超导磁储能磁体设计和优化.pdfVIP

摘 要 近年来超导磁体已经获得迅速发展，已经在超导发电机、超导变压器、超导电缆、 超导限流器以及超导磁储能系统等领域获得广泛应用。因为它与常规的磁体相比，有 更好的经济性和运行特性，而且在一些条件下，超导磁体是唯一的可取方案。基于超 导磁体的诸多优点和在特定条件下不可替代的优势，对于超导磁体的设计，制造工作 也在国内外竞相展开。正是在这种研究背景下，华中科技大学成立了超导电力科学技 术研究与发展中心，准备在超导电力技术，特别是超导磁体的设计上展开应用研究。 本文将就超导储能磁体的设计工作展开论述。 首先，本文介绍了磁体设计中的磁场理论研究和广泛应用于电磁领域的有限元分 析软件ANSYS ，并概述了超导磁体设计的基本步骤，为磁体设计提供一个总的参考。 然后，根据超导磁体设计的基本步骤，参照电磁场维里定理，并引入优化中运用 广泛的模拟退火算法，分别对两种不同结构的超导储能磁体（Y 系单螺管超导储能磁 体和300MJ 环形储能磁体）进行了设计、仿真工作。通过仿真计算结果，对比分析两 种不同结构的优劣。 最后，在理论分析和仿真研究的基础上，结合现场实验，完成了 35kJ/7kW 的直 接冷却高温超导磁储能系统的漏磁场分析。通过仿真结果与实验数据的对比，证实了 仿真结果的正确性，并提出了进一步研究的问题。 传统的磁体设计依靠电磁场基本理论，计算中引入大量的公式，过程繁琐而且误 差较大，本文将ANSYS 有限元分析软件应用于磁体设计，引入模拟退火优化算法使 磁体的设计优化工作更加简洁、结果更加准确可靠。现场实验的结果也进一步证明了 设计的正确性。所以，本课题中所研究的基于有限元分析的超导储能磁体设计方法具 有简明、准确、可行的特点，具有较强的实用性。 关键词：超导储能磁体 磁体设计优化 ANSYS 有限元 模拟退火算法 I Abstract Recently with the development of superconducting magnet technology, superconducting magnet is widely used in electrical region such as superconducting motor, superconducting transformer, superconducting cable, SFCL (superconducting fault current limiter), SMES (superconducting magnetic energy system) and so on. Comparing with the common magnet, the superconducting magnet is more economical and applied. And sometimes it is unique in the special condition. Because of its unique superiority, a lot of designing and fabricating work about it is developed all over the world. In this condition, the Superconducting Power Science and Technology R D Center was born in Huazhong University of Science and Technology to do some research in superconducting power science, specially in the design of superconducting magnet. Subsequently, there will be a detailed description about the design of SMES magnet in this pa