首页-琳琅注册-首页，我们设计、构建并测试了一台八极超导旋转电机，该电机基于一种非传统拓扑结构，有望显著提升功率密度。计算分两步进行：首先利用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）方法从库仑公式出发估算磁标势，然后通过正则化方法对势能求导以计算磁通密度。采用MCMC方法能够计算离散几何结构中选定区域的磁标势，这是最大限度减少计算时间的重要因素。通过对该电机进行成功测试，验证了其工作原理，表明这种新型电机配置极具应用前景。

　　与传统电机相比，超导电机更轻、更紧凑、效率更高，并且由于其同步电抗较低，在电力系统中能够提供显著更优越的稳定运行能力。研究人员近期已设计并成功测试了超导电动机和发电机，结果表明高温超导材料可极大受益于旋转机械的应用。我们构建了一台八极超导电机，该电机包含一个旋转的传统电枢和一个基于磁通集中原理的静止超导感应器。感应器保持静止以简化低温系统并最大限度减少冷量损失。该感应器采用了一种由励磁线圈和块状超导板构成的新型拓扑结构，从而提高了气隙磁通密度。

　　感应器由两个通有相反电流的同轴NbTi线圈组成。四个YBaCuO块状板放置于两个线圈之间，用于屏蔽磁场的法向分量并塑造磁力线形状。此处使用的YBaCuO块状板由CAN Superconductors制造，可被视为完美的抗磁性材料。利用这一特性，对这些块状板进行恰当排布可实现磁通密度的周期性分布，这种分布可用于电机中感应交变电动势。图1展示了感应器的构建方式：两个线圈产生径向磁通密度，该密度通过YBaCuO板的分布进行调制。

　　磁通密度的最大值测量于两个YBaCuO块状板之间的空间中部，最小值则测量于板后。为确保感应器的最佳性能，必须实现磁通密度最大值与最小值之间的最大差异。通过使用四个YBaCuO板，我们获得了一个八极固定感应器，并使用液氦将其冷却至4.2K。选用液氦冷却有两个原因：我们的设备配备有氦低温恒温器和液氦储罐，并且励磁线圈绕组使用了NbTi材料，从而最大程度降低了实验成本。然而需要指出的是，相同的配置也可以使用高温超导导线（如BiSrCaCuO或YBCO涂层导体）。我们选择使用固定式低温恒温器，以简化冷却系统并避免使用旋转接头。此外，还制造了一个旋转电枢，该电枢采用铜绕组和磁芯。

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　　计算采用三维空间马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）方法。为计算目标区域内的磁场，我们分两步进行。首先，利用图2所示的螺线管库仑模型，从马尔可夫链过程的期望值出发估算标量势。第二步是计算势的梯度以获得磁场。假设超导材料为完美抗磁性，因此在边界处考虑诺伊曼边界条件。方程组如下所示：

　　初始配置的尺寸如图3所示。优化研究的目的是获得感应器的最终配置；标准是在电机气隙中获得2.5 T的磁通密度。在两个螺线管之间的中平面内计算磁标势。计算轴线. 初始配置，Ri = 23 mm，Re = 33 mm，d = 25 mm，L = 45 mm。

　　图4显示了磁标势的曲线图，虚线对应通过板之间轴线上的势，实线对应穿过板的轴线上的势。由于YBaCuO板的存在，势的变化呈现不连续性。在计算的第二步，我们对势进行求导以获得相应的磁通密度。

　　气隙中磁通密度的幅值变化如图5所示。我们注意到，由于超导板之间的场集中效应，某值大于另一值。在图5中，粗线表示两者之差，并展示了这种特定配置的屏蔽性能。电磁转矩利用该差值进行计算。两个磁通密度之间的差值是需要最大化的参数，以获得最优配置。我们注意到该差值随某一参数增大而减小。在先前的工作中，一个原型机已通过测试，但仅在气隙为某值时仅能提供0.5 T的差值。这并不适用于本项目，因为该差值将导致非常低的转矩。因此，必须优化感应器尺寸以改善电机性能。主要有两个优化参数：YBaCuO板之间的夹角以及板的形状。

　　图5. 初始配置下的磁通密度变化曲线) 板间夹角：我们计算了可变板间夹角下八极配置所产生的磁通密度差值。不同情况如图6所示。

　　计算结果如图7所示。曲线显示板间夹角的最优值为45度。因此，最终配置将采用该值。

　　图7. 初始配置下不同YBaCuO板间夹角对应的ΔB值（气隙 e = 10 mm）

　　2) YBCO板形状：在本节中，我们通过分析YBaCuO板形状对磁通密度分布的影响来研究其形状。我们计算了三种不同形状：每极一个矩形板、每极一个弯曲板以及每极两个矩形板。板间夹角保持45度。图8展示了这三种情况下感应器的横截面。

　　图8. 不同块材形状的感应器。(a) 每极一个矩形块材。(b) 每极一个弯曲块材。(c) 每极两个矩形块材。

　　三种屏蔽形状的磁场计算结果如图9所示。我们清楚地看到屏蔽体形状对感应器性能的影响：每极一个矩形板导致磁通密度变化值较低，而弯曲板则产生更好的性能。由于制造弯曲YBaCuO元件不切实际，我们将采用每极两个板，这提供了与弯曲屏蔽体相同量级的磁通密度变化。

　　在分析了屏蔽体形状对感应器性能的影响之后，我们需要确定感应器的外径。通过无量纲研究进行的优化表明，磁通密度差值呈现一个渐近值。图10中的曲线显示了无量纲研究的结果。

　　我们为设计选择了Re等于105 mm。两个螺线管由NbTi导线制成。优化后的感应器尺寸如图11所示。优化后的感应器在电机气隙中产生八极磁通密度。计算的磁通密度分布如图12所示。YBaCuO板和NbTi螺线管安装在玻璃纤维支架上以减轻感应器重量。组装好的感应器如图13所示。

　　图11. 优化后感应器及YBaCuO板的尺寸（单位：毫米）(a) 优化后的感应器；(b) YBaCuO板

　　图13. 组装好的感应器：(1) 超导螺线) YBaCuO超导板：最小磁通密度区域；(3) 块材之间区域：最大磁通密度区域；(4) 非磁性感应器支架；(5) 电枢叠片

　　电机的电枢是常规的，采用分布在72个槽中的细铜线根导线，组织成五个并联绕组。这种导线 A的电枢电流。为产生276 V的相电压，电枢的有效长度必须等于80 mm。由于此处使用的YBaCuO块体尺寸限制，最终电枢长度仅为50 mm，产生的相电压变为172.7 V。由于电枢是旋转的，使用滑动触头为三相绕组供电。组装好的电枢如图14所示，其特性如表1所示。

　　1) 空载测试：电枢两端连接到示波器以观察线）。变频器驱动异步电机并使其低速旋转。在第一个实验中，我们使超导电机以90 rpm旋转，并向感应器提供10 A电流。使用示波器观察电枢产生的三相相间电压。图17显示了使用示波器测量的电压。为验证其性能，电机在电枢开路或短路条件下作为发电机进行测试。图15显示了整个系统。感应电机的轴通过传动带与超导电机的旋转电枢机械连接。每次测试开始时，感应器冷却至4.2 K，此时感应器电流为0 A，电枢静止。超导电机由感应电机驱动。

　　图15. 实验装置：(1) 固定式低温恒温器，(2) 感应电动机，(3) 传动带，(4) 滑动触头。a—电刷；b—滑环。

　　图16. 实测电压曲线我们注意到，产生的电压系统是三相的且电压近似正弦。该测试证明所设计的感应器配置是正确的。

　　2) 短路测试：电枢的三相现在短路（图18）。我们向感应器提供16 A电流，并使用变频器使电枢以80 rpm旋转。使用示波器观察电枢电流。图19显示了使用示波器测量的电流。

　　前两项测试的目的是验证电压和电流信号。进行了完整的空载和短路测试以确定超导电机的等效电路。

　　3) 超导电机的等效电路：在本节中，我们展示了两类测试：改变感应器电流的空载测试和改变感应器电流的短路测试。本节所有测试均在190 rpm下进行。在空载测试中，感应器电流从0 A增加到30 A，测量1相和2相之间的电压。在短路测试中，感应器电流从0 A增加到16 A，测量1相的电枢电流。图20和图21显示了空载测试和短路测试的结果。

　　在空载测试中，当感应器电流小于20 A时，产生的电压呈线性变化。我们注意到感应器电流超过20 A后，产生的电压曲线出现饱和。另一方面，电枢中短路电流的变化是完全线性的。这种现象在传统电机中也能观察到。

　　所构建超导电机的理论发电电压为172.5 V。该值是在两个条件下计算得出的：

　　考虑图20的线性部分，实际实验条件为：1) 感应器电流为10 A且电枢为铁芯电枢；

　　为了将实验结果与理论值进行比较，我们必须对这两个变量（感应器电流和转速）采用相同的基准。由于电机的发电电压与气隙磁通密度和转速成正比，且气隙磁通密度与感应器电流成正比，因此可以估算出在感应器电流为70 A、转速为750 rpm时的发电电压。

　　在130 rpm和10 A的条件下，我们得到某电压值（原文中未给出具体数值），因此在750 rpm和70 A的条件下，我们可以计算得到相应的电压值。

　　计算值与理论值（172.5 V）和实验值（118.8 V）之间存在差异。我们可以使用以下感应电压方程来解释这种差异：

　　在所有上述参数中，唯一未被实际测量的是变量。因此，理论发电电压与实验值之间的差异必然由该变量引起。在设计部分，我们针对所选配置获得了该变量的某一值。该结果是基于该变量在两个螺线管之间为常数的假设得到的。但这一假设似乎不正确：该参数在两个螺线管中间距离处取最大值，并向螺线管方向逐渐减小。使用Maxwell 3D有限元分析软件进行的计算证实了该变量的非均匀性。

　　一台超导电机已成功完成设计、制造和测试。采用低温超导NbTi导线产生强磁场，并通过YBaCuO高温超导块状板进行磁通集中。为便于冷却操作，该超导电机采用静止的超导感应器和铜线绕制的旋转电枢。低温恒温器垂直安装并置于电机的气隙中。感应器使用液氦冷却至4.2 K。

　　本研究表明了基于磁场集中原理制造超导电机的可行性。在完成对所制造电机的研究之后，将进行优化研究以提高性能。采用相同配置的100 kW超导电机的设计和制造预计将在获得新资金后立即启动，该电机将在励磁线圈中使用高温超导导线，并在感应器中使用高温超导块材。