永磁轨道上块状高温超导体的振动特性研究

摘要

高温超导磁悬浮车在实际运行中，在外界激扰下（缝隙、错位和横风等）会引起高温超导磁悬浮车系统的振动。当高温超导磁悬浮车系统发生振动时，作用在车载超导体上的磁场也相应地发生变化，将加剧超导体内部的磁通运动，最终引起高温超导体内部能量损耗，导致高温超导磁悬浮系统的状态变化和性能下降，恶化车辆运行的平稳性，有时甚至危及行车安全。在高速运行条件下，这种振动作用将进一步加强，由此引发的振动问题更加严重，其危害性也显得更为突出。因此，深入细致地开展高温超导磁悬浮系统振动特性研究，弄清高温超导体与永磁轨道相互作用特征及其影响因素的作用规律，显得十分必要。
　　本论文利用实验测试和数值模拟两种手段对自由悬浮状态下和运行状态下的块状高温超导体的振动特性及其影响因素的作用规律进行了深入研究。
　　在实验测试研究中，首先利用高温超导磁悬浮车的缩比模型，实验研究了不同负载情况下（垂向移动、横向移动、纵向偏载和横向偏载）高温超导磁悬浮系统的动态特性参数及悬浮高度的变化规律。然后以高温超导磁悬浮动态测试系统为平台模拟高温超导磁悬浮车的运行情况，研究了不同相对运行速度下永磁轨道上方高温超导体的振动响应特性，具体研究了场冷高度、加速方式（逐级加减速和循环加减速）和长时间运行等影响因素对高温超导磁悬浮系统振动响应特性的影响。
　　在数值模拟研究中，在分析了高温超导磁悬浮振动系统中高温超导体与永磁轨道相互作用规律的基础上，分别建立了高温超导体振动微分方程、高温超导体与永磁轨道相互作用的三维电磁场控制方程、高温超导体的温度场方程和永磁轨道磁场的三维解析模型。其中三维电磁场控制方程是以矢量电位为状态变量，并考虑高温超导体的电各向异性现象，永磁轨道磁场的三维解析模型中考虑到永磁体间的缝隙与表面不平顺引起的磁场变化。基于以上控制方程建立与求解，最终建立了三维电-磁-热多物理场耦合的高温超导磁悬浮振动计算模型，分别从竖直运动、横向运动、纵向运动和垂向振动四个方面验证了高温超导磁悬浮振动计算模型的准确性。在此基础上，理论研究了自由悬浮状态下和匀速运行下高温超导体的振动特性。
　　针对自由悬浮状态下的高温超导磁悬浮系统，研究了垂向激励和横向激励下高温超导体的振动响应特性，具体研究了工作条件、材料性能、几何尺寸和温升效应等影响因素对高温超导磁悬浮系统振动响应的影响，最后研究了高温超导磁悬浮系统的垂向和横向固有频率随工作条件和材料性的变化规律。
　　针对匀速运行状态下的高温超导磁悬浮系统，研究了高温超导体的垂向振动响应特性。具体研究包括永磁轨道的缝隙和表面不平顺、工作条件、材料性能、温升效应和运行速度等影响因素对高温超导磁悬浮振动特性的影响，从理论上验证了利用预载法可以有效地抑制高温超导磁悬浮振动系统中出现的悬浮漂移现象。以上研究可以为高温超导磁悬浮车系统的设计提供指导。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 论文研究背景及意义

1．2 高温超导磁悬浮振动系统研究现状

1．3 本论文的主要研究内容与目的

第2章 负载状态下高温超导磁悬浮系统动态特性参数

2．1 实验原理与测试设备

2．1．1 测试方案的制定与原理

2．1．2 测试设备

2．1．3 测试试件

2．1．4 信号处理

2．2 垂向移动

2．3 横向移动

2．4 纵向偏载

2．5 横向偏载

2．6 小结

第3章 相对运行下高温超导体的振动特性实验研究

3．1 实验设备及实验过程简介

3．1．1 测试设备简介

3．1．2 圆盘形永磁轨道

3．1．3 实验方案的设计

3．2 高温超导体的振动响应特性

3．3 运行速度的影响

3．4 场冷高度的影响

3．5 加速方式的影响

3．5．1 逐级加减速

3．5．2 循环加减速

3．5．3 长时间运行

3．6 小结

第4章 高温超导磁悬浮振动系统数值计算模型及其验证

4．1 高温超导磁悬浮振动系统

4．2 超导体振动微分方程

4．3 超导体与永磁轨道电磁作用力

4．3．1 电磁场三维控制方程

4．3．2 E-J本构关系及其影响因素

4．3．3 数值计算方法

4．3．4 求解方法及计算流程

4．4 永磁轨道不平顺和磁场计算模型

4．4．1 永磁轨道表面不平顺

4．4．2 永磁轨道磁场计算

4．5 温度场控制方程

4．6数值计算模型的验证

4．6．1 轨道磁场

4．6．2 模型验证

4．7 小结

第5章 自由悬浮状态下高温超导体的振动特性

5．1 垂向激励下超导体振动特性及其影响因素研究

5．1．1 垂向激励下超导体的振动响应特性

5．1．2 工作条件

5．1．3 材料性能

5．1．4 几何尺寸

5．1．5 受迫振动

5．1．6 温度效应

5．1．7 预载条件

5．2 横向激励下超导体振动特性及其影响因素研究

5．2．1 横向激励下超导体的振动响应特性

5．2．2 工作条件

5．2．3 材料性能

5．2．4 受迫振动

5．2．5 温度效应

5．3 固有频率

5．3．1 工作条件

5．3．2 材料性能

5．4 小结

第6章 运行状态下高温超导体的垂向振动特性

6．1 运行状态下超导体的垂向振动响应特性

6．2 激扰变化

6．3 工作条件

6．4 材料性能

6．5 运行速度

6．6 预载条件

6．7 小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果