储能型高温超导脉冲变压器线圈的电磁分析与设计

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小型化、轻量化是脉冲电源实用化过程中的必然发展趋势。随着对高温超导材料研究进程的不断推进,高温超导设备实用进程加快,基于高温超导脉冲变压器的脉冲电源展现出远大的发展前景。储能型高温超导脉冲变压器集高密度储能和脉冲压缩于一体,是电感储能型脉冲功率电源的重要设备之一。当前高温超导脉冲变压器的相关文献大多针对电路拓扑的设计,而对线圈的电磁分析和优化设计相对较少。电感储能的相关文献中针对高温超导储能磁体的线圈设计的报道居多,针对储能型超导脉冲变压器线圈的文献较少。为此,本文针对储能型高温超导脉冲变压器的线圈结构提出了几种优化方案,进行了仿真和计算分析。首先,本文介绍了超导带材的区别,选取了日本住友公司HT-NX类型的Bi2223/Ag带材,还介绍了通过将励磁线和带材特性曲线拟合成的函数联立,计算铋系超导带材临界电流的方法。为降低趋肤效应对电阻的影响,提升副边线圈感应电流,针对储能型高温超导脉冲变压器的副边电感线圈设计四种分片的方案,利用有限元仿真软件Ansys Maxwell的瞬态仿真模块进行分析。然后,为提升高温超导脉冲变压器的临界电流、储能容量、储能密度等性能,设计了采用D型、跑道型线圈的单模块超导脉冲变压器结构,利用Ansys Maxwell静态仿真的2D模块,建立三种形状超导变压器的模型,计算并分析结构对脉冲变压器耦合系数和超导线圈储能密度的影响。在单模块的储能型高温超导脉冲变压器线圈的基础上,设计采用圆环形线圈、D型线圈和跑道型线圈结构的多模块高温超导脉冲变压器,利用Ansys Maxwell静态仿真的3D模块,仿真分析不同线圈结构对多模块超导变压器性能的影响。综上研究表明,对于采用副边线圈分片的高温超导脉冲变压器,由于受到环流影响,副边电感线圈感应出的脉冲电流未实现提升。对于带材总量一定的单模块超导脉冲变压器,圆环形线圈和D型线圈结构的储能容量和耦合系数较高,考虑线圈中心空气域,D型结构变压器超导线圈的储能密度最大。对于带材总量一定的多模块储能型高温超导脉冲变压器,跑道型线圈结构能够获得较高储能容量,而D型线圈结构能够获得较高的储能密度。这为储能型高温超导脉冲变压器的实用和发展提供了一些参考,也对脉冲功率电源的小型化、轻量化的优化设计有一定的价值。
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