超导发电机是电机领域的一种新型电机,具有功率密度大、同步电抗小、效率高、维护方便等优点,将成为本世纪最有潜力、最理想的能源转换装置。超导发电机之所以具有这些优点是因为超导发电机中包含有超导磁体,因此超导磁体能否正常运行是决定超导发电机成败的一个关键因素。本文主要对一台50 kW超导发电机中的超导磁体进行研究。首先,分析超导磁体的电磁特性以及超导磁体在发电机中的应用原理,并结合实用化超导材料特性和应用背景进行超导磁体的选材；其次,对样机中超导磁体进行电磁设计,并提出一种优化算法对超导磁体结构进行优化；然后,为了验证仿真结果,进行超导磁体的实验研究,根据优化后的结构参数制作同等尺寸的超导磁体,为了给超导磁体提供低温环境,进行低温系统的方案设计；最后搭建实验测试平台,并通过实验的方法验证设计的超导磁体是否满足本课题的要求。本论文主要研究成果包括以下几个方面：●分析超导体的电磁性质方程,推导出超导体的零电阻特性和迈斯纳效应；选取以电流密度为基础,得到计算不同类型超导磁体空间任意一点磁场的方法；分析超导磁体在四种不同类型发电机中的应用原理,总结超导发电机的特性；结合目前5种实用化超导材料的特性,从发电机的制造成本,难易程度,性能等角度选择二硼化镁(MgB2)超导材料绕制样机中的超导磁体,并论证了所选超导材料的适用性和可行性。●根据超导发电机的四种基本结构,分析了这四种结构的工作原理并比较了它们的优缺点,确定了样机的基本结构；针对所选MgB2超导线圈的电磁特性,根据已知参数和约束条件,对样机中超导磁体进行电磁设计,通过大量的有限元仿真计算,得到了MgB2超导磁体的初始结构参数；对样机的性能进行分析,性能参数满足课题提出的设计要求,因此通过仿真计算验证了设计的超导磁体满足本课题的要求。●详细地分析了超导磁体结构参数对样机性能的影响,为了充分发挥超导磁体的优势,使超导发电机的性能更好,提出了一种将响应曲面法(RSM)和粒子群算法(PSO)相结合的优化算法对超导磁体结构进行优化；根据所提出的优化算法详细地给出了超导磁体结构优化的过程,并将优化前后样机的性能进行了对比,验证了所提出的优化方法的可行性和有效性。●通过比较几种常用冷却媒质的优缺点,结合本课题的具体情况选择出适合本文的低温媒质；分析了几种冷却方式的优缺点,综合考虑它们的冷却效果、系统复杂程度、成本以及选择的冷却媒质,选择出合适的冷却方式；通过分析圆筒真空层导热性,选择出合适的真空度；确定了低温系统的基本方案。●根据优化后的尺寸制作超导磁体,并搭建了测试平台；然后进行了超导磁体的常温测试和降温测试,通过常温测试获得了超导磁体的常温电阻,进行了四次降温测试,前三次实验失败,第四次成功获得了超导磁体的临界温度和临界电流,由于生产商提供的MgB2超导材料性能较差,导致所测超导磁体的临界电流远远小于MgB2超导材料工程应用中的临界电流。这四次实验虽然无法验证设计的超导磁体是否满足本课题的要求,但为后续超导磁体的测试提供了实践经验。