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2024年增刊1AgriculturalMachineryandEquipment农业机械与装备131

5MJ双螺旋式高温超导储能磁体设计

孔敏

（扬州高等职业技术学校，江苏扬州225003）

摘要：超导磁储能系统具有响应速度快、功率密度高和结构紧凑等诸多优点，具有多种应用场景，高温超导储能磁体作为

整个系统的核心部件，在整个系统稳定运行的过程中起着至关重要的作用。文章以5MJ高温超导储能磁体为研究对象，设计

出一种双螺旋式超导磁体结构，基于电磁场和应力场理论，综合分析了高温超导储能磁体的电磁特性和机械特性，并以磁体

的电感和储能量为重点研究内容，对双螺线管型结构进行了优化，用有限元模拟的方法验证了理论计算的正确性。

关键词：储能磁体；双螺旋式；理论计算；有限元模拟

中图分类号：TM26文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2024.S1.033

超导磁储能系统（SuperconductingMagnetic1磁体结构及运行参数

EnergyStorage,SMES）通过对超导线圈供电，利用超导储能磁体所使用的线圈由日本住友电力公

变压器将电磁能存储起来，在需要的时候就将这种能司生产的第二代Bi-2223/Ag带材绕制而成，该带材

量传输给电网或者用于其他的用途，改善电网的电压的载流能力受磁场影响非常大，临界电流随外磁场强

[1]度上升而迅速下降，尤其是垂直于带材表面的磁场

和频率特性，改善电能质量。超导储能磁体是超导

（通常称为垂直场），Bi-2223/Ag带材基本性能参数如

磁储能系统的核心部件，在高温超导储能磁体运行过

表1所示[3-4]。

程中，系统的磁场、热力场和应力场会对储能磁体产

5MJ高温超导储能磁体由10个超导双饼线圈组成，

生较大的影响，电磁线圈会产生较大的应力，甚至是

为螺线管结构。每个双饼线圈的外径为844mm，内

塑性变形。由此可见，超导储能磁体是超导领域的重

径为448mm，高度200mm，线圈匝数为2950~2960，

要研究课题[2]。本文以5MJ高温超导储能磁体为研线圈均采用环氧树脂真空压力浸渍固化。磁体设计工

究对象，设计出一种双螺旋式超导磁体结构，从磁场作电流为1250A，设计工作温度为20K，磁体由两台

和应力场方面着手，研究磁体结构对电感和储能量的制冷机通过导冷杆、导冷法兰和导冷板传导冷却维持

影响。低温[5-6]。磁体基本设计运行参数如表2所示。

表1Bi-2223/Ag带材参数

带材平均宽度/mm带材平均厚度/mm带材许用拉伸强度/MPa带材许用拉伸应变带材许用弯曲直径/mm工程临界电流/A

4.1±0.30.3±0.032650.4%70115

表2SMES磁体基本设计运行参数

磁体型式设计储能容量/MJ设计运行电流/A设计运行温度/K线圈内外径/mm线圈高度/mm磁体线圈总数

双螺旋式51250204