具有高溫超導(dǎo)電樞的發(fā)電機(jī)的優(yōu)勢在于它們能輸送高電流,。由于高溫超導(dǎo)線圈存在于復(fù)雜的時變電磁環(huán)境中,，高溫超導(dǎo)電樞的交流損耗難以精確計算。此外,，當(dāng)高溫超導(dǎo)線圈發(fā)生短路故障過流時，需要對這一過程進(jìn)行電磁熱模擬研究,，以確保高溫超導(dǎo)線圈不受損壞,。本文首先采用完全耦合的T-A公式模型計算高溫超導(dǎo)電樞的交流損耗。然后,，考慮超導(dǎo)包覆導(dǎo)體的固有特性,，模擬了發(fā)電機(jī)在發(fā)生最嚴(yán)重短路故障時的電流分布和溫度分布。研究發(fā)現(xiàn),，臨界電流最低的匝在0.01 s后淬火,，但斷路器能迅速排除故障，溫升不會損傷線圈,。研究人員研究了銅穩(wěn)定劑厚度對高溫超導(dǎo)線圈在最嚴(yán)重短路故障時熱穩(wěn)定性的影響,。在發(fā)生短路故障時，較厚的銅穩(wěn)定器可提高高溫超導(dǎo)線圈的熱穩(wěn)定性,，但需要使用模擬模型來在工程電流密度和高溫超導(dǎo)磁帶的熱穩(wěn)定性之間進(jìn)行權(quán)衡,。

相關(guān)論文以題為“An Electromagnetic–Thermal Coupling Numerical Study of the Synchronous Generator with Second-Generation High-Temperature Superconducting Armatures”發(fā)表在《Applied Sciences》上。

與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)相比,，第二代(2G)高溫超導(dǎo)(HTS)發(fā)電機(jī)具有更高的功率密度,，因此很有前景,。對于同步發(fā)電機(jī)的應(yīng)用，放置在定子的高溫超導(dǎo)線圈在靜態(tài)冷卻方面具有優(yōu)勢,，但高溫超導(dǎo)線圈將遭受交流損耗,，因?yàn)樗鼈兲幱诮蛔兇艌龊碗娏髦隆?/p>

許多研究小組對孤立高溫超導(dǎo)線圈的交流損耗進(jìn)行了研究。為了計算實(shí)際發(fā)電機(jī)環(huán)境下高溫超導(dǎo)線圈的交流損耗,，提出了一個由機(jī)器模型和交流損耗模型組成的兩階段隔離模型,。T-A公式模型可以將發(fā)電機(jī)的a公式模型與高溫超導(dǎo)線圈模型完全耦合。由于自由度的減小,，T-A模型的效率高于h模型,。此外，由于旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)通常采用a -配方進(jìn)行模擬,，因此T-A配方模型可以直接實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)電磁環(huán)境下高溫超導(dǎo)線圈的全耦合模擬,。

短路故障發(fā)生時，高溫超導(dǎo)線圈表面的磁場和線圈內(nèi)流動的電流會發(fā)生劇烈變化,，造成較大的交流損耗,。當(dāng)電流超過線圈的臨界電流時，歐姆損耗也會發(fā)生,。如果制冷機(jī)的冷卻能力不足以立即排除熱量,，則高溫超導(dǎo)線圈可能會永久損壞。為了解短路故障是否會對高溫超導(dǎo)線圈造成永久性損傷,，進(jìn)行電磁熱耦合仿真具有重要意義,。應(yīng)該考慮的是，磁場,、電流和溫度等因素都會對高溫超導(dǎo)材料產(chǎn)生影響,。

到目前為止，一些高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)短路故障的數(shù)值模擬已經(jīng)完成,。然而,，考慮到臨界電流密度與溫度和磁場的依賴關(guān)系，這些模擬都沒有實(shí)現(xiàn)完全耦合模擬,。本文的主要創(chuàng)新點(diǎn)是對帶2G高溫超導(dǎo)電樞的同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行了電磁-熱耦合數(shù)值研究,。此外，還將研究在最嚴(yán)重短路故障時,，銅穩(wěn)定器厚度對高溫超導(dǎo)線圈熱穩(wěn)定性的影響,。

電路模型

整個超導(dǎo)同步發(fā)電機(jī)的等效電路模型如圖1所示。對于定子繞組,，由于三相定子繞組是對稱的,，只對與a相繞組有關(guān)的變量進(jìn)行了解釋。

圖1.高溫超導(dǎo)(HTS)發(fā)電機(jī)等效電路模型示意圖,。

在高溫超導(dǎo)機(jī)運(yùn)行過程中,，制冷機(jī)會帶走線圈中一定量的熱量,。然而，為了保守地估計短路故障最嚴(yán)重的后果,，在線圈表面設(shè)置了絕熱邊界條件,。

圖2總結(jié)了高溫超導(dǎo)線圈的場、電路和熱模型之間的耦合關(guān)系:

圖2.場,、電路和熱模型之間的耦合關(guān)系示意圖,。

領(lǐng)域模型使用熱的溫度分布計算模型,和當(dāng)前值計算超導(dǎo)層和銅層的電路模型,計算超導(dǎo)層的磁化強(qiáng)度損失,磁場分布,生成的高溫超導(dǎo)線圈的電動勢。電路模型利用熱模型計算出的溫度分布和場模型計算出的磁場分布,，計算出超導(dǎo)層和銅層的電流值和銅層的損耗,。

研究參數(shù)

所研究的高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)拓?fù)淙鐖D3所示，每相由兩個并聯(lián)線圈組成,。例如,，A相繞組由兩個線圈組成:A1和A2。A1+和A1?分別為A1線圈的正電流域和負(fù)電流域,。

圖3.二維T-A公式的原理圖,，發(fā)電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和所研究線圈每個匝的編號順序。

所研究的發(fā)電機(jī)有四個極點(diǎn)和六個槽,。每個槽有一個84圈的雙跑道線圈,。這些高溫超導(dǎo)磁場線圈的額定電流約為37 A，額定輸出功率為30 kW,。發(fā)電機(jī)的設(shè)計轉(zhuǎn)速為1500rpm,，對應(yīng)50hz的定子電樞頻率。發(fā)電機(jī)的其他設(shè)計參數(shù)可以在之前的論文中找到,。通過擬合試樣高溫超導(dǎo)帶的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),，計算出b、k和Bc,。在平行和垂直磁場作用下，高溫超導(dǎo)磁帶歸一化臨界電流密度的表面圖如圖4所示,。

圖4.平行磁場和垂直磁場作用下超導(dǎo)帶歸一化臨界電流密度的表面圖,。

由于六個線圈是對稱的，本文只給出A1線圈的結(jié)果,。所研究線圈的每個匝的編號順序如圖3所示,，這種排列將在整個研究中使用。雖然本文只是數(shù)值模擬研究,，但值得一提的是,，研究人員目前已經(jīng)制作出發(fā)電機(jī)定子，如圖5所示,。

圖5.制造的發(fā)電機(jī)定子,。

結(jié)論

本文研究人員對二代高溫超導(dǎo)電樞的同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行了電磁-熱耦合數(shù)值研究,。本文的主要研究結(jié)果總結(jié)如下:

首先，將磁場部分模型與電路部分模型耦合,，計算了高溫超導(dǎo)線圈額定工作時的交流損耗,。其次，研究了高溫超導(dǎo)線圈在最嚴(yán)重短路故障下的瞬態(tài)電磁熱特性,。結(jié)果表明:高溫超導(dǎo)線圈在短路故障時,，每匝總電流相同，但由于周圍磁場不同,，每匝臨界電流值不同,。這種開始時臨界電流值的差異導(dǎo)致它們隨后出現(xiàn)不同的銅層分流和溫升現(xiàn)象。臨界電流最低的匝口最終會完全失穩(wěn),，溫升明顯,，但不會高到超過高溫超導(dǎo)線圈材料的熔點(diǎn)。研究結(jié)果表明,，如果發(fā)電機(jī)短路保護(hù)裝置能盡快排除故障,，該高速高溫超導(dǎo)同步發(fā)電機(jī)的高溫超導(dǎo)線圈就不會發(fā)生不可恢復(fù)的失超而損壞。最后,仿真結(jié)果表明,厚銅穩(wěn)定劑的熱穩(wěn)定性提高高溫超導(dǎo)線圈在發(fā)生短路故障,但對于高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)設(shè)計師,這需要使用仿真模型之間做出權(quán)衡工程電流密度和高溫超導(dǎo)熱穩(wěn)定性的磁帶,。

論文鏈接：https://www.mdpi.com/2076-3417/10/15/5228/htm