超导电机复合材料的电磁力学行为研究

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1、分类号：O34密级：公开研究生学位论文论文题目（中文）超导电机复合材料的电磁力学行为研究Investigationofelectromagneticand论文题目（外文）mechanicalbehaviorinsuperconductingrotatingmachineandcompositematerials研究生姓名杨俣学科、专业力学·固体力学研究方向电磁固体力学与智能结构学位级别博士导师姓名、职称周又和教授，雍华东教授论文工作起止年月2015年9月至2018年12月论文提交日期2018年10月论

2、文答辩日期2018年12月学位授予日期校址：甘肃省兰州市原创性声明本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：日期：关于学位论文使用授权的声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰州大

3、学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。本学位论文研究内容：□可以公开□不宜公开，已在学位办公室办理保密申请，解密后适用本授权书。（请在以上选项内选择其中一项打“√”）论文作者签名：导师签名：日期：日期

4、：超导电机复合材料的电磁力学行为研究摘要超导电机是使用超导线材或带材取代传统导体而制造的电机，相比于传统电机具有高效率、低重量、低体积的优势。高温超导材料具有零电阻等优异的电磁性能，在电力传输、热核聚变反应堆、超导电机、超导磁体、超导储能设备等领域都有十分广阔的应用前景。超导电机中超导材料的非线性电磁特性使得数值模拟变得更加复杂和困难。超导材料通常运行在高磁场下并传输较大电流，其产生的交流损耗会增加冷却系统的工作负荷；在电磁体力和外加机械载荷的作用下超导材料可能发生变形甚至破坏，因此交流损耗和力学响应

5、是制约超导应用的两个重要因素，需要建立更加有效的数值模型来对其交流损耗及力学响应进行研究。本文针对超导电机复合材料在工程应用中的关键问题，研究了高温超导复合带材、线材以及电缆在外加磁场/传输电流情形下的临界电流、交流损耗及应力应变；建立了一种新的全超导旋转电机数值模型，计算分析了超导旋转电机运行中产生的交流损耗以及应力分布。首先，针对Bi2223复合带材在外加机械载荷下损耗的变化规律进行了研究。建立了弯曲应变下带材发生破坏的理论模型,考虑了Bi2223复合超导带材的热残余应变。使用有限元方法计算了带材

6、在不同外加磁场及传输电流下的电磁场分布和损耗，探究了外加弯曲应变对于损耗的影响。同时还分析了不同磁场和电流条件下，Bi2223带材芯丝几何结构对于损耗的影响。其次，研究了Bi2223复合带材芯丝组分比对于其电磁和力学行为的影响。基于临界态模型和自场效应，使用迭代方法计算了带有不同芯丝组分比的Bi2223复合带材自场下的临界电流，并利用变分不等式得到了电流及磁场的分布。通过二尺度展开法计算了不同芯丝组分比下的复合带材的均匀化等效弹性模量。结合有限元方法计算出带材在磁场下产生的磁致伸缩和应力-应变分布，并

7、讨论了带材中容易发生破坏的区域。再次，针对高温超导结构中的电磁及力学行为进行了研究。在超导电机中通常将线材或带材绕制成电缆或线圈结构，因此复杂的几何结构给计算增加了难度。分别研究了几种复杂结构如多芯结构的Bi2212超导圆线、电缆以及阵列结构的REBCO超导带材的电磁/力学行为。使用了基于临界态模型的最小磁能方法计算了这几种结构在不同外磁场/传输电流条件下的电流和磁场分布。给出了电I磁体力作用下结构内的应力-应变分布，探讨了不同磁场/电流条件下结构中应力变化规律和峰值位置。分析了几何结构对于超导体电磁

8、/力学行为的影响。最后，建立了一种新的全超导旋转电机数值模型并对旋转电机中的电磁和力学行为进行了分析。由于单一的数值计算方法较难研究带有旋转结构的超导电机，本文基于T-Aformulation和移动网格方法建立了一种新的数值模型。模型采用各向异性临界电流密度和幂次律E-J模型，引入了虚拟带材以计算超导线圈在磁场下的感应电流。将模型与现有的数值模型进行对比以验证其有效性，结果吻合得较好。结合有限元方法，以电磁体力作为载荷计算出超导线圈的应力分布。针对全超导