超導電機設計方案的研究.pdf

1、隨著人們對電機功率和電機性價比等要求的提高，傳統(tǒng)的電機設計理念受到了嚴重的挑戰(zhàn)。為了克服單機功率增大導致發(fā)電機體積和重量的增加，以及運輸、裝配等成本的增加，國內(nèi)外學者和技術(shù)人員已將目光投向維護成本低、損耗少的超導同步發(fā)電機。而超導材料，以及相應保溫設備的日益成熟，使在同步發(fā)電機中采用超導材料成為可能。
　　本文以50 kW超導同步發(fā)電機的電磁設計與優(yōu)化為題從超導材料的選擇、新型超導發(fā)電機的結(jié)構(gòu)設計。超導電機的氣隙磁場強度的理論分析

2、和數(shù)值計算，以及借助仿真實驗的優(yōu)化設計等方面進行了系統(tǒng)的研究。提出了一種超導同步發(fā)電機整體架構(gòu)確定、各部分材料選取、超導發(fā)電機初始建模，以及氣隙磁場優(yōu)化等完整的設計流程與方法，并對各部分的可行性進行了論證。研究結(jié)果表明本文提出的設計流程與方法，可為大功率超導同步發(fā)電機的設計提供優(yōu)異的借鑒。主要工作如下:
　　1、首先針對超導同步發(fā)電機整體結(jié)構(gòu)、各部分選材進行了分析與歸類，確定了超導同步發(fā)電機的基本外形與結(jié)構(gòu)。其次，在參考目前較為常

3、用的超導線材NbTi，YBCO，Bi-2223，MgB2的物理特性的基礎上，從電機電磁角度對超導發(fā)電機的超導材料選材條件進行了分析;同時對這些常用超導材料的工程加工特性進行了對比，給出了超導材料MgB2作為勵磁繞組的優(yōu)勢和超導線材的其他選材依據(jù)。
　　2、根據(jù)超導材料MgB2的工作特性，提出了三種可行的制冷方案并根據(jù)實際情況制定了一種適用于本次50 kW超導同步發(fā)電機設計的制冷方案。詳細說明了制冷結(jié)構(gòu)對超導同步發(fā)電機電磁設計產(chǎn)生的

4、影響。并根據(jù)上述影響進行分析給出了超導同步發(fā)電機定子的部分結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)。
　　3、為了簡化超導電機的設計過程，根據(jù)Maxwell電磁場理論以及超導同步發(fā)電機特殊結(jié)構(gòu)特性，提出了一種用于估算超導電機氣隙磁場強度幅值的方法（初始建模法）。
　　4、將初始建模法與商用電磁場有限元計算軟件的仿真結(jié)果及傳統(tǒng)磁路法結(jié)果做了對比，驗證了初始建模法計算結(jié)果的可靠性。并將該方法用于驗證超導同步發(fā)電機初始模型是否滿足設計要求的過程中。同時該方

5、法可以作為簡化后續(xù)有限元優(yōu)化過程的一種手段。
　　5、在驗證超導同步發(fā)電機初始模型滿足設計要求之后，利用商用電磁場有限元計算軟件建立初始模型，并基于灰色系統(tǒng)理論構(gòu)建了多參數(shù)優(yōu)化方法，優(yōu)化了氣隙磁場，減小了超導同步發(fā)電機氣隙磁場勵磁繞組端部畸變問題，最后通過補償繞組解決了經(jīng)過優(yōu)化之后氣隙磁場減小的問題;給出了基于上述設計方法設計出的50 kW實驗型超導發(fā)電機的設計結(jié)果，并根據(jù)該設計結(jié)果和設計過程中遇到的問題對大功率超導發(fā)電機設計進行