[发明专利]一种高温超导磁体非线性分析的建模方法

摘要

本发明提供了一种高温超导磁体非线性分析建模方法，根据磁体实际模型，建立电磁热耦合分析的PDE模型，并根据PDE模型求解结果计算动态电感、电阻等效参数，并获取超导磁体临界电流、最大温升等关键参量；根据电感、电阻参数与磁体两端压降的数学关系，利用受控电流源来等效磁体模型，在仿真中任意时刻，磁体的等效电感、等效电阻及关键参量均与磁体当前状态相关，充分考虑了超导磁体的非线性E‑J特性。本发明可以体现系统控制模块与超导磁体的相互影响，进而分析控制算法对超导磁体响应特性的影响。与传统将超导磁体等效为纯电感的方法相比，本发明提出的方法具有精度更高的特点，建模过程也并不复杂，没有引入过多参数，而且能实时监控超导磁体状态。

主权项

1.一种高温超导磁体非线性分析的建模方法，其特征在于，包括下述步骤：(1)确定超导磁体模型的结构、各组成部分和材料参数；结构包括线圈型式、超导导体的绕制方式、绝缘结构、支撑结构以及导冷结构，组成部分包括超导导体、环氧树脂绝缘、铜导冷结构，模型中涉及到的材料参数包括磁导率、电阻率、热导率和比热容；(2)根据所述超导磁体模型的结构、各组成部分和材料参数建立非线性PDE模型；在有限元软件中建立非线性PDE模型；所述非线性PDE模型包括：电磁场PDE方程传热PDE方程以及约束条件；所述约束条件包括：磁场和传热的边界设置，传热模型中的热源，具体到超导磁体该热源表现为制冷功率；在电磁场PDE方程中H为磁场强度矢量，J为电流密度矢量，ρ₁为材料电阻率；在传热PDE方程中ρ₂为材料密度，为材料比热容，k为材料热导率，u为媒介传导速度矢量；(3)将超导材料的实时交流损耗Q作为热源加载到PDE模型中实现电磁热耦合后获得修正后的非线性PDE模型，修正后的非线性PDE模型包括：其中，交流损耗Q＝E×J E为电场强度，J为电流密度；(4)求解修正后的非线性PDE模型获得t时刻磁密分布B(t)、磁场强度分布H(t)、电场强度E(t)、电流密度分布J(t)、温度分布T(t)、临界电流I_c(t)和最大温升T_max(t)，并根据PDE计算结果获得等效电感L_eq(t)和等效电阻R_eq(t)；所述等效电感所述等效电阻(5)根据等效电感Leq(t)和等效电阻Req(t)获得超导磁体的瞬时电流：(6)根据非线性PDE模型、受控电流源、迟滞模块和电压测量单元构建超导磁体模块，电压测量单元的输入端连接外部电力系统，迟滞模块的输入端连接至电压测量单元的输出端，非线性PDE模型的输入端连接迟滞模块的输出端，受控电流源的输入端连接外部电力系统，受控电流源的控制端连接非线性PDE模型的第一输出端；非线性PDE模型的第一输出端用于输出超导磁体的瞬时电流，非线性PDE模型的第二输出端用于输出磁体临界电流Ic(t)、最大温升Tmax(t)、等效电感Leq(t)和等效电阻Req(t)。