超导设备


超导磁铁

在粒子加速器领域,超导绕组用于磁体弯曲,聚焦和限制粒子束以及进行实验和检测结果。主要的仿真要求是精确计算直流和斜坡运行中产生的磁场的幅度和梯度,并保护系统免受淬火引起的故障。简单地说,淬火是在操作期间磁体中的材料从超导状态到电阻状态的转变。如果不小心以受控的方式管理这种转变,系统可能会被损坏甚至毁坏。
在超导磁体的系统建模中,我们通常基于线圈中组件材料的相对分数,对整个线圈使用整体/均匀近似。我们可以使用理论表达式或从测量中获取的表格数据。由于具有非常各向异性的热特性,体积近似需要精确地表示绕组,而不仅仅是单个体积值,而是通常在电流方向和垂直方向上。这意味着需要一些描述当前方向的方法,以便各向异性材料属性可以与该局部方向对齐,而不是在全局系统内,或者全局坐标系的一些简单变换。
在考虑系统中的潜在故障时,一个重要特性是临界电流。这种高度非线性特性随着温度和绕组暴露的磁通密度而变化,并且它定义了正常和超导状态之间发生转变的点。显然,在均匀化模型中,流过超导细丝的电流在超导体和基质的体积分数中均匀分布,临界电流密度也必须使用该体积分数稀释,以使体积正确转变。


临界电流密度

失超

在将磁体倾斜至操作水平时必须小心,以便不会由于线圈本身的速率相关损耗或支撑结构中的变化场产生的涡流而产生的热量使铌钛线圈失超。



MRI磁体模型


在这里,我们有一个MRI磁铁的演示模型,其中包括线圈,成型器,垫片和冷却剂管道在近3小时的时间内倾斜到运行区域,显示电流在斜坡上升,并在此过程中产生最大温度上升。



MRI磁铁斜坡期间的温度


在这种情况下,斜坡足够慢,使整个线圈保持在9.2开尔文的临界温度以下,高于该临界温度,铌钛将变为电阻性(淬火可能带来灾难性的影响)。
可以在淬火期间进一步评估该系统,给出瞬态电场作为电流下降和线圈中的温度分布。



失超过程中温度分布


这又可以用于在任何时间评估线圈中的应力,其可以包括来自和预应力或卷绕张力的贡献,线圈的热膨胀,洛伦兹和作用在线圈上的其他电磁力。



失超过程中的应力


电机

在电机中使用超导材料并不是一个新概念。自20世纪70年代后期以来已经提出了概念,并且在过去30年中已经开发出试验机并取得了合理的成功。然而,它只是在过去10到15年才真正发现和HTS电线的发现/开发,再加上使用可再生能源的动力,这个领域确实获得了动力。除了能够使用更便宜的低温系统的好处之外,HTS材料的主要优点之一是,虽然在电机中可以使用超导体来产生DC场 – 随着器件的旋转引起场调制 – 它们仍然必须能够承受他们所暴露的领域的一些变化。



Hydrogenie


这是一台1.7兆瓦的水力发电机,是以工业合作的形式开发的。在这种情况下,仿真能够以高精度预测器件的性能,包括将效率估计在0.1%以内。发电机已经证明,为此目的,可以将发电机的尺寸和重量减少多达70%,同时显着提高效率。尽管迄今为止迄今为止最成功的项目仅在DC场的生产中而不是在AC绕组中使用超导材料,但是近来在许多组中的努力已经朝向更广泛地使用HTS材料以进一步提高效率。


应用:
  • 粒子加速器磁铁
  • MRI / NMR
  • 束疗法设备
  • 变形金刚
  • 电机
  • 故障限流器
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