高温超导带材交流损耗的数值计算与分析

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1、万方数据低温与超导第34卷第6期超导技术SuperconductiVi妙Cryo．＆SuperconV01．34No．6高温超导带材交流损耗的数值计算与分析张晶晶，李敬东，唐跃进，雷海，杨志(华中科技大学超导电力科学与技术研究与发展中心，武汉430074)摘要：高温超导带材在许多领域得到越来越广泛的应用。交流损耗计算对于高温超导带材具有重要意义。该文介绍了两种交流损耗的数值计算模型，并以其中一种模型为例，对带材的交流损耗进行计算，与No玎is公式计算结果作了比较，证明结果有效。最后提出了交流损耗数值计算中存在的问题。关键词：超导带材；交流损耗；

2、数值计算模型Numericalcalcllla廿onandanalysisofAClossinlliglltemperatIlresuperconductiIlgtapesZhangJin舀ing，“Jingdong，TaJlgYuejin，LeiHai，YangZhi(R&DcenterofAppliedSuperconducting，HuazhongU11ivers毋ofScienceandTechnolog)r，WuhaII430074，China)Abstract：Hightemperaturesuperconductingtapesh

3、avebeen11sedmoreandmoreina10toffields．ThecalculationofAClossinthet印eswiⅡmakegreatsensetothepracticaluse．ThisarticleintroducestwocaIculationmodels，百veaex锄pleofthecalculationresultwhichaccoTdsweuw洫theNorrisequ出on，aIIdatlast，tablessomepToblemsaboutthenum瓿calcalculation．Keywords

4、：Superconductingtapes，ACloss，Numericalcalclllationmodel1引言近十几年来，高温超导带材在许多领域得到应用。国际上开始用它来制作高温超导电缆、变压器、储能磁体、磁推进系统和大电流引线。影响高温超导带材应用的关键因素之一是它的交流损耗。只有当交流损耗很低时，它的优越性才能很好地体现出来。所以国际上对高温超导带材交流损耗及其计算的研究力度开始加大。超导带材通过交流电流或是处在交变磁场中将产生交流损耗，交流损耗必然导致导体发热，如果热量不能及时排出，将使导体温度升高并使其临界电流下降。同时，由于导体

5、不断发热，所以制冷功率也需相应增大，这对超导装置的运行是很不利的。因此，在研制超导电力设备或装置之前，能够事先计算出运行中产生的交流损耗，则能够估算出所需制冷设备功率，进而估计出整个设备的运营成本，这对于高温超导带材的实际应用显然有着重要意义。2损耗机制交流损耗的产生的原因，从宏观角度来看，是由于超导带材通交变电流或处于变化的磁场中时，变化的磁场在超导带材中产生感生电场及感生电流密度，从而产生能量损耗；从微观的角度来看，交流损耗被认为是量子化的磁通线或全磁通的粘滞运动而产生的损耗。交流损耗一般分为下面三个部分：(1)磁滞损耗：这是由于交变磁场和

6、电流引起的。包括：磁通克服超导带材表面势垒引起的表面损耗；磁通在超导带材内运动克服钉扎势能的作用而产生的钉扎损耗；反向的磁通湮灭产生的湮灭损耗。表面损耗与湮灭损耗都很小，磁滞损耗主要是由超导带材的钉扎作用产生的；(2)涡流损耗：这是由于磁场变化在复合超导带材的基底感应出正常电流引起的；(3)自场损耗：这是由于超导带材中的电流变化引起的。本文所要介绍的两种超导带材交流损耗的数值计算模型，将这三部分损耗一起计算，这样得到的结果不会对实际利用产生影响。收稿日期：2006一09—0r7作者简介：张晶晶(1980一)，男，硕士研究生，主要从事超导带材交流

7、损耗计算的研究。万方数据第6期超导技术Superconductiv蚵·457·3数值计算模型数值计算模型是基于MaXweU方程组，一般很难求出其解析解，通常采用有限元法或有限差分法进行数值计算。结合具体情况对MaxweU方程组进行变换，以简化求解过程是十分重要的。由于三维模型过于复杂，目前的数值计算模型大多是二维的，即基于超导带材的横截面建立的模型，横截面为衫平面，轴向为石向(如图1)。模型通常假设：(1)超导带材在夥平面内是有限的，即宽和高都是有限长，但沿z方向无限长；(2)超导带材中电流密度，和超导带材内电场强度E都只有z分量；(3)计算中

8、要用到E一‘厂模型。E一‘厂模型是根据大量的实验数据得到的超导带，r、“，r、n一1材中电场E和电流密度．，的关系。常用的一种是E(．，)=Ecl辛1