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CTD101K面向高功率密度电机的超导励磁线圈设计与低温传热性能研究

时间:2025-12-31 11:32:38 作者:小编 点击:

  本文详细介绍了一款设计用于传导冷却的6特斯拉Nb₃Sn超导跑道形线圈的详细设计。然后,我们描述了一项作为概念验证而进行的台架测试,该测试针对一台具有超导励磁绕组的主动屏蔽空心电机的单个绕组展开。本文讨论了基于先前计算的帕累托最优前沿进行的设计选择以及测试线圈的电磁性能。文中阐述了绕制和支撑结构的设计。为了验证在给定的低温恒温器和制冷机设置下所需的温度,进行了热性能分析。最后,进行了应变分析,以验证超导绕组处于可接受的应变水平内,从而避免机械断裂以及临界性能表面的过度退化。此外,还验证了支撑部件的结构完整性。文中描述了测试程序和初步结果。

  文献中提出了一种采用低成本Nb₃Sn线材的主动屏蔽超导励磁绕组拓扑结构。与传统永磁体相比,超导场线圈能够实现能量密度数量级的提升;先前的研究表明,在采用超导励磁绕组的实际设计中,气隙磁通密度最高可达3特斯拉。这种更高的能量密度,结合Nb₃Sn线材的较低成本,可用于消除重型钢部件、主动屏蔽外部磁场,并实现磁负荷的显著增加。通过采用这些策略,功率密度的提升可能为某些应用领域(如海上风电和电动飞行)带来新的可能。

  然而,当前的挑战在于如何将励磁绕组冷却至所需的4至6开尔文温度范围,特别是在液氦价格急剧上涨的背景下。因此,本项目提出通过保持励磁绕组静止,来采用并改进磁共振成像行业已开发的传导冷却技术。本文描述了为此类样品励磁绕组线圈之一所开发的台架测试。一次成功的台架测试将消除设计这方面的风险,并将该概念推进到一个更高的技术就绪水平。

  此前,研究人员采用进化算法对主动屏蔽拓扑结构进行了多目标优化。其结果在图1中再次展示,该图说明了总用线量与电机体积之间的帕累托最优前沿。电枢磁通密度以颜色映射显示。该优化采用了一种简单的二维磁场计算,运用了自由空间中磁场的毕奥-萨伐尔定律:

  其中,

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