永磁轨道上方波动外磁场下高温超导块材悬浮力性能研究

摘要

处于永磁轨道上方的高温超导块材具有自稳定悬浮特性，因此高温超导磁悬浮列车性能相比其他两种的主要磁悬浮列车(常导磁悬浮列车和低温超导磁悬浮列车)具有控制简单、成本低廉及环保节能等优点。高温超导磁悬浮车可能成为将来的一种高速、安全、环保、经济的最有效的地面轨道交通方式之一。本研究小组也在这方面作了大量的研究与探讨，并于2000年底研制成功世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车。这种车系统的永磁轨道希望在车运行的方向的磁场保持均匀，但在实际应用中，由于安装工艺等因素的影响，使得其磁场在纵向存在一定的波动。本论文就这种磁场波动对块材悬浮力性能的影响展开工作。
　　 永磁轨道由于安装工艺的因素，在永磁块和永磁块之间存在一定的缝隙，该缝隙使得轨道上方的磁场存在一定波动。本论文通过实验测试和计算机仿真计算相结合的方法研究了缝隙对轨道磁场波动的影响。通过坐标变换，把空间周期变化的磁场等效为时间周期变化的磁场，为实验研究波动外磁场作用下，块材悬浮力特性提供了理论基础，并通过永磁轨道的磁场和电磁铁磁场的叠加模拟高温超导磁悬浮车运行时，块材周围的磁场环境。以此来研究波动磁场对悬浮力性能的影响。
　　 首先通过实验研究了交流磁场频率对悬浮力性能的影响情况，在实验的基础上，首次将频率对悬浮力的影响划分为三个不同的区域，分别是：低频(悬浮力振荡为主要特征)、高频(悬浮力振荡很小，悬浮力衰减为主要特征)和过渡区域，并实验研究了频率发生变化(包括突变和渐变)时，交流磁场对悬浮力的影响。接着系统地分析了在低频(100Hz以下)交流磁场下，块材悬浮力振荡和衰减特性，并借助Bean临界态模型阐述了波动外磁场对块材悬浮力影响的作用原理，研究了交流磁场幅值对悬浮力振荡和衰减的影响，研究了不同场冷高度或者测试高度情况下，波动外磁场对悬浮力性能的影响情况。此后研究了高频(170Hz以上)交流磁场作用下，块材悬浮力的衰减特性，包括交流磁场的幅值和频率对悬浮力衰减的影响，同样也研究了不同场冷高度和不同测试高度情况下，波动外磁场对悬浮力性能的衰减影响情况。考虑到高温超导磁悬浮车的实际运行情况，论文中还研究交流磁场作用时间对悬浮力性能的影响。
　　 在Bean临界态模型的基础上，针对目前的高温超导磁悬浮车系统，提出了一种通过磁场在块材中的穿透情况来计算块材悬浮力的模拟计算方法。该方法可计算在波动外磁场中块材悬浮力的振荡和衰减情况。通过实验结果与模拟计算结果的对比，验证了该方法的可行性。通过该方法讨论了高温超导块材的性能(临界电流密度、块材尺寸)对波动外磁场中高温超导块材悬浮力的影响情况。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2高温超导磁悬浮列车

1.2.1磁悬列车及高温超导磁悬浮车结构

1.2.2高温超导磁悬浮原理

1.2.3高温超导磁悬浮车的研究与发展

1.3问题的提出

1.3.1高温超导磁悬浮车准静态特性研究现状

1.3.2国内外研究现状及本论文的提出

1.4本论文的主要研究内容和方法

第二章永磁轨道表面磁场的不均匀性研究

2.1轨道组成结构介绍

2.1.1车用轨道结构

2.1.2圆弧轨道结构

2.2磁场扫描设备介绍

2.3轨道磁场扫描

2.3.1车用轨道纵向磁场测试

2.3.2圆弧轨道磁场扫描

2.3.3圆弧轨道纵向磁场扫描

2.4轨道磁场的计算机仿真计算

2.4.1电磁计算软件简介

2.4.2缝隙对轨道磁场的影响

2.4.3圆弧轨道仿真计算

2.6小节

第三章实验平台和实验测试方法

3.1实验研究原理

3.1.1磁场空间周期性

3.1.2坐标变换

3.1.3空间周期向时间周期的转变

3.1.4磁场叠加

3.2实验设备

3.2.1波动磁场模拟器

3.2.2高温超导磁悬浮测试系统SCML-02

3.2.3高温超导体块材

3.3实验测试方法

3.4小节

第四章波动外场频率对超导块材悬浮力的影响

4.1频率和车速关系

4.2磁场波动对悬浮力的影响

4.3强振和弱振之间的转变

4.4频率变化对悬浮力的影响

4.4.1频率突变

4.4.2频率渐变

4.5小结

第五章低频交流磁场对悬浮力的影响

5.1波动外场的扰动对悬浮力驰豫性能的影响

5.2悬浮力振荡原因探究

5.3交流磁场幅值对悬浮力的影响

5.3.1交流磁场幅值对悬浮力振荡的影响

5.3.2交流磁场幅值对悬浮力衰减的影响

5.4不同场冷高度下，波动外场对悬浮力振荡的影响

5.5不同测试高度下，波动外场对悬浮力振荡的影响

5.6交流磁场作用时间对悬浮力的影响

5.7小结

第六章高频交流磁场对悬浮力的影响

6.1高频的外磁场对悬浮力驰豫的影响

6.2交流磁场幅值对悬浮力衰减的影响

6.3交流磁场频率对悬浮力衰减的影响

6.4场冷高度对悬浮力衰减的影响

6.5测试高度对悬浮力衰减的影响

6.6交流磁场作用时间对悬浮力衰减的影响

6.6小结

第七章悬浮力振荡计算

7.1解析模型介绍

7.1.1坐标系的建立及基本假设

7.1.2 Bean临界态模型

7.1.3磁场穿透块材的作用机理

7.1.4交流磁场作用下磁场穿透块材的作用机理

7.2永磁轨道磁场的描述

7.3悬浮力振荡计算

7.3.1 Lorentz力公式

7.3.2超导块材所受悬浮力

7.3.3交流磁场作用下悬浮力计算

7.3.4模拟计算方法验证

7.4在波动外磁场中，超导体相关参数对块材悬浮力的影响

7.4.1块材临界电流密度的影响

7.4.2块材直径的影响

7.5交流磁场幅值的影响

7.6小结

结论

本论文的主要创新点

值得进一步开展的工作

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果