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电枢超导型高温超导电机性能受电枢参数的影响探究

2020-05-25 484 上传者：管理员

摘要：高温超导材料存在背景磁场依赖性和各向异性的问题,针对超导感应电机采用双层绕组结构,提出了双重镜像法建立开口矩形槽内漏磁场垂直方向和水平方向的解析模型,利用该模型研究了超导线圈在传输不同电流情况下磁场分布规律,揭示了开口矩形槽电磁结构参数对槽内超导线圈所受表面磁场的影响规律。研究结果表明,适当增大槽宽尺寸可以有效降低超导线圈表面所受最大磁场,传输电流和线圈匝数均能够近乎线性增大超导线圈表面所受最大磁场。

关键词：
双重镜像法
开口矩形槽
电机
表面磁场
超导感应电机
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1、引言

高温超导电机具有高可靠性、高功率密度和高效率的优势。但传统上超导电机大部分都是在转子结构上采用超导线圈或超导块材来发挥永磁体的作用,在电机高速运行时转子上的高温超导线圈或块材会承受较大的离心力,导致超导材料临界电流下降,影响超导电机的性能,此外转子冷却系统需采用动密封结构,导致电机的结构进一步复杂化而限制了转子的高速运行[1,2,3,4]。因此提出电枢超导型高温超导感应电机可以解决这些问题,实现高功率密度、高效率、冷却简单和成本低的需求。

将高温超导线圈应用到感应电机电枢绕组中,能大幅的降低电机在通入大电流时所引起的绕组铜耗,提高电机的功率密度。但是高温超导材料是氧化物陶瓷材料,具有晶粒特性和强烈的各向异性,特别是受背景磁场的影响下,其临界电流可能会出现大幅的降低,从而影响了超导线圈的载流能力与交流损耗,严重影响了电机的稳定性[5,6,7,8]。

本文所研究的电枢超导型高温超导感应电机的定子仍是采用常规铁心结构组成,超导绕组仍需要放在定子槽内,槽内漏磁场是影响超导线圈临界电流的重要因素。因此,针对这个问题,结合本电机结构参数,采用双重镜像法建立电枢超导型高温超导感应电机槽内漏磁场解析模型,分析电机电枢槽和超导线圈的结构参数对电机的性能影响,为电枢超导型高温超导感应电机设计提供理论依据。

2、高温超导材料临界电流各向异性

本文中,超导电机所采用的超导材料是美国AMSC生产的YBCO带材,其性能参数如表1所示。超导带材受垂直方向磁场的影响程度相对于水平方向磁场更为敏感,但是在超导电机中,超导材料在定子槽内所受磁场并不是全部水平方向或者垂直方向,因此,我们通过实验测量了此带材在77K液氮环境下,不同角度的背景磁场下,带材临界电流的变化趋势,如图1所示。

表1电机电磁结构参数

图1AMSC超导带材临界电流变化曲线

由图1可知,随着背景磁场的逐渐增大,带材本身所允许的临界电流值是逐渐降低的。在低于0.1T的背景磁场下,AMSC的临界电流几乎不受背景磁场角度的影响,随着背景磁场的增大,越靠近水平方向的时候,高温超导带材各向异性表现越明显,但是当磁场远离水平方向逐渐向垂直方向移动的时候,可以发现,超导带材的临界电流也基本不受背景磁场的角度的影响。因此,设计超导电机中,应当充分考虑槽漏磁场及其方向的影响,尽量减小垂直于超导线圈带面的磁场分量,提高超导带材的利用率,减小超导绕组的交流损耗。

3、超导电机定子槽内漏磁场的特性分析

将高温超导线圈放置于电枢超导型高温超导感应电机中的定子槽内时,槽内磁场会严重影响超导线圈的载流能力。在本文超导电机中,定子采用双层超导绕组排列在开口矩形槽内,为分析方便,假设电机内部槽型角度均为直角,绕组按照槽中心对称排列,取槽中心线作为y轴,以避免过为复杂的数学变换。超导电机单个槽内的简化示意图,如图2所示。

图2超导电机单个定子槽内的简化示意图

在超导电机通入交流电正常工作时,由于超导槽内上下层绕组几乎每时刻流入的电流都不一样,如果简单采用镜像法求解槽内磁场的话,必然变得求解繁复,因此,在本文中采用双重镜像法可以有效解决多层线圈不同载流情况下的问题。假设铁磁边界磁导率趋向无穷大,超导线圈内电流方向垂直纸面,向量磁矢位A仅有z方向,将槽内载流导体对x和y方向的两组镜面来回反射,就可以得到一个关于x轴和y轴都具有周期性的电流密度分布J(x,y)。

因此,可以将此具有双重周期性的电流密度分布展开成x和y的双重傅里叶级数:

公式1

在所研究的整个区域内,可以认为全部空间被此电流密度级数所充满,于是在整个区域内,可以列出一个统一的泊松-拉普拉斯方程:

公式2

式中

公式3

其中,J1和J2分别是下层超导线圈和上层超导线圈内的电流密度,bs和h分别是槽宽和槽高,bcoil和hcoil分别是线圈的宽度和高度,h1和h′1分别是下层线圈下底面和上底面到槽底的距离,h1和h′2分别是上层线圈下底面和上底面到槽底的距离。

而整个区域内的向量磁矢位Az也将为一双重傅里叶级数,求解方程(2)可得:

公式4

在研究中,假设的边界条件为:

(1)设μFe=∞,则磁力线与槽壁垂直,即

公式5

(2)超导线圈以y轴为中心对称,所以

By(x=0)=0(6)

(3)在槽顶处磁场设为纯水平方向,即

By(y=h)=0(7)

根据以上假设条件,可得:

公式8

根据以上公式可以得到槽内磁场沿着x方向和y方向得磁场分布:

公式9

公式10

本文超导电机的电磁结构参数,如表1所示。由于超导线圈在不同时刻的电流并不一定能相同,将上下层线圈分别假设为电流同大小同方向、同大小反方向和不相等反方向三种情况,来分析槽内磁场分布情况。根据公式(9)和(10),结合超导电机电磁结构参数,绘制不同情况电机定子槽内磁场分布,如图3所示。

由图3可知,在槽两侧和槽底上磁力线均垂直铁芯壁,这与上面的槽内漏磁场解析方法假设一致。当上下层超导线圈传输电流相同时,槽顶和上下层之间的磁力线接近水平外,其余各处的磁力线均为曲线,并在下层线圈中形成一个“核点”。槽内漏磁场的最大值出现在上层线圈上表面,即槽口处的线圈,“核点”处的磁场最小。当上下层超导线圈传输电流方向相反时,无论上下层线圈传输电流大小是否相等,在上下层线圈内部均出现“核点”。下层线圈传输电流小于上层线圈传输电流时,上层线圈的“核点”向线圈内部渗透,即使得磁场的最小值往线圈内部渗透。此外也可以看出,当上下层超导线圈传输电流相反时,槽内磁场的最大值仍发生在线圈表面,线圈传输电流大小相等时,磁场最大值发生在上层线圈的下表面和下层线圈的上表面;上层线圈传输电流大小是下层两倍时,上层线圈磁场分布均有对称性,最大值发生在上下表面,而下层线圈最大值仅发生在上表面。而且随着这三种情况的变化,槽内漏磁场最大值也变得越来越小。

图3双层绕组槽内漏磁场分布

槽内漏磁场作用于超导线圈,特别是垂直超导线圈表面的漏磁场会严重影响超导线圈的载流能力,因此结合以上分析,计算了三种情况下,超导线圈所受磁通密度x分量和y分量的分布云图,即垂直方向和水平方向,如图4、5和6所示。

由图5所示,当上下层超导线圈传输电流相同时,磁通密度垂直方向分量最大值出现在上层线圈上表面,而下层线圈下表面几乎为0;水平方向分量具有上下左右对称性,左右呈现两侧磁通密度大中间小的分布特点,很明显垂直方向的最大值大于水平方向的最大值。

图4上下层电流相同时超导线圈内磁场分布

图5上下层电流大小相等方向相反时超导线圈内磁场分布

图6上层电流是下层电流2倍方向相反超导线圈内磁场分布

由图5和6所示,当上下层超导线圈传输电流方向相反大小相等时,水平方向分量仍具有左右对称性,上下呈180°反对称,呈现两侧磁通密度大中间小的分布特点,垂直方向分量最大值分别出现在上层线圈下表面和下层线圈上表面,垂直方向的最大值大于水平方向的最大值;当上层超导线圈传输电流是下层线圈两倍但方向相反时,水平方向左右对称,上层线圈磁密很明显大于下层线圈,垂直方向磁密也是上层磁密大于下层磁密,最大值出现在线圈表面,仍是垂直方向的最大值大于水平方向的最大值。

由以上分析可知,超导线圈的每一种传输电流情况对线圈所受磁场的影响均不同,符合电机正常运行的状态,这对超导电机磁场的分析具有一定的理论意义。

4、电枢结构参数对槽内超导线圈表面磁场的影响规律

根据以上分析,当上下层超导线圈传输电流相同时,超导线圈所受的最大垂直磁场最大,因此以此种情况进行研究电枢结构参数对超导线圈表面磁场的影响规律。根据公式(9)和(10),结合图2可知,超导线圈所受槽内漏磁场主要与J1、J2、bs、h、h1、h2、hcoil、bcoil等参数有关,其中hcoil是超导带材的宽度,因此为常数,bcoil是与超导线圈匝数有关的变量,J1、J2即相当于超导线圈的传输电流大小。

4.1开口矩形槽尺寸对线圈表面磁场的影响

保持线圈的匝数和传输电流不变,分别改变开口矩形槽的槽宽和槽高,观察超导线圈所受表面最大磁场的影响情况。

如图7所示,是开口矩形槽的槽宽由21mm逐渐增加到40mm时,上下层超导线圈水平方向和垂直方向最大磁密的变化情况。由图可知,随着槽宽的增大,上层超导线圈和下层超导线圈的垂直方向磁场均显著降低,而水平方向磁场却不断增加。上层超导线圈垂直方向磁场由槽宽21mm时的0.385T减小到40mm时的0.234T,减小了39.2%,水平方向磁场由21mm时的0.009T增加到40mm时的0.065T,增大了86.2%;下层超导线圈垂直方向磁场由槽宽21mm时的0.194T减小到40mm时的0.129T,减小了33.5%,水平方向磁场由21mm时的0.011T增加到40mm时的0.163T,增大了93.3%。

保持槽宽不变,改变开口矩形槽的槽高,从42mm逐渐增大到60mm,观察上下层超导线圈表面磁场的变化情况(如图8所示)。由图可知,当开口矩形槽的槽高不断变化时,上下层超导线圈所受表面磁场均变化不大,即开口矩形槽槽高对超导线圈表面磁场的影响基本可以忽略。

图7开口矩形槽宽与超导线圈所受最大磁场之间的关系曲线

图8开口矩形槽高与超导线圈所受最大磁场之间的关系

通过以上分析可以看出,在本文中,超导电机所采用的定子开口矩形槽在小于36mm槽宽时,可以通过增大槽宽的尺寸有效降低超导线圈表面所受最大磁场,对于超导线圈的稳定运行和实际槽内安装都具有很大的优势。

4.2传输电流和匝数对线圈表面磁场的影响

保持开口矩形槽的槽宽和槽高不变,改变超导线圈的传输电流大小和线圈匝数,观察超导线圈所受表面最大磁场的影响情况。

图9超导线圈最大磁密与传输电流和线圈匝数关系云图

如图9所示,是超导线圈匝数由2逐渐增加到60,线圈传输电流由10A逐渐增大到100A时,上下层超导线圈所受最大磁场的变化情况。由图可知,当超导线圈匝数和传输电流均不断增大时,其上下层超导线圈所受最大磁场均几乎呈线性增大,上下层超导线圈的变化趋势基本一样。因此,在超导电机设计时,增大传输电流和增大线圈匝数对于超导线圈表面所受最大磁场均具有促进的作用。

5、结论

电枢超导型超导感应电机的超导绕组放在定子槽内,槽内漏磁场是影响超导线圈临界电流和交流损耗的重要因素,特别是超导线圈表面所受垂直磁场的影响。

本文分析了超导材料临界电流的各向异性,实验测量了不同角度背景磁场下,超导带材临界电流的变化趋势。针对槽内漏磁场对超导材料临界电流的影响,采用双重镜像法,建立了开口矩形槽的槽内漏磁场垂直方向和水平方向分布的解析模型。计算了超导线圈在传输电流同大小同方向、同大小反方向和不相等反方向三种情况下槽内磁场和线圈内磁场分布情况。计算结果表明,超导线圈磁场分布最大值均发生在线圈表面,当上下层线圈传输电流相同时,对超导线圈表面所受磁场影响最大。根据分析结果,着重研究了上下层超导线圈在传输电流相同时,超导线圈在槽内位置、开口矩形槽尺寸、线圈传输电流和线圈匝数等因素对槽内超导线圈所受表面磁场的影响规律。研究结果表明,开口矩形槽内线圈的位置对超导线圈所受漏磁场的影响基本可以忽略,但这种槽型也导致超导线圈所受最大磁场较大,不利于发挥超导线圈大载流能力的优势。适当增大槽宽尺寸可以有效降低超导线圈表面所受最大磁场,而槽高对其影响微乎其微。传输电流和线圈匝数均能够近乎线性增大超导线圈表面所受最大磁场。

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