高温超导带材堆叠块体静态及动态悬浮特性研究

摘要

近年来，磁浮技术在很多方面得以应用，包括，电磁悬浮列车，电动悬浮列车，高温超导磁浮车等。高温超导磁浮系统结构简单，且具有自稳定悬浮特性等诸多优势，在磁浮轴承，磁储能，飞轮储能，磁浮列车等领域具有巨大的应用潜力。然而，基于高温超导块材悬浮特性的磁浮技术已经进入到了一个瓶颈期。限制其发展的原因主要有高温超导块材制备工艺复杂难以量产，并且脆性较大，机械强度不够，热稳定性差，超导材料的均匀性较差等缺点，因此，为了推动高温超导磁浮工程应用的发展，需要突破这一障碍。高温超导带材则是由多层结构组成的复合超导材料，其中包括超导层，缓冲层，保护层，金属基带层，这种多层结构保证了高温超导带材具有较高的临界电流密度，优良的几何特性与热稳定性，在高温超导应用领域具有更高的研究价值与潜力，并且高温超导带材的工艺技术日益进步，为高温超导磁浮技术的发展提供了新的机遇。然而，人们对由高温超导带材堆叠成型的磁浮块体的研究尚处于初级阶段。其在准静态以及动态磁场下的悬浮特性仍需要深入研究。因此，本论文开展了关于高温超导带材堆叠块体在静态和动态下悬浮特性的研究。　　在对高温超导材料的发展、特别是高温超导磁浮材料和磁浮技术发展进行简述的基础上(见第一章)，本文介绍了实验装置的搭建、主要功能和特性、以及实验方法和技术路线(见第二章)。　　就具体的研究内容而言，本文首先采用实验方式并结合初步的模拟仿真对高温超导带材堆叠块体在永磁外场中的准静态力学悬浮特性进行了研究，即本文的第三章。其中主要是探究高温超导带材的堆叠层数在不同场冷高度的准静态下压过程中对最大悬浮力幅值的影响。其中模拟仿真是采用软件COMSOLMultiphysics中的数学模块，对高温超导带材堆叠单元的运动轨迹进行方程编写以模拟下压过程，过程中考虑到带材几何上的特性，较大的宽厚比，所以采用均质化的方法进行优化处理。实验过程采用自主设计搭建的静态悬浮力测试装置进行不同场冷高度的实验，并且与模拟计算结果进行对比，所得结果较好。在给定的永磁外场与高温超导带材下，模拟仿真与实验结果都表明随着高温超导带材的层数增加，在预设的5个场冷高度基本得到一致的结论，当层数以10层为梯度从10层开始达到120层后，悬浮力幅值不再大幅增加，层数达到130层后达到最大值，由于高温超导带材之间会产生相互影响的磁场屏蔽，随着层数的增加，上层带材的所处外磁场会受到极大的削弱，因此在一定的永磁外场中合理设计高温超导带材的厚度具有一定的工程应用价值。　　在准静态研究的基础上，本文进一步开展了关于高温超导带材堆叠单元动态悬浮特性的研究(见第四章)。在超导磁浮动态响应测试系统上进行不同场冷高度，不同运行速度的悬浮特性研究。实验平台超导磁浮动态响应测试系统是由永磁轨道铺成的直径为1米的圆形转台，通过在轨道表面铺设一定厚度的弧形铁片来制造磁场梯度，从而达到转台运行时磁场会周期性波动的效果，结果表明，场冷高度越高，悬浮力波动幅度越大，而导向力随场冷高度增大而减小，并随着带材堆叠块体层数增加，悬浮力与导向力幅值增大而整体变化趋势与之前相同；其次，在固定的排列方式下，某些速度速度条件下，带材堆叠块体悬浮力始末幅值变化较大，导向力的整体趋势在场冷下随速度增大而先增大后减小，零场冷条件下导向力呈现波动趋势。　　本文的第五章介绍了高温超导带材堆叠块体不同的取向和排列对磁浮性能的影响。通过改变带材堆叠块体单元盒的排列方式，正—侧—正、侧—正—侧、正—正—正三种排列方式，其余条件控制相同的情况下，发现悬浮效果排序依次为正—正—正大于正—侧—正大于侧—正—侧。本章的内容为优化高温超导带材堆叠磁浮系统的整体性能提供了有用的信息。　　最后，本文对上述的研究进行了总结，得出了结论。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 论文的研究背景与意义

1.2 高温超导发展简介

1.2.1 超导理论的发展

1.2.2 超导体的临界参数

1.2.3 高温超导磁悬浮原理

1.2.4 高温超导磁悬浮相关理论计算

1.2.5 高温超导磁悬浮发展现状

1.2.6 超导体发展现状

1.2.7 高温超导块材发展现状

1.2.8 高温超导带材发展现状

1.3 本论文主要研究内容

第2章 试验平台与测试方法

2.1 静态悬浮力测试平台

2.2 静态悬浮力测试方法

（1）准备工作

（2）实验步骤

（3）数据分析

2.3 动态特性测试平台

2.4 动态悬浮特性测试方法

第3章 高温超导带材堆叠块体静态悬浮特性

3.1 场冷高度对高温超导带材堆叠块体悬浮力影响

3.2 高温超导带材堆叠块体厚度对悬浮力影响

3.2.1 堆叠厚度对悬浮力影响

3.2.2 高温超导带材堆叠块体与一种YBCO 块材悬浮力对比

3.3 数值模拟

3.3.1 场冷高度对悬浮力影响的模拟

3.3.2 场冷高度对悬浮力影响的模拟

3.4 本章小结

第4章 场冷高度及运行速度对高温超导带材动态悬浮特性影响

4.1 场冷高度对高温超导带材动态条件下的悬浮特性影响

4.2 运行速度对高温超导带材动态条件下的悬浮特性影响

4.3 本章小结

第5章 堆叠块体单元盒排列方式对高温超导带材动态悬浮特性影响

5.1 侧—正—侧排列方式动态悬浮特性研究

5.1.1 侧—正—侧排列方式动态悬浮力

5.1.2 侧—正—侧排列方式动态导向力

5.2 正—侧—正排列方式动态悬浮特性研究

5.2.1 正—侧—正排列方式动态悬浮力

5.2.2 正—侧—正排列方式动态导向力

5.3 正—正—正排列方式动态悬浮特性研究

5.3.1 正—正—正排列方式动态悬浮力

5.3.2 正—正—正排列方式动态导向力

5.4 本章小结

结论

全文总结

工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研成果