永磁轨道上方高温超导块材磁悬浮实验与仿真研究

摘要

自从1986年发现了可以工作在液氮温区的YBCO高温超导体以来，世界上许多科学家纷纷对其表示了极大的兴趣并投入大量的精力进行研究，使得高温超导体的性能不断提高，为其在工程方面的应用开辟了广阔的前景。由于YBCO高温超导块材拥有较强的磁通钉扎能力而具有自稳定的悬浮特性，因此具有巨大的应用潜力。本研究小组对高温超导磁悬浮列车系统进行了大量的研究工作，并于2000年12月31日研制成功世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车。 为了使高温超导磁悬浮车系统早日走向工程应用，系统地进行实验研究耗资巨大，所以，本论文提出了一种求解高温超导块材磁悬浮特性的三维数值模型，描述了该磁悬浮三维数值计算原理。本三维模型采用虚拟电导率的方法，将高温超导块材分为两种块材叠加来模拟超导块材内部的电流各向异性；论文中详细地描述了两种永磁轨道产生的轨道磁场的解析计算方法以及三维模型的数值求解过程，采用有限元方法结合时域差分法，使用迭代法处理非线性耦合问题。在FORTRAN平台上编写实现了高温超导磁悬浮三维数值模拟计算程序，同时实验验证了该程序的正确性。从而为高温超导磁悬浮车系统的悬浮性能数值模拟研究和优化设计提供了理论指导。 通过三维仿真模型对高温超导磁悬浮车用永磁导轨上方高温超导块材电磁特性进行了模拟计算，研究了超导块材在沿永磁轨道无限长方向垂直面内对称外磁场中的端面效应。该研究揭示了由于超导块材端面效应的存在，虽然外磁场在永磁轨道无限长方向磁场分量为零，但是超导块材内部沿此方向的磁场分量不为零，这是目前世界上二维超导磁悬浮计算所不能做到的。 使用实验与数值计算相结合的方法，研究了高温超导块材在对称分布式永磁轨道和Halbach结构永磁轨道上方悬浮力特性。实验研究和数值计算了在对称分布式永磁轨道下，高温超导块材悬浮力磁滞回线与超导块材横向水平偏移量之间的关系；最大悬浮力与超导块材横向水平偏移量之间的关系。在Halbach结构永磁轨道下，悬浮力磁滞回线与超导块材横向水平偏量之间的关系；最大悬浮力与超导块材横向水平偏移量之间的关系。研究结果表明，悬浮力磁滞回线以及最大悬浮力与块材横向水平偏移量之间的关系与外磁场结构紧密相关；模拟计算和实验结果能够较好的吻合。 通过三维仿真计算，研究了高温超导磁悬浮列车系统几何参数和物理参数对悬浮性能的影响。 对于对称分布式永磁轨道，高温超导磁悬浮性能随着轨道横截面厚度的增加和宽度的增加而在一定范围内增加，当永磁轨道横截面积一定时，与永磁轨道的宽度与高度的比值紧密相关。 对于Halbach结构永磁轨道，高温超导块材的磁悬浮性能比较复杂。在轨道其它参数保持不变的情况下，高温超导磁悬浮性能随着主磁体宽度的增加不仅取决于主磁体宽度与聚磁体宽度的比例，还与主磁体宽度与永磁轨道的高度的比例相关。高温超导磁悬浮性能与聚磁体宽度之间的关系和主磁体宽度与聚磁体宽度的比例值、主磁体宽度与永磁轨道的高度的比例值密切相关。通常上述各比例数值一定的情况下，永磁轨道横截面积的增大能够在一定范围内提升悬浮性能。 通过仿真计算了对称分布式永磁轨道上方高温超导块材在不同临界电流密度下的悬浮力曲线、Halbach结构永磁轨道上方高温超导块材在不同临界电流密度下悬浮力曲线，得出超导块材临界电流密度对超导体磁悬浮性能的提升，与外磁场结构有着密切的关系。单纯的提升超导块材材料性能，未必能达到优化磁悬浮性能的最终目的。

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磁悬浮列车发展情况

1.3超导材料的进展历程

1.4载人高温超导磁悬浮实验列车的研究进展

1.5 国内外研究现状和本论文的提出

1.6主要研究内容和方法

第二章超导基本理论

2.1超导现象的发现

2.2伦敦理论

2.3皮帕德(Pippard)理论

2.4 BCS理论

2.5京茨堡-朗道(Ginzburg—Landau)理论

2.6理想二类超导体

2.7非理想二类超导体

2.8小结

第三章高温超导磁悬浮测试系统研究与优化

3.1高温超导磁悬浮测试系统

3.2测试系统研发

3.3 SCML-02高温超导磁悬浮测试系统的优化

3.3.1磁悬浮测试系统检验

3.3.2悬浮力测试功能的调试与优化

3.3.3导向力测试功能的优化

3.4 SCML-02测试系统-悬浮力／导向力刚度测试功能的调试

3.5永磁轨道上方高温超导块材磁悬浮力测试实验平台搭建

3.6小结

第四章高温超导块材磁悬浮三维数值计算

4.1 高温超导块材电磁本构关系的描述

4.2高温超导块材磁悬浮数值计算原理

4.3超导体内电流分布计算

4.4永磁导轨磁场计算

4.4.1 永磁导轨磁场计算方法

4.4.2对称分布永磁轨道磁场讣算

4.4.3任意倾斜放置永磁体磁场计算

4.4.4 Halbach结构永磁轨道磁场计算

4.5数值求解方法

4.5.1待求解量的代数方程组形成

4.5.2数值求解过程

4.6永磁轨道解析计算与有限元计算结果对比

4.7小结

第五章高温超导块材磁悬浮实验与仿真研究

5.1对称分布永磁轨道上方HTS块材电磁特性

5.1.1超导块材内部磁场Hx分量分布

5.1.2块材内部磁场Hy分量分布

5.1.3块材内部磁场Hz分量分布

5.2实验研究与仿真计算

5.2.1对称分布式永磁轨道上方超导块材磁悬浮力实验与仿真研究

5.2.2 Halbach永磁轨道VS高温超导块材

5.3小结

第六章高温超导磁悬系统悬浮力研究

6.1超导块材厚度对悬浮力的影响

6.1.1对称分布式永磁轨道上方超导块材厚度对悬浮力的影响

6.1.2 Halbach永磁轨道上方超导块材厚度对悬浮力的影响

6.2永磁轨道尺寸对悬浮力的影响

6.2.1对称分布式永磁轨道结构尺寸对悬浮力的影响

6.2.2 Halbach永磁轨道结构尺寸对悬浮力的影响

6.3横向偏移量对超导块材的悬浮力影响

6.3.1对称分布式轨道超导体悬浮力与水平偏移量之间的关系

6.3.2 Halbach永磁轨道超导块材悬浮力与水平偏移量的关系

6.4超导体临界电流密度与悬浮力之间的关系

6.4.1对称分布式永磁轨道

6.4.2 Halbach轨道上方超导块材临界电流密度与悬浮力关系

6.5小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果