高温超导磁体的交流损耗优化探究

如本书第1章所述，高温超导材料一般为非理想第二类超导体，普遍存在交流损耗现象。超导体的交流损耗可以按照损耗激励源和机理进行分类，依据引起损耗的激励源，可将交流损耗分为自场损耗和外场损耗。依据引起损耗的机理，可将交流损耗可分为涡流损耗、耦合损耗和磁滞损耗。涡流损耗产生于带材基底的金属材料，是由于变化的磁场在基底材料中产生感应电流带来的损耗；耦合损耗产生于多芯超导体中，是超导体内部的耦合电流穿越金属基底带来的损耗；磁滞损耗产生于超导体内部，是由交变自场或外场带来的损耗。在低频外场下，多芯带的交流损耗以磁滞损耗为主。涡流损耗在高电流、频率高于100Hz时才需要考虑；耦合损耗是一种特殊形式的涡流损耗，在电流频率达到2500Hz时耦合损耗的量级才会与磁滞损耗可比^[14]。

第二类非理性超导体在自场或外场作用下，磁通从外侧开始穿透，穿透区域产生屏蔽电流，使得中心灰色区域处于无磁场、无电流状态。随着磁场的增强，穿透区域逐渐增加，磁通开始移动。在通流过程中，外界磁场能够为磁通的产生和移动提供能量，超导体内部的钉扎会阻碍磁通流动出现电阻效应，此种阻碍效应产生的热量即为超导体通流过程中的交流损耗。也就是说，当超导体通以交流电流或者处于交变磁场时，导体内部磁场变化感应相应的电场，在有电流的情况下带来等效阻性损耗。(www.xing528.com)

交流损耗是高温超导设备的重要设计参数。在液氮77K温度下，超导带材如果具有较高的交流损耗会为制冷系统带来严重的工作负担。此外，超导带材产生的交流损耗如果无法及时传导，将有可能导致带材退出超导态、产生局部失超。因此，交流损耗是高温超导磁体设计中必须要考虑的问题，交流损耗的测量与计算直接关系到制冷系统的运行指标，也是磁体稳定、安全运行的重要保障。