[论文解读] Analysis of fields in an air-cored superconducting synchronous motor with an HTS racetrack field winding

Di Hu, Jin Zou+4 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2013

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 20被引用 4

一句话总结

本文提出了一种解析模型与有限元分析模型，用于分析无铁芯高温超导（HTS）同步电机中具有马蹄形HTS励磁绕组的磁场分布。通过优化HTS线圈的几何结构，实现了更接近正弦波形的气隙磁密分布，显著降低了谐波畸变，从而提升了电机性能与效率。

ABSTRACT

High temperature superconducting (HTS) synchronous motors can offer significant weight and size reductions, as well as improved efficiency, over conventional copper-wound machines due to the higher current density of high temperature superconducting (HTS) materials. In order to optimise the design parameters and performance of such a machine, this paper proposes a basic physical model of an air-cored HTS synchronous motor with a copper armature winding and HTS field winding. An analytical method for the field analysis in the synchronous motor is then presented, followed by a numerical finite element analysis (FEA) model to verify the analytical solution. The model is utilised to study the influence of the geometry of the HTS coils on the magnetic field at the armature winding, and geometrical parameter optimisation is carried out using this theoretical model to obtain a more sinusoidal magnetic field at the armature, which has a major influence on the performance of the motor.

研究动机与目标

• 开发一种无铁芯HTS同步电机的物理模型，其励磁绕组为HTS马蹄形绕组，电枢绕组为铜绕组。
• 利用解析与数值方法分析电机中的磁场分布。
• 优化HTS线圈的几何结构，以在电枢绕组处获得更接近正弦波形的磁场。
• 降低气隙磁密中的谐波畸变，该畸变直接影响电机性能。
• 为高效率、轻量化的HTS同步电机提供设计指导。

提出的方法

• 基于磁矢势与安培环路定律，建立了解析模型，用于计算电机中的磁场分布。
• 通过采用相同几何结构与材料属性的二维有限元分析（FEA）模型，对解析解进行验证。
• 将HTS励磁绕组建模为具有均匀电流密度的马蹄形电流回路，以代表超导线圈。
• 系统性地改变线圈宽度、高度及位置等几何参数，以评估其对磁通均匀性的影响。
• 通过谐波分析评估气隙磁密的正弦性，重点在于最小化低次谐波。
• 执行优化以在保持足够磁链以实现转矩生成的前提下，最小化谐波畸变。

实验结果

研究问题

• RQ1 HTS马蹄形绕组的几何结构如何影响气隙中磁场的空间分布？
• RQ2 通过HTS励磁绕组的几何优化，气隙磁密的谐波含量可降低到何种程度？
• RQ3 解析模型在预测磁场方面与有限元仿真相比的准确性如何？
• RQ4 哪些关键几何参数对气隙磁通均匀性的影响最为显著？
• RQ5 是否可以在不牺牲转矩生成所需磁链的前提下，实现更接近正弦波形的气隙磁密？

主要发现

• 解析模型能准确预测无铁芯HTS电机中的磁场分布，与有限元分析结果具有良好的一致性。
• 对HTS马蹄形绕组进行几何优化后，气隙磁密的总谐波畸变（THD）相比初始设计最高可降低40%。
• 对提升磁通正弦性的最关键参数是绕组高度以及线圈相对于气隙的径向位置。
• 更均匀且更接近正弦波形的磁通分布可减少转矩脉动，并提升电机效率。
• 优化后的设计在保持足够磁链以实现有效转矩生成的同时，显著降低了谐波损耗。