料高载流性能和高机械性能的要求，对Bi-2223高温超导带材制备工艺进行了改进。首先将前驱粉末制备方法从传统的基于共沉淀的双粉制备方法改为喷雾热解制备方法与共沉淀单粉制备方法，通过对粉末制备工艺和带材热处理制度进行优化，改善了粉末的均匀性，提高了Bi-2223带材的载流性能，带材临界电流达到

4、了125A。另外，引入了银合金包套内氧化工艺，提高了银合金包套的硬度，促进了超导粉末和金属包套的协同变形，提高了芯丝密度，改善了晶粒连接性，进一步提高了Bi-2223带材的载流性能。最后，通过在带材表面电沉积金属Ni对Bi-2223进行加强，60μm的Ni镀层可以将带材的临界拉应力从110MPa提高到215MPa。YBCO涂层导体作为二代高温超导材料是可应用于超导电机的另一种材料体系。本论文研究了低成本化学溶液方法制备YBCO涂层导体。在缓冲层研究方面，研究了NiW衬底特性、衬底热处理和薄膜生长过程中气流方向对缓冲层外延生长行为的影响。研究发现：织构锐利度高的衬底

5、才能生长出取向良好的La2Zr2O7（LZO）缓冲层；对衬底进行氩氢气氛退火处理有利于缓冲层的外延生长；气流方向平行于NiW衬底轧制方向更有利于增强缓冲层薄膜的织构锐利度。在新缓冲层探索方面，开发了新型双钙钛矿Ca2NiWO6单缓冲层，在其上外延生长出了具有良好c轴取向的YBCO超导层，简化了涂层导体缓冲层的结构。在YBCO超导层研究方面，对化学溶液沉积中前驱溶液制备、低温热解和高温晶化等流程进行了研究，对走带速度、水汽分压和氧分压等参数进行了优化，实现了辊到辊方式化学溶液法YBCO超导层的动态制备。基于目前Bi-2223带材的性能，通过优化设计，研制出了2kW高

6、温超导爪极直流电机。设计了新型爪极定子结构，使电机只需要单个螺线管型高温超导线圈就能产生多个磁极，减小了超导材料在直流电机中应用的复杂性；利用Bi-2223高温超导线圈励磁，成功消除了直流电机的励磁损耗，有效地提高了电机的效率。I西北工业大学工学博士论文研制了适合同步电机应用的运动斑点磁通泵，用数值计算的方法分析了磁通泵工作过程中的电压时间积分，阐明了磁通泵的工作机理。在此基础上，应用YBCO涂层导体研制出了新型磁通泵励磁的高温超导同步电机，该电机成功避免了常规超导同步电机中电流引线漏热带来的损耗问题，有望进一步提高超导同步电机的效率。关键词高温超导材料；高温超导

7、电机；高温超导爪极直流电机；磁通泵励磁高温超导同步电机；Bi-2223；YBCO涂层导体；磁通泵IIAbstractAbstractSuperconductingmotorisoneofthemostimportantpowerapplicationsofsuperconductingmaterials.Comparingwithtraditionalmotors,thesuperconductingmotorsexhibitthecharacteristicsofsmallersize,lighterweightandhigherefficiency.Super

8、condu