具有高温超导电枢的发电机的优势在于它们能输送高电流。由于高温超导线圈存在于复杂的时变电磁环境中，高温超导电枢的交流损耗难以精确计算。此外，当高温超导线圈发生短路故障过流时，需要对这一过程进行电磁热模拟研究，以确保高温超导线圈不受损坏。本文首先采用完全耦合的T-A公式模型计算高温超导电枢的交流损耗。然后，考虑超导包覆导体的固有特性，模拟了发电机在发生最严重短路故障时的电流分布和温度分布。研究发现，临界电流最低的匝在0.01 s后淬火，但断路器能迅速排除故障，温升不会损伤线圈。研究人员研究了铜稳定剂厚度对高温超导线圈在最严重短路故障时热稳定性的影响。在发生短路故障时，较厚的铜稳定器可提高高温超导线圈的热稳定性，但需要使用模拟模型来在工程电流密度和高温超导磁带的热稳定性之间进行权衡。

相关论文以题为“An Electromagnetic–Thermal Coupling Numerical Study of the Synchronous Generator with Second-Generation High-Temperature Superconducting Armatures”发表在《Applied Sciences》上。

与传统发电机相比，第二代(2G)高温超导(HTS)发电机具有更高的功率密度，因此很有前景。对于同步发电机的应用，放置在定子的高温超导线圈在静态冷却方面具有优势，但高温超导线圈将遭受交流损耗，因为它们处于交变磁场和电流之下。

许多研究小组对孤立高温超导线圈的交流损耗进行了研究。为了计算实际发电机环境下高温超导线圈的交流损耗，提出了一个由机器模型和交流损耗模型组成的两阶段隔离模型。T-A公式模型可以将发电机的a公式模型与高温超导线圈模型完全耦合。由于自由度的减小，T-A模型的效率高于h模型。此外，由于旋转发电机通常采用a -配方进行模拟，因此T-A配方模型可以直接实现发电机电磁环境下高温超导线圈的全耦合模拟。

短路故障发生时，高温超导线圈表面的磁场和线圈内流动的电流会发生剧烈变化，造成较大的交流损耗。当电流超过线圈的临界电流时，欧姆损耗也会发生。如果制冷机的冷却能力不足以立即排除热量，则高温超导线圈可能会永久损坏。为了解短路故障是否会对高温超导线圈造成永久性损伤，进行电磁热耦合仿真具有重要意义。应该考虑的是，磁场、电流和温度等因素都会对高温超导材料产生影响。

到目前为止，一些高温超导发电机短路故障的数值模拟已经完成。然而，考虑到临界电流密度与温度和磁场的依赖关系，这些模拟都没有实现完全耦合模拟。本文的主要创新点是对带2G高温超导电枢的同步发电机进行了电磁-热耦合数值研究。此外，还将研究在最严重短路故障时，铜稳定器厚度对高温超导线圈热稳定性的影响。

电路模型

整个超导同步发电机的等效电路模型如图1所示。对于定子绕组，由于三相定子绕组是对称的，只对与a相绕组有关的变量进行了解释。

图1.高温超导(HTS)发电机等效电路模型示意图。

在高温超导机运行过程中，制冷机会带走线圈中一定量的热量。然而，为了保守地估计短路故障最严重的后果，在线圈表面设置了绝热边界条件。

图2总结了高温超导线圈的场、电路和热模型之间的耦合关系:

图2.场、电路和热模型之间的耦合关系示意图。

领域模型使用热的温度分布计算模型,和当前值计算超导层和铜层的电路模型,计算超导层的磁化强度损失,磁场分布,生成的高温超导线圈的电动势。电路模型利用热模型计算出的温度分布和场模型计算出的磁场分布，计算出超导层和铜层的电流值和铜层的损耗。

研究参数

所研究的高温超导发电机拓扑如图3所示，每相由两个并联线圈组成。例如，A相绕组由两个线圈组成:A1和A2。A1+和A1−分别为A1线圈的正电流域和负电流域。

图3.二维T-A公式的原理图，发电机的拓扑结构和所研究线圈每个匝的编号顺序。

所研究的发电机有四个极点和六个槽。每个槽有一个84圈的双跑道线圈。这些高温超导磁场线圈的额定电流约为37 A，额定输出功率为30 kW。发电机的设计转速为1500rpm，对应50hz的定子电枢频率。发电机的其他设计参数可以在之前的论文中找到。通过拟合试样高温超导带的实验数据，计算出b、k和Bc。在平行和垂直磁场作用下，高温超导磁带归一化临界电流密度的表面图如图4所示。

图4.平行磁场和垂直磁场作用下超导带归一化临界电流密度的表面图。

由于六个线圈是对称的，本文只给出A1线圈的结果。所研究线圈的每个匝的编号顺序如图3所示，这种排列将在整个研究中使用。虽然本文只是数值模拟研究，但值得一提的是，研究人员目前已经制作出发电机定子，如图5所示。

图5.制造的发电机定子。

结论

本文研究人员对二代高温超导电枢的同步发电机进行了电磁-热耦合数值研究。本文的主要研究结果总结如下:

首先，将磁场部分模型与电路部分模型耦合，计算了高温超导线圈额定工作时的交流损耗。其次，研究了高温超导线圈在最严重短路故障下的瞬态电磁热特性。结果表明:高温超导线圈在短路故障时，每匝总电流相同，但由于周围磁场不同，每匝临界电流值不同。这种开始时临界电流值的差异导致它们随后出现不同的铜层分流和温升现象。临界电流最低的匝口最终会完全失稳，温升明显，但不会高到超过高温超导线圈材料的熔点。研究结果表明，如果发电机短路保护装置能尽快排除故障，该高速高温超导同步发电机的高温超导线圈就不会发生不可恢复的失超而损坏。最后,仿真结果表明,厚铜稳定剂的热稳定性提高高温超导线圈在发生短路故障,但对于高温超导发电机设计师,这需要使用仿真模型之间做出权衡工程电流密度和高温超导热稳定性的磁带。

论文链接：https://www.mdpi.com/2076-3417/10/15/5228/htm