运动外磁场下高温超导YBCO块材的动态悬浮特性实验研究

摘要

在人类社会追求可持续发展的高新技术背景下，具有节能、环保、安全、高速、舒适等优点的高温超导磁悬浮技术无疑是未来轨道交通工具的重要选择之一。为了加快我国2000年底国际首次研制成功的载人高温超导磁悬浮车从实验演示到中试线试验的进程，本论文针对高温超导磁悬浮车运行起来后的悬浮性能变化问题，对高温超导YBCO块材在不同速度运动外磁场下的悬浮特性进行了系统的研究工作。 论文主要从三个方面展开，第一部分为针对高温超导磁悬浮车性能优化问题，探讨完善了高温超导体-永磁轨道相互作用的准静态悬浮性能优化方法，为后续的动态悬浮性能研究提供了依据和借鉴；第二部分参考高温超导磁悬浮轴承(SMB)旋转损耗的研究方法，以自制的SMB为实验平台研究了不同转速下永磁体．高温超导体悬浮系统的动态悬浮特性；第三部分以本小组2006年研制成功的高温超导磁悬浮动态测试系统(SCML-03)为平台模拟高温超导磁悬浮车的真实运行情况，研究不同运动速度下永磁轨道上方车载高温超导块材的悬浮力性能变化。其中包括：场冷高度、工作高度、运动模式、运行时间、最高运行速度等实验条件的影响。值得注意的是，第二、三部分研究内容中运动外磁场的主要特征在于：SMB中永磁体提供的外磁场均匀性高，而实验中高温超导磁悬浮车用永磁轨道磁场存在一定不均匀性，这样使得论文工作具有可比性，研究结果更加鲜明。 论文的主要创新点在于利用SCML-03动态测试装置首次对相对速度0-238km/h范围内的车载高温超导块材在永磁轨道上方的悬浮力性能进行了研究，这也是迄今为止涉及高温超导磁悬浮车动态运行研究的最高实验速度。实验发现受永磁轨道运行方向存在的磁场不均匀性影响，工作运行在其上方的车载高温超导块材主要受磁滞损耗、涡流损耗和高速运行下发生的屏蔽电流延迟这三方面作用，最终使块材在运动过程中出现悬浮力波动、衰减和高速运行下的悬浮力下降现象。其中，运动外磁场下块材悬浮力衰减的作用机理被归结为能量损耗带来的热量导致块材的性能参数下降。从上述作用机理出发，论文提出了6种能够有效抑制上述悬浮力衰减的方法，并用实验进行了验证。最后，在本文的研究结果基础上，从应用角度对未来高温超导磁悬浮车系统设计提供了包括永磁轨道装配技术在内的8条设计建议。以上研究结果将为下一步高温超导磁悬浮车中试线设计及实验提供重要的参考和依据。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第1章绪论

1.1超导材料的发展及特性

1.1.1磁通钉扎及其特性

1.1.2高温超导体

1.2高温超导磁悬浮技术

1.2.1高温超导磁悬浮轴承技术发展现状

1.2.2高温超导磁悬浮车技术发展现状

1.3问题的提出

1.3.1课题研究现状与进展

1.3.2本论文的主要研究内容和方法

第2章高温超导磁悬浮系统准静态优化

2.1实验研究装置

2.2双层高温超导体性能

2.3混合零场冷和场冷工作方式

2.4高温超导体c轴方向排布设计

2.5引入铁磁材料后的性能

2.6小结

第3章不同速度下高温超导体-永磁体悬浮系统动态特性研究

3.1研究原理与方法

3.1.1高温超导磁悬浮轴承设计

3.1.2 SMB样机静态磁悬浮性能

3.2动态振动特性

3.2.1测试装置及方法介绍

3.2.2共振频率研究

3.3不同速度下的运行稳定性

3.3.1 SMB动态测试平台

3.3.2不同运行速度下的动态稳定性

3.4不同初速度下的自由衰减

3.4.1摩擦系数模型

3.4.2与机械轴承对比

3.5双轴向型SMB应用

3.6小结

第4章不同运动速度的永磁轨道外场下YBCO块材悬浮力特性研究

4.1 SCML-03测试装置简介

4.1.1概述

4.1.2主要测试功能和参数

4.2 SCML-03测试装置调试

4.2.1车载高温超导体-永磁轨道悬浮系统

4.2.2可靠性验证

4.2.3实际永磁轨道存在的问题

4.2.4块材悬浮力与圆形永磁轨道位置的对应关系

4.2.5采样频率考虑

4.3典型工作方式的块材在不同运行速度下的悬浮力行为

4.3.1悬浮力衰减与磁滞损耗

4.3.2悬浮力衰减与涡流损耗

4.4工作高度对不同速度下块材悬浮力变化的影响

4.5场冷高度对不同速度下块材悬浮力变化的影响

4.6不同运动模式对块材悬浮力的影响

4.6.1低速→高速→低速运动模式

4.6.2转速0-480 rpm内循环加减速运动模式

4.7循环加减速过程中最高速度与块材悬浮力变化的关系

4.8长时间运行对块材悬浮力的影响

4.9最高实验转速960 rpm下块材的悬浮力变化

4.10小结

第5章运动外磁场下超导块材悬浮力衰减的作用机理及其改善方法

5.1作用机理

5.2改善方法

5.2.1减小块材工作位置处的交变外磁场

5.2.2增大块材可利用的临界电流密度

5.2.3保证块材充分的冷却条件

5.2.4预快速加速运行

5.3高温超导体-永磁轨道系统设计建议

5.4小结

结论

主要结论

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