多物理场中高温超导体临界电流密度非均匀分布特性及交流损耗研究

In practical applications, AC loss directly related to efficiency, cost and stability of the device, is the most important problem in superconducting study. Meanwhile, high temperature superconductor (HTS) whose electromagnetic characteristics are different from traditional superconductor is the layered oxide ceramic with significant anisotropy. HTS’s critical current density is non-uniform and anisotropy. AC loss can be affected by magnetic and mechanical field, and temperature rising will change transport properties, then the ac loss will change again, this is a complex multi-field coupling problem. .This project will study the influence of non-uniform critical current density on stress, strain, current and magnetic field of HTS, and establish the formula of critical current density in multi-physics field. On this basis, study will focus on the electric –magnetic-mechanical-thermal coupling AC loss of HTS with the non-uniform critical current density distribution, and establish the theoretical calculation method. Meanwhile, this study will carry out finite element model and experiment on electromagnetic characteristics and AC loss of HTS. Finally, the multi-layer model of high-temperature superconductor is proposed to calculate the non-uniform distribution of the critical current density. In summary, analytical method to predict AC loss should be established. This analytical formula will be important and useful for the researchers and practical application of HTS.

交流损耗是超导应用研究的重要部分，直接关系着装置的运行效率、成本和稳定性。高温超导材料作为层状结构氧化物陶瓷，具有明显的各向异性，电磁特性与低温超导体有很大不同，其临界电流密度呈非均匀分布，交流损耗亦表现出更强的各向异性。高温超导体交流损耗会受磁场、力场的影响，同时输运特性又因损耗温升而变化，进一步影响交流损耗，形成复杂的多场耦合问题。.基于此，本项目拟从高温超导体临界电流密度非均匀分布出发，探讨该特性对内部应力、应变、电流和磁场的影响，建立随位置变化临界电流密度多场耦合标度公式。并以此为基础开展电-磁-力-热多场中高温超导体交流损耗研究，建立形成多场耦合环境下的交流损耗计算模型和方法。同时，建立多物理场中高温超导体有限元模型，并开展相关实验研究。最后，拟提出以交流损耗为基础理论结合实验反演计算高温超导体内临界电流密度分布形式的方法。综上研究最终可建立定量预测交流损耗的方法，指导工业设计。

交流损耗是超导应用研究的重要部分，直接关系着装置的运行效率、成本和稳定性。高温超导材料作为层状结构氧化物陶瓷，具有明显的各向异性，其临界电流密度呈非均匀分布，交流损耗亦表现出较强的各向异性。在实际应用中，高温超导体中的应力场和实际工况下的强磁场以及自身产生的热场对其性质，尤其是临界电流密度有着重要的影响。所以，研究高温超导体交流损耗在多物理场环境下的性能，尤其是交流损耗的计算显得尤为重要。. 首先，本项目建立了椭圆截面下高温超导体临界电流密度非均匀分布的一般公式，并利用有限质量理论给出了外加磁场下的临界电流密度计算公式，以此建立了磁-电-热耦合场下的交流损耗理论计算公式。对实际工况下交流损耗的计算提供了依据，并得到交流损耗随分布形式变陡峭而减小，磁场作用下分布形式对交流损耗减小更为明显的结论。其次，根据高温超导体层状特性建立了高温超导体临界电流密度逐层分布模型，利用其传输电流逐层穿透的特性，建立了交流损耗计算公式，并实现通过交流损耗反演临界电流密度分布的理论计算方法，利用该理论方法获得了高温超导体实验中所用试件的临界电流密度依照七阶多项式形式分布的结果，与实验结果吻合较好。随后，进一步深化高温超导体层状模型，采用逐层赋值计算的方法，将应力场，热场对临界电流密度的影响加入其中，给出了力-磁-电-热耦合场下考虑临界电流密度非均匀分布的高温超导体交流损耗理论计算方法。在课题的支持下，自行设计了新型实验夹具，建立了多物理场高温超导体试验平台，并预留光学测试窗口，为高温超导体的进一步深入实验研究提供了基础。本项目较为全面的对考虑临界电流密度非均匀分布的高温超导体进行了研究，给出了交流损耗计算的理论公式和方法，对高温超导体制造和交流损耗的降低具有指导意义。