学位论文题目：电动磁悬浮高温超导动子磁体线圈的持续电流模式运行关键技术研究

论文简介

高温超导磁体用作电动磁悬浮列车的动子磁体时，可产生更大的气隙磁场，从而增大悬浮气隙并提高牵引力。线圈是动子磁体的核心部件。若磁体线圈运行于持续电流模式（PCM），则可在磁体运行期间降低电流引线漏热，并简化车载磁体的供电系统。实现线圈的PCM运行需要使用两项关键技术，即接头技术与持续电流开关（PCS）技术。目前，焊料接头技术与传统热控式PCS技术应用最为广泛。然而，焊料接头的接头电阻值偏大，易导致线圈的磁场日衰减率偏高；传统热控式PCS的关断电阻较小，易导致线圈的励磁效率偏低。随着线圈电感和工作电流的增大，这两项传统技术已逐渐难以满足线圈PCM运行的工程应用需求。

针对上述问题，本文以电动磁悬浮的高温超导动子磁体为研究背景，以磁体线圈持续电流模式运行的关键技术为研究对象，围绕低阻接头技术和高阻态PCS技术开展了系统研究。本文提出了一种无焊料低阻铜粘结接头技术，并揭示了其形成机制；提出了一种基于全激光刻蚀法的高阻态PCS技术，并阐明了其实现方法；进一步将上述两项技术应用于磁体线圈，验证了这两项新技术的适用性、相互适配性及其相较于传统技术的性能优势。本文的主要研究内容与成果如下：

（1）设计了一台缩比高温超导动子磁体样机。该磁体采用无绝缘线圈，通过传导冷却方式维持低温运行，且具备PCM运行的能力。采用焊料接头技术与传统热控式PCS技术完成了磁体线圈的研制，并分别在液氮温区和固氮温区对其开展了测试。测试结果表明，使用传统技术研制的线圈在磁场日衰减率和励磁效率方面仍存在不足。

（2）本文针对焊料接头电阻偏高的不足，提出了一种无焊料铜粘结接头技术，并阐明了其形成机制为温压焊。该接头的典型特征电阻值为12 nΩ·cm²，约为焊料接头的一半。系统研究了粘结温度、粘结压强、粘结时间和表面预处理效果对铜粘结接头的影响。结果表明，良好铜粘结接头的制作参数具有较宽的调节范围，其中粘结温度可低至90 °C，粘结压强可低至63 MPa，粘结时间可缩短至1 s。系统研究了铜粘结接头的力学性能与疲劳性能。结果表明，铜粘结接头的单轴拉伸性能与焊料接头相当，而其弯曲性能和疲劳性能均优于焊料接头。

（3）本文针对传统热控式PCS关断电阻较低的不足，阐明了提高PCS关断电阻的核心思路，并提出了一种基于全激光刻蚀法的高阻态PCS技术。在不改变PCS导体长度的条件下，其关断电阻可在4 Ω–480 Ω范围内自由调节。该方法以化学蚀刻法和激光刻蚀法为基础，通过优化激光刻蚀路径和热阱结构后形成。与传统热控式PCS相比，该PCS的关断电阻提高了近4个数量级；工作温度由110 K降低至100 K；输入热功率降低约2/3，且拥有更快的开关速度。

（4）研究了铜粘结接头技术对不同REBCO带材的适用性，以及铜粘结接头和高阻态PCS技术的适配性。通过在绝缘线圈中分别应用传统技术和提出的新技术，对比验证了铜粘结接头降低线圈闭合回路内阻的作用，以及高阻态PCS提高线圈励磁效率的作用。无绝缘线圈的对比测试结果进一步表明，在线圈电感较大、励磁速率较高的工况下，高阻态PCS对线圈励磁效率的提升作用更显著。

综上所述，本文针对线圈PCM运行所需的接头技术和PCS技术存在的不足，围绕低阻接头与高阻态PCS开展了系统研究。提出了低阻铜粘结接头技术和基于全激光刻蚀法的高阻态PCS技术，为高温超导磁体线圈的PCM运行提供了新的技术路线和解决方案。