高温超导旋转磁场电动式磁悬浮的研究

摘要

旋转磁场电动式磁悬浮具有可以静止悬浮、不需要反馈控制的优点，但永磁旋转磁场电动式磁悬浮（磁轮）重量大、具有机械损耗和噪声。常导旋转磁场电动式磁悬浮也存在通流能力差、产生悬浮力有限的问题。针对这些问题，本文提出了一种高温超导旋转磁场电动式磁悬浮系统方案，并围绕该系统的电磁机理、力特性、超导交流损耗，设计方法等进行研究。
　　建立了高温超导悬浮电机气隙磁场二维解析模型。该模型可计算电机内部任意位置的磁场分布。利用该模型，分析了转差率、电流幅值、频率等参数对气隙磁场的影响。研究表明，增大电流幅值、频率可有效增大电机气隙磁场。建立了高温超导悬浮电机悬浮力和水平力的解析模型。分析了输入电流幅值、频率、转差率、次级厚度等参数对电机力特性的影响;分析了次级导体板移出时、中部有缝隙时、初级与次级不平行时电机的输出力特性。分析结果表明，提高电流幅值、频率、转差率等参数可以有效提高电机悬浮力。同时，高温超导悬浮电机在平行布置的感应板上悬浮，具有水平方向的稳定性。
　　针对高温超导材料存在显著的磁场依赖性和各向异性的问题，建立了高温超导悬浮电机初级铁心槽内部磁场分布解析模型。利用有限元法和解析法计算了槽尺寸、线圈尺寸对高温超导线圈内部磁场的影响并总结出规律。计算结果表明，增大槽宽可有效降低线圈受到的垂直磁场进而可提高线圈的临界电流。建立了高温超导带材的交流损耗一维计算模型。计算了不同n值、不同频率条件下高温超导带材的交流损耗。利用计算结果，首次在带状模型下验证了标度定律的正确性。
　　建立了高温超导材料的交流损耗二维计算模型。模型考虑了磁场依赖性和各向异性，分析了高温超导准堆叠模型和线圈模型中的磁场分布特点及其影响因素。分析结果表明，采用双层结构可提高线圈的临界电流;增大线圈半径，可降低线圈的单位长度交流损耗。
　　建立了高温超导线圈临界电流和交流损耗测试平台，完成高温超导线圈的临界电流和交流损耗测试。测试结果与计算结果基本一致，满足工程要求。
　　研制了高温超导悬浮电机及其测试平台。电机采用变槽宽设计，该设计方案可有效降低电机重量、节约用线量，提高材料利用率。测试结果证明了悬浮方案的可行性与理论分析的正确性。

目录

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 磁悬浮技术的发展现状

1．2 高温超导电动式磁悬浮装置的提出

1．3 本文主要研究内容与方法

2 高温超导悬浮电机的气隙磁场分析

2．1 高温超导悬浮电机的工作原理

2．2 高温超导悬浮电机的气隙磁场分析

2．2．1 基于一维理论电机气隙磁场分析

2．2．2 基于二维理论电机气隙磁场分析

2．3 气隙磁场有限元模型

2．4 本章小结

3 高温超导悬浮电机的力特性分析

3．1 高温超导悬浮电机端部效应分析

3．2 高温超导悬浮电机的力特性分析

3．3 高温超导悬浮电机的侧向力

3．3．1 非磁性次级移出时的侧向力

3．3．2 非磁性次级中部有缝隙时的侧向力

3．3．3 初级铁心发生偏转时的侧向力

3．4 本章小结

4 结构参数对高温超导悬浮电机性能的影响

4．1 高温超导材料的各向异性

4．2 高温超导悬浮电机槽内磁场分布

4．3 槽内磁场分布的影响因素

4．3．1 高温超导线圈位置对磁场的影响

4．3．2 线圈匝数和输入电流对磁场的影响

4．3．3 槽尺寸对磁场的影响

4．4 槽尺寸变化对高温超导电机性能的影响

4．5 本章小结

5 高温超导材料的建模与特性分析

5．1 高温超导材料一维模型

5．1．1 基于Brandt方法的交流损耗计算模型

5．1．2 交流损耗中的标度定律Scaling law

5．2 高温超导材料二维模型

5．2．1 二维准堆叠模型

5．2．2 二维轴对称模型

5．3 高温超导材料三维模型

5．4 高温超导材料的特性计算

5．4．1 高温超导带材的临界电流分析

5．4．2 高温超导带材的交流损耗分析

5．4．3 高温超导准堆叠模型的临界电流分析

5．4．4 高温超导准堆叠模型的交流损耗分析

5．4．5 高温超导线圈的临界电流分析

5．4．6 高温超导线圈的交流损耗分析

5．5 本章小结

6 高温超导悬浮电机的电磁设计

6．1 高温超导悬浮电机的结构及磁路特点

6．2 高温超导悬浮电机设计方案

6．2．1 电机最佳尺寸

6．2．2 高温超导悬浮电机基本性能

6．2．3 高温超导悬浮电机的绕组

6．3 高温超导悬浮电机损耗计算

6．3．1 高温超导绕组交流损耗计算

6．3．2 高温超导悬浮电机铁耗计算

6．4 本章小结

7 高温超导悬浮电机的实验研究

7．1 常导悬浮电机及实验平台

7．2 高温超导带材和线圈的临界电流测试

7．3 高温超导带材和线圈的交流损耗测试

7．4 高温超导悬浮电机实验平台及测试

7．5 本章小结

8 结论与展望

8．1 全文结论

8．2 展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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