永磁軌道上高溫超導塊材YBCO的導向性能實驗與仿真研究.pdf

1、高溫超導磁懸浮由于高溫超導體自身較強的磁通釘扎特性，與其它傳統(tǒng)的物理懸浮(如電磁懸浮等)相比，具有自穩(wěn)定性好不需要任何控制、能耗低、無環(huán)境污染等十分突出的優(yōu)點。因此，它除高溫超導磁懸浮車之外還廣泛應用于飛輪儲能、電機、電流限位器和高磁場磁體等方面。自2000年首輛載人高溫超導磁懸浮實驗車誕生以來，國內外對處于永磁軌道上的高溫超導塊材的懸浮性能進行了大量的實驗研究工作，但目前有關研究的總體狀況為：實驗多于理論，靜態(tài)多于動態(tài)，懸浮性能多于導

2、向性能。特別是超導磁懸浮的理論研究，由于超導體E-J關系的強非線性、電磁耦合特性及其高溫超導體材料復雜的各向異性都大大增加了以YBCO塊材為代表的高溫超導磁懸浮系統(tǒng)磁懸浮數值計算的難度。
　　 對高溫超導磁懸浮車而言，系統(tǒng)的導向力特性關系著整個車系統(tǒng)的側向穩(wěn)定性，所以開展導向性能的研究無論從理論分析上還是在實際應用中，都有其重要的意義。本文針對高溫超導塊材/永磁軌道組成的懸浮系統(tǒng)，對系統(tǒng)的導向性能分別從實驗和理論上進行了深入研究

3、。在已經建立的求解高溫超導塊材磁懸浮力特性的三維數值模型的基礎上，采用網格復用(用剖分超導體求解區(qū)域的網格節(jié)點來模擬超導體內釘扎中心)來模擬高溫超導塊材在場冷情況下磁通釘扎特性。對于采用有限元技術剖分的求解區(qū)域，當求解區(qū)域處于高溫超導體內部時，判斷剖分的節(jié)點是否為高溫超導塊材內部節(jié)點，如果是內部節(jié)點，則在形成初始單元剛度矩陣時，強制賦予該節(jié)點處待求磁場初值為場冷高度時的外磁場值。通過這種網格復用的技術，用內部剖分節(jié)點模擬高溫超導塊材內部

4、的缺陷(釘扎中心)，從而達到模擬場冷時高溫超導塊材的磁通釘扎特性，即處理了場冷的情況。利用FORTRAN平臺實現了編程。然后通過仿真計算與實驗結果進行比較，證明了此算法的可靠性。
　　 在對高溫超導塊材電磁場分析的基礎上，使用數值計算與實驗相結合的方法，研究了高溫超導塊材在不同外場下的導向力特性。首先，通過建立由場冷高度與工作高度構成的空間矩陣列，用數值計算全面地研究不同軌道外場(單峰磁場分布和多峰磁場分布)下同一場冷高度不同工

5、作高度、不同場冷高度下同一工作高度處的導向力和水平位移之間的關系；導向力磁滯回線和場冷高度、工作高度之間的關系，計算結果表明：由于外場結構的不同，導向力特性在變化趨勢大致相同的情況下也表現出了不同的一面；同一條件下，多峰軌道下塊材的導向力變化更復雜。然后通過實驗研究了不同外場下高溫超導塊材的可恢復區(qū)間與場冷高度、工作高度等之間的關系，指出塊材的可恢復區(qū)間不是與導向力的大小或導向力的磁滯簡單地成比例關系，而是與外場結構、場冷高度、工作高度

6、以及塊材的大小和形狀都密切相關，在相同條件下(場冷高度、工作高度、塊材的大小、形狀及籽晶數等)塊材在以鐵聚磁的單峰軌道上的可恢復區(qū)間優(yōu)于以永磁聚磁的多峰軌道。在此基礎上，提出了幾種如何增大可恢復區(qū)間的方法，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。同時實驗研究了水平偏移過程中懸浮力和導向力隨時間變化快慢的情況，以及速度對力隨時間變化的影響，研究表明，在水平偏移過程中，懸浮力隨時間的變化較導向力隨時間的變化要大；測試速度對力隨時間的變化幾乎沒有實質的影響。最后，

7、在前面研究的基礎上，考慮高溫超導磁懸浮車系統(tǒng)在實際運行時由于某種原因導致車體暫時離開當前的平衡位置而漂移到另一位置并且達到某種新的平衡態(tài)的情況，進一步數值研究了高溫超導塊材相對于軌道空間運動時的懸浮力、導向力的變化。論文從最簡單的直線通過路徑出發(fā)，研究了不同外場下不同通過曲線時塊材的懸浮特性，特別是對塊材的空間路徑為二次拋物曲線時的懸浮特性進行了詳細的研究，研究表明，在不同曲線通過路徑下，導向力的路徑相關性很小，其大小主要依靠場冷的高度