（交通信息工程及控制专业论文）运动外磁场下高温超导YBCO块材的动态悬浮特性实验研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 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2 0 0 0 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y b c o 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( s m b ) 旋转损耗的研究方法，以自制的s m b 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2 0 0 6 年研制 成功的高温超导磁悬浮动态测试系统( s c m l 0 3 ) 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：s m b 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s c m l 0 3 动态测试装置首次对相对速度0 - 2 3 8 k m 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 第1 i 页西南交通大学博士研究生学位论文 悬浮车中试线设计及实验提供重要的参考和依据。 关键词：高温超导体；磁悬浮；运动外磁场；速度；悬浮力变化 西南交通大学博士研究生学位论文第1 ii 页 a b s t r a c t u n d e rt h eb a c k g r o u n do ft h ee x p l o r a t i o no fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti nh i g h t e c h n o l o g i e s ，h i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n g ( h t s ) m a g l e vt e c h n o l o g yw i l lb ea n i m p o r t a n tc h o i c ef o rt h ef u t u r eo fr a i lt r a n s i t ，c h a r a c t e r i z e db yi t se n e r g y - s a v i n g ， e n v i r o n m e n t a l - f r i e n d l y , s a f e t y , h i g h s p e e d ，c o m f o r ta n do t h e ra d v a n t a g e s i no r d e rt o p r o m o t et h ef i r s tm a n l o a d i n gh t sm a g l e vt e s tv e h i c l e ，s u c c e s s f u l l yd e v e l o p e di n c h i n ai nt h ee n do f2 0 0 0 ，f r o ml a b o r a t o r yr e s e a r c ht ot e s tl i n ed e m o n s t r a t i o n s t h e u n d e r s t a n d i n go fi t sp e r f o r m a n c ei nt h er u n n i n gs t a t ei sc r u c i a l ；t h i sd i s s e r t a t i o n i n v e s t i g a t e d t h e d y n a m i c l e v i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fb u l k h i g ht e m p e r a t u r e s u p e r c o n d u c t o r s ( h t s c s ) i nam o v i n gm a g n e t i cf i e l da td i f f e r e n ts p e e d s t h i sr e s e a r c hw o r kc o n s i s t so ft h r e em a i np a r t s t h ef i r s tp a r tc o n s i s t so ft h e p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o no ft h eh t sm a g l e vv e h i c l es y s t e m t h ep r e s e n t e d m e t h o d sn o to n l yf u r t h e ro p t i m i z e dt h eq u a s i - s t a t i ci n t e r a c t i o nb e t w e e nt h eo n b o a r d b u l kh t s ca n dp e r m a n e n tm a g n e tg u i d e w a y ( p m g ) ，b u ta l s op r o v i d e ds o m e f u n d a m e n t a lb a s e sf o rs u b s e q u e n ts t u d i e so nd y n a m i cl e v i t a t i o np e r f o r m a n c e s t h e s e c o n dp a r ti sa b o u tt h ed y n a m i cl e v i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fa1 e v i t a t i o n s y s t e m c o m p o s e do fp e r m a n e n tm a g n e ta n db u l kh t s ca td i f f e r e n tr o t a t i o n a ls p e e d s t h e e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi s b a s e do na s e l f - d e v e l o p e ds u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i c b e a r i n g ( s m b ) ，a n dt h er e s e a r c hm e t h o di sd e r i v e df r o mt h ep r e s e n ts t u d i e so nt h e r o t a t i o n a l l o s so ft h es m b i nt h el a s tp a r t a nh t sm a g l e vd y n a m i ct e s ts y s t e m ( s c m l - 0 3 ) ，d e v e l o p e di n2 0 0 6 ，w a su s e dt os i m u l a t et h et r u er u n n i n gs i t u a t i o no f t h eh t sm a g l e vv e h i c l e t h el e v i t a t i o nf o r c ec h a n g eo fo n b o a r db u l kh t s c sa b o v e t h ep m gw a s i n v e s t i g a t e da td i f f e r e n tr u n n i n gs p e e d sb yt h es c m l - 0 3 t h e e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n si n c l u d et h ef i e l dc o o l i n gh e i g h t ，w o r k i n gh e i g h t ，r u n n i n g m o d e ，r u n n i n gt i m e ，m a x i m u mr u n n i n gs p e e d s ，a n ds oo n i tm u s tb en o t e dt h a tt h e m o v i n gm a g n e t i cf i e l di nt h es e c o n da n dt h i r dp a r t so ft h i sd i s s e r t a t i o ni sd i f f e r e n t t h em a i nd i f f e r e n c ei st h a t ：i nt h ea x i s s y m m e t r ys m b s y s t e m t h ea p p l i e dm a g n e t i c f i e l ds u p p o r t e db yap e r m a n e n tm a g n e tr o t o rw a sv e r yu n i f o r m ，w h i l ei nt h eh t s m a g l e vv e h i c l es y s t e m ，t h ep m gm a g n e t i cf i e l dh a ds o m en o n u n i f o r m i t y a sa r e s u l t ，t h er e s e a r c hw o r kb e t w e e nt h et w op a r t si sc o m p a r a b l ea n dc l e a n 第1v 页西南交通大学博士研究生学位论文 t h em a i ni n n o v a t i o no ft h i st h e s i si st h ef i r s ti n v e s t i g a t i o no ft h el e v i t a t i o nf o r c e p e r f o r m a n c eo fab u l kh t s ca b o v eac i r c u l a rr o t a t i n gp m g , n a m e l yt h es c l m 0 3 s y s t e m ，w i t hr e l a t i v em o v i n gs p e e d so fu pt o2 38k m hw h i c hi sa l s ot h eh i g h e s t e x p e r i m e n t a ls p e e df o rd y n a m i ct e s t i n go f fh t sm a g l e vv e h i c l e su pt on o w n l e o n b o a r db u l kh t s cw o r k i n ga b o v et h ep m g m a i n l yw a sf o u n dt ou n d e r g ot h r e e e f f e c t sd u et ot h ei n h o m o g e n e i t yo ft h ep m gm a g n e t i cf i e l da l o n gt h em o v i n g d i r e c t i o n ；h y s t e r e t i cl o s s e s ，e d d yc u r r e n tl o s s e sa n dd e l a y e ds h i e l d i n gc u r r e n ti nt h e h i g hs p e e dc o n d i t i o n s a sar e s u l t ，t h el e v i t a t i o nf o r c ef l u c t u a t e sa n dd e c a y sd u r i n g t h em o v i n gp r o c e s sa th i g hs p e e d s t h i sd e c a ym e c h a n i s mo ft h el e v i t a t i o nf o r c ew a s a t t r i b u t e dt ot h ed e c l i n e dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro ft h eb u l kw h i c hw a sc a u s e db y t h eh e a tr e s u l t i n gf r o mt h ee n e r g yl o s s b a s e do nt h ed e c a ym e c h a n i s m ，s i xm e t h o d s w e r ep r e s e n t e dt os u p p r e s st h e1 e v i t a t i o nf o r c ed e c a y , w h i c hw e r ea l lv e r i f i e db yt h e e x p e r i m e n t s i nt h ee n d ，f r o mt h ep o i n to fa p p l i c a t i o n ，e i g h td e s i g ns u g g e s t i o n s ，s u c h a sa s s e m b l yt e c h n i q u e so ft h ep m gw e r ep r o v i d e df o rf u t u r eh t s m a g l e vv e h i c l e s y s t e md e s i g n t h e s er e s u l t sw i l lb et h ei m p o r t a n ts c i e n t i f i cb a s e sf o rt h ed e s i g na n d t e s t i n go ft h eh t sm a g l e vv e h i c l et e s tl i n ec o n s i d e r a t i o n si nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：h i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r ；m a g n e t i cl e v i t a t i o n ；m o v i n g m a g n e t i cf i e l d ；s p e e d ；l e v i t a t i o nf o r c ev a r i a t i o n 第v i | i 页西南交通大学博士研究生学位论文 插图目录 图1 1 临界电流密度、临界温度和临界磁场的关系2 图1 2 第1 类和第1 i 类超导体的相图2 图1 3 磁通钉扎和钉扎力示意图3 图1 4 超导体临界温度疋提高的历史进程4 图1 5 高温超导y b c o 晶体结构示意图4 图1 - 6 各种尺寸和形状的高温超导y b c o 块材6 图1 7 稳定悬浮在高温超导体上方的永磁体实物图6 图1 8 高温超导稳定悬浮磁通钉扎示意图6 图1 9b o e i n g 公司轴向s m b 和n e x a n s 超导公司径向s m b 样机8 图1 1 0 迄今仅有的三辆载人高温超导磁悬浮车1 1 图1 1 1 美国b o e i n g 公司s m b 旋转损耗测试数据1 4 图1 1 2 日本i s t e c1 0 0k w h 飞轮用s m b 旋转损耗1 5 图1 13a c 外磁场对块材俘获磁通影响的作用机理15 图1 1 4 日本a i s t 小组研制的直径1 2r n 的高温超导磁悬浮车圆圈型样机1 8 图1 1 5 意大利小组动态磁悬浮测试装置及典型测试曲线1 9 图1 1 6 韩国小组电动悬浮测试装置及参数2 0 图1 1 7 西南交通大学超导技术研究所研制的高温超导磁悬浮动态测试装置及 参数2l 图2 1 高温超导磁悬浮测试系统s c m l 0 1 示意图2 3 图2 2 高温超导磁悬浮测试系统s c m l 0 2 示意图2 3 图2 3 双层高温超导体排布示意图2 4 图2 4z f c 情况下单层及双层高温超导体悬浮力曲线2 5 图2 5f c 情况下单层及双层高温超导体悬浮力曲线一2 5 图2 - 6f c 情况下单层及双层高温超导体导向力曲线一2 5 图2 7 不同f c h 下高温超导块材悬浮单元悬浮力曲线2 8 图2 8 不同f c h 下高温超导块材悬浮单元导向力曲线2 8 图2 - 9 不同混合z f c 和f c 组合下高温超导块材悬浮单元悬浮力曲线2 8 图2 1 0 不同混合z f c 和f c 组合下高温超导块材悬浮单元导向力曲线2 8 西南交通大学博士研究生学位论文第1x 页 图2 1 1 混合z f c 和f c h6m m 与直接f c h 3 0m m 情况下高温超导块材悬浮单 元悬浮力曲线比较3 0 图2 1 2 混合z f c 和f c h6m m 与直接f c h3 0m m 情况下高温超导块材悬浮单 元导向力曲线比较3 0 图2 1 3y b a 2 c u 3 0 7 x 的晶体结构示意图3 l 图2 1 4 实验用h a l b a c h 永磁轨道结构及磁通线分布，其中箭头表示永磁体的磁 化方向3 2 图2 1 5 实验用h a l b a c h 永磁轨道上方1 5m m 处磁场分布：合磁场、法向和切 向磁场分量3 2 图2 1 6 不同c 轴方向摆放的块材与外磁场作用示意图3 2 图2 1 7z f c 下水平和竖直摆放块材在永磁轨道波峰和波谷处的悬浮力曲线3 3 图2 1 8f c h3 0m m 下水平和竖直摆放块材在永磁轨道波峰和波谷处的悬浮力 曲线3 3 图2 1 9f c h3 0m m 下水平和竖直摆放块材在永磁轨道波峰和波谷处的导向力 曲线3 4 图2 2 0 车载高温超导体上方引入铁磁材料之后对永磁轨道磁场分布的影响3 5 图2 2 1 引入和未引入铁磁材料下块材悬浮单元的悬浮力曲线3 6 图2 2 2 引入和未引入铁磁材料下块材悬浮单元的导向力曲线3 6 图2 2 3 永磁轨道波谷处引入铁磁材料后对永磁轨道磁场分布的影响3 6 图2 2 4 波谷处引入铁磁材料后轨道表面1 5m m 处法向和切向磁场分量分布3 6 图2 2 5 引入和未引入铁磁材料下单块块材在永磁轨道波谷位置处的悬浮力曲 线3 7 图2 2 6 引入和未引入铁磁材料下单块块材在永磁轨道波谷位置处的导向力曲 l ；i i ：；7 图3 一l 轴向型高温超导磁悬浮轴承结构示意图3 9 图3 2 双轴向型高温超导磁悬浮轴承样机设计模型图4 0 图3 3s m b 定子转子实物图4 l 图3 4 上、下s m b 静态悬浮力曲线4 1 图3 5 上、下s m b 静态侧向恢复力曲线4 1 图3 6s m b 及部件动态参数测试照片4 2 图3 7s m b 脉冲实验中典型的时域响应曲线一4 3 第x 页西南交通大学博士研究生学位论文 图3 8s m b 脉冲实验中机架和转轴的频率响应曲线4 3 图3 - 9s m b 动态测试平台及测试场景照片4 5 图3 1 0 自由衰减过程中不同速度下s m b 转轴的振动偏移曲线：4 6 图3 1 1 自由衰减过程中不同速度下s m b 转轴的振荡行为4 7 图3 1 2 不同初速度下s m b 转速自由衰减。4 8 图3 1 3s m b 与机械轴承的转速衰减比较5 0 图3 1 4 高温超导磁悬浮飞轮储能样机结构示意图5 1 图3 1 5 悬浮中的旋转飞轮转子5 l 图3 1 6 电路控制及负载照片5 1 图3 1 7 高温超导磁悬浮飞轮储能系统样机发电演示5 2 图4 1s c m l 一0 3 动态测试系统机械装置照片5 5 图4 2 实验用车载高温超导悬浮单元5 7 图4 3s c m l 0 3 测试装置永磁轨道截面5 7 图4 4s c m l 0 3 动态测试系统测试场景5 7 图4 5s c m l 0 3 和s c m l 0 2 准静态悬浮力测试数据比较5 8 图4 - 6 永磁轨道存在的问题6 0 图4 7 圆形永磁轨道表面平整度6 l 图4 8 圆形永磁轨道表面不同高度处的磁场分布6 l 图4 - 9 块材悬浮单元悬浮力与圆形永磁轨道位置的对应关系。测试条件为场冷 高度3 0m m ，测试高度1 5m m ，轨道转速3r p m 6 3 图4 1 0 场冷情况下永磁轨道旋转一周过程中块材的磁场穿透和感应电流分布 示意图6 4 图4 1 1 不同采样频率下的动态悬浮力测试曲线6 6 图4 1 2 不同转速下f c h3 0m m 中m h15m m 处块材的悬浮力曲线6 8 图4 1 3 静止时的悬浮力弛豫曲线与3 0r p m 下的块材悬浮力曲线比较6 9 图4 1 4 场冷情况下运动过程中波动磁场对块材的磁场穿透和感应电流分布影 响7 0 图4 1 5 场冷情况下0 - 4 8 0r p m 速度内块材的悬浮力变化曲线7 2 图4 1 6 永磁轨道旋转过程中其运行方向( y ) 磁场分量变化7 3 图4 1 7f c h3 0m m 不同速度下块材在不同测试高度处的悬浮力变化7 4 图4 1 8f c h 3 0m m 测试速度o 、3 0 和1 2 0r p m 下块材在不同测试高度处的悬浮 西南交通大学博士研究生学位论文第xi 页 力衰减( 测试时间3 0 分钟) 7 6 图4 1 9f c h3 0m m 、m h1 0m m 处0 - 4 8 0r p m 速度内块材的悬浮力变化曲线7 6 图4 2 0f c h3 0m m 不同测试高度处块材在不同测试速度段的悬浮力衰减率7 7 图4 2 l 不同场冷高度下m h1 0m m 处块材在3 0r p m 速度下的悬浮力变化7 8 图4 2 2f c h1 5m m 、m h1 0m m 处0 - 4 8 0r p m 速度内块材的悬浮力变化曲线7 9 图4 2 3m h1 0m m 处不同场冷高度下块材在不同测试速度段的悬浮力衰减率 8 ( ) 图4 2 4 不同场冷高度下运动过程中波动磁场对块材的磁场穿透和感应电流分 布影响8l 图4 2 5f c h3 0m m 、m h1 0m m 处0 - 4 8 0 0r p m 速度内块材的悬浮力变化曲线 8 ：! 图4 2 6 低频和高频波动磁场中块材的磁场穿透和感应电流分布示意图8 4 图4 2 7f c h3 0m m 、m h1 0m m 处0 - 4 8 0r p m 速度内3 次循环加减速过程中块 材的悬浮力变化曲线8 7 图4 2 8 速度0 - 4 8 0r p m 内第二个3 次循环加减速过程中块材的悬浮力变化曲线 8 9 图4 2 9f c h2 0m m 、m h1 0m m 第二个3 次循环加减速过程中块材的悬浮力变 化曲线9 0 图4 3 0f c h3 0m m 、m h1 5m m 第一个0 - 2 4 0r p m 内4 次循环加减速过程中块 材的悬浮力变化曲线9 1 图4 3 1 块材悬浮力在0 - 3 6 0r p m 内循环加减速过程中稳定后再增加到0 - 4 8 0 r p m 范围时对应的悬浮力变化曲线9 2 图4 3 2 块材悬浮力在0 - 2 4 0r p m 内循环加减速过程中稳定后再增加到0 - 3 6 0 r p m 和0 - 4 8 0r p m 范围时对应的悬浮力变化曲线9 3 图4 3 3 长时间运行下块材的悬浮力变化曲线9 5 图4 3 4f c h3 0m m 、m h1 5m m 处0 - 9 6 0 0r p m 速度内块材的悬浮力变化曲线 9 7 图4 3 5 转速0 - 9 6 0 0r p m 中各速度段末块材对应的最大悬浮力及衰减率9 8 图5 1 场冷情况下运动过程中块材在波动磁场中的磁场穿透和感应电流分布影 口向10 2 图5 2 轨道运动前和运动后块材的悬浮力间距曲线1 0 4 第xi l 页西南交通大学博士研究生学位论文 图5 3 新、旧块材在轨道0 - 4 8 0r p m 加速过程中的悬浮力变化曲线1 0 7 图5 4 熔融织构y b c o 超导体临界电流密度与温度的关系1 0 8 图5 5 轨道0 - 4 8 0r p m 加速过程中块材在z f c 和f c h3 0m m 两种情况下m h1 5 m m 处的悬浮力变化曲线1 0 9 图5 6 两种不同的高温超导块材冷却方式示意图1 1 1 图5 7f c h2 0m m 、m h1 0m m 下多次0 - 4 8 0r p m 循环加减速过程中的块材悬浮 力变化1 】3 西南交通大学博士研究生学位论文第xi | i 页 表格目录 表1 1y b c o 高温超导体的材料特性5 表1 2 美、德、日、韩s m b 样机参数9 表1 3 高温超导磁悬浮车领域研究状况1 0 表1 4 高温超导磁悬浮轴承和车特性比较2 2 表2 1 最低悬浮高度6m m 处z f c 和f c 下单层和双层高温超导体最大悬浮力 及f c 下最大导向力比较2 6 表2 2 典型工作高度l5m m 处z f c 和f c 下单层和双层高温超导体最大悬浮力 比较2 6 表2 3f c 方式中不同f c h 下块材悬浮单元的最大悬浮力和导向力比较2 9 表2 4 不同混合z f c 和f c h 组合下块材悬浮单元的最大悬浮力和导向力比较 ：1 9 表2 5f c h3 0m m 下块材在不同摆放方式和测试位置处的最大悬浮力和导向力 ! ；4 表3 1 转轴、s m b 和机架三部件的共振频率和阻尼比4 4 表3 2 高温超导磁悬浮飞轮储能系统样机参数5 2 表4 - 1 圆形永磁轨道表面不同高度处的和吃。分量6 2 表4 2 块材在不同速度段末的最大悬浮力及衰减率7 2 表4 3f c h3 0m m 、m h1 0m m 处块材在不同速度段末的最大悬浮力及衰减率 7 7 表4 4f c h3 0m m 、m h2 0m m 处块材在不同速度段末的最大悬浮力及衰减率 7 7 表4 5f c h2 0m m 、m h1 0m m 处块材在不同速度段末的最大悬浮力及衰减率 8 ( ) 表4 - 6f c h1 5m m 、m h1 0m m 处块材在不同速度段末的最大悬浮力及衰减率 8 ( ) 表4 7f c h3 0m m 、m h1 0m m 处块材在0 - 4 8 0 0r p m 中各速度段末的最大悬浮 第xi v 页西南交通大学博士研究生学位论文 力及衰减率8 5 表4 8 不同f c h 和m h 下块材在0 - 4 8 0 0r p m 速度段末的最大悬浮力及衰减率 8 6 表4 9f c h3 0m m 、m h1 0m m 处块材在0 - 4 8 0r p m 内循环加减速过程中每次加 减速完之后对应的最大悬浮力及衰减率8 9 表4 1 0f c h3 0m m 、m h1 5m m 处块材在不同速度范围内循环加减速过程后稳 定的悬浮力及衰减率9 1 表4 1 lf c h3 0m m 、m h1 5m m 处块材在0 - 9 6 0 0r p m 中各速度段末的最大悬浮 力及衰减率9 7 表5 1 新、旧块材在0 - 4 8 0r p m 运动过程中及运动后的悬浮力变化及衰减情况 l ( ) 7 表5 2 块材在z f c 和f c h 下不同m h 处0 - 4 8 0 0r p m 速度段末的最大悬浮力及 衰减率10 9 表5 3 不同冷却方式下z f c 块材0 - 4 8 0r p m 内循环加减速前后稳定的悬浮力及 衰减率1 11 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密0 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：留宁锄则 指导老师签名： 日期：& 姻弋6 、1 日期： 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 首次对相对速度0 - 2 3 8k m h 范围内的车载高温超导块材在永磁轨道上方的 悬浮力性能变化进行了研究( 4 3 4 9 小节) ，实验发现了运动过程中块材的 悬浮力波动、衰减和回升现象，上述实验速度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。( 国际领先) 2 总结出了运动外磁场下块材悬浮力衰减的作用机理，并在此机理基础之上， 提出了6 种改善方法，并用实验和推理进行了验证，并对下一步高温超导 磁悬浮车系统中试运行线设计提供了包括永磁轨道装配技术在内的8 条设 计建议( 5 1 5 3 小节) 。到目前为止国际上未见类似报道。 3 实验中考虑了真实的应用永磁轨道安装误差带来的磁场不均匀性对工作在 其上方车载高温超导块材在不同运动速度下的动态悬浮力性能的影响 ( 4 2 3 小节) 。到目前为止未见类似报道。 4 提出了双层高温超导体设计、高温超导体混合零场冷和场冷工作方式、高 温超导体c 轴方向排布设计和引入铁磁材料四种有效的针对现有高温超导 磁悬浮车系统悬浮性能提高的优化方法( 2 2 2 5 小节) 。到目前为止，未见 本研究领域其他小组报道。 学位敝作者签名：研锄砷，1 日期：汩气易- 1 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 进入2 1 世纪以来，人类开始更多地关注社会经济和物质文明高速发展对我 们赖以生存的自然环境带来的负面影响，如环境污染、能源危机等。实现人类 社会的可持续发展是本世纪科技发展的主题，节能、环保、安全成为了新技术 发展的需求。高温超导磁悬浮技术，作为超导强电应用领域的一个重要研究方 向，具备了上述的节能、环保、高效等优点，是一种具有巨大应用发展潜力的 高新技术【1 】。自1 9 8 6 年高温超导体材料发现以来，它就引起了世界各国的广泛 关注。近年来，各类大尺寸样机( 如轴承、磁悬浮车、飞轮储能等等) 的诞生 标志着高温超导磁悬浮技术从应用基础研究开始逐步迈向准实用产品研究阶 段。因此，大力推进高温超导磁悬浮技术的实用化进程成为了当前国际研究的 热点之一。 1 1 超导材料的发展及特性 1 9 1 1 年，荷兰科学家昂纳斯( h k o n n e s ) 发现汞的电阻在4 2k 温度时 急剧下降，以致完全消失 2 1 。昂内斯称这种零电阻的导电现象为“超导态” ( s u p e r c o n d u c t i n gs t a t e ) ，“超导 一词由此诞生。昂内斯这一发现引起了世界的 震惊，并因此获得了1 9 1 3 年的诺贝尔奖。此后，人们定义这种处于超导状态的 导体为“超导体”( s u p e r c o n d u c t o r ) ，并发现超导体具备了三种特有的性能：零电 阻特性( z e r or e s i s t i v i t y ) 、迈斯纳效应( m e i s s n e re f f e c t ) 和宏观量子效应 ( m a c r o s c o p i cq u a n t u me 行e c t ) 。 实验发现超导现象的出现不仅仅取决于温度，低温下进入超导态的超导体 在一定强度的传输电流或外磁场环境中将会丧失超导特性，即，超导体存在三 个重要的临界参数，临界温度疋、临界电流厶和临界磁场乜。如图1 1 所示， 三个参数彼此关联，互相制约，任何一个参数不满足，都不能使超导体进入超 导态。这三个参数在上乃戗曲面和坐标轴围成的区域内部为超导态，其他区域 为正常态。 根据界面能不同，以g l ( 京茨堡朗道) 参量k 为界【3 】，超导体分为第1 类超 导体( t y p e is u p e r c o n d u c t o r ) ( k 1 互) ，两者的卡h 图如罔1 - 2 ) 听示。 r a t u r e t c 图1 1 临界电流密度、临界温度和临界磁场的关系 第1 类超导体第类超导体 图1 2 第1 类和第1 i 类超导体的相图 第1 类超导体只存在一个临界磁场只，在超导态中具有完全抗磁性。超导 体的超导态和正常态都随疋、皿和上变化而变化，是个可逆的过程。第1 类 超导体主要包括一些在常温下具有良好导电性的纯金属，如铝、锌、镓、镉、 锡、铟等。该类超导体的溶点较低、质地较软，也被称作“软超导体”。第1 类超 导体的e 和总都不高1 4 j ，通常鼠值小于0 1t ，疋也仪几k ，故实用价值不大。 第1 i 类超导体是人们为了提高超导体的临界参数，有选择的在超导元素r 添加第二种或更多种元素，再进行适当的压力加工和热处理使材料产生位错网、 品格缺陷以及沉淀物等非均质相得到的合金或化合物。如图1 2 右图所示，第 1 i 类超导体拥有两个临界磁场o 下临界磁场皿l 和上临界磁场如。不i j 于第1 类超导体，第1 i 类超导体在由正常态向超导态转化的过程中经历混合态( m i x e d s t a t e ) 。在混合态中，由于钉扎势能的存在，超导体可以钉扎住外部磁通线，且 能够抵抗传输电流产生的洛仑兹力，因而具有更高的临界磁场、更大的临界电 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 流密度和更高的临界温度，具有广阔的应用前景。 在第1 i 类超导体中，根据其磁通钉扎性能的有无可以分为理想第1 i 类和非 理想第l i 类超导体。其中，理想第1 i 类超导体通常经过充分退火处理，材料构 成均匀，不存在各种晶体缺陷，混合态时超导体内磁通线分布均匀，磁化过程 可逆。而非理想第1 i 类超导体加工后未经退火，或多或少存在空位、杂质、内 应力、位错、脱溶相等缺陷 5 1 ，体内磁通线分布不均匀，磁化过程不可逆，具 有磁滞效应。当磁化外磁场下降到零时，超导体内仍然保持了一定的剩余磁通， 称为俘获磁通。 1 1 1 磁通钉扎及其特性 真正具有实用价值的是非理想的第儿类超导体。它是人为的通过加工变形、 热处理、掺杂等方式，造成了材料中的许多不均匀性比如晶格缺陷、位错网、 杂质等异常睁j 。正是这些异常区形成的位能势井，有效地制止超导体内部的磁 通涡旋线移动，对穿透的磁通线进行“束缚”，从而对磁通线运动具有钉扎作用， 这种现象被称为磁通钉扎。如图1 - 3 所示，每个异常区叫做钉扎中心。钉扎中 心作用在磁通线上的力叫做钉扎力e ，表征钉扎作用的强弱。 k 9 l a c x g = 玉。 尴魈 图1 - 3 磁通钉扎和钉扎力示意图 对于非理想的第1 i 类超导体而言，当温度高于绝对零度时，由于热激活的 存在，磁通线总