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金属匝间高温无绝缘线圈原理分析

2020/03/24 阅读:

摘要:为了减少高温超导无绝缘线圈的充电延迟,采用金属材料作为线圈的匝间添加层。同时,利用有限元仿真软件COMSOL分别建立了普通无绝缘线圈和金属匝间无绝缘线圈的二维轴对称模型,对充电过程进行了仿真研究。仿真结果对比分析表明,具有金属匝间层的无绝缘线圈的充电延迟现象得到了明显改善,延迟时间由15s缩短到了2s。金属匝间层的引入,提高了无绝缘线圈的匝间接触电阻率,减少了充电时间的延迟,在需要快速响应的情形中,具有金属匝间层的无绝缘线圈或许会表现出更好的性能。

关键词:高温超导无绝缘线圈;金属匝间层;有限元模型;充电延迟

1引言

由于超导材料具有损耗小、体积小、储能效率高等特点,目前已应用于电力电子、医疗、交通等各个重要领域。但是超导装置的超导性能需要在一定条件下才能实现,一旦其中一个条件不满足就会导致失超甚至导致系统故障,因此如何保证超导设备在恶劣的环境中稳定地运行已成为目前国内外研究的重要内容之一。无绝缘超导技术在这种环境下应运而生。1999年,俄罗斯学者正式提出无绝缘线圈(No-insulationcoil)的概念[1],无绝缘线圈即去掉匝间的传统有机绝缘材料的线圈,在充放电过程中,电流可分别通过切向方向的超导带材和径向方向的匝间接触电阻分向流动。稳定工作时,无绝缘线圈与传统的绝缘线圈性能完全一样,也不会因为匝间接触电阻产生损耗[2]。因此,无绝缘线圈具有更高的热稳定性、更快速的自我失超保护特性[3];同时,没有了有机绝缘层可以让超导线圈的体积更小,结构更加紧凑。此前关于无绝缘线圈的研究主要集中在无绝缘线圈的充放电特性以及失超保护方面,日本的北海道大学,早稻田大学,韩国的高丽大学,中国的上海交通大学等都在开展这方面的研究[4-10]。近年来,基于无绝缘线圈的大尺寸或高磁场磁体也已成功研制[11-14]。但是,由于无绝缘线圈匝间电阻的分流,宏观上表现为无绝缘高温超导线圈存在着充放电延迟的现象,这在实际应用中会有一定的限制与不便,因此也有待优化与改善。为了缩短高温超导无绝缘线圈的充电延时,本文采用金属材料作为高温超导无绝缘线圈的匝间添加层,所选取匝间金属材料应具有高的电学性能和高的机械强度,例如不锈钢、镍铬合金等。由于本文为仿真研究,因此仅设定等效匝间接触电阻率。基于二代高温超导带材,结合有限元软件COMSOLMultiphysics搭建了具有金属匝间层的高温超导无绝缘线圈的二维轴对称有限元均质化模型。分析了线圈在充电过程中充电电流以及磁场分布的变化,并与普通无绝缘线圈进行对比。结果表明,金属匝间高温超导无绝缘线圈相比普通无绝缘线圈的充电延迟明显减小,且只存在非常短暂的充电延迟现象。

2高温超导无绝缘线圈的基本原理

2.1高温超导无绝缘线圈基本理论模型

本文主要研究对象是单饼高温超导无绝缘线圈,其简化并联电路等效模型(SPEC,simplifiedparallelequivalentcircuit)[15]如图1所示。线圈中的电流主要有沿线圈环路流动的切向电流Iθ和沿匝间接触方向流动的径向电流Ir;Lself表示线圈自感,可以根据毕奥-萨伐尔定律计算得出;Rs主要由金属基带构成;Rsc为超导层电阻;Rc表示无绝缘线圈的等效径向电阻,主要来源是匝间接触电阻、超导带材本身的电阻等所有电阻之和。径向电阻是无绝缘线圈区别于传统绝缘线圈的最重要的特性参数,它与匝间接触电阻率Rct存在以下关系(1)其中rk表示第k个线圈的半径,h表示线圈在Z轴方向上的高度,即带材的宽度。匝间接触电阻率Rct忽略了带材的厚度,其单位是μΩ·cm2,可以通过瞬时放电实验获得。研究表明[16-17],无绝缘高温超导线圈在液氮环境温度下的匝间等效电阻率一般在10~90μΩ·cm2。

2.2高温超导无绝缘线圈的充电延迟

由于电感因阻碍电流的变化而产生感应电压,为了保持电压平衡,部分电流会通过匝间接触电阻分流,因此,高温超导无绝缘线圈的切向电流与充电电源电流之间存在延时,同时也导致了线圈磁场的延时现象。高温超导无绝缘线圈在充电过程中的损耗主要分为两个部分,即由匝间接触电阻产生的匝间损耗以及径向超导层产生的磁滞损耗。磁滞损耗主要是由切向电流和外部磁场相互作用产生的[18],而匝间损耗主要是由径向电流和匝间电阻决定的,具体计算公式如下:根据式(3)、(4)可知,提高匝间接触电阻率Rct,可以减小无绝缘线圈的充电延迟及匝间损耗。因此,本文提出了一种具有金属匝间层的高温超导无绝缘线圈,通过匝间金属层的增加来提高匝间接触电阻率,从而减小无绝缘线圈的充电延迟及匝间损耗。增加匝间金属层后,线圈匝间仍然是导电的,因此,也能保持无绝缘线圈的基本属性。

3仿真结果与分析

3.1带材基本参数

本文研究对象所选取的带材为上海超导科技股份有限公司ST-05-EL系列镀铜封装加强YBCO(氧化钇钡铜,YBa2Cu3O7),基本参数如表1所示。本文将无绝缘线圈等效模型与二维对称有限元模型相耦合,结合多物理场耦合仿真软件COMSOL对普通无绝缘线圈和金属匝间无绝缘线圈的充电过程进行了仿真。仿真过程中所用两种线圈分别为普通无绝缘线圈A,其等效匝间接触电阻率Rct=10μΩ·cm2,以及金属匝间无绝缘线圈B,其等效匝间接触电阻率Rct=100μΩ·cm2,其它通用参数如表2所示。

3.2充电过程

设置充电过程中的充电速率为k=1A/s,分别将线圈A和线圈B从0充电到40A。图2和图3所示分别为普通无绝缘线圈A和金属匝间无绝缘线圈B在充电时间为20s、30s、40s时充线圈截面磁场模的分布情况。可以看出,在充电过程中,随着时间增加,两个线圈的磁场都逐渐增大,并且线圈B比线圈A的磁场变化更明显,充电更快。图4和图5所示分别为普通无绝缘线圈A和金属匝间无绝缘线圈B在充电时间为40s—60s间充线圈截面磁场模的分布情况。进一步观察分析可以得知,当充电电流在40s时已经保持不变时,此时线圈A和线圈B的磁场都还在缓慢增加,这是无绝缘线圈不同于传统绝缘线圈的特性。由于匝间接触电阻的分流,高温超导无绝缘线圈的切向电流与充电电源之间存在延时,从而导致了线圈磁场的延时现象。大约在55s时,普通无绝缘线圈A的磁场上升到最大值并维持稳定,与充电电源之间存在约15s的延迟。而金属匝间无绝缘线圈B,大约在42s时其磁场已上升到最大值并维持稳定,与充电电源之间仅存在约2s的延迟。如图6所示,为充电过程中线圈A和线圈B的中心磁场随时间变化的情况,无绝缘线圈的中心磁场随着充电电流的增加而增加。并且,由于线圈的径向电流沿角度方向近似均匀,由径向电流感应产生的磁场呈现中心对称分布,可以相互抵消,因此线圈中心磁场主要由切向电流产生,且变化趋势一致。从图中可以看出,当充电电流稳定在40A后,中心磁场仍然处于上升阶段,大约在42s时,金属匝间无绝缘线圈B的中心磁场达到最大磁场,约530mT。而普通无绝缘线圈A的中心磁场在此刻约为480mT,并且仍继续上升。大约在55s时,线圈B的中心磁场达到最大值。图6普通无绝缘线圈A和金属匝间无绝缘线圈B在充电过程中中心磁场的变化情况Fig.6ThecenterfieldofcoilAandcoilB以上仿真结果表明,具有金属匝间层的高温超导无绝缘线圈,相比普通无绝缘线圈来说,充电延迟情况得到了明显改善,磁场变化的延迟时间由15s缩短到了2s。

4结语

本文分别对普通无绝缘线圈以及具有金属匝间层的无绝缘线圈建模,并且对两种不同线圈的充电过程进行了仿真。仿真结果表明,金属匝间高温超导无绝缘线圈,相比普通无绝缘线圈来说,充电延迟情况得到了明显改善。匝间金属层的增加,提高了匝间接触电阻率,从而减小了充电时间常数及匝间损耗。对于今后无绝缘线圈在不同领域的应用,具有一定的参考意义。例如在一些需要快速响应的情形中,具有金属匝间层的无绝缘线圈或许会表现出更好的性能。

作者:赖星宇 雷勇 汪鑫 李永凯 单位:四川大学电气工程学院 联发芯软件设计有限公司

金属匝间高温无绝缘线圈原理分析

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