高温超导直线感应电机设计研究.doc

高温超导直线感应电机设计研究 致谢本论文的工作是在导师刘友梅院t和郑琼林教授的悉心指导r完成的，fIur7传授给我的不仅仅是书本知议，更重要的是做人做事的态度04i断学爿的能力，刘友梅院上和郑琼林教授严谨的冶学、高尚的c帛德、对学术执篙-fFJ追求，以及一直、乐脱、平易近人的性格都将使我受益终生，_|=激础我在术束的学术研究T作中不断进墩，从论文的选题、研究疗法、关键问邀探i i J-N论文的撰写，刘友梅院士和郑琼林教授部倾注丁大量的心m和枯力。 在此，衷心感跚fL年来刘友梅院和郑琼林教授对我的指导、荚怀和帮助。 同时，术论文的选题、研究方法、构架以及成艾都渗透着刘老师和郑老j_=|j的心I札，如果?1。 本人学识订m带来|文内容的缺陷，遗憾我表示深深的歉意。 在我的fI上论文研究中，方进教授，杨叶1平教授和张戚占【|r|i部给予了极大的帮助和支持他们朴实的学风、敏捷的心维与深J早的知让l底蕊都使我受益畦溅，本研究【!土是在他们的指导r进行的，我J他们Z|二合作II，建立了深J一的友谊，今生难忘，d此向他们致Ll我溅挚的谢意。 n我的研究过阳p，北M变通人学l旷tI稗学院电J J IU f所的个体老_J l Ii在学术研究，实验审J|1j境手生活订m】也ff|j给了我很多帮助，此送去找?也fFj J匹谢!我所n的863项Ll队足个I羽结合n的队。 队小的雠个人It我的研究丁fi_!|i给_丁热情的支持椰情助d二此对方进老师、张威甚j JIi以肚汁斜斌、雒龙、赵颖、李株和刘诗靖等同学表示感谢!同时也要感谢北京英纳超导技术有限公司，本项目能够顺利进行离不川公司的支持o合作，尤其感【9韩征；fI|艟lK、张劲松经理和李唬航阵士的人山支持和帮助!对电力电子所所有已毕业和l f在学习的师兄帅姒9rl i躬师妹们也耍发示感附，他们在我f|】研究工作II，山给予了极大的帮助，包插刘建缁、文晓燕、郧慧超、b克康、i lIl l!、删美丽等刚学，坨其感谢删l埘磊同学在试骑调试过种巾对我的帮助。 最后，感谢我的父雌，缚当遇到闻难和挫折的州候，他ff,Igl j体贴八微的关怀让我壮PU心情、摆脱州境，他们川rl-#民族的传统荚德与无私的奉献精神m我巷无后脚!之尤的投入到研究中去。 总之，博十论丈中所竹成绩的取得小足我一人之功它灶多、戈心、帮蚍、指点I合作的成果，它橱J。 找l迷感谢的这个集体。 tn文摘婴中文摘要与旋转感应电机相比，直线感应电机具有蝶卢小、爬坡能力慢、1#粘菥驱动和通过曲线半往小等诸多优点，但是效；#和功率因数低制约了其发展。 随着高温超导材料技术的进步，高；?i；i超导直线感应电机的研制得U实现，这为提高直线感应电#I效率提供了种新思路。 本文绕高温超导随线感成rLJ L的1i作原理、结构设计、磁路分析、参数分析、损耗与敏率分析、结构参数对电机悱能的影响、控制系统、样机制造和试验等做了犬htJ ft，仝史主要山择f【rF分析了高温超导绕组线嘲特性，i=试验测试了其交流损耗。 依据尚温超导卣线感应I乜机初级绕组通入的i相对称交流电，结合Maxwel l宵限兀l乜磁仿真得到的电机磁感线分_，圈，详自11分析了eU；T L初级绕组的磁场极性、次级感应板感应电流方向和窀气气隙磁场的x轴分量与Y轴分齄。 研究了b机处于Ib功状态、发fb状态利电磁制动状态时的Fti4L推力和fn机法向力。 分析r纵向边端效应和横f】边端效成对电机性能的影响。 介纠了高温超导直线盛应fU机的Maxwel l2D有限儿In僦仿真，J法，从l【设计指枷i前l电磁负俯分析入f，详细分析了电磁缸荷与fb坚尺，J_之川的荚系以及IU机-要尺、川j参数的瑚定疗法，给?了高潞-哑甘直线感心电机的檄数、糟数、绕组和卒J缎铁心等屯坚参数。 _!抓得到f内商温超导fL线感应t乜机绕组参数详细H算了高温越导绕组线髑尺寸，并研究确定了高湍超导直线感应电机的初级绕组，州，。 高温超导绕组线圈临界l乜流受背景孵直磁场的影响很大重点研究了初级铁心槽高丰槽空白宽对U机初绒绕组线圈内j；f；磁通崭度的影l晌，j f以此作为确定l LL)0L毫U级铁心槽尺、J岫依据。 分析了两种不同结构的制冷系统，计详细介绍了本课题中所采用的制冷系统结构及K寸。 结合Maxwel l有限元屯磁仿真结果洋细分析了商温超导直线感应IU机磁路。 山于尚温超导直线感应电机结构特殊，传统感应电机的磁路计算系数已经不再适用于两溢超导直线感应电机推导分析了高濉超导直线感应电机的橄弧系数、气隙磁场波形系数和气隙系数汁掉丁b目【的空气气隙磁压降、齿部磁旭降和轭部磁压降。 洋细分析丁高温超导丘线堪戍U机的感盹U动势确l磁动辨J似d比分析了其励磁电流的磁蹄|十算值和有限元仿班值。 分析汁掉了商温超导“线感应IU机的L-fb批和漏电执。 畦点分析了漏U抗rl，的楷漏抗、I齿波漏抗和端剂漏抗。 研究了高档越导F陛t感心-U机的等设fb路平川毽图分析了负拽条什Fl U机的_二1=fI绕“I电漉、IU机推儿、I乜机法向力、IU机述度和FU机俺穆波形。 高湍一咄导A线感应IU【损耗仁要包拈牡木铁耗、I乜气损耗，?J E京变通人学蹲Ij论文机械损耗年|l杂散损耗，重点分析计算了fU机的牡奉铁耗和次数感应扳铜耗，j i=以。 州地铁4号线的Ib气参数为例分析计算了高温超导血线感应电机相比传统直线感应IU机的效率提升率。 结构参数埘幽淞超导直线感应f LLI,JL PiJ性能j；呐搬大，本文对I乜腱阻定和l乜流恒定曲利悄况Fn勺IU机结构参数进行了l J f究，l b机结构参数主要包括初级绕组线吲数、初级铁心槽形(桃-岛，榨l空II盥，齿宽)、初数铁心宽度、次绒感应扳K寸和。 7t7t隙K艘。 电机性能主监也托b机推力、电机法向力、l U机初数绕自【电流剌IU帆功率凶数。 分#f r直线乖0l试验f台的基本原理、硬件构成和戟什没汁。 畦血研究了肇jff4l一绛儿PID州竹器的转r磁场定矢量控制算法。 结合高温超导A线感心bHI等效IU路参数fJ特殊降，研究了分离l U机书u绂漏电机If_1肺磁FU抗的试验方浊。 捉蚶中城试验结小和堵转试验结柴，烨到了制绕纲试制样机的簿娥n路参数。 越过时比分析制绕组试制样#Lfl q盟救试验结果币1Maxwel l有呲元FU磁仿真结粜，得到了川J i修l rMaxwel l2D仃叭元U磁仿真推力的修_；系数k一根拊阶RL串联l乜路的】U流零状态叫心特m分析研究了高m超甘直线感心【U机的越动电流特性。 充成了r。 濉超甘r【线感成IU机负救试验试骑纳聚寝叭木课题所研制的高温超甘l|_线l S】世电目l满址设汁指标。 _l l；2n，通过刘l。 b出超甘r线感心Ib机的磁跚、U蹄及性能特H进r分析研究建、，丁公c袖址_l；fi旨直线感应IU饥旧啦汁耻沦和分析打；并越过制绕组试制样机耵mJ潞超导“线感应fU【的制造剌试验，进步验l|F了这些理沦利疗法的准确性，返划r留湓超导直线感应fU机的没“嗣慨川仃救好的参考价值。 关键词商溢超导区线感应fb机，l州原理，仃限元Ib磁场分析，U碰|殳汁磁路分析，参数掉，杜乩，结构参数，Ib机特性矢醚控；圳ABSTRACTCompared wi ththerotati ngi nducti on motor,the l i near i aductioa motorhasmaryadvantages，such as；thel ownoi sethecl imbi ngabi l i ty，thenon-adhesi vedri veand thesmal l radiusthroughcurves Butthe l ow effi ci encyand the l owpower fhctorrestri cti tsdevel opmentWith theadvances in thehi ghtemperature superconducbng(HTS)materi alsthehi gh-temperature superconducti ngl i neari nducti onmotor(HTS LIM)coul dfi eachi evedAnd itprovi desancw idea toi mprovetheeffi ci encyof the l i neari nducti onmotor Thi s di ssertati onfocuses on theworki ngpri ncipl estructuredesi gn，magi i rcui tanal ysi s，parametri canal ysi s，l oss and eflki encyanal ysi s，thei nfl uenceof thestructural parameterson the motorperformance，control systems，manufacturi ngandtesti ngofthe prototypeThe mai n textisas fol l owsThecharacteri stics of the HTSwi ndi ng coi lsareanal yzedAnditsAC l oss isl estedBased Ol l thethreephaseAC currentof theItTS LIMpri mary wi ndi ngs，bi nedwi ththe distri buti on ofthemot orfl ux】i nes obtai nedf romthe Maxvel【fi ni teel emenlel ectromagi csi mul ati on l he mamaeticpol ari tyof the motorpri maryuindi ngsthedi rection of thesecondary pl ate currentthex-axi sconlp01ei ltand they-axi sponentofthe airgap magicl iel dare anal yzed in detai l TheIhmst and thenormal force of themotor areanal yzedwhen themotor is inthemotor state，i l l thepowerstateand in theel ectromagi cbrake stateThe i nfl uence ofthelongi tudinalendeffect and the transverseend effecton themotorperformanceare anal yzedThe Maxwel l2D fi ni te el ementel ectromagi csi mul ati on methodof the HTSLIM is descri bed Fromthemotordesi gnspeci ficati onsand the electromagi c l oadthe rel ati onship betweenthe electromagi c l oadand the mai nmotor size isanal yzedAndthe methodofdetermi ngthemai nmotor size andthe parametersisal soml alyzedThe pole numbersl otnumberpri rnarywi ndi ngsand coreparametersareobtai nedAordi ngto thepri mary windi ngparameters ofthe HTS LIM，thcsi ze ofthe HTSwindi ngcoi l siscal cul ated in detai l Andthe primarywi ndi ng patternofthe HTS LI Mis studi ed Thecri tical currentof the H+FSwi ndingcoi lsis affectedby thebackgroundverticalmagi cfi el dTheinfluenceof the sl otheil ghtandthesl ot blank width on thei ntemamagi cfluxdensi tyof the primarywi ndingsi sfbcused Andri dswi ll bethebasi sof the primarycore sizeTwo di fl brentcool ing systemsl ifeanal yzedThestructureandthe sizeofthecool ingsystemusedInthi sissue areanalyzedl ndetai lJ L京堂迎人学博十论文Combi nedwi ththe Ma,wellfi ni teel ementelectromagi csi mul ati onresul ts、themagi i rcui tof the HTS LIMisanalyzedindetai lAsthespeci alstructureof theHTS LIM thecal cul ationthctor of the magic ci rcui tfor thetradi ti onali nducti onmotor is170l ongersui table forthe HTS LIM Thepol earecoeffi cient，theai r。 gapmagi cmrmfactor andthegas gapcoeffi cientare devided andanalyzedThe motorairgap magomotive，thetoothmagomoti veandtheyoke magomol i vearecal cul atedrhe induced electronl otive forceand theinagomoti veof the HTS LI Marcanalyzedi ndetai lThemagi ircui t cal culation value andthe fini teefol ll enlsimulation value oftheexci tation cunent forthe HTSLI Mfi repared andanalyzedThemainreactor andthepri maryl eakagereactorofthe HTSLIMare analyzedand calculatedThe slotl eakage reactance，the harmonicleakagereactance andthe endleakagereactancearefocused Theequi val ent circui t andthevectordi agram oftheHTSLIM arestudiedThethree-phase winding CUl Tenl，thethrustforce，the vertical force，thei noto J_speedandthei notofposi tioni nthel oad condi gonare analyzed Thelosses oftheHTSLI M l ncl udethe basiclron10ssthe elecl rica】Iossthe mechanicaOSS andChestrayl ossThe basic iron lossandthe copperlossofthesecondarypl atearecalculatedAnd basedontheel ectricalparametcls)ftheGuangzhou MetroLine4theefficiencyrate oftheHFS LIMpm edtothetraditionall i neari nducti onmotori scalculatedThei nlluenceofthestrti cturalparametersoll theperformance oft heHTSLIMisgreatIn bothcases ofthonst antvoltageand theconstant currentthemotorstructuralparametersal estudied，i ncludi ngprimary windingun3s，thepritnarycoreshape(sl otheight，sl otblank width，toothwi dth)，pri marycorewidth，secondary plate sizeand airgap lengthThe motorperl0Hnancei ncludesthe motorthrust thenormal forcetheprimarywh3dingcurrentand thepowerlhctorThe basicpri ncipl es、the hardwareconfi guration andthe sofware design ofthel i near tractionpl atformare analyzedThe rotorfield oriented vectorcontrolal gorithmusi ngsi ngleneuron PIDcontrol ler is focusedCombi nedwiththeparti cularityoftheHTS LIM equivalentcircuitparamel crsthe testmethod ofseparatingthepri maryleakagei cactance andthemain reactanceofthenl otor is studiedAordi ngto theno。 l oadtest resul ts andthelocked rotortest resul ts Iheequival entcircui tparametersottheprototypemotol wi thcopper windi ngsareobtai nedThrou曲pari ngthel oadtest resultsandtheMaxwe1electromagic finiteel ementsimulationresultsof theprototypemotorwi thcopperwindings，the correction thctorknisobtained thatis usedtoCOHcot theelectromagnegcthl ustoftheMaxwel l2D finiteelementsimulati onAordingtothezerostate currentresponseofche RLseri escircuitthestarl ingCUlTentcharacteri stics oftheHTSLIMareanal yzedTheloadtests oftheHTSLIM arepl etedand thetestresults showthat thedesi gnand themanuthcture oftheHrgLIM meetthe desi酆lspeci ficati onsFinally，throu【；11thestudyof themagic circuit，theel ectricalci rcuitandtheperfonnm_1ceoftheHTSLIMthe design theoryandtheanal ysis methodoftheFITSLIM aresetAordi ngtothe manulhcture andthetestof theprototypemotorwithcopperwindings andtheHTSLIM，the auracyof thesetheori esand mcthodsareval idated Andit hasagoodrefcrel lCtl value mrthedesignandtheappl icati onoftheHTS L【MKey wordshi ghtemperature s“Percol lducl I“g l ineari nductionmotor(HTSL1M)worki ngpri nciple，finiteel ementelectromagicanalysis，electromagicdesi gn，magiircui tanaIysis，parameterscal culati oncryostat，structureparameters，motorcharacteri sticsvector controln录目录中文摘要?l tiABSTRACTv第一章绪论1l1直线感应fU机在轨道交通中的脚刚I12尚n&超导虹线感应l U机研制意义3121岛温超导材料的发展j应州3122矗I温超导直线感应电机的提出5l3超导d2J_)L的特点和研究现状5I31b濉超导旋转同步b机5l32高温超导旋转感成rB机8133块材高温超导直线州步电动机10134低温超导嘲筒掣商线感应电机1214j E4J Li51汁玎法简介14I5小丈七婴研究内J!；=16第二章高温超导直线感应电机工作原理?172【高出超导材利特性分析?172l lJ锸温超导线I剞特性?192I2高温超导线旧交流|6耗测试试验2022高温超导直线感应l U机工作原耻24221训缴绕组磁场极性分析?24222允级感应板感废l U流分析27223U机推力分析28224rEJ L法向力分析3023边端效应分机3223l纵向边端效麻32232横向边端效心3324本章小结35第三章高温超导直线感应电机电磁设计3731打限厄建横与仿真37311Maxwel l2D软1卜37北京变通人学阱十沧文312有限J L迎模仿真3832电机I二巫尺寸确定43321畦i I-N4i43322IU磁负荷分析43323二要凡寸和参数确定4633初绒绕小设汁4833I岛泓超甘绕组线嘲48332初级绕玳刊式5034初级铁心改52341铁心椭J B523,42铁心竹J t寸5235制冷系统设计5536电机磁路分析5736I审气6L隙磁压；芾计算57362出部融旭降讣算60363轭翻城钉i、降计算6I364哪磁fU流讳6237电【参数分析6637l卜IU机非66372漏IU抗竹6738丁作陀能分析7039损耗I J敏率分析7339I J毒奉铁牦73392I乜气铁托74310本尊小。 I76第四章结构参数对高温超导直线感应电机性能的影响794l干玎绒绕目I线圈m数对l_巳机州前E的影响7942初级铁心槽彤埘Ib机性能的影响8243卡J数铁心宽度埘l U帆陡能的影响8744敞绒感廊扳对IU【性能f|勺影响8945气隙对fLL眺能f门影响9346本t小缏96第五章试制样机测试系统的实现与试验研究、99lI录5l直线牵引试验平台牡本原理9952就线牵引试验平台硬件构成10I521电机本体?102522数字信号处理器DSP?103523信号采样与处删!l U路?10453自线术日F试螗平台软件设训106531赶线感应U机动态数学模型?107532。 寸I|l经儿PID渊甘器108533接矢量控制策略10954制绕自【试制样机等效电路参数分析11054l空载试验lll542堵转试验?11355铜绕【试制样机负载试验结果分析】1556精盐钮导fL线感应电机电流特性分析757高温超导线感庇U机试骑结粜分析12I58木章小结124第六章总结与展望1276l总结I2762腱型?I29参考文献I3l作者简历l37独创性声明139学位论文数据集141絷章绪论第一章绪论11直线感应电机在轨道交通中的应用随着城J|丁人I1的迅猛增长厦城市化进样的加快，公共交通运输的爪力越来越人。 为了缓解这一矛盾，北京、h海、广州锋特大城市已村j继建造了许多地铁，另外还柯许多大一城IH也在建造或计划建造地铁或轻轨，发展快速便捷的轨道变通足解决人城市交通问题的根本办法。 直线感应电4J L(1i neari nductionmotor，LIM)牵引的轮轨交通方式结合了传统旋转感应电机轮轨交通方式和低速磁&浮交通方两肯的优点。 与传统旋转毒应电机轮轨交通方式十H比，直线感应电机轮轨交通在建造地铁时能够减小隧道的断丽，节省许多土方戢，降低【程成本。 肛线感应l U目L轮轨交通的钢轮仅起支撑和导向作玎，列车依靠直线感应电机的l n磁摊，ni动，|=受钢轮硐I钢轨之M黏着条什的影响，具有优良的动力性能干爬坡能力，乱线感应电机轮轨交墟线路的最人坡度为80远大】_传统旋转感应UHI40o的最大坡度l。 L线感戍IUfJ L轨交通系统省上j J了传统j；6|转麟麻n机轮轨交通系统的机械齿轮变述犍胃，聚川了结构简单的径向转向架，线路最小#径fi r传统旋转感应l乜机怕200m减小；ll了80m。 这阿夫优点使得线路可以玎使地绕过地下和地建筑物，小仪大大增加了选线灵活度，有利r线路汁，而凡呵以减少拆迁工作畦降低T=程造价?。 卣线感应电机轮轨交墟车辆没有齿轮传动机构的啮合振动和噪声。 也没有动力轮对与钢轨蠕滑滚动产生的噪J,5-和振动，同时也避免了列车肚曲线时轮轨冲角带柬的噪卢和振动，I弭此，无论牵引还是制动，直线感应r乜机都使得轮轨髓牦最和噪声夫大降低吼齄于述优点，从二十1j j=纪八H代起，直线感应电机轨道变通得到了迅速发展。 目l】i，吲内外有t-)L条甑线感应电OL_年J L道交通线路l F在运营，如t吲内线路卜耍有广州地铁4号线、广州地铁5号线和北京机场线。 ?1直线感应电机的乍载仞数干地面次级处在个相对疽线运动的弹性系统叫，小町避免地会造成帽互川气隙的变化，此等虐到安全陶素，这个气隙不能|殳讣得太小一般定在12rnm A-4j。 和旋转感应U帆槲比，苴线感应电机的。 t隙很大，大2t隙使得上磁蹄的磁|f【增加，冉IU机磁通1日同的情况F，ln机的脯磁电流将增大。 人气隙小仪会降低直线感戍fU机的功社数，还会降低其效率。 北京交通凡学啡f论文要提高轨道变通用直线感应电机系统的做率，综合起束何以下儿种方法?段进直线感应电机控制算法，进行效率优化控制。 教牢优化控制策峨|cJ本质是控制励磁磁链随负载的减小而减小，从而达到减小励磁电流希I-；J级绕组锏耗的目的。 主要的控制方法柯三种罐于损耗模鞋的塌优励磁控制策略、输入功率最小拧制策略和定子电流最小控制艇略；(21挺岛轨道线路和4二辆的施一质量，减小血线盛应l乜机J J级与次数之?】n勺空，L气隙，从而达到减小础僦电流和纠级制牦的H的。 考虑到安全IxI袭，直线感应Ib机的。 C隙l可能碱小诎多f3)优化选线模式，减少轨道线路其它没备的川fU最。 比如降低地r线跚旧深!=从而降低地F乍站的通风、空响、照l小排水和扶梯等b量消耗 (4)采用超导随线感成b机设计理念。 川超导线代许“线感应电机例缴铜绕线圈后，电机初级铜耗近似为零，增大U机枷级绕组电流并不会增_】【|电机的损l E和散热系统负担。 综合分析I进叫种，J法可I通过散二簪优化控制策略术提高直线感应IU机效率的_fr沾J l能“特定条件F实1踔不能从似本i政变“线感应fU机妓牢怔的问世，1】f=|【通过此力法很难人幅艘降低直线感I,vl乜机坝牦芍虑到l粥寅际心川的*受，肌阶段轨道线踏和辆的施一质融儿哥址一定的，舣椎通过改净观有n】轨道线路_手11t辆施质汁米提-岛I托线感应U机效率n选线模，用1次绒堪心板轨道定的奇况1,-，H能通过改变铆缎材料嗣l卡J J级结构水挺一；直线盛心电l救一年。 超甘利料具订完全甘IU性超导绕组n域流|11q焦J、F损耗几乎为零，?计还能承载根商的IU流密度oj传统fU机相比，超导IU机具有商的_J J簪密度、效率年功率I蒯数电H前更为优良的技术和经济性能。 随着超导技术的发展，一昭甘电动机的实际研究碲|J蔓刷U经成为”r能，交流超导I乜动机的发胜主要91为曲类电机定予I瑚交流fb枢绕组【使用超导体，定r铜耗本为零，能够降低l b机的总损耗，从l m实现坐j效率和输出功率的超导U机；IU机转丁性J=f超导块材利JI超导块材的磁滞吼敦，ur以制成超导磁滞电动机，利用超导块材的抗磁性，nr以制成超导磁|fl l电动机，利超导块村俘获磁通的特叫以制成超导水磁电动机。 心此，n一次数尴鹰扳轨道窟的情况F，F以川超甘线蹦件换传统“线感心IU机例缎的制绕组线l捌，以此术降低IU机的枷级_【4耗和总损牦。 初级绕目I采月J超导材料的，L线感戍fU【称为超导直线感应l U机，超导材料义分为低温超甘材十l,fl l幽温超导材=|，经过综合比较分析，奉谍题选择果川Bi2223AB高温，瞰甘骷村术ti JP,I；0高温超钟“线感应IU机。 第章绪论2高温超导直线感应电机研制意义超导材料分为低温超导(10w temperaturesuperconductin2LTS)材料和高温超导(hightemperature superconducti ng，HTS)材料。 低温超导川到的冷却介质妊液氦工作湍度为42K，其|殳备和技术都比较复杂，费用很高不方便。 高温超导川到的冷却介质通常是液氨，J二作“度为77K，氮t术源J J泛价斛便l，制冷效率高，能被fI】oJ1泛接受。 tj低温超导材料朴l比商湍超导村料能获得更岛的磁场，H性能皿更J Ju稳定，L作温K更大，町辘陛业商，这就降低了列制冷机的婴求，川制冷机补允超导装置巾I劓l W的热量蒸发掉的冷创介质时。 虫粜维持液氦温度为42K，液氮温度为77K低温超导需要消#E loow的功率，师高温趣导只需要l OW矗冉，这些都为高温超导材料的大胤模随fl J催观了灿烂曲景。 随着高温超导技术的发展，高温超导rn机的研制成为了可能，在本谍题研究中，我们选择采JJ高温超导材料。 21高温超导材料的发展与应用1雌纪八F代以来，高温超导材料!到了撇人发联，特删址Bi系和Y系瓴化物l衍温超导体的临界濉度在液氯温度以hr77K)。 ?W，离m超导材料卜要分为两类类为BSCCO(Bi系【岛温超导村料)，以B12s!c8ICu20，(Bi2212)和Bi!Sr!Ca2Cu30。 (Bi一2223)13代表。 类为钇钡铜氧(YBa!Cu30；)，或称为YBCO或Yl23。 目前，高温超导村料不仅实现了产业化生产面且在系列的军事和商业应用中成为了r玎能，E要包括超导输电电缆、超导故障电流限流器、超导储能、超导变压器、超导rB动机、超导发电机和其它高温超导磁体。 (I)既系高温超导材料Bj系高温超导材料属于第一代高温超导材料通常需坚加工成超导体和证常金属材料构成的多芯复合线或带，即将适当配比的超导氧化物粉术填充到金属(如银)套管内，然后机械加工(挤压、拉拔、轧制)成要求的膨状(线或带)盯经过热处蹦或多次反复的形变热处理得到蛙终成舳线材，这种1一艺被称为粉木充管法或金属套管法。 第代高温超导榭料产业化的戈键在r扯何僳E妊导线的性能均匀一陀干；戚少长导线起泡等缺陷。 目时。 ?羿I靼摊第一代商温超导线材l 一、Ik化生产技术的公司1二篮青美国超导公司(AMSCl、|本住应乜气株式会t(SEI)、l E京其纳超导技术有限公司(Innost)、撼先进超导技术公司fEAS)fql德国TRITHOR公司等，它们，k产的产t铺参数她表1一l。 !壅皇堕!丝兰牲11雌羿F世筇fL nhm超导线利J品奎数Tab坦!坠!型!坚堕生!坠堕!型!翌!业!g!业P!型!E!型坐业监业王匹山。 5戈同AMSC1351305065Ih-k Innoslf1水SEI德嘲EAS德TRITHORf21YBCO l b溢超导材料YBCO高温超导材料腻于第二代高温超导材料，具柏较好的高温磁场性能，其潜在的低制造成本嗣I较d,V,J交流损耗也比第代商温超导材料具有优势Hl。 i下。 ll粒叫结俞较科，YBCO带材m以采片j成熟旧粉术充管法工艺制备，H时采J的址薄腆机秘工芝，将YBCO超导体以具有般轴取川膜的形态沉积征棠r土衬废I，构成柔fUIq YBCO涂层超呼带材。 YBCO膜的敢轴取向iJ Ll大大减少超导埘连接一I界，提高临群l U流密度，?艇的形态山州以增娅抗应山n199l|三 14、滕仓公川fFuj ikura)采用离J求轴蚍沉租浊(IBAD)1iJ+酬涂J z!外延0L枞了钇系氧化物YBCO，宣i筇代I濉超导一潸村问世。 随后，经过多*缓陛m有戒教nq努J第二f岛温超甘特材般褂了突破比进展，荚幽、本和德I的fl Jf究机构垌I企It先后研发成功了100水k度数量绒的第一代高温超导4f#村，J i且J l始了人规模帕mIL应川。 美圳超导公司建成了?群L筇条高温超导输fUU缆系统，”J一xx印4JJ22I】|-投人商业运营，此系统安装在荚l q纽约岛的Hol brook变电站；在美海军刊令部的资助F，戈蚓超导公司研制成功了吐羿首音365MW高温超导船舳推进l U机，并m旖城荚川海军关成l b力系统陆螭吏验室顺利完成丁全J J J率测试j C测试址采是荚?妊军m-岛测试i L录的2倍。 荚瞪导公司生，“的YBCO高温超导带材参数见表I2。 表12定心超导公州生产的YBCOI6濉超导带制参数SCS30SCS40SC$60SFl205SCSl2fl协刑jSF4050SF6050第一孽绪论122高温超导直线感应电机的提出直线感应电机损耗毛要分为初级铜耗、初级铁耗、次级铜耗、次级铁耗、杂散损耗和机械损耗。 电源频率定刚，直线感应l乜机衲级铁心和次级铁轭中的铁耗主要与铁磁材料内部的磁通密度、材料厚度、材料性能以搜铁心冲叠_l艺有关。 电机次级感应板感应乜流一定时，次数锕耗t要0次级感心扳IL叭R，订兕，次级感应板IU阻R越小，次绒铜耗越小幸J J级铜耗主篮与卡J j绂I乜流和仞级电阻有关，?r轨道变通川衄线感应LTJ L的气隙一般在12ram厶t右_=气隙使得电机的励磁电感较小，在rn机窀气气隙磁通密度柑州的隋况下，励磁电流较人，励磁rb流在十J J绒电流中所占的比重比传统旋转感应乜机大得多。 在次级感应电流柑州的情况F，大气隙轨道交通_I=1“线感坦电机的仞级电流随励融l U流的增大l nJ增人，当电机例级rn阻瞳定时，初级铜耗随初级电流的增大而增大1b机效率随卡J级铜牦的增J而下降，山十rB机要维持一定的磁场和输出一定的功牢，初级电流1i可能随意减小，捌此，减小直线感应l b机初级铜耗的关键在十减小初级U阻。 高温超导村利处于超导忐时1i仪其肯很高的功率密度，而14Ib阻为零止就是晚，j!线感应fU机孛J级绕组采川商，濉超导材料历不仪能增_|【|fU机的助丰靖度，而儿”r以将电机的纠级锕耗减小为零，fU机功砗越_人，采H1高温超导材料后町以节省的能髓也就越多，埘1一大t隙人功j缸轨道受通川FL线感麻l乜机柬晓，采用高温超导赶线感应Ib机ur以解决fU机效率随初级制J=E增Il J町F降的问题，仃利J提高电机效率，捌此，岛温超导直线感应电目I(hightemperature superconductingl inearinductionmotorHTSLLM)存轨道交通领域有肴十分诱人的应川胁景。 13超导电机的特点和研究现状随着高温超导材料技术的进步，高温超导f乜机得到了很大发胜。 新温超导电机与同功率、同转速的常规电机相比其有体积小、重精轻、噪声小和效率高等特点。 口前，国内外研制的高温超导r乜机t要有高温超导H步发电机，高温超导闹步r乜动机，商温超导感应电动机和块材高溢超导直线刚步乜动机等。 31高温超导旋转同步电机高温超导fHTsl旋转同步发电机通常采川高温超导线l捌作为产乍“流磁场的励磁绕组产，|t交流磁场的电枢绕组用的是普通铜绕组。 表13列?了4MW一哿黼超导旋转同步发电机和传统发IU机的性能指桥，这台4MW高温超导旋转同步发乜5-!皇丝叁j!1堡!机粟j第代高n超导材料Bi2223Ag，山德国fJ子公州从xx年JI始研制xx在德鲥伦堡井网发U。 袭I34MW n胁趟导步发IU机剐传统毁【b机件能比较“I!生!iP!型i!型!E!塑!型型丛!ig!翌!生!翌j!i!竺o盹能指h、商滞超甘14步艟j U机j统发。 Ul总的求|兑，如濉超导l刊步发Ib机和传统常导川步发fb机柙比f】以下特点?体积小，重量轻。 通常乜机的输f功率11-比于电机体积、气隙磁通密度和定子绕组线b流密度的乘积，在输出功率不变的情况下，提高气隙磁通密度平绕组线电流密度硼咀减小电机体积。 传统电机的磁通密度受铁心饱和程度及铁耗的影响被限制在一定范围内，电机的线电流密度受冷却条件的限制山被限制庄一定范围内，超导电帆的优点就是可以在不增加任何损耗的情况下大幅度提高l b机的磁逋密度和线电流崭度，减小电机体积；r21嫂苹陌。 -?il温超导州步发fU帆的最_=效率【叮以达到99以l?岛黼超导体的乜阻为零，使得IU机锕耗近似为零对j尤电磁铁心的高温超甘同步发IU机来髓电Hl的钬牦山儿乎为零；且量然需矍冷龇岛濉超峙休，fIl冷却所，精的功率J ll j，微小部分。 ，另外n温超甘同步艇IU机体秘小、暖鞋轻，这就|；萃低丁转n由风_|矗!以及轴承0机械#E损。 【J使电机Ib根绕虮为常甘体，?卜其安?数减少，电机的U枢绕封【耗损啦将减小，fU机效率可以很高；第一章绪论 (3)输出电压高址化。 阅为电枢绕纽可以是没有铁心的空心绕组结构，窬与获得r乜气绝缘距离，凼晰有可能提高输出电眍 (4)同步特性改善。 高温超导同步发电机可以是空心绕组其同步f乜抗j l是原柬电机的】315，例步电抗的减小可以提高电力系统的稳定度、大幅增加输乜线路的输电容量。 另外在超6i I,tll位范崮内一以运行剖额定容量，无功功率的补偿能力大为增?。 高温超导同步发电机具有运用在电力系统L的优辫 (5)对r无铁一0高温超导H步发电机来随，lh于nr以没仃铁心，人大降低了电机的搬动和噪卢，同时绕组的绝缘问题也会变得型加筋l1?。 高温超导(HTSl旋转同步11三动机也具有l述高温超导旋转同步靛l U机的特点。 芰吲海军和荑幽超导公司已经联合研制成功了5MW和365MW的舰船川高温超导旋转H步电动机，HTS同步f乜动机的功率和体积关系曲线血吲I一1所示，功率和重量关系曲线如图l一2所示，功率和效率关系曲线如嘲13所吓。 一m。 j磊，。 薰煮(J20406c)sIIUm”H蚓lo传统电机_l Hrs同步LU动机的功车日I啦齄戈采?l线F19lCofmpowe T|娜cl ghbetwel henadm蛳“mot啊andI heHTSs”chronousmol or7!堕!竺塑叁41!堡!lot)SfJZ#411f Unct)幽l+3传统1U机目l HTS l叫步IU动机的功牢和效半笼乐曲线Fi gI-3C?ofthe powervesH$efficiencybetweenthetradi tional moorand theHTS synchronousmotoFI【吲1 1、H l+2和f矧13川以看U1，大功瞽条件F HTS川步电动机社体秘、重蝣和效率hi lil足订li人优势。 图l一3rh“I电机输l功率n5100范?内变化时，HTS川步l乜动机的效率曲线J走|啦j一址r的，止就是说，HTSl司步l U动机-以n逝似个逑范刚内部维持n展人教率点运行，这址HTS|llJ步l乜动HY址并的个优点。 132高温超导旋转感应电机FH。 舟温超婶艟转感应IU机旧研究迁处