高温超导磁体凭借较广的工作温区、优异的磁场下性能和良好的热稳定性,备受关注与期待。目前,高温超导磁体在背景场磁体、超导电机、超导磁储能器等领域的应用研究已经取得了阶段性的成果。然而在实用化和大型化进程中,高温超导磁体中的一些关键技术问题逐渐呈现:以成本控制为目标的磁体结构优化;屏蔽电流对磁体的磁场均匀性构成影响;电磁应力限制大型、高场磁体的发展,等等。本论文结合不同应用领域的设计需求,针对上述关键问题,从理论和实践的角度对高温超导磁体的多场性能设计进行了研究。论文首先讨论了高温超导磁体的优化设计方法,依据电机设计原理和高温超导带材的各向异性性能,对用于100 kW电机的高温超导磁体展开案例研究。研究得到了具有阶梯形截面的磁体设计,能够在30 K下为电机提供2.0 T的最大气隙磁密。独特的阶梯形设计比一般的优化设计进一步节省了 8%的用线量。针对具有均匀磁场区域的高温超导磁体,论文利用数值模拟方法分析了屏蔽电流对磁场分布的影响。研究根据高温超导磁体特点,结合超导物理模型进行建模,计算了具有2528匝的外凹型REBCO螺线管磁体中的屏蔽电流场。研究发现屏蔽电流对磁体中心磁场造成3 × 10-3量级的相对误差,并对轴线上均匀磁场区域的磁场均匀性造成约1-2%的影响。分析表明靠近磁体两端的带材中存在反向电流,是误差场的主要来源,可通过励磁至接近临界电流进行抑制。论文还对层状绕制REBCO磁体的屏蔽电流场进行了初步分析,发现磁体中邻近带材的耦合作用会对屏蔽电流场幅值构成影响。论文还通过理论分析,提出使用高强度、高弹性模量的外加强结构来降低螺线管型磁体内的环向应力。本研究以高温超导磁储能(SMES)为例,研究了结合加强缠绕结构的磁体设计方法。利用参数扫描的方法,综合考虑磁体的储能、临界电流、和环向应力情况,对用线量40 dm3/50 km螺线管型SMES磁体及加强结构进行了参数化研究。研究认为大孔径薄壁螺线管是SMES的经济之选,外加强结构则需针对储能密度进行优化。基于上述研究得到的方法,论文以高性能功率源为目标设计了一个30 K/4 kJ级REBCO磁储能磁体,并依据传热学原理设计了低温维持系统。该螺线管型SMES磁体电感为120mH,使用G-M制冷机配合固氮冷却至30K,工作电流266 A时储能可达4.2 kJ。研究通过数值方法评估了磁体在充放电过程中的损耗。