高温超导块材磁体的磁化和悬浮特性

摘要

现有高温超导磁悬浮车通常采用轨道磁场冷却方式来提供稳定的悬浮和导向力，随着应用研究的深入，这种方式面临工程化应用的巨大挑战，如日益增长的大载重运量需求。高温超导块材磁体具有高于常规永磁体的俘获磁场。当前研究表明，将其引入到高温超导磁悬浮系统中可以有效提高悬浮性能。目前对块材磁体组成的悬浮系统的研究多集中在永磁轨道上方力特性上，而对悬浮或运动过程中永磁轨道对块材磁体内在的俘获磁场影响研究较少。本文着眼于块材磁体俘获磁场的变化，通过研究块材磁体在应用外磁场中的磁场变化规律和悬浮特性，探究由块材磁体构成的悬浮系统的可行性和稳定性。
　　本文首先基于超导块材生长特性及块材磁体的基本原理，搭建多点式俘获磁场测试平台。该平台可以实现在液氮温度下，实时、多点的磁场采集和存储，为后续块材磁化实验和块材磁体俘获磁场变化测试提供了硬件支撑。实验工作方面，对超导块材在恒磁场磁化下的磁化特性进行了研究，包括磁化过程中和磁场弛豫过程中块材表面的磁场变化。同时分析了磁化强度和退磁速率对块材磁体俘获磁场的影响，为块材磁体的磁化提供实验参考。接着，通过多点式俘获磁场测试平台，对块材磁体在永磁轨道上方竖直运动过程、水平运动过程以及悬浮力弛豫测试过程中各关键位置处的磁场变化进行了测量。研究表明，轨道磁场会对块材磁体进行再磁化，但随着块材磁体反复运动，这种再磁化的影响会逐渐减小，块材磁体的俘获磁场以及悬浮性能均能趋于稳定。对俘获磁场大小不同的块材磁体进行研究，发现其悬浮性能会随着俘获磁场的增大而饱和。通过对块材磁体在不同永磁轨道上的悬浮性能对比发现，块材磁体悬浮性能的饱和是由永磁轨道磁场和块材俘获磁场两者决定，永磁轨道磁场越强，块材磁体悬浮性能的饱和所需的俘获磁场越小。
　　最后，基于COMSOL多物理场耦合软件，从应用角度建立了耦合电磁场和温度场的高温超导体三维磁化模型。通过该模型，完成了超导块材的磁化实验和再磁化实验的定性对比，并对一些无法通过实验完成的研究，比如强磁场下的退磁速率、块材内部缺陷造成的磁场和电流分布，进行了仿真分析。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 高温超导磁悬浮列车

1．3 高温超导块材磁体

1．4 论文的研究目标和主要研究内容

第2章 实验原理、平台和方法

2．1 块材磁体的形成原理

2．2 实验平台的搭建

2．2．1 磁场充磁机以及高斯计

2．2．2 多点式俘获磁场测试平台

2．2．3 高温超导磁悬浮性能测试装置SCML-02

2．3 实验方法

2．3．1 块材磁体磁化实验

2．3．2 块材磁体悬浮性能实验

2．4 小结

第3章 高温超导块材磁体的磁化特性

3．1 磁化强度对俘获磁场的影响

3．1．1 磁化强度对圆形块材的俘获磁场影响

3．1．2 磁化强度对方形块材的俘获磁场影响

3．2 退磁速率对俘获磁场的影响

3．3 小结

第4章 高温超导块材磁体在永磁轨道上方的磁场变化及其悬浮特性

4．1 块材磁体在永磁轨道上方的磁场变化和悬浮特性

4．1．1 “斥性模式”下的块材磁体表面磁场变化和悬浮特性

4．1．2 “吸性模式”下的块材磁体表面磁场变化和悬浮特性

4．2 不同因素对块材磁体磁场和悬浮特性的影响

4．2．1 初始磁化电流的影响

4．2．2 轨道的影响

4．2．3 块材形状的影响

4．3 小结

第5章 块材磁体仿真研究

5．1 块材磁化模型的建立

5．1．1 超导磁化理论

5．1．2 COMSOL模型

5．2 不同磁化场磁化模拟

5．3 不同退磁速率磁化模拟

5．4 再磁化模拟

5．5 x-y平面内各向异性模拟

5．6 方形块材缺陷模拟

5．7 小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

在学期间参加的科研项目