[發(fā)明專利]一種三維非對稱結(jié)構(gòu)高溫超導(dǎo)磁體交流損耗的獲取方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811567263.5
• 申請日: 2018-12-20
• 公開（公告）號(hào): CN109884402B
• 公開（公告）日: 2020-02-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張宇;任麗;王作帥;唐躍進(jìn);李敬東;徐穎;石晶
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué);國網(wǎng)湖北省電力有限公司
• 主分類號(hào): G01R27/26
• 分類號(hào): G01R27/26
• 代理公司: 42201 華中科技大學(xué)專利中心
• 代理人: 曹葆青;李智

本發(fā)明公開了一種三維非對稱結(jié)構(gòu)高溫超導(dǎo)磁體交流損耗的獲取方法，該方法根據(jù)超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)建立三維有限元分析模型，計(jì)算并提取超導(dǎo)域的磁場強(qiáng)度，將其作為狄利克雷邊界條件加載到局部等效的二維模型中，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)繞組交流損耗的有效計(jì)算。本發(fā)明解決了在計(jì)算三維非對稱高溫超導(dǎo)磁體的交流損耗時(shí)，因模型自由度過高、無法實(shí)現(xiàn)正常求解的技術(shù)問題；同時(shí)，本發(fā)明提出的方法能夠充分考慮超導(dǎo)體的非線性電阻特性和鐵磁材料的非線性BH磁化特性，對實(shí)際工程超導(dǎo)磁體在設(shè)計(jì)時(shí)評估交流損耗具有重要意義。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于高溫超導(dǎo)磁體領(lǐng)域，更具體地，涉及一種三維非對稱結(jié)構(gòu)高溫超導(dǎo)磁體交流損耗的獲取方法。

背景技術(shù)

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的進(jìn)步，電力系統(tǒng)逐漸朝著大容量、大規(guī)模、長距離、高電壓方向發(fā)展，對電力設(shè)備也提出了更高要求，常規(guī)電力設(shè)備展現(xiàn)出了若干弊端。隨著高溫超導(dǎo)材料的出現(xiàn)，超導(dǎo)電力技術(shù)得到了快速發(fā)展。超導(dǎo)體具有零電阻特性和高載流能力，將超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于電力設(shè)備之中可以有效降低電能損耗、減小電力設(shè)備體積，對土地資源緊缺的現(xiàn)代化都市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。目前，超導(dǎo)電力技術(shù)得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究，超導(dǎo)風(fēng)機(jī)、超導(dǎo)電纜、超導(dǎo)限流器、超導(dǎo)變壓器、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)等超導(dǎo)電力裝置均已研制出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，部分裝置已進(jìn)入現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)階段，發(fā)展前景廣闊。

時(shí)變的電流流經(jīng)超導(dǎo)體時(shí)會(huì)產(chǎn)生交流損耗，對于超導(dǎo)電力裝置而言，超導(dǎo)體的交流損耗會(huì)影響裝置的熱穩(wěn)定性，給超導(dǎo)電力裝置的正常運(yùn)行帶來隱患，因此超導(dǎo)體的交流損耗是設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的重要指標(biāo)之一。針對高溫超導(dǎo)磁體，如何準(zhǔn)確快速計(jì)算在給定激勵(lì)下的超導(dǎo)繞組交流損耗是眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)，目前已有學(xué)者提出了解析法和有限元法，其中解析法適用于結(jié)構(gòu)簡單的超導(dǎo)磁體，無法解決復(fù)雜問題，難以應(yīng)用于工程實(shí)踐；有限元法通過對問題區(qū)域進(jìn)行劃分求解，并進(jìn)行均質(zhì)化等效，能夠?qū)崿F(xiàn)千匝級別的超導(dǎo)線圈組的交流損耗計(jì)算，其中有限元方法之中的H方程法的計(jì)算結(jié)果精度較高，得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛應(yīng)用。

然而，目前現(xiàn)有H方程法的模型適應(yīng)性較差，應(yīng)用條件受限，主要適用于結(jié)構(gòu)簡單的三維對稱結(jié)構(gòu)超導(dǎo)磁體，并將其直接等效為二維模型進(jìn)行計(jì)算，但在三維模型中直接計(jì)算交流損耗的復(fù)雜度和求解難度極大，H方程法無法實(shí)現(xiàn)有效求解。在實(shí)際應(yīng)用中，多數(shù)超導(dǎo)電力裝置為結(jié)構(gòu)復(fù)雜且形狀不規(guī)則的超導(dǎo)磁體，超導(dǎo)磁體的三維非對稱結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了無法直接等效降維計(jì)算，如果采用現(xiàn)有H方程法直接計(jì)算三維模型會(huì)產(chǎn)生極大的自由度，嚴(yán)重降低了計(jì)算速度和計(jì)算結(jié)果的收斂性，甚至計(jì)算失敗，鐵磁材料的非線性B-H磁化特性還會(huì)進(jìn)一步加劇計(jì)算難度。因此，三維非對稱高溫超導(dǎo)磁體的交流損耗計(jì)算方法有待進(jìn)一步深入研究。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供了一種三維非對稱結(jié)構(gòu)高溫超導(dǎo)磁體交流損耗的獲取方法，旨在解決現(xiàn)有交流損耗計(jì)算方法無法快速有效獲取三維非對稱結(jié)構(gòu)高溫超導(dǎo)磁體交流損耗的技術(shù)問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種三維非對稱結(jié)構(gòu)高溫超導(dǎo)磁體交流損耗的獲取方法，包括：(1)確定三維非對稱高溫超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)和各組成部分材料參數(shù)；所述超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)包括：線圈型式、超導(dǎo)繞組的繞制方式和鐵心結(jié)構(gòu)，各組成部分材料參數(shù)包括：鐵心的BH曲線參數(shù)和超導(dǎo)體的非線性電阻率；(2)根據(jù)所述超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)和各組成部分材料參數(shù)建立三維有限元分析模型，設(shè)置磁場計(jì)算模塊，在三維有限元分析模型中選定不同角度編號(hào)下的超導(dǎo)域，并在超導(dǎo)域外建立多個(gè)閉合線邊界，求解各閉合線邊界的磁場強(qiáng)度數(shù)值，按照空間坐標(biāo)、時(shí)間以及磁場強(qiáng)度分量值的方式導(dǎo)出，形成在三維模型下的磁場強(qiáng)度數(shù)值的插值表；(3)提取一閉合線邊界，以其位置處的物理場量為基準(zhǔn)，將超導(dǎo)繞組等效為二維軸對稱模型，并將該閉合線邊界的磁場強(qiáng)度數(shù)值的插值表轉(zhuǎn)換為二維軸對稱模型下的磁場強(qiáng)度數(shù)值的插值表作為狄利克雷邊界條件，設(shè)置交流損耗計(jì)算模塊，計(jì)算超導(dǎo)繞組在該閉合線邊界等效下的交流損耗數(shù)值；(4)重復(fù)步驟(3)依次計(jì)算超導(dǎo)繞組在各閉合線邊界等效下二維模型的交流損耗數(shù)值，并對所有閉合線邊界下的等效交流損耗計(jì)算結(jié)果取平均值，作為超導(dǎo)繞組的最終交流損耗計(jì)算結(jié)果。