高温超导磁悬浮列车系统设计研究与仿真分析

摘要

自从高温超导现象发现以来，高温超导材料、工作机理和应用技术得到迅速和广泛的研究，为众多领域中的装置技术提供了新的技术方案。高温超导材料在实际应用中主要以块材、带材和薄膜为主，其中高温超导块材基于其磁通钉扎特性和迈斯纳效应以及强磁场捕获能力被广泛的应用于电机、电力、高能物理、交通运输等领域。将其应用于直线电机中，使得其比传统直线电机具有更大的优势。基于其磁通钉扎特性，能够在外场的条件下产生悬浮力并且具有自悬浮自导向功能。因此将高温超导直线电机和高温超导磁悬浮系统结合，能够实现悬浮、导向和推进超导一体化，形成一种真正意义上的节能。本论文围绕高温超导磁悬浮列车系统中推进系统和悬浮系统中的关键技术问题开展了下述研究工作。 首先对传统直线电机的演变过程，分类和理论原理进行了相关的介绍；同时将高温超导体应用于直线电机中，得到五种高温超导直线电机应用模式，对其结构和理论原理进行了相关的介绍。紧接着着重阐述和总结了高温超导块材磁体的理论模型，主要包括临界态模型、沙堆模型和“面电流+体电流”模型。根据高温超导块材理论模型，得到了高温超导直线电机理论模型，并通过双反应理论对高温超导直线电机的推力特性和法向力特性进行了深入的研究，同时也对高温超导直线电机的磁动势和等效磁路进行了详细地分析。 其次根据高温超导块材磁体的理论模型和高温超导直线电机理论模型，设计了一种单边型高温超导直线同步电机，并将其应用于时速1000km/h的磁悬浮列车中的推进系统中，设计了该直线电机的相关结构和尺寸，基于设计的物理模型和尺寸，在有限元仿真软件中建立了对应的仿真模型并对其进行了相关的电磁分析。 最后基于高温超导块材的钉扎特性，完成了对高温超导磁悬浮中悬浮系统的结构设计，理论模型的建立和有限元仿真分析。包括对三种永磁轨道的物理模型的建立，并通过面电流模型对永磁轨道进行电磁分析，得到三种轨道上方空间任意一点的磁通密度分布，然后通过有限元仿真分析验证了所建模型的合理性。同时基于建立的永磁轨道模型，可以得到高温超导块材在永磁轨道上方的受力模型，为悬浮系统的悬浮和导向性能提供了理论基础，接着对不同模式磁悬浮列车的悬浮特性进行了对比分析。

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