摘要
与传统常规导体相比，超导体具有体积小、电流密度高以及损耗小等优势，其在核磁共振仪、磁悬浮列车、电能传输和存储等领域具有广泛的应用前景。同时，超导材料的发现为解决能源危机提供了可能，由超导体制成的磁体可以产生强大的磁场，将高速高温的等离子体约束在可控热核聚变反应装置内，实现未来新型清洁能源的持续产生。高温超导电缆通常采用圆线材或扁平带材进行绕制。通过多级或者多层缠绕，超导圆线或带材能够形成紧凑且均匀的电缆结构，从而提高其载流能力并减小电流在导体中的损耗。然而，高温超导材料的临界电流密度对应变敏感，在制备、降温以及运行过程中引起的应变可能会导致超导电缆载流能力的衰退，直接威胁超导装置运行的功能性和安全性。因此，研究高温超导电缆的电磁和力学行为，分析其在多场下的电流密度、磁场、应力和应变分布，对优化电缆结构以及提升电缆性能具有重要意义。本文的主要研究内容如下： 首先，建立了Bi2212超导圆线的电磁模型。由于线材中超导芯丝的直径极其微小，通过优化初始模型，采用将分散的超导芯丝聚集成超导束的方法，可以在保证计算结果准确性的同时提高计算速度。利用优化后的模型，研究了超导线圈的磁场和电流密度的分布以及超导区域和基体产生的交流损耗。此外，使用T-A方法建立了由高温超导带材绕制的CORC缆的电磁模型，探讨了CORC缆的交流损耗与螺旋角度的关系。通过对比实验测试和数值预测的交流损耗，验证了电磁模型的准确性。 其次，研究了由超导线材绕制的多级电缆在轴向拉伸和均匀变温载荷下的力学行为。根据股线和绞缆结构间的接触方式采用线接触模型和椭圆接触模型，并结合赫兹接触中压应力分布计算了接触变形。在考虑泊松比、接触和温度对螺旋半径的影响下，基于弹性细杆理论给出了轴向拉伸和均匀变温载荷共同作用下的股线和绞缆结构的力学特征。由于股线的局部力学响应与半径变形之间存在耦合关系，使用迭代方法减小了合力及合力矩与有限元结果之间的误差。同时，分析了螺旋角度的改变对绞缆结构轴向合力和螺旋半径的影响。 然后，建立了多层 CORC 缆的二维轴对称电磁和力学模型，研究了缠绕多层高温超导带材的 CORC 缆的电磁行为及力学响应。探讨了电缆在自由、均匀和层内均匀三种电流加载方式下的电流密度、磁场和交流损耗。研究了外加磁场强度和电缆结构间隙的改变对交流损耗和载流能力的影响。此外，给出了考虑和不考虑屏蔽电流时，CORC缆内的电磁力分布以及电磁力作用下的应力和应变的分布规律，并评估了 CORC 缆间隙的大小和外层缠绕铜层的厚度对应力和应变的影响。 最后，建立了CORC缆的电-磁-力耦合模型，研究了结构变形对临界电流密度及电磁分布等的影响。首先，使用力学模型计算了 CORC 缆在缠绕和降温过程中产生的应力和应变。随后，在电磁特征分析过程中引入应变和结构变形对超导带临界电流密度的影响并考虑电磁力的作用。根据 CORC 缆绕制、降温和电磁加载的顺序，给出了多场共同作用下 CORC 缆的应变及其临界电流密度，探讨了不同外场条件下电缆的应变分布规律。此外，对CORC缆绕制的CICC导体在多场下的电磁和力学行为进行了分析，得到了CICC导体中不同位置处CORC缆的力-电特征。
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