（电机与电器专业论文）超导感应电机的建模与分析.pdf

a b s t r a c t a l o n g 、 ，i t l lt h ep o p u l a t i o ni n c r e a s e a n dt h ei n d u s t r i a l i z a t i o n a n dc i t i e s a d v a n c e m e n ts p e e d i n gu p ，e a c hk i n do fr e s o u r c e s ，e s p e c i a l l yt h ee n e r g yd e m a n d q u a n t i t yl a r g es c a l er i s e ，a n dt h ee c o n o m i c a ld e v e l o p m e n tf a c e st h es o u r c e sp r o b l e m a n dt h ee n e r g yr e s t r a i n tc o n t r a d i c t o r yq u e s t i o ni ss p e c i a l l ym o r ep r o m i n e n t n e a r l y 1 0 0 o f t h et r a n s f o r m a t i o nf r o ma ne n e r g yt oe l e c t r i c a le n e r g yr e l i e so nt h ee l e c t r i c a l m a c h i n e r y h o w e v e r , i na l le l e c t r i c a le n e r g i e sc o n s u m p t i o n , t h eo n ec o n s u m e db y e l e c t r i c a lm a c h i n e r ya c c o n n t sf o r6 0 t h e r e f o r e ，i t so fe x t r e m e l yv i t a ls i g n i f i c a n c e t oe n h a n c et h ee l e c t r i c a lm a c h i n e r ye f f i c i e n c ys o 勰t os a v et h ee n e r g y a tp r e s e n t ，a m o n gt h ee l e c t r i cc o n d u c t i o nm o t i v ea p p l i e d ，t h em a j o rp a r ti st h e a s y n c h r o n o u sm a c h i n ea n dt h ep e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u sm a c h i n e w i t h r e g a r dt ot h et w oe l e c t r i cm o t o r s ，t h es q u i r r e lc a g ei n d u c t i o nm o t o ri sm o l ep o p u l a r a c c o r d i n gt ot h ei n v e s t i g a t i o nf r o mt h ea m e r i c a nd o m e s t i cs i t u a t i o n ，t h ea v e r a g e o u t p u to ft h es q u i r r e lc a g ei n d u c t i o nm o t o rw i t hp o w e ra b o v e5 0 0h p ( h o r s ep o w e r ) i s a b o u t1 5 0 0h p ，a n dg e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h ee f f i c i e n c yi sa b o u t9 5 i fa l lt h e i n d u c t i o nm o t o r sw i t hp o w e ra b o v e5 0 0 h pa r es u p e r c o n d u c t i n g ，t h e nt h ee n e r g y c o n s u m p t i o nc o u l dr e d u c e4 0 ，t h ee f f i c i e n c yc o u l dr e a c h9 7 t o9 8 ，a n di tc o u l d s a v ea b o u t2x10 9k i l o w a l t t - h o u rp e ry e a r t oa c h i e v et h i s g o a l ，a p p l y i n gt h e s u p e r c o n d u c t i n gt e c h n i q u ei ni n d u c t i o n m o t o ri so ft h eg r e a t e s tp r o s p e c ta n d c h a l l e n g e t h ep r e s e n tr e s e a r c ho ns u p e r c o n d u c t i v i t ye l e c t r i c a lm a c h i n e r yf o c u s e so n s u p e r c o n d u c t i v i t ys y n c h r o n o u sm a c h i n e ，w h i c hi st h em o s tp o p u l a rf i e l d b u tt h e a p p l i c a t i o no fh i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o ri ni n d u c t i o nm o t o ri sr a r e l yr e p o r t e d n o w , t h ek o r e as c h o l a r sp r o p o s e dan e w k i l l do f1 1 i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i v i t y e l e c t r i cm o t o r , w h i c ho w n st h ea d v a n t a g e so fn o r m a li n d u c t i o nm o t o ra n dp e r m a n e n t m a g n e t i s ms y n c h r o n o u sm a c h i n ea n da v o i d st h e i r sd i s a d v a n t a g e s i ti so fi m p r e s s i v e h i 曲e m c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y a c c o r d i n gt ot h en e wh i l g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u e t i v i t ye l e c t r i cm o t o rp r o p o s e d b yk o r e as c h o l a r s ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h ei m p r o v e m e n ta n do p t i m i z a t i o nb a s e do n o r d i n a r yt h r e e - p h a s es q u i r r e lc a g ei n d u c t i o nm o t o r a p p l y i n gm a t l a b s u m l i n k s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y , b a s e do nt h e o r e t i c a lm o d e lo ft h r e e - p h a s es q u i r r e lc a g e a s y n c h r o n o u sm o t o lt h et h o u g h to fn e w i n d u c t i o nm o t o ri ss i m p l yv e r i f i e db ym e a n s o fc h a n g i n gt h el e v e lo fr o t o rr e s i s t a n c et os i m u l a t et h en a t u r e so fs u p e r c o n d u c t i v i t y m a t e r i a l i t p r o v i d e ss o m ee v i d e n c e f o r t h ee s t a b l i s h m e n to ft h r e e - d i m e n s i o n m a t h e m a t i c a lm o d e lo f h i i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i v i t ye l e c t r i cm o t o rl a t e r f u r t h e r m o r e ，t h eo p e r a t i o nf e a t u r e sa n dm a g n e t i cf i e l dc h a r a c t e r i s t i c so ft h en e w s u p e r c o n d u c t i v i t ye l e c t r i c a lm a c h i n ea r ea n a l y z e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，b a s e do n t h em a x w e l l2 df i n i t ee l e m e n tm e t h o do fa n s o f t b a s e do nt h ec o n f m n a t i o no ft h e b a s i cs t r u c t u r eo fh i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i v i t y s y n c h r o n o u sm a c h i n ea n d p a r t i a la n do v e r a l la n a l y s i so ft h em o t o r , l a r g ea m o u n to fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa l e d o n et ov e r i f yt h e o r e t i c a la n a l y s i sm e t h o da n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h em o t o rs t r u c t u r e b yu s eo f t h es o f t w a r es i m u l a t i o nt e c h n i q u e ，t h ee x p e r i m e n ti sc a r r i e do nt h eb a s i so f s i m u l a t i n gd i f f e r e n tk i n d so fl o a d a m o n gt h ee x p e r i m e n t , i ta n a l y z e st h ev a r i a b l e s ， s u c ha sc u r r e n t , v o l t a g e ，r o t a t i o n a lv e l o c i t y , f l u xl i n k a g ea n dt o r q u ea n ds oo n , c o m p u t e st h eo p e r a t i o ne f f i c i e n c y , a n dd o e sv e r i f i c a t i o na n dp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n k e yw o r d ：h i g l lt e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i v i t y m a x w e l l2 d ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 第一章绪言 第一章绪言 1 1 引言 随着人口的增加，工业化和城镇化进程的加快，各种资源，特别是能源的需 求量大幅度上升，经济发展面临资源，特别是能源约束矛盾的问题更加突出。从 一次能源到电能的转换几乎1 0 0 依赖电机来完成：而在所有的电能消耗中，电机 的电能消耗量占总发电量的6 0 一7 0 。因此提高电机的效率对于节约能源有十分 重要的意义。制造传统的电机要消耗大量的铁、铜、铝等原材料。作为最重要的 机电能量转换装备，电机产品量大面广，提高其效率、降低制造电机的原材料消 耗，对于解决资源紧张，保持国民经济可持续发展有十分重要的意义。将超导技 术应用于电机是最具有| ；仃景和最具挑战性的实现这个目标的技术手段。正是这 样，各国对发展超导技术都极为重视，日本认为超导技术是2 l 世纪国家问竞争中 保持尖端优势的关键所在，美国认为超导技术是世纪电力工业唯一的高技术储 备。 1 2 高温超导电动机的研究现状 2 7 】 在1 9 8 6 年后，高温超导材料的发现，其临界温度达到7 7 l o o k ，进入液氮区， 大大降低了原来低温超导用液氦冷却，保持线圈于超导状态所需要的冷却成本。 这为超导电机的研究注入了新的生机，触发了超导电机研究的新一轮高潮。高温 超导电机与同功率、转速的常规交流或直流电机相比，重量减少8 0 ，体积减少 6 5 ，具有更高的效率。可以采用高温超导块材制成的永磁体或者高温超导带材 制成的线圈作为电动机的磁场线圈，但对于大型的电动机来说，采用高温超导带 材更为有利。 在h t s ( 高温超导) 大型电动机方面，主要集中在船用动力上。美国海军和 美国超导公司及有关制造厂合作，分别试制了5 h p ，2 0 0 h p ，1 0 0 0 h p 和5 0 0 0 h p 等级 的h t s 电动机，在这些制造电机的基础上，制造了5 m w ( 6 ，5 0 0 h p ) 舰船推进电动 机模型样机，最终制造海军舰船和商船经常使用的功率2 5 m w ( 3 3 ，5 0 0 h p ) 和 3 6 5 m w ( 4 9 ，0 0 0 h p ) 的推进电动机。 1 9 9 5 年6 月份由美国超导公司与r e l l a n c e 电气公司合作完成了5 h ph 1 s 电动 机研制工作。其目的是进行电机概念的检验。同年在完成5 h ph t s 电动机的基础 上，由r o c k w e l la u t o m a t i o n 公司的r e l l a n c e 电气公司制造的2 0 0 h ph t s 电动机， 成功地进行了演示。 1 0 0 0 h ph t s 电动机由r o c k w e l la u t o m a t i o n 公司先进实验室制造和演示。美 第一章绪亩 国超导公司提供超导线圈和低温设备并参与了研究工作，第一能源公司和空气产 品与化学品公司提供该领域的专门技术。此外，能源部s a n d i a 国家实验室对此项 目提供技术支撵。这是一台交流同步“空气芯”电动机。其4 套h t s 线圈用低温冷 却，取消了传统电动机用的铁心，比传统线圈有更强的磁场。重量和体积分别为 传统电动机的二分之一。其尺寸和重量的减少将给舰船带来巨大的效益。 5 0 0 0 h ph t s 电动机这是美国超导公司和能源部r o c k w e l l r e l i a n c e 电气公 司合作设计的世界上第一台f i t s 工业用电动机并于2 0 0 0 年春天开始运转。采用 b s c c 0 - - 2 2 2 3 高温超导材料励磁绕组，用g if o r d - - m c m a h o n 低温制冷器冷却。建造 这台电动机是为了验证h t s 电动机的励磁绕组，高效制冷系统和淡水冷却定子等 技术的可行性。为将来舰船采用功率比5 0 0 0 h p 更大的推进电动机的设计，制造和 检验做准备。 2 0 0 2 年2 月8 同，美国超导公司与美国海军研究署签订价款为8 0 0 力美元，为 未来美国海军舰船推进h t s 电动机的设计与制造合同。5 m w ( 6 ，5 0 0 h p ) h t s 电动机 运转速度为2 3 0r p r a ，其扭矩1 f 5 ，0 0 0 h p ，1 8 0 0r p mh t s 电动机( 2 0 0 1 年建成和检 验的) 的扭矩大1 0 倍。2 0 0 3 年3 月2 4 日完成最后组装并在英国r u g b y 进行了空载工 厂试验。通过i e e e l l 5 开路和短路试验，测定了电动机参数，它们与计算的数值 十分符合。该电动机与a l s t o mv d m5 0 0 0 商用驱动装置组装成一体并用功率计进 行满载试验。该电动机的体积和重量分别为相同额定功率和扭矩的传统电动机的 三分之一和二分之一。同时具有更高的燃料利用率和较低的维修成本。该电动机 己于2 0 0 3 年6 月2 6 日移交给海军。继5 m w 电动机制造成功后为美国海军建造的大 功率推进电动机。在美国海军支持下，美国超导公司分别开发了h t s 交流同步电 动机年n h t s 直流单极电动机。两种电动机运转时产生的空气噪音和结构噪音均小 于军用规范m i l s t d 一7 4 0 规定的要求。例如，5 m w ，2 3 0 r p m 电动机在全速下，背 铁产生的噪音为4 9 d b ，3 4 * t 速下为4 4 d b ，而对于2 5 m w ，1 2 0r p m 电动机在全速 下产生的噪音为4 7 d b ，3 4 转速下为4 2 d b 。这些值都符合该军用规范规定的限制 最大噪音的要求。 2 0 0 3 年2 月2 8 同，美国海军研究署批准了一项建造下一代海军战舰推进h t s 电动机的合同，其额定功率为3 6 5 m w ( 4 9 ，0 0 0 h p ) ，价款7 ，0 0 0 万美元，重量 大约6 9 吨，而传统的先进感应电动机的重量约2 0 0 吨。 美国超导体公司2 0 0 7 年3 月2 9 日报道，该公司宣布在费城海军商业中心的 诺思罗普格鲁曼工厂成功地对世界首台3 6 5 m w 高温超导船用推进电机完成工 厂接受试验。此次试验是美海军接受电机之前的最后一个里程碑。 第一章绪言 图卜1 左是一台普通3 6 鲫船用推进电机，右是一台3 6 泖高温超导船用推进电机 高温超导推进电机的设计、研发和制造是美海军研究局授予的合同，目的是 为未来海军全电舰和全电潜艇验证高温超导主推进电机技术的功效。高温超导电 机的功率和扭矩满足美海军朱姆沃尔特d d g 1 0 0 0 级驱逐舰的要求。与使用铜绕 组的常规电机相比，高温超导电机的重量和体积还不到常规电机的i 2 ，其效率 更大。高温超导电机有重量和体积优势，相应的就可提高舰船的有效载荷。 1 3 高温超导电动机的优点 超导电机采用超导绕组，运行于低温下，电流密度和磁通密度大大提高，因 此与传统常导电机相比，高温超导电机具有以下一些优点 1 2 1 5 1 6 2 7 ： i 、 体积小、重量轻：超导电机无铁心以及在超导状态下导线的电流密度大， 其体积和重量可以减小到同等功率传统电机的i 5 和i 3 。体积小、重量轻 不仅可以减小所需占地面积和空间，降低对运输和安装设备的要求，而且 可以节省制造电机所用的原材料与能源。 2 、 效率高：最高可以达至i j 9 9 以上。超导体的电阻为零，使得电机铜耗接近 于消失：超导电机无需铁心，使得电机的铁耗几乎为零。虽然需要冷却， 冷却所需的功率只占很小的部分。另外体积小、重量轻降低了转子的风 损以及轴承上的机械耗损。即使是电枢绕组为常导体，由于其安匝数的减 小，其电阻耗损也将降低，效率可以达到很高。 3 、振动和噪音小：高温超导电机没有磁齿，不存在在常规电机上因此而引 起的主要电机铁损耗和振动噪声源。由于在电机的磁路里没有或只有很小 的铁心，所以电源畸变很小，且来自电动机的噪声反馈亦很小。同时绕组 第一章绪言 绝缘问题也更简单。这些优点可简化对供电系统的要求，并使电机做得格 外安静，较轻的电机转子也使噪声变得 t t d , 。因此，高温超导电机是一种 相当安静的电力终端设备。 4 、稳定性增强：相对于传统电机，高温超导电机在瞬态的固有的稳定性可 以使用户和使用系统从中受益，因为其运行在小负荷角 1 5 相对于传统电 机的7 0 。) 并且拥有较高的转矩峰值容量( 一3 0 0 ) 因此，高温超导电机 可以经受大的瞬态或摆动转矩而不失同步速。 5 、制造成本低：由于材料和劳动力的节省，随着高温超导材料成本的降低， 超导电机的成本将会低于传统常导电机。 6 、运行成本低：一台高温超导电机只有普通电机一半的电能损耗，这将对 每年的电力消耗产生很大的节约。与常规电机相比，一台i o o i v i v a 的高温超 导电机因效率因素，年节约费用就可能高达近百万美圆，因此，高温超导 电机的运行成本比常规电机低，从而在其生命周期中节约了能源费用。 7 、运输和安装的快捷：高温超导电机的小尺寸可以使它们制造后直接运到 消费者手中而不需要分解后重装和再检测。这样，其运输成本降低，安装 也变得快速和简洁。 8 、其它：噪声低；同步电抗小；无谐波：循环负载不敏感，几乎在一定温 度下工作，没有热疲劳；维修工作量少，不需经常检修转子，也不需要绕组重 绕或再绝缘。 1 4 本课题的出发点和研究意义 目前应用的常导电动机绝大部分是感应电机( 鼠笼式异步电机) 和永磁同步 电机( 采用永磁体励磁) 。这从实践上证明了这两种电机的优越性，从理论上或 电机的原理上同样可以证明这一点。在这两种电动机中，使用数量最多的是鼠笼 式感应电动机，其功率范围从几分之一马力至l j l 0 0 马力左右，可是从耗电量来看， 5 0 0 马力以上的占多数。根据美国国内情况调查来看5 0 0 马力以上的电动机的平均 输出功率为1 5 0 0 马力左右，总的来说，效率为9 5 左右，如果使5 0 0 马力以上的电 动机全部超导化后，可使能耗损失减少4 0 ，则效率高达9 7 9 8 ，推算年节能量 为2 1 0 9 于瓦时。 现行的研究都是集中在电励磁超导同步电机的研究上。电励磁同步电机是目 前超导电机研究最热门的领域，而超导在常导电动机中得到最广泛应用的感应电 机中的应用研究则鲜见报道。这主要原因是同步电机激磁由转子直流励磁绕组提 4 第一章绪言 供。用超导替代常导制造直流励磁绕组可以实现很高的磁密，从而电机可以不用 铁心，使电机体积、重量大幅度降低。而感应电机激磁由交流电枢绕组提供，仅 仅在转子上应用超导仍需保留常导电机中的铁心。但超导技术在发展，交流损耗 问题终将被克服。日本的s u m i t o m o 电气公司在0 5 年4 月1 4 日就制造并完成了 一台全超导电机的测试，获得令人满意的结果。 感应电机和永磁同步电机有许多众所周知的优点。这两类电机在特性方面有 很强的互补性，感应电机启动方便，但运行效率较低；永磁同步电机运行效率高， 但本身启动困难。日前韩国学者提出了一种新型的高温超导电动机 5 6 ，它可 以同时兼备以上两种电机的优点。本课题根据日前新型的高温超导电动机思想， 在普通三相鼠笼型异步电动机的基础上进行改进和优化，通过高温超导材料的应 用，便新型电动机同时具有常导感应电机和永磁同步电机的优点，避免它们各自 的缺点。通过本课题研究，促进高温超导块材料在异步电动机中的应用，也促使 超导电动机更加广泛的应用到各个领域。 1 5 本课题所研究的超导电动机的结构及机理 鉴于超导材料的交流损耗，与半超导同步电机一样，超导感应电机的定予绕 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，在图卜1 所示的铁心上用超 导块材斟构成鼠笼绕组。图i - 2 中黑色的部分是用超导块材料构成的导条，图 i - 3 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。 图卜2 新型超导电动机转子的导条分布图1 3 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 第一章绪占 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丽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丽逐步下降) ，通过适当设计，可以使擘导转子超 导绕组在这个阶段失超，从而呈现大的转予电阻，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。 6 第- 二章超导体韵认识 2 1 超导特性【6 0 1 2 1 1 完全导电性 第二章超导体的基础知识 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z 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。z 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，蟹 还与温度t 有关。对于大多数超导体，见t 的关系可以相当准确地用一抛物线 方程来表示： 1 皿* 4 0 1 一( ) 2 】 ( 2 - 1 ) m c 0 【c 7 _ + ti 图2 - 1 超导体的磁场强度与温度的关系 式中殇零磁场下的临界温度； 皿o 绝对零度( o k ) 时的临界磁场，一般约为0 0 3 t 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 七时，超导态也会遭到破坏而转变为常导态，称为临界电流。对于许多超导 7 第二章超导体的认识 体( 第一类超导体) ，临界电流毛是与临界磁场皿紧密联系在一起的。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 只而造成的。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 i - 1 0 - - - 去( 2 - 2 ) 当i 值足够大时，h o 会达到也，这时超导态即遭破坏。因此如的定义应是： 能使风= 皿时的电流值，即 = 2 刀坩： ( 2 - 3 ) 绝对温度零度( 1 卸k ) 时的露为 i ：n = 2 z r r hc o 以式2 1 代入式2 - 3 ，并利用上式，可得 t 。l e o 1 一( ) 2 c o 2 1 2 完全反磁性 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 超导体除了具有完全导电性外，还具有其它一些特性，其中很主要的一个就 是完全反磁性。1 9 3 3 年迈斯纳( w m e i s s n e r ) 和欧森菲尔特( r o c h s e n f e l d ) 做 了有名的实验：一个超导金属球体在超导态下加上一个外磁场( h 矾。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。混合态下的超导体已不再具有完全反 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 以，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2 7 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，只是在垃。附近略有差异，具有这种磁化特性的 - _ 缨一 0 ：? 乡 。 图2 - 8 第二类超导体的两种磁化曲线 m 第二章超导体的认识 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 就只能是以：及l 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 种高皿：、高的超导体的例子，最典型的就是n b n 合金及i b 砌化合物等， 它们的只，可高达1 0 2 0 t 以上。 2 2 2 非理想的第二类超导体( 硬超导体) 的特性 用来制作强磁场超导体的材料都是非理想的第二类超导体，即硬超导体。当 外磁场日在也。与皿：之间时，超导体处于混合态，直到h 达到以：时，他才转 变为常导态。硬超导体的主要特性有三：( 1 ) 具有不可逆的磁化曲线；( 2 ) 有很 高的上临界磁场日州( 3 ) 能传输电流而有无电阻损耗。 理想的第二类超导体处于混合态时，若在与外磁场相垂直的方向通以电流， 这次电流对磁通线产生作用力。此电磁力将是磁通线运动，这样超导体就切割磁 通线而感应电势，引起电阻，超导电流就变得不稳定。然而，在硬超导体中，材 料缺陷及不均匀性会把磁通线约束与自己的区域内，这种现象称为材料不均匀性 及缺陷钉扎磁通线，简称钉扎效应，也可用钉扎力来表示。 由此可见。载流的硬超导体中的磁通线受到两个力的作用，一个是由电流弓 起的电磁力，另一个则是由材料不均匀性和缺陷造成的钉扎力。 磁通跳跃 当用硬超导线材绕制成超导线圈后，线圈的失超电流值往往都比由短样测得 的临界电流值要小许多。这种退化现象存在的主要原因在于发生了磁通跳跃而是 磁通线作雪崩状的移动。磁通跳跃或磁不稳定性适硬超导体特有的现象，即在一 定条件下，磁通线会突然冲进超导体内的深处。它可能是磁通线分布达到新的稳 定状态，能保持超导性，也可能是磁通线发生雪崩状移动，从而导致超导体失去 超导性，转入常导态。 磁通跳跃产生的机理如下：硬超导体的钉扎力一般随温度的上升而减小。当 超导体内某一部分发生磁通线移动时，由于焦耳损耗而发热，使超导体的温度上 第二章超导体的认识 升。随着温度的上升，钉扎力减小，磁通线的移动就更为剧烈，如此恶行循环， 使磁通线发生雪崩状的大规模移动，最后导致整个超导体的温度上升而失超变为 常导态。 对于实用的超导磁体，为防止磁通跳跃而采取各种措施，成为超导体的稳定 化。作为稳定化的超导体大多采用将多股细丝超导线埋入铜中形成复合超导线 材。因为当超导体很细时，其磁密随温度变化的斜率就大，这难以发生磁通跳跃。 超导体的不稳定现象 超导长线及由其绕制成的超导磁体往往存在各种不稳定现象，例如他们的失 超电流值要比短样测得的临界电流值要小不少。不论超导线材的种类如何都会发 生这种不稳定现象。它可分文下列三种：1 、电流退化现象：2 、低磁场下的不稳 定性；3 、锻炼效应。他们都是由于超导体的固有性质所引起的。 稳定化技术 超导磁体的不稳定性是由于磁通跳跃等各种原因造成常导小区，而这些小区 又在整个磁体中扩展开来所引起的。因此，于是磁体稳定化的方法基本上有两类： 1 、不让他产生常导小区；2 、即使已产生了常导小区，要不让他扩展开来而加以 消灭。 对于第一类方法，必须防止生成常导小区的主要根源，即磁通跳跃。这有两 种方法：l 、减慢磁场移动的速度，使温度上升得慢些，这成为动念稳定化：2 、 即使磁场移动较快，也不让温度上升过高，这成为绝热稳定化。 动态稳定化：磁通进入超导体内时就产生电场而引起发热，当磁通穿入速度 快到它所引起的发热速度大于散热速度时，超导体的温度就升高；反之，当磁通 穿入的速度较慢，引起发热的速度也较慢，热量有足够的时间传到体外去，超导 体的温度就不会升高。 绝热稳定化：为了使具有绝热状态的超导体不发生磁通跳跃，可以考虑以下 两种办法： ( 1 ) 增大超导体外表的比热； ( 2 ) 减小超导线的线径。因为线径越细，磁场透入的深度越浅，由此产生 第二章超导体的认识 的发热量就越小。 第一种办法成为焓稳定化。为了增大超导体的比热，在超导体的外表面覆包 一些比热大的金属，如铅等，它们的热接触性好，比热大。但是要使超导体的覆 包的金属有真正良好、可靠的热接触，在技术上时间相当困难的事，因此此法不 够实用。 至于第二种办法，即采用超导细线则可以得到临界电流密度的二稳定性好的 实用超导线材，而且磁场变化时所产生的损耗也小，能适用于交流电。 2 3 高温超导材料的最新进展 4 8 1 1 5 2 5 4 】 高温超导体自1 9 8 6 年被发现以来，在材料的各个方面，尤其是成材技术和超 导性能方面取得了很大的进展。高温超导线材很快形成产业化生产能力，极大地 促进了超导应用技术的研究。发达国家政府加大了对超导技术产品研发的支持力 度，国际跨国公司，如：s l m e n s 、a b b 、牛津仪器、p i r e l l i 、住友等，也加快了 超导技术产品的研发，超导应用技术发展迅速。 h t s 材料具有较高的临界温度( c ) 和上临界磁场( 红：) ，从而使超导技 术的应用在材料方面有了更广泛的选择。首先高温超导材料可以使超导技术在液 氮温区实现应用，高以，值使高温超导材料成为制造商场磁体( 2 0 t ) 的理想 选择。近年来，高临界电流密度( 以) 的长线( 带) 材( 约i 千米长度量级) 的成功制 造，已使高温超导材料在电力能源方面的应用成为现实。这些应用包括：磁体、 输电电缆、电动机、发电机、变压器、故障电流限制器等。高温超导体在强电方 面众多的潜在应用都需要研究和开发人们先后在y b c o ，b s c c o 等临界温度高 于液氮温度的体系的线材化方面做了大量的工作。目前己在曰，系n g 基复合带 ( 线) 材和柔性金属基l ，系带材方面取得了一定的进展。 2 3 1b i 系超导线材【4 7 j 通过改善工艺参数，提高带材的密度和晶粒的结构、改善晶粒| 日j 的连接性以 及引入有效的磁通钉扎中心，占f 系带材的以值将会有较大幅度的提高。1 9 9 4 年 美国超导公司率先制各出长度达1 0 0 0 m 、，达1 1 0 4 a c m 2 ( 7 7 k ，0 t ) 的 1 5 第二审超导体的认识 b s c c o a g 带材。1 9 9 6 年，美国超导公司( a s c ) 和日本住友公司制备的1 2 0 0 m 带材的以值均超过1 2 x 1 0 4 a c m 2 ( 7 7 k ，0 t ) ，并且能够稳定生产。目前所制备 的b i - 2 2 2 3 a g 带的最高以值己接近1 0 5 a c m 2 ( 7 7 k ，0 t ) 。这种带材己成功用 来绕制小型超导磁体及超导电缆试制等。另外在通过多芯化和基体材料的合金化 来改善丑j 系线( 带) 材的机械强度方面，也己取得了明显进展。 2 3 2 柔性金属基y b c o 带材进展1 4 9 】 目前利用脉冲激光沉积( p l d ) 和m o c v d 方法在r s b i t s 带上制备的y b c o 超导体在6 5 k 强磁场中的以值均己超过低温实用超导体n b t i 乘1 n b 3 s n 在4 2 k 的以值。但是长度有待于进一步的提高。 2 3 3 高温超导块材料的进展 在各种高温超导体中，y b c o 系和b s c c o 系电磁性能相对优越，材料技术 也相对成熟，用于实际材料的制备。在不考虑机械性能的前提下，块材的工程应 用完全取决于l j 缶界电流密度，但是由于超导体较强的各向异性和极短的相干 长度使得超导块材内部出现了弱连接，限制了的，提高，人们先后采用了多种 办法来克服弱连接提高电流密度。1 9 9 8 年s j i n 等人首先提出的熔融织构生长 ( m t g ) 工艺首先在这方面取得了突破，随后发展成为液相处理法( l p p ，美 国h o u s t o n 大学) 、淬火熔融生长( q m g ，日本i s t e c 超导中心) 和粉末熔化处 理( p m p ，中国西北有色金属研究院) 等工艺来减小弱连接，用这些方法可以得 到以值超过1 0 4 a c m 2 ( 7 7 k ，1 t ) 的超导块材。p 卵工艺采用2 1 l 与b a c u 0 2 及 c a o 为初始粉末，在超导体中引入了弥散分布的细小2 1 1 粒子，这种细小2 1 1 粒子一方面提供了钉扎力，另一方面又抑制了微裂纹的产生。另外，在1 2 3 相晶 体中引入了高密度的层错和位错作为有效的磁通钉扎中心，使一值大幅度提高。 p m p 法制备的材料以达到1 4 1 0 a c m 2 ( 7 7 k ，1 t ) ，处于国际领先水平。 日本钢铁公司在1 9 9 1 年利用电炉部分熔化法制备出了以为3 7 x 1 0 4 a c m 2 第二章超导体的认识 ( 7 7 足，1 t ) 、直径4 5 m m 、厚度为1 5 r a m 的y b c o 块材：美国h o u s t o n 大学在1 9 9 3 年制备出粒度为2 3 r a m ，以达到8 5 x 1 0 5 a c m 2 ( 7 7 k , 1t ) 的y b c o 单晶其后不久 美国波音公司成功制备出0 5 0 x 5 0 2 0 r a m 3 块材；随后日本钢铁公司又制备出了 0 8 0 m m 的块材；西班牙巴塞罗那实验室制备出了截面积为1 5 r a m 2 、长度为 1 2 0 m m 的y b c o 棒材。在国内，从2 0 0 0 年到现在北京有色金属研究总院己经制 备出0 3 0 r a m 的y b c o 单畴晶体1 2 0 0 多块，从2 0 0 2 年开始己经可以小批量生产 0 4 0 和0 5 0 的y b c o 块材，批量化生产的工艺正在研究当中。目前德国i p h t 研 究所、美国超导公司、和日本钢铁公司等均能批量生产并