一种场冷却充磁过程中矩形高温超导块材应力的计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高温超导块材强电应用领域，具体涉及一种场冷却充磁过程中矩形高 温超导块材应力的计算方法。
【背景技术】
[0002] 大尺寸单畴RE-Ba-Cu-〇(RE指的是稀土元素）高温超导块材具有较高的临界电流 密度，在低温下有较强的俘获磁通能力，这使得其在许多领域具有广泛的应用前景。场冷却 充磁是高温超导块材一种重要的励磁方法，一般由超导磁体作为块材的励磁设备。由于超 导磁体产生的磁场较大，因此和脉冲充磁相比，场冷却充磁更易于使块材捕获较高的磁场。 高温超导块材是脆性陶瓷材料，其机械强度（尤其是抗拉强度）较小，而高温超导块材在制 作过程中其内部不可避免地会有微裂纹、微空隙的出现。在矩形高温超导块材场冷却充磁 过程中，作用在高温超导块材上的洛伦兹力有可能导致块材的破坏，从而使超导电性局部 或整体退化。矩形高温超导块材的最大捕获磁场受到材料力学特性的限制。
[0003] 由于现有对矩形高温超导块材在场冷却充磁磁场作用下应力的计算中超导本构 关系多选择临界态模型，而临界态模型给出的是块材内部准静态磁通运动时的磁场分布， 因此应用临界态模型求解块材中电磁力所致应力的计算中，都没有包含外磁场的变化速度 对应力大小和分布的影响。然而在实际进行矩形高温超导块材场冷却充磁中发现超导磁 体磁场减小速度过快可能导致块材破裂，即外磁场减小速度影响块材内部应力的大小和分 布。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种能够反映场冷却磁场减小速度对矩形高温超导块材 应力影响的计算方法，使得矩形高温超导块材内部应力的大小和分布与场冷却磁场减小速 度具有定量关系。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0006] -种场冷却充磁过程中矩形高温超导块材应力的计算方法，该方法包括如下步 骤：
[0007]A.块材在有外磁场民。存在的条件下由正常态冷却为超导态，然后外磁场以某一 速度减弱直到为〇,由此完成场冷却下块材的充磁；当外磁场由冻结磁场Bf。下降到任意值 Ba时，用X(1代表磁通涡旋线方向发生反转的最前端，即0 <x< X(l区域内磁场没有发生变 化，称为磁通非活动区域；X(l <x<w的区域磁场发生了变化，称为磁通活动区域，矩形块材 沿x方向的厚度为2w;同时考虑超导Bean模型和黏性磁通流动，得到场冷却磁场减小过程 中矩形块材内部磁场的分布为：
[0008]
【主权项】
1. 一种场冷却充磁过程中矩形高温超导块材应力的计算方法，其特征在于，该方法包 括如下步骤： A.块材在有外磁场Bf。存在的条件下由正常态冷却为超导态，然后外磁场以某一速度 减弱直到为〇,由此完成场冷却下块材的充磁；当外磁场由冻结磁场Bf。下降到任意值比时， 用Xtl代表磁通涡旋线方向发生反转的最前端，即0 < X < Xtl区域内磁场没有发生变化，称 为磁通非活动区域；Xtl < X < w的区域磁场发生了变化，称为磁通活动区域，矩形块材沿X 方向的厚度为2w ;同时考虑超导Bean模型和黏性磁通流动，得到场冷却磁场减小过程中矩 形块材内部磁场的分布为：
这里 Ba(t) = Bfc-y 0[Jc+( η u / φ〇)] u 〇t, x0 = W- u 〇t ; 其中，J。是临界电流密度（按照Bean模型，其为常数），Utl为恒定的黏性磁通流动速 度，η是磁通运动时的黏性系数，cK是磁通量子数，μ ^为真空中的磁导率； Β.对步骤A*Ba(t)的表达式两边关于时间t求导数，得到外磁场下降速度为dBa/dt =1〇[1。+(1^(|/>(|)]%，外磁场减小的速度(^/社将与磁通流动速度％相关 ；对于不 同磁通流动速度u ^，如果η和Cjitl为常量，则随着u ^的增大，|dBa/dt|也增大； C.将步骤A中B(x，t)和Ba(t)的表达式带入矩形高温超导块材应力计算一般的表达 另
得到场冷却磁场减小过程中与黏性磁通流动速度相关的应力分布。
2. 如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述矩形高温超导块材为大尺寸单畴 RE-Ba-Cu-O高温超导块材。
【专利摘要】本发明公开了一种场冷却充磁过程中矩形高温超导块材应力的计算方法。同时考虑超导Bean临界态模型和磁通的黏性流动，计算场冷却充磁过程中外磁场由冻结磁场Bfc减小到任意值Ba的过程中，矩形高温超导块材内部磁通密度的分布关系式；推导了外磁场减小速度与矩形块材内部黏性磁通流动速度之间的定量关系；得到外磁场减小过程中与黏性磁通流动速度相关的应力分布。与临界态模型计算矩形高温超导块材应力的计算方法相比，本发明方法能够反映出外磁场变化速度对矩形块材内部应力大小和分布特征的影响。
【IPC分类】G06F19-00
【公开号】CN104750955
【申请号】CN201310744610
【发明人】杨勇
【申请人】北京有色金属研究总院
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2013年12月30日