bg1105邵力开题报告书.docx
- 文档编号:29524064
- 上传时间:2023-07-24
- 格式:DOCX
- 页数:15
- 大小:165.61KB
bg1105邵力开题报告书.docx
《bg1105邵力开题报告书.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《bg1105邵力开题报告书.docx(15页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
bg1105邵力开题报告书
XX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
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发展起来。
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世纪初开始,该技术得到了快速发展,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软件进行电磁仿真研究,对比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基础。
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始的。
热力学的发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,然后开始加大,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(ElectricPowerResearchInsttute,简为EPRI)就委托RelianceElectric公司就高温超导(HTS)技术在工业电机领域应用的可能性进行研究[1]。
20世纪90年代初,他们就先后试制了25W的小型HTS直流电动机[2]和1.5kW(2hp)、3.7kW(5hp)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(6500hp)的HTS同步电动机[4]和100MW的HTS同步发电机[5],36.5MW(49000hp)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400kW(550hp)和4MW(5200hp)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、20r/min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发展。
俄罗斯和德国从上世纪90年代中期开始合作,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0.5~150kW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发展[16-19]。
随着HTS技术的发展,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。
美国最早开始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同步电动机为其发展重点。
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
基本参数HTS
材料
研制年份
美国
1.5kW(2hp)
2极3600r/min
多芯复合BSCCO线圈
1993
3.7kW(5hp)
4极1800r/min
多芯复合BSCCO线圈
1993
92kW(125hp)
4极1800r/min
多芯复合B-i2223/Ag线圈
1995
735kW(1000hp)
4极1800r/min
多芯复合BSCCO带
2000
3.7MW(5000hp)
4极1800r/min
多芯复合BSCCO线
2001
5MW(6500hp)
6极230r/min
多芯复合BSCCO带
2003
德国
400kW(550hp)
4极1800r/min
B-i2223/Ag带
2001
4MW(5500hp)
2极3600r/min
B-i2223带
2005
韩国
3kW(4hp)
4极1800r/min
B-i2223/Ag带
2001
73.5kW(100hp)
4极1800r/min
不锈钢加强B-i2223带
2002
日本
3.1kW(4hp)
8极720r/min
Gd-Ba-Cu-O块材磁体
2005
芬兰
1.5kW(2hp)
4极1500r/min
B-i2223/Ag线圈
1997
2选题背景及其意义
建立在电磁计算基础上的Ansoft软件,为设计工程师们提供了精确、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精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精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。
MAXWELL 2D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,Maxwell的产品遥遥领先其他的一流公司。
Maxwell 2D 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,Maxwel2D 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线和制冷成本的降低,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。
在今后的发展中,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X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%。
那么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多年的研究发展,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发展,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,其技术发展水平与国际水平相当或相近,某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,由于悬浮而在线圈上高速前进。
这些线圈固定在铁路的底部,由于电磁感应,在线圈里产生电流,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相同,这样在线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,此外在受控热核反应装置、回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涉磁强计,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应、核磁共振等方面的应用,还有一些物理研究需要很强的磁场,一些特殊的设备都需要超导磁体。
核磁共振成像仪就是一个实例。
其基本原理:
原子核带有正电,并进行自旋运动。
通常情况下,原子核自旋轴的排列是无规律的,但将其置于外加磁场中时,核自旋空间取向从无序向有序过渡。
自旋系统的磁化矢量由零逐渐增长,当系统达到平衡时,磁化强度达到稳定值。
如果此时核自旋系统受到外界作用,如一定频率的射频激发原子核即可引起共振效应。
在射频脉冲停止后,自旋系统已激化的原子核,不能维持这种状态,将回复到磁场中原来的排列状态,同时释放出微弱的能量,成为射电信号,把这许多信号检出,并使之进行空间分辨,就得到运动中原子核分布图像。
核磁共振的特点是流动液体不产生信号,称为流动效应或流动空白效应。
因此血管是灰白色管状结构,而血液为无信号的黑色。
这样使血管软组织很容易分开。
正常脊髓周围有脑脊液包围,脑脊液为黑色的,并有白色的硬膜为脂肪所衬托,使脊髓显示为白色的强信号结构。
核磁共振已应用于全身各系统的成像诊断。
在弱电方面,由于约瑟夫森效应可以得到精确度高的电压值,在电压计量工作中具有重要意义:
超导量子干涉仪(SQUID)的发明也是一个重要的应用,其具有高的磁测量灵敏度,在磁学中意义重大。
3.1.3超导体的认识及研究
超导体具有电阻时的状态称为常导态或正常态,当温度降到一定数值以下时
电阻突然消失后的状态称为超导态。
超导电性开始出现时的温度,也即由常导态转变为超导态时的温度称为临界温度或转变温度,用Tc表示。
同时还发现磁场对超导体的超导性质有着明显的影响。
即在临界温度Tc以下时,如加上一定强度的外磁场后,可使超导体的超导态遭到破坏而转入具有电阻的常导态,如果去掉外磁场就又恢复超导态。
这个能使超导体的超导电性消失的最小磁场值H。
称为临界磁场。
Hc的大小不仅随不同性质的超导材料而异,而且对于同一超导体,从还与温度T有关。
对于大多数超导体,Hc一的关系可以相当准确地用一抛物线
方程来表示:
(公式3-1)
图3-1超导体的磁场强度与温度的关系
式中To—零磁场下的临界温度;
—绝对零度(OK)时的临界磁场,一般约为0.03T左右。
超导体所载电流的大小对超导电性也有直接的影响,当电流大到某一临界值Ic时,超导态也会遭到破坏而转变为常导态,左称为临界电流。
对于许多超导体(第一类超导体),临界电流左是与临界磁场Hc.紧密联系在一起的。
根据西尔斯比的假定,电流破坏超导性是由于电流在超导体表面内层产生的磁场达到了Hc而造成的。
如果在半径为r的超导线中通过电流I时,这在超导线表面内层所产生的磁场为
(公式3-2)
超导材料
按照磁性质的不同,找导体可分为第一类超导体(软超导体)和第二类超导体(硬超导体)两类。
第二类超导体有分为理想和非理想的两种。
第一类超导体的磁化曲线如图2一所示:
Hc值不高,一般只有百分之几特斯拉,Tc只有极K。
如纯Hg,Sn,Pb等即属此类。
第一类超导体的基本特性为:
超导体内的磁化强度M随外磁场H的变化是一个可逆过程。
在T 图3-2第一类超导体的磁化曲线 第二类超导体的磁化曲线如图2-7所示: 具有两个临界磁场值,即下临界磁场Hc1,即上临界磁场Hc2。 在温度低于T,及外加磁场为零或很小时,超导体处于超导态,具有迈斯纳效应。 当外加磁场H>Hc1,时,超导态开始遭到破坏,原来被排出体外的磁通中有一部分进入超导体内,这时超导体内超导相与常导相(磁通进入的部分)并存,这种状态称为混合态。 混合态下的超导体己不再具有完全反磁性的特性,但还保持其零电阻特性。 当外加磁场继续加大到H>Hc2时,超导体才完全进入常导态,这时磁通进入超导体的所有部分。 这是第二类超导体与第一类超导体的根本不同之处。 图3-3第二类超导体的磁化曲线 第二类超导体的磁化曲线实际上存在着两种不同的情况,如图2-8所示。 一种是磁化曲线其本上是可逆的,即在逐步提高磁场时所绘得的磁化曲线与逐步降低磁场时所绘得的基本上一致,只是在Hc1附近略有差异,具有这种磁化特性的 超导体称为理想的第二类超导体;另一种磁化曲线这时不可逆的,称为非理想的第二类超导体(硬超导体)。 对于磁场强、电流大的超导电机,其所需的超导线就只能是Hc2及Ic都很高的实用的非理想的第二类超导体,即硬超导体。 作为这种高Hc2、高Ic的超导体的例子,最典型的就是Nb-Ti合金及Nb3Sn化合物等,它们的Hc2可高达10一20T以上。 图3-4第二类超导体的两种磁化曲线 3.2高温超导电动机的结构与机理 鉴于超导材料的交流损耗,与半超导同步电机一样,超导感应电机的定子绕组采用三相常导绕组,不同的是三相常导电枢绕组仍绕制在铁磁材料的铁心上;转子绕组的结构与常导感应电机的鼠笼绕组相似。 图3-5中黑色的部分是用超导块材料构成的导条,图3-6中在导条的两端用超导块材料作为端环将各导条短路形成鼠笼绕组。 图3-5新型超导电动机转子的导条分布图3-6新型超导电动机的转子端环 在静止时,超导鼠笼线圈中的感应电流驱使超导体转变为正常态,电流在超导体块材料中流动。 仔细选择这种超导块材料,就能有一合适的静态电阻,从而获得可以接受的大启动转矩。 当感应电机加速时,超导体内的损耗就降低,直到接近同步转速为止。 把鼠笼式绕组进行冷却,随着温度的不断降低,鼠笼绕组的电阻不断下降,其中的电流就会急剧增加,而只能被转子绕组的漏抗所制约。 由于漏抗不大,所以电流的变化可以是相当可观的。 电流增加,其结果是转矩和转速都会有所增大。 此时,超导鼠笼式绕组内的电流就会发生震荡,使它加速和减速,直到本质上使直流电的转子电流在绕组中形成环流而且鼠笼式绕组达到同步转速为止。 当温度下降到高温超导体的转变温度以下时,电流就在超导体内(实际上是表面)长久流动,不会消失。 这时,鼠笼条内的电流就相当于同步电动机中的励磁电流,而鼠笼条就相当于永磁体。 这台电机表现出同步电动机的特性,其转矩随负荷角而变化。 与同步电动机相比,其主要差别是,在这台电机中,在转速上升的同步速之前转子不能提供磁化磁动势。 像常规感应电动机一样,此磁动势必须由初级交流电提供。 为此,必须保留初级和次级中的铁磁通路,以保证其初级磁化电流是可以接受的。 在转速上升至同步速之后,就有鼠笼转子提供磁化磁动势,由于鼠笼绕组是高温超导材料,就变成了一台高温超导同步电动机。 这就具有了用此同步电机的优点。 这种结构的电机转子结构不像同步电机那么复杂(转子上有线绕绕组,需要旋转引流机构或无刷励磁机构等),可靠性高;转子机械强度高,适于高速运行。 利用超导材料在失超状态下的高阻特性和在超导状态下的零阻特性,通过适当的设计和控制,使所研究的超导感应电机同时兼具感应电机和永磁同步电机的优点,避免它们各自的缺点。 该电机在启动时,转子电流很大,转子电流的频率较高(从工频开始随着转速的上升而逐步下降),通过适当设计,可以使得转子超导绕组在这个阶段失超,从而呈现大的转子电阻,使得这种电机有很大的启动转矩: 在启动到接近同步速时,转子电流减小,频率降到接近直流,转子绕组重新进入超导状态,转子电阻降为零,电机经过一定的震荡后牵入同步,超导转子绕组中的电流为电机提供励磁,这时电机相当于一台永磁同步电机。 转子损耗为零,电机效率提高。 这种电机在稳态运行过程中具有永磁同步电机的特点,在暂态过程中具有感应电机的特点,同时它还具有磁滞电机的特点。 3.3高温超导电机有限元电磁仿真部分 本文利用Ansoft软件,首先建立高温超导同步电机的有限元仿真模型,采用Ansoft软件分析了高温超导同步电机内的磁场分布,计算转矩、功率因数、效率,与普通同步电机进行对比。 . 4工作特色及其难点,拟采取的解决措施 1.材料的稀有以及经费过高。 2.高温超导电机普遍运用于军事大功率舰船上,离实际生活较远不易于研究。 3.应用ANSOFT软件对设计的系统进行仿真,找出仿真结果与理论预期的差别,找出不合理的环节设计,以便进行可行的系统优化。 5论文工作量及预期进度 2014年12月-2015年3月根据所选课题,完成毕业设计的资料收集工作,并进行汇总整理,研究所收集的资料,定出设计大纲,并撰写开题报告。 2015年3月完成开题答辩。 在指导老师审阅通过后上交开题报告。 2015年4月进行中期检查。 论文内容应完成大部分文字工作,期间应随时与和指导老师沟通联系。 2014年6月完成论文初稿,交给指导老师审阅,并对不足之处进行修改。 在整篇论文完成之后,检查全部内容,进行排版整理,最后定稿。 6预期成果及其可能的创新点 HTS电机的开发与研制已经取得了一系列令人注目的成果。 HTS电机在很多方面具有比常规电机更优越的性能,在未来的发展中,HTS电机的应用将越来越普及。 随着HTS材料技术的不断发展与进步,以及第二代HTS材料产业化的实现,HTS电机将迎来更加广阔的发展前景,为经济和社会的发展起到巨大的推进作用。 参考文献: [1]JORDANHE.Feasibilitystudyofelectricmotorsconstructedwithhightemperaturesuperconductingmaterials[J].ElectricMachinesandPowerSystems,1989,16 (1): 15-23. [2]CHADHJ,RICHFS.DesignandfabricationofhightemperaturesuperconductingfieldcoilsforademonstrationDCmotor[J].IEEETransonAppliedSuperconductivity,1993,3(l): 373-376. [3]JOSHICH,PRUMCB,SCHIFERRF,eta.l Demonstrationoftwosynchronousmotorsusinghightemperaturesuperconductingfieldcoils[J].IEEETransonAppliedSuperconductivity,1995,5 (2): 968-971. [4]GREGS,BRUCEG,SWARNSK.ThePerformance ofa5MWhightemperaturesuperconductorship propulsionmotor[C].IEEETransonAppliedSuperconductivity,2005,15 (2): 2206-2209. [5]FOGARTYJM.Developmentofa100MVAhigh Temperaturesuperconductinggenerator[C].2004 [6]KALSISS,WEEBERK,TAKESUEH,eta.lDevelopmentstatusofrotatingmachinesemployingsuperconductingfieldwindings[J].ProceedingsoftheIEEE,2004,92(10): 1688-1704. [7]FRANKM,FRAUENHOFERJ,VANHASSELTP,eta.lLong-termoperationalexperiencewithfirstsiemens400kWHTSmachineindiverseconfigurations [J].IEEETransonAppliedSuperconductivity,2003,13
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- bg1105 开题 报告书
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)