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电机学院毕业设计〔论文〕开题报告 课 题 高温超导同步电动机性能仿真及研究学 院〔系〕 电气学院 专 业 电机电器智能化年 级 BG1105学 号 2姓 名 邵力导 师 李全峰定稿日期： 2015 年 3 月 9 日. z-高温超导同步电动机性能仿真及研究摘要：20世纪90年代初, 随着高温超导(HTS)材料实用特性的改善, 高温超导电机技术逐渐开展起来已研制的高温超导 电机包括高温超导直流电机、同步电机、异步电机、直线电机, 以及高温超导 磁阻、磁滞、永磁电机尤其是从21世纪初开场, 该技术得到了快速开展, 取得了一系列重大成果本文研究了超导材料以及高温超导同步电动机的性能特点，总结了HTS电机的优点，及用Ansoft软件进展电磁仿真研究，比照与常用电机电磁特性有何不同为以后超导电机研究打下良好根底关键词：高温超导,高温超导材料,同步电动机，1 文献综述 超导现象的发现与极低温度的探索有着密切的联系，而极低温度的获得是从气体液化技术开场的。

热力学的开展使人们对低温的获得和存在绝对温度的思想产生了重大的影响此时人们注意到纯金属的电阻随温度的降低而减少的现象1902 年，开尔文认为随着温度的降低，电子将凝结在金属原子上，使金属的电阻变得无限大随后昂内斯认为电阻先随温度降低到一个极小值，然后开场加大，并会在绝对零度时变为无穷大 1986年,高临界温度的氧化物超导体的发现,为超导电机的实用化展现了新的前景早在1987年,美国电力研究院(Electric Power Research Insttute,简为EPRI)就委托Reliance Electric公司就高温超导(HTS)技术在工业电机领域应用的可能性进展研究[1]20世纪90年代初,他们就先后试制了25 W的小型HTS直流电动机[2]和1.5 kW(2 hp)、3.7 kW(5 hp)的HTS同步电动机[3]到目前为止,美国已经先后成功研制了5MW(6 500 hp)的HTS同步电动机[4]和100MW的HTS同步发电机[5],36.5 MW(49 000 hp)的HTS同步电动机正在组装中[6]与此同时,德国西门子也先后研制出了400 kW(550 hp)和4MW(5 200 hp)的HTS同步电动机/发电机[7-8]。

近年来,澳大利亚和新西兰合作开发了一台2MW、20 r/m in的低转速HTS涡轮发电机[9]韩国则试制了一些小型的HTS异步电动机和发电机[10-11]此外,其他类型的HTS电动机也获得了不同程度的开展俄罗斯和德国从上世纪90年代中期开场合作,先后开发出了一系列的HTS磁阻、磁滞和永磁电动机[12-13],输出功率在0.5~150 kW之间中国也开发了一些小型的HTS磁阻电动机和永磁电动机[14-15]同时,HTS直线电动机在日本、美国等国家也得到了一定的开展[16-19] 随着HTS技术的开展,HTS材料性能的提高,以及大功率电力电子器件和电机交流调速技术的成熟,使超导交流电力推进获得人们的青睐HTS交流电机的最普遍形式为HTS同步电动机美国最早开场HTS同步电动机的研究,并已研制出了一系列不同规模尺寸的样机,尤其以舰船推进用的HTS同步电动机为其开展重点此外,德国、韩国、日本等也纷纷开展了HTS同步电动机的探索与研究,成果显著目前,各国已研制出的HTS同步电动机如表1所示表1已经研制出的HTS同步电动机国家额定功率根本参数HTS材料 研制年份美国1.5 kW( 2 hp ) 2 极3 600 r/min 多芯复合BSCCO线圈 19933.7 kW( 5 hp ) 4 极 1 800 r/min 多芯复合BSCCO线圈 199392 kW ( 125 hp) 4 极 1 800 r/min 多芯复合B -i 2223 /Ag线圈 1995735 kW( 1 000 hp) 4 极 1 800 r/min 多芯复合BSCCO带 20003.7MW( 5 000 hp) 4 极 1 800 r/min 多芯复合BSCCO线 20015MW( 6500 hp) 6 极 230 r/min 多芯复合BSCCO带 2003德国400kW ( 550 hp) 4 极 1 800 r/min B -i2223 /Ag带 20014MW( 5 500 hp) 2 极 3 600 r/min B -i2223带 2005韩国3kW( 4 hp) 4 极 1 800 r/min B -i2223 /Ag带 200173.5kW( 100 hp) 4 极 1 800 r/min 不锈钢加强B -i 2223带 2002日本3.1kW( 4 hp ) 8 极 720 r/min Gd-B a-Cu-O 块材磁体 2005芬兰1.5kW( 2 hp ) 4 极 1 500 r/min B -i2223 /Ag线圈 19972 选题背景及其意义 建立在电磁计算根底上的Ansoft软件，为设计工程师们提供了准确、快速、高效的设计平台。

在现代通讯系统、雷达、计算机、天线、高速PCB、集成电路、封装、连接器、光电网络、电机、开关电源、机电系统、汽车传动系统设计和复杂EMI/EMC仿真中，Ansoft领先的基于物理原型的解决方案能够快速准确地仿真和验证设计方案，电磁场、电路和系统全集成化的设计环境能够在系统设计时准确考虑细节的电磁场效应，从而确保系统性能，降低设计风险，推进创新，洞察设计内核，获得长期竞争优势MA*WELL2D工业应用中的电磁元件，如传感器，调节器，电动机，变压器，以及其他工业控制系统比以往任何时候都使用得更加广泛由于设计者对性能与体积设计封装的希望，因而先进而便于使用的数字场仿真技术的需求也显著的增长在工程人员所关心的实用性及数字化功能方面，Ma*well的产品遥遥领先其他的一流公司Ma*well2D包括交流/直流磁场、静电场以及瞬态电磁场、温度场分析，参数化分极；以及优化功能此外，Ma*wel2D还可产生高精度的等效电路模型以供Ansoft的SIMPLORER模块和其它电路分析工具调用 随着HTS线携载电流能力和低温制冷效率的不断提高, 以及HTS 线和制冷本钱的降低, 在今后20年, HTS电气设备将逐步进入商业领域,尤其以HTS 电机的增幅最快。

据预测, 到2020到75% 和40%[ 40] 根据HTS电机的工作特性, 其最初应用可能会出现在驱动等运输领域, 尤其会被用于大型军舰、商船和磁浮列车等的推进系统这是HTS电机在尺寸、重量和效率等方面的固有优势决定的这些优势将在交通运输、军事等领域率先得到发挥和应用在今后的开展中, HTS电机也很可能成为泵、微机械系统、风机、压缩机、增压机等应用领域, 以及有连续工作要求的应用领域(轧钢、造纸、化工、石油、航天航空、天然气精炼、采矿以及其他重工业)的理想动力与常规电动机相比，高温超导电动机效率更高，体积更小，因此得到了大量的研究，尤其是在美国和欧洲由于性能和稳定性的因素，高温超导同步电动机比较适用于作工业用电动机与常规电机相比, HTS电机具有显著的优点 1) 体积小, 重量轻: 由于HTS 励磁绕组要比常规电机铜绕组产生更高的磁场, 因而HTS电机的的功率密度更高、体积更小、质量更轻 2) 效率高: 一台4MW 的HTS电机效率高达98. 7% [ 8 ] , 比同级别的常规电机高出约2. 0% ;尤其是在低功率输出时, 其效率依然很高, 几乎不变HTS电动机的这种特性, 恰恰满足了舰船推进系统运行的需求。

3) 同步电抗小: HTS电机一般采用空心定子, 因而同步电抗小, 仅为常规电机的1 /5~ 1 /2;这使得HTS电机可以在更小的负载角下工作, 提高其瞬时和速度波动条件下的运行刚度 4) 其他优点: HTS励磁线圈几乎是在恒定的温度下运行, 转子的寿命更长; 在过励和欠励条件下都能改善无功功率; 噪声低; 出力*围大; 电机输出的电压不含谐波; 维护也简单, 不需要通常的检查、返修或者重新绝缘等3 研究内容3.1高温超导材料 3.1.1原理 由于临界温度的不断提高，人们将这些材料称为高温超导体高温超导体的性质由载流子浓度决定，其本征特性是相干长度很短，即不均匀性这对探索高温超导机理是十分需要的超导的新奇特性的发现，对人类产生了重大意义通过一些超导现象或效应，你就会惊讶地发现超导的美零电阻效应具有无损耗运输电流的性质如能实现超导化大功率发电机、电动机，例如在电力领域，利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到 5 万~6 万高斯，并且几乎没有能量损失，这种发电机便是交流超导发电机超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高 5~10 倍，达 1 万兆瓦，而体积却减少 1/2，整机重量减轻 1/3，发电效率提高50%。

则其不必要的能耗将大大降低，这在国防、科研、工业上具有极大的意义3.1.2应用 20世纪 80年代后期高温超导的发现,在全球掀起了一股“超导热 〞 经过 20多年的研究开展，我国高温超导技术在超导材料技术、 超导强电技术和超导弱电技术三个方面取得了重大进展和突破 在众多领域中 ,超导技术的应用具有非常突出的优点和不可取代的作用随着高温超导材料和低温制冷技术的迅速开展 ,使超导技术的应用步伐迅速加快超导技术在电力、 通信、 高新技术装备和军事装备等方面的应用也十分令人向往 ,具有重要的战略意义我国在铋系带材、 钇系大面积双面薄膜、 钇系新型涂层带材、 钇系准单畴块材和高温超导电缆等方面 ,其技术开展水平与国际水平相当或相近 ,*些方面甚至处于国际领先水平1，现在研究中的磁悬浮列车的材料就是应用磁场强、体积小、重量轻的超导磁体磁悬浮列车的原理是运用磁铁“同性相斥，异性相吸〞的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，即“磁性悬浮〞这种原理运用在铁路运输系统上，使列车完全脱离轨道而悬浮行驶，成为“无轮〞列车，时速可达几百公里以上这就是所谓的“磁悬浮列车〞 列车上装有超导磁体，由于悬浮而圈上高速前进。

这些线圈固定在铁路的底部，由于电磁感应，圈里产生电流，地面上线圈产生的磁场极性与列车上的电磁体极性总是保持一样，这样圈和电磁体之间就会一直存在排斥力，从而使列车悬浮起来2，此外在受控热核反响装置、盘旋加速器等中都具有巨大的应用价值利用超导隧道效应，可以制造具有高灵敏的电磁信号探测元件和用于高速运行的计算机元件，可以制造出超导量子干预磁强计，能测出脑磁图和心磁图，这对人的大脑活动具有重大的意义也可以应用超导体于微波器件中，这对通信的质量的提高也具有重大的应用价值，通信质量的提高将会提高的人们生活水平，改善现在的生活现状3，在军事工业中，超导技术也可以发挥其特有的作用，超导扫雷具就是其中之一超导扫雷具的工作原理是：超导扫雷具模拟舰船磁场特性，采用两根大电流电缆在海水中形成电极，并与海水组成闭合电路产生磁场，或者在船上安装一个电磁体产生磁场，从而得以将磁水雷引爆4，超导材料在强电、弱电方面的应用也具有很大的空间在强电方面如高能物理受控热核反响、核磁共振。