直接冷却高温超导磁体的热稳定性是关系到超导磁储能(SuperconductingMagnetic Energy Storage，缩写为SMES)实际应用的重要问题之一。在SMES对电力网络进行功率补偿时，磁体及其导冷结构所产生的动态负荷对高温超导磁体形成较大的热扰动，降低了SMES系统的稳定性，为了提高超导磁体动态热稳定性，完善磁体低温冷却系统的设计，本文在863国家高技术项目(2002AA306331-4)、国家自然科学基金(50176013)和教育部博士学科专项基金(20040487039)项目的资助下，基于超导磁体稳态、动态负荷及其热传输性能，对直接冷却超导磁体热稳定性进行了理论分析和实验研究，并对磁体热稳定性进行了优化研究。为了提高超导磁体热稳定性和低温冷却系统热效率，基于传热学和电磁学理论对磁体稳态和动态负荷进行了分析计算，研究了磁体负荷热传输及与冷却特性的关系，基于磁体的热稳定性和低温系统热力系统完善度考虑，进行了直接冷却磁体运行工况的优化研究，通过研究得出了磁体热稳定与励磁电流速度及幅值的优化结果。SMES励退磁时磁体动态热负荷具有非线性、耦合性和瞬变特性。基于有限元理论本研究建立了磁体瞬态热分析的数学和物理模型，确定了单元类型及其泛函、形函数，构建了插值函数，以变分计算求解温度场矩阵，为磁体动态热传输特性分析提供了有效的方法。利用有限元软件ANSYS对SMES磁体在直流加载、动态加载、局部热扰动等情况下的温度变化进行了瞬态数值模拟，研究了稳态负荷、局部负荷、间断励磁和连续励磁对磁体的热扰动及其热传输特性，数值求解了各种工况下磁体的最高温度和轴向温差，得出了不同负荷情况下磁体温度场云图和响应曲线，分析了热稳定性变化机理，给出了各种工况励磁电流的优化值。基于最小熵产和数值模拟的研究表明，磁体及其导冷结构之间的界面热阻不仅造成磁体温升，而且增加了制冷机的功耗。构建了SMES低温实验和测试系统，进行了真空绝热实验、磁体降温实验、恒流源加载实验和SMES动态模拟实验的低温性能测量和实验研究。实验结果表明，所建立的低温系统具有良好的真空绝热性能；在静态降温阶段温度达到109K时磁体进入超导态，磁体最低温度达到13．5K：恒流源加载所能承受的最大电流幅值为150A；SMES对电力网络补偿时励磁的动态热负荷造成磁体温度上升，10A／s励磁速度情况下磁体平均温升为6．7K；动态实验数据与数值模拟结果的误差在4％以内。实验数据为今后SMES磁体和导冷结构的设计以及系统安全运行提供了依据。针对影响直接冷却SMES磁体热稳定性的主要因素，以磁体温度为目标函数对SMES磁体热力性能进行优化分析，提出热管冷却超导磁体的方案，分析了热管冷却超导磁体的机理，采用有限元理论和ANSYS软件对热管冷却的超导磁体进行了数值模拟，优化后磁体的降温速度、轴向温差和动态热稳定性均有显著改善。