（电工理论与新技术专业论文）时变外磁场下高温超导体块材ybco的导向力性能研究.pdf

第l f 页西南交通大学博士研究生学位论文基础上对实验中难以进行或者不能进行的一些研究进行拓展。讨论了超导体相关各参数( 临界电流密度、热导率、热容以及块材尺寸大小) 对时变外磁场中高温超导块材导向力的影响情况；最后研究了时变外磁场对超导体各性能参数( 俘获磁通、平均温度、交流损耗以及导向力) 的影响情况。所有这些模拟计算结果为高温超导磁悬浮车的研究和工程实践提供了较为重要的科学依据。关键词：高温超导体；磁悬浮；永磁导轨；导向力；时变外磁场西南交通大学博士研究生学位论文第l ii 页a b s t r a c ts i n c et h ef i r s td i s c o v e r yo fh i g h - t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r s ( h t s s ) i n1 9 8 6 ，m a n ys c i e n t i s t so nt h ew o r l dh a v ee x p r e s s e dag r e a ti n t e r e s t i n gi ni ta n dd o n eal o to fr e s e a r c h s ot h ep e r f o r m a n c eo ft h eh t si si m p r o v e dc o n s t a n t l y , a n di tm a k e si t sa p p l i c a t i o ni ne n g i n e e r i n gb e c a m ee a s i e r b e c a u s et h eh i g h t e m p e r a t u r em a t e r i a l sc a no p e r a t ea tt e m p e r a t u r e sw i t h i nt h ec o o l i n gc a p a b i l i t i e so fl i q u i dn i t r o g e na n dh a v es t r o n gf l u xp i n n i n ge f f e c t ，t h es t a b l el e v i t a t i o nc a nb ea c h i e v e dw i t h o u ta n yc o m p l e xc o n t r o ls y s t e mo u to fs u p e r c o n d u c t i n gm a t e r i a l s b u l ks u p e r c o n d u c t o r sh a v eg r e a tp o t e n t i a lf o rv a r i o u se n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ，s u c ha sn o n c o n t a c tb e a r i n g s ，f l y w h e e l s ，m o m e n t u mw h e e l s ，p a s s i v ev i b r a t i o nf r e ep l a t f o r m sa n dm a g l e vv e h i c l e s o u rg r o u pd i dal o to fr e s e a r c ho nh t sm a g l e vv e h i c l es y s t e ma n ds u c c e s s f u l l yd e v e l o p e dt 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 eo nd e c 31 ，2 0 0 0 i no r d e rt op r o m o t et h ea p p l i c 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 mi ne n g i n e e r i n g ，g u i d a n c ef o r c ec h a r a c t e r i s t i c so fah t se x p o s e dt ot i m e v a r ym a g n e t i cf i e l do v e rap e r m a n e n tm a g n e t i cg u i d e w a y ( p m g ) w e r ei n v e s t i g a t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w h o s ea i mw a st ou n d e r s t a n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h et i m e - v a r ym a g n e t i cf i e l da n dt h eg u i d a n c ef o r c ed e c a yo ft h eh t sb u l ka n dt op r o v i d ec o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n tb a s e sa n dt h e o r e t i c a ld i r e c t i o ns oa st oi n v e s t i g a t et h ed y n a m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h eh t sm a g l e vv e h i c l es y s t e m t h em a g n e t i ci n h o m o g e n e i t yo v e rt h ep e r m a n e n tm a g n e tg u i d e w a yu s e di nt h eh i g h t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n gm a g l e vv e h i c l es y s t e mw a si n v e s t i g a t e d t h es u r f a c em a g n e t i cf i e l do ft h ep m gw a sm e a s u r e db yat i t s m a g l e vm e a s u r i n gs y s t e ma n ds i m u l a t e db yac o m p u t e r f r o mt h ee x p e r i m e n t a la n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，i tw a sf o u n dt h a tt h es u r f a c em a g n e t i cf i e l dw a sd i dn o n u n i f o r m m o r e o v e lw ei n v e s t i g a t e dt h ei n f l u e n c eo ft h em a g n e t i ci n h o m o g e n e i t yo ft h ep m go nl e v i t a t i o nf o r c eo ft h eb u l ks u p e r c o n d u c t o ri naq u a s i s t a t i cs t a t e t h eg u i d a n c ef o r c ei sac h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e rr e f l e c t i n gg u i d a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fah t s ，a l s oo n eo ft h ek e yp a r a m e t e r sf o rt h ed e s i g no fh t sm a g l e vv e h i c l e t h ei n f l u e n c eo ft h et i m e - v a r ye x t e r n a lm a g n e t i cf i e l dp e r t u r b a t i o no nt h eg u i d a n c ef o r c eo fh t sb u l ko v e rt h ep m gw a si n v e s t i g a t e d第1v 页西南交通大学博士研究生学位论文b ye x p e r i m e n t a lm e t h o d si nt h i sd i s s e r t a t i o n f i r s t l y ，t h eh y s t e r e s i sc u r v ea n dt h er a l a x a t i o no ft h eg u i d a n c ef o r c ei nt h et i m e v a r ye x t e r n a lm a g n e t i cf i e l dw e r es t u d i e d b a s e do nt h eb e a nc r i t i c a lm o d e l ，w ed i s c u s s e dt h ei n f l u e n c eo ft h et i m e - v a r ye x t e r n a lm a g n e t i cf i e l dp e r t u r b a t i o no nt h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，s u c ha sa cl o s s e s ，t r a p p e dm a g n e t i cf i e l d ，t e m p e r a t u r e ，c r i t i c a lc u r r e n td e n s i t ya n ds oo n ，a n de x p l a i n e dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h et i m e v a r ye x t e r n a lm a g n e t i cf i e l da n dt h ed e c a yo ft h eg u i d a n c ef o r c e s e c o n d l y , w ec o m p a r e dt h eg u i d a n c ef o r ed e c a yo ft h eb u l ke x p o s e dt ot h et i m e - v a r ye x t e r n a lm a g n e t i cf i e l du n d e rt h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n tf i e l d c o o l e dh e i g h to rd i f f e r e n tw o r kh e i g h t f i n a l l y ，t h ee f f e c to ft h et i m e - v a r ye x t e r n a lm a g n e t i cf i e l do nt h eg u i d a n c ef o r c eo fh t sb u l k ，w h i c hw a sc o v e r e dw i t hi c ea n dw a sn o tc o o l e dt o t a l l y , w a si n v e s t i g a t e d b a s e do nt h eb e a nc r i t i c a lm o d e l ，as i m u l a t i o nm e t h o dw a sa d o p t e dt oc a l c u l a t et h eg u i d a n c ef o r c ed e c a yo ft h eb u l ke x p o s e dt ot h et i m e v a r ym a g n e t i cf i e l df o rt h ec u r r e n th t sm a g l e vs y s t e m c o m p a r e dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw i t ht h es i m u l a t i o no n e s ，i tw a sf o u n dt h a tt h es i m u l a t i o nm e t h o dw a sf e a s i b i l i t ya n dc o u l dq u a l i t a t i v e l yr e v e a lt h ec h a r a c t e r i s t i c so fg u i d a n c ef o r c eo fh t sb u l ki nt h i ss i t u a t i o n f u r t h e r m o r e ，s o m er e s e a r c h e st h a tw e r ed i f f i c u l to ru n a b l et ob ed o n es y s t e m i c a l l yb ye x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tb yt h i ss i m u l a t i o nm e t h o d t h ei n f l u e n c eo fr e l e v a n tp a r a m e t e r s ，s u c ha sc r i t i c a lc u r r e n td e n s i t y ，t h e r m a lc o n d u c t i v i t y ，t h e r m a lc a p a c i t y ，t h ed i m e n s i o no fas u p e r c o n d u c t o ra n ds oo n ，o nt h eg u i d a n c ef o r c eo ft h eb u l ke x p o s e dt ot i m e - v a r ym a g n e t i cf i e l d w i t ht h eh e l po ft h es i m u l a t i o nm e t h o d ，w ed i s c u s s e dt h ee f f e c to ft h et i m e - v a r ye x t e r n a lm a g n e t i cf i e l dp e r t u r b a t i o no nt h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，s u c ha sa cl o s s e s ，t r a p p e dm a g n e t i cf i e l d ，t e m p e r a t u r e ，c r i t i c a lc u r r e n td e n s i t ya n ds oo n a l lt h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v i d e i m p o r t a n ts c i e n t i f i cb a s e sf o r t h er e s e a r c ha n de n g i n e e r i n gp r a c t i c eo fh t sm a g l e vv e h i c l 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 l e v ，p e r m a n e n tm a g n e t i cg u i d e w a y ；g u i d a n c ef o r c e ；t i m e v a r ye x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d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学位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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于11 保密口，在年解密后适用本授权书；2 不保密d 适用本授权书。( 请在以上方框内打“4 ”)学位论文作者签名：渺赅日期：澎年c 7 月) ，日指导教师签名：a 声了k日期：咄7 月飞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，是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得的成果。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，均已在本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 首次对高温超导磁悬浮车用永磁导轨的表面磁场进行了研究。研究结果表明：用永久磁铁拼接并采用普通安装工艺制造的永磁导轨的表面磁场确实存在不均匀性( 2 2 节) ，这种不均匀性对准静态下块材的悬浮力几乎没有影响( 2 4 节) 。该结论证明了这种利用普通工艺制作的永磁导轨完全满足高温超导磁悬浮车系统的在准静态下的悬浮稳定性。到目前为止国际上未见报迫o2 首次研究了交流外磁场扰动对块材导向力磁滞回线的影响情况( 4 2 节) 。研究结果对于提高高温超导磁悬浮车系统的侧向稳定性有直接的帮助和指导意义。到目前为止国际上未见报道。3 首次研究了交流外磁场扰动对块材导向力的弛豫性能的影响情况( 4 3 节) 。实验结果为高温超导磁悬浮的动态稳定性设计提供了初步的实验依据。到目自矿为止国际上未见报道。4 提出了一种模拟计算方法( 第5 章) 。该方法能定性的描述在交流磁扰动情况下，永磁导轨上方高温超导体块材导向力的衰减变化情况。通过与实验结果的比对，证明了此方法的有效性。到目前为止国际上未见报道。学位论文作者签名：泐财目期：年月f 日西南交通大学博士研究生学位论文第1 页第1 章绪论随着社会经济的不断发展和人们物质生活水平的普遍提高，整个社会对交通运输的需求日益增加。虽然世界各国政府纷纷投入大量的财力、物力和人力用于交通基础设施的建设，但交通状况恶化及其伴随而产生的安全事故、空气污染、能源危机等一系列问题仍然困扰着人们的生活。交通运输对经济发展的制约作用不同程度地普遍存在于每个国家和地区。目前可供人们选择的交通运输方式主要有：飞机、汽车、轮船、火车等，它们基本上都是以煤、石油、天然气等不可再生资源作为燃料，这既耗费了有限的自然资源又会对生活环境造成污染。因此为了改变目前的交通状况，就迫切需要发展一种具有安全、快捷、方便、能耗低、污染少等诸多优点的新型交通运输工具。磁悬浮列车技术就是在这种需求下应运而生的。磁悬浮( m a g n e t i cl e v i t a t i o n ) 简称m a g l e v , 是当今世界最新的地面交通运输技术【1 1 。它利用电磁力使车体悬浮在导轨上方，避免了车体与导轨的直接接触，大大减小了行车阻力，提高了运行速度，降低了能源消耗。另外，磁悬浮列车还具有容量大、安全性好、环境影响小等诸多优点，因此具有明显的经济效益和巨大的社会效益，发展前景广阔，已经成为世界各国竞相研究和开发的热点项目之一1 2 j 。1 1 磁悬浮车技术的原理及发展情况通过对物质世界客观规律的不断认识和掌握，人类相继掌握了多种形式的悬浮技术，比如：磁悬浮、光悬浮、声悬浮、静电悬浮、粒子束悬浮等1 3 j 。在这些众多的悬浮形式中，磁悬浮是目前看来在地面交通运输领域最有应用前景的一种悬浮方式，它是利用电磁力的作用将磁悬浮车稳定悬浮于导轨上方，实现车体与导轨的无接触运行状念。根据磁悬浮技术原理的不同，磁悬浮车又可大致分为：常导磁悬浮车、低温超导磁悬浮车以及高温超导磁悬浮车等。其中尤以我国具有完全自主知识产权的高温超导磁悬浮车技术引以为自豪。高温超导磁悬浮是伴随着高温超导块材的出现而发展起来的一种新型的悬浮方式，它是利用高温超导块材对磁通的钉扎力来克服自身重力而达到第2 页西南交通大学博士研究生学位论文平衡状态的一种稳定悬浮【4 巧】。与其他各种形式的悬浮技术相比，高温超导磁悬浮技术具有许多独特的优点，比如：自稳定悬浮、控制系统简单、无噪音、无污染、运行平稳等，因此其在实际应用中潜力巨大【6 9 】。为了更好的理解高温超导磁悬浮车技术的原理及特点，在这里我们有必要对其他两种形式的磁悬浮车技术做简单介绍。电磁悬浮技术( e l e c t r o m a g n e t i cl e v i t a t i o nt e c h n o l o g y ) 简称e m l 技术。它主要利用磁铁“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力而实现悬浮的l l 。常导磁悬浮列车就是电磁悬浮技术的典型代表。图1 1 磁：悬浮原理示意图【n 1图卜2 常导磁悬浮列- t - 原理图【1 2 1常导磁悬浮的构想最初是由德国工程师赫尔曼肯佩尔( h e r m a n nk e m p e r ) 于1 9 2 2 年提出来的，并于1 9 3 4 年申请了专利【l j 。常导磁悬浮列车系统是一种常规磁铁吸引式悬浮系统( e l e c t r om a g n e t i cs u s p e n s i o n ，简称e m s系统) ，它利用常规的电磁铁与一般铁性物质相吸引的基本原理，把列车吸引上来的，其原理示意图如图1 1 所示。电磁悬浮系统主要由悬浮体、位置传感器、控制器、放大器及电磁铁等5 部分组成。如果假设在某初始位置上，悬浮体处于稳定悬浮状态，即悬浮体所受的电磁吸引力与自身重力相平衡。在某一时刻，悬浮体突然受到一个扰动，使它偏离其初始位置，此时位置传感器立即检测出悬浮体偏移初始位置的位移，并将位移信号传输给控制器，控制器将位移信号变换成控制信号，功率放大器将这一控制信号转换为控制电流，控制电流在电磁铁中产生电磁力，从而驱动悬浮体返回到原来的初始平衡状态。图1 2 是目前世界上许多国家普遍采用的一种常导磁悬浮列车系统的示意图。在常导磁悬浮列车的车体底部以及两侧分别安装悬浮电磁铁和西南交通大学博士研究生学位论文第3 页导引电磁铁，在t 型导轨的两侧及伸臂部分的下方分别设反作用板和感应板，固定在车体下部的悬浮电磁铁与感应板产生吸引力将列车车体浮起j 固定在车体底部两侧的导向电磁铁与反作用板产生反作用力，使车体与导轨保持一定的侧向距离，从而实现车体与导轨在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接触导向。常导磁悬浮列车实现了车体与导轨的完全无接触，大大降低了行车阻力，所以可以用于较高速度的运行，并有利于节约能源。常导磁悬浮列车的车速可达4 0 0 至5 0 0 公里d , 时，有数据表明在5 0 0 公里d , 时速度下每座位公里的能耗仅为飞机的1 3 至1 2 ，比汽车还小3 0 t 1 3 1 引。目前的常导磁悬浮列车主要采用直线电机驱动，不需要燃油，其发展不受能源结构的限制，同时无有害气体排放，环境污染小。尽管常导磁悬浮列车有许多优点，但是仍然存在一些不足，比如：运行过程中突然断电，列车将与导轨直接接触，产生灾难性的后果；悬浮间隙较小，约为1 0m m ，因此对导轨的平整度、路基下沉量及道贫结构方面的要求较高【1 1 j 。由于常导磁悬浮车技术出现比较早，世界上许多国家都对其进行了相关的研究，技术也比较成熟，目前在世界上常导磁悬浮车技术掌握比较好的国家主要有德国和同本。德国从6 0 年代术开始磁悬浮列车的研究，其主要代表为t r a n s r a p i d 型高速常导磁悬浮车( 简称t r 型) 【1 5 】，经过3 0 多年的发展，其常导磁悬浮技术已经相当成熟了。2 0 0 2 年1 2 月，我国修建的世界上第一条高速常导磁悬浮商用实验线( 上海城市一浦东国际机场的高速磁悬浮系统)就是采用的德国的技术【l6 | 。同本丌发的h s s t 型常导磁悬浮列车原名为“高速地面运输车”，其英文名为“h i g hs p e e ds u r f a c et r a n s p o r t ”，缩写为h s s t ，该磁悬浮由同本航空公司投资研究丌发，属于中低速磁悬浮，其目标速度为每小时1 0 0k m h 一3 0 0k m h ，主要用于机场到市区的快速交通运输【1 7 j 。目前，h s s t 型磁悬浮运输车作为城市快速交通工具已经完全达到了商业运营条件。我国在这方面的技术发展起步比较晚，始于2 0 世纪8 0 年代，而且主要集中在中低速常导磁悬浮列车技术领域，目前国内有西南交通大学、国防科技大学、中科院电工所等单位都在进行相关的基础性研究工作，己对低速常导磁悬浮技术有了一定的认识，初步掌握了常导低速磁悬浮稳定悬浮的控制技术【1 5 16 1 。低温超导磁悬浮技术的应用主要以低温超导磁悬浮列车( 比如同本m a g l e v ) 为代表。它是一种超导磁斥式悬浮系统( e l e c t r od y n a m i c第4 页西南交通大学博士研究生学位论文s u s p e n s i o n ) ，简称e d s 系统【”】，它是利用低温超导磁体产生的强磁场，使高速运行的列车与布置在地面上的常规线圈相互作用，产生电动斥力将列车悬起来，其磁悬浮原理示意图如图1 3 所示。在低温超导磁悬浮列车的车体底部安装有超导磁体( 放在液态氦存储槽内) ，在导轨两侧铺设一系列的铝环线圈，如图1 3 ( a ) 所示。列车高速运行时，车载超导磁体产生强磁场，导轨上铺设的铝环线圈与之相切割，因此在车体经过之处的铝环线圈上将会出现感应电流。巧妙的是，铝环线圈呈“8 ”字形设计，超导磁体在“8 ”字形线圈的中心以下通过，因此“8 ”字形线圈下半部分的磁通改变比上半部分更大，感应出如图1 3 ( b ) 所示的电流。“8 ”字形下部的磁极与超导磁体的磁极相同，上半部分则与之相反，结果是这两部分的线圈将对超导磁体产生一个向上的分力。当向上的分力大于车体自身的重量时，车辆就悬浮起来了。磁铁# 线嘲巾心以卜经过图卜3 磁悬浮原理示意图1 1 9 1缱心电流方叠唾厂r 。t - - - _ - - _ - _ _ _ 一起鹭礁铰由于超导磁体磁场磁场强度很大，其与导轨之间产生的电斥力比较大，因此低温超导磁悬浮列车的悬浮间隙也比较大，一般可达1 0 0 一1 5 0m m ，这大大降低了其对路基平顺度的要求。另外，低温超导磁悬浮列车系统必须安装类似车轮一样的装置对其在“起飞”和“着陆”时进行有效支撑，这是因为e d s 系统在机车速度太低的时候，将无法提供足够的电斥力使车体悬浮。另一方面由于低温超导磁悬浮技术采用的冷却液体主要为液氦，资源比较贫乏，每次使用之后必须回收以便循环利用，所以运营成本比较高，不利于推广。低温超导磁：悬浮列车的概念最初是由美国的jrp o w e l l 和gtd a n b y 于1 9 6 6 年提出来的| l5 1 。同本、美国、德国、加拿大等国均进行过低温超导磁悬浮列车的研究1 1 8j 。目自订同本在低温超导磁悬浮列车技术方面处于世界领先水西南交通大学博士研究生学位论文第5 页平，日本在山梨县建造了一条1 8 4 2k m 的低温超导磁悬浮列车示范线，1 9 9 7年1 2 月2 4 日空载时达到的最高速度为5 5 0k m h ，1 9 9 9 年4 月1 4 日空载速度达到5 5 2k m h i ”j 。我们这里所说的高温超导磁悬浮技术专指高温超导块材的磁悬浮技术，以西南交通大学超导技术研究所的高温超导磁悬浮实验车为代表。它主要是利用非理想第1 i 类高温超导块材的磁通钉扎力而实现稳定悬浮的，其工作原理如图1 - 4 所示。在非理想的第1 i 类超导体中，超导体罩的缺陷、杂质能阻止磁通的流动，这种作用叫做钉扎，每个结构缺陷的位置称为钉扎中心。当超导体处于超导态时，在超导体内部只有钉扎中心部分是正常的，其他绝大部分相互连通着的基体都是超导的，因此在超导体内部涡旋的正常芯周围是一些电流涡旋i ：1 1 ，如图1 - 4 所示。当高温超导块材场冷f 所谓场冷是指先将高温超导体置于永磁体产生的磁场中，然后让超导体冷却进入超导态) 进入超导态时，一部分磁力线将穿过超导体的钉扎中心，并以磁通量子蚋形式被冻结在超导体中如图1 4 矗侧部分。当外力位超导体向永磁体靠近时超导体外部的磁场将发生改变，根据电磁感应原理，变化的磁通将在超导体内部产生感应电流以便阻碍外磁通进入超导体内部，根据量培定律，感应电流与外磁场将产生一个排斥力阻碍超导体与永磁体相互靠近，这种排斥力也即是悬浮力。随着超导体与永磁体的距离靠近，感应电流与外磁场相互作用的排斥力越大，当排斥第8 页西南交通大学博士研究生学位论文力与外力相抵消时，超导体与永磁体之间的距离不再发生变化。反之，如果使超导体远离永磁体时，超导体内部将产生反方向的感应电流，此感应电流与永磁体间的相互作用力表现为吸引力，阻止超导体离开永磁体。另一方面，高温超导块材磁悬浮具有较好的侧向稳定性。当高温超导块材场冷进入超导态时，超导体内部俘获了一定的磁通，也即是一部份磁通穿过了超导体的钉扎中心。当外力使超导体与永磁体发生侧向位移时，超导体夕 部磁场发生改变，一部分磁通线将从超导体内部往外移出，但是由于超导体的钉扎中心对磁通线具有很强的钉扎作用，它将阻碍磁通线移出超导体内部，因此在宏观上表现出一个与外力相反的作用力阻碍超导体与永磁体发生侧向位移，从而保证了高温超导体块材能实现稳定悬浮。高温超导磁悬浮技术采用液氮做为冷却液体，而氮气在空气中的含量棚当丰富，约占空气成分的7 8 ，因此发展高温超导磁悬浮具有雄厚的自然资源基础，其运营成本相当低廉。作为冷却剂的液氮既来自于空气中，使用后又完全回到空气中，可以说对环境无任何污染和影响，非常有利于我们提倡的环境保护理念。另外，高温超导磁悬浮系统属于自稳定系统，其悬浮和导向均不需要控制系统 2 3 - 2 5 】，因此其运行可靠性比较高。幽卜5 世界首辆高温超导碰恳浮实验午照片实物幽高温超导磁悬浮技术始于1 9 8 6 年高温超导体发现以后【拍i ，是近2 0 年内才发展起来的一种新型的磁悬浮方式。世界各国均对其表现出了浓厚的兴趣，并投入巨大的人力、财力进行相关的研究工作。目前，在高温超导磁悬浮车西南交通大学博士研究生学位论文第7 页的研究方面，我国比较有优势，并于2 0 0 0 年1 2 月3 1 日下午2 点2 6 分在西南交通大学研究成功了世界上第一辆“高温超导磁悬浮实验车”研制成功1 6 】，图1 5 为该车实物照片。该车全部采用国产高温超导块材，用液氮( 7 7 k )制冷，底厚仅3 毫米的车载薄底液氮低温容器连续工作时间大于六小时，永磁导轨长1 5 5 米，采用直线电机驱动。在车载5 人、悬浮总重量5 3 0 公斤的时候，悬浮高度2 3 毫米，运行十分平稳【6 】。表1 - 1 对三种磁悬浮列车方案进行了比较。从表中可以看出，常导磁悬浮技术发展比较成熟，并在中国的上海实现了商业运行。但是常导磁悬浮车的悬浮间距小，约为8 m m ，对轨道的平整度、路基下沉量及道岔结构方面的要求较高。另一方面，其悬浮和导向均需要套复杂且精度高的控制系统来实现，所以对控制技术的要求比较高，难度大，核心技术只是掌握在少数国家手中，比如德国和日本。中国的西南交通大学和国防科技大学等单位主要对中低速常导磁悬浮车方面做了相关的研究工作，与世界先进水平相比，还具有很大的差距。而低温超导磁悬浮车技术主要在同本研究比较多，而且基本上可以达到工程应用的水平，但是由于低温超导磁悬浮车需要采用液氦冷却，而且自然界中氦资源相当贫乏，所以每次使用之后，都需要回收以便循环利用，因此低温超导磁悬浮车的运行成本比较高，不利于其推广。另一方面，低温超导磁悬浮车只有在速度达到一定值以后，才能实现悬浮，而在启动和停车的时候根本无法实现悬浮，只能用轮轨支撑，所以实际应用起来很不方便，启动和停车的过程中轮轨与地面摩擦巨大，带来很大的噪音污染。此外，低温超导磁悬浮车的车载超导磁体为强磁体，磁场强度可达到5t ，如果不采用磁场屏蔽技术，可能会对车体旱面的乘客造成伤害。较前两种磁悬浮方式而言，高温超导磁悬浮列车更凸现出许多独特的优势，具体可归纳如下：首先，高温超导磁悬浮列车采用液氮制冷，成本低，便于推广。氮气资源在自然界的含量相当丰富，空气中氮的成分约占7 8 ，可以认为氮气是一种取之不尽，用之不竭的资源。随着人类的不断发展，石油、天然气、煤等不可再生的资源越来越少，人类亟待寻求新的途径来解决即将面临的能源危机。因此，发展高温超导超导磁悬浮列车成为人们未来交通的一个必然趋势。其次，高温超导磁悬浮列车不污染环境，有利于环保。高温超导磁悬浮列车运行所需要的液氮既来自于空气又回归空气中，所以对环境不会造成任何的污染。以前，人类过度追求发展，对环境破坏比较严重，第8 页西南交通大学博士研究生学位论文温室效应、全球气候变暖、臭氧层破坏等一系列环境问题给人类的生活带来了很多灾难，因此在追求发展的时候，人们对环境的保护意识更高了，而高温超导磁悬浮列车作为一种对环境无污染的交通工具，更易于让人们接受。另外，常导磁悬浮和低温超导磁悬的关键技术，大多掌握在其他国家手里，而我国没有技术优势，但是对于高温超导磁悬浮列车而言，我国具有完全自主知识产权，而且在许多研究方向上都处于世界前列。西南交通大学超导技术研究所长期致力于高温超导磁悬浮列车的研究与开发，积累了丰富的实践经验，并获得了大量的有益成果，被国内外同行借鉴和称赞。由此可见，发展高温超导磁悬浮列车不仅可以节约能源，有利于环保，而且更可以让中国人自豪，让中华民族自豪。因为从目前来看，高温超导磁悬浮列车是中国人自己掌握核心技术的少数高新技术之一，只要我们自己把握好了，发展好了，就不会像国内生产d v d 的企业一样，自己生产产品却必须为外国企业支付昂贵的专利费用。但是发展高温超导磁悬浮列车任重道远，目前很多方面都急待研究。本论文的研究课题就是在这样的背景下提出来的，主要研究时变外磁场对高温超导体块材的导向力性能的影响，旨在为高温超导磁悬浮车系统的工程应用提供帮助，其具体研究内容和研究方法将在后续章节中详细叙述。表1 1 儿种磁悬浮列车系统比较西南交通大学博士研究生学位论文第9 页1 2 超导发展概况及相关基本理论为方便后续章节的阅读，帮助读者更好的理解本论文的研究内容，在这里有必要对超导的发展情况和超导相关理论及基本概念作简单的介绍。1 2 1 超导理论的发展1 9 1 1 年，翁内斯( k a m e r l i n g ho n n e s ) 在研究金属的电阻率随温度变化规律的实验中出乎意料的发现：当温度下降时，汞的电阻先是平缓的减小；当温度减小到4 2k 附近时，汞的电阻突然下降为零，其样品电阻随温度的变化关系如图1 7 所示。其中，横坐标为温度，纵坐标为汞样品的电阻。同年，在一次报告中，翁内斯把这一奇怪的现象称为新的电效应，并首次提出了超导态的概念( m e r c u r yh a dp a s s e di n t oan e ws t a t e 。w h i c ho na c c o u n to fi t se x t r a o r d i n a r ye l e c t r i c a lp r o p e r t i e sm a yb ec a l l e dt h es u p e r c o n d u c l i n gs t a t e )【二7 - 1 9 1 。第1 0 f 西南交通大学博士研究生学位论文目1 - 8 临界温度、临界磁场乖图1 - 6 翁内斯照片图1 - 7 汞电阻随温度的变化曲线临界电流密度的芙系1 9 1 6 年，翁内斯、两尔斯比( s i l s b e e ) 等人发现超导电现象会在一定强度的电流或磁场下消失，即存在临界磁场f ，+ 和临界电流，。因此要使超导体转变为超导态，必须要使超导体的温度、磁场和通过的电流均不超过临界温度i 、临界磁场爿。和临界电流，。另外，这三个参数并不是独立的，而是相互联系的，任何一个参数不满足，都不能使超导体进入超导态，如图1 _ 8所示，三个参数在t - h j 曲面和坐标轴包围的区域内为超导念，其他区域为i f 常态。1 9 3 3 年，迈斯纳( m c i s s n e r ) 和奥克森菲尔德( o c h s e n f e l d ) 发现超导体除，零电阻现象( z e r or e s i s t i v i t y ) 以外还具有迈斯纳效应( m e i s s n e re f f e c t ) 。所1 目迈斯纳效应是指外磁场被完全排除超导体外的现象，也称为完全抗磁性( p e r f e c td i a m a g n e t i s m ) 。从此，人们爿认识到，不能把超导体等同于“理想”导体( p e r f e c tc o n d u c t i v i t y ) ，不能把零电n ( z e r or e s 虹t i v i i v 、看成超导体的唯一现象。而应该是同时具有两个基本特性理想导电性和完全抗磁性的新的物态。1 9 3 4 年，荷兰物理学家戈特( g o r t c r ) d 卡西米尔( c a s i m i r ) 合作提出了蜥单 】t _ 物理模型“二流体模型”，解释了许多超导电现象p “。该模型的基本内容可概括为：金属发生超导转变后，全部电子( ) 被看作由超导电子( m ) 和f 常电子( ，) 两部分组成：n = 。+ 一j 下常电子运动时受品格散射产生电阻：而超导电子是集体有序的运动，不受晶格散射，因此电阻为零。1 9 3 5 年，伦敦( fl o n d o n 和h l o n d o n ) 兄弟基于二流体模型给出伦西南交通大学博士研究生学位论文第11 页敦方程，预言了磁场在超导体表面的穿透现象，较好地解释了零电阻现象及完全抗磁性，奠定了超导电性电动力学基础f 3 2 1 。伦敦方程形式为【3 3 】：l j = n 所s e - - - - 2e = 去e乳j s = 1 0 砭b弘q 人i j( 1 1 )( 1 2 )其中表达式中的m 和e 分别为电子的质量和电量，为真空中的磁导率，。- _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ 一九为伦敦穿透深度，其表达式为九= 4 m ( 1 。以e 2 ) 。伦敦方程只是一种弱场近似理论，当外磁场不强时，与实验吻合得比较好，但是它不仅不能解释超导的起因，也不能说明超导电子究竟是什么行为。1 9 5 0 年，皮帕德( p i p p a r d ) 提出“非局域效应”及“相干长度”的概念，改进了伦敦理论。苏联京茨堡( g i n z b u r g ) 矛l ：l 朗道( l a n d a u ) 在朗道二级相变理论的基础上，发表了京茨堡一朗道方程，成为影响很大的超导唯象理论。该理论后来发展为具有微观理论基础的京茨堡一朗道一阿命里柯索夫( a b r i k o s o v ) - - 戈尔柯夫( g o r k o v ) ( g i a g ) 超导理论。1 9 5 7 年，巴丁( j b a r d e e n ) 、库柏( l nc o o p e r ) 矛1 施瑞弗( j r s c h r i e f f e r )提出b c s 理论，它被用于解释传统超导体的超导电性，被称为b c s 超导微观理论口j 。该理论认为超导电流的载流子，是由于电子一声子相互作用而产生的互相吸引的“库珀电子对”。1 9 6 0 年尼可尔( n i c 0 1 ) 及1 9 6 1 年戴维( d e a v e r ) 年1 菲尔e ( f a i r b a n k ) 等人，分别进行了隧道实验和磁通量子化实验，进一步证实了b c s 理论中库珀对的存在【2 引。1 2 2 高温超导材料截止到1 9 8 6 年，已发现的超导体的临界温度都非常低，大部分只能在液氦温度( ts4 2k ) 下工作，极少数可在液氢温度( 2 0 3 8k ) 下工作。因此要想使这样的超导体在实际中得到应用是非常困难的。如何提高超导体的临界温度成为早期超导研究工作者的难题之一，人们纷纷寻找各种方法以期获第12 页西南交通大学博士研究生学位论文得更高临界温度的超导体。1 9 8 6 年，i b m 公司苏黎士实验室的德国物理学家柏诺兹( g e o r g eb e d n o r z ) 和瑞士物理学家缪勒( a l e xm f i l l e r ) 发现了一种新的陶瓷超导体【2 6 】，其构成为b a ，l a 5 一；c u ，g ( 3 - ，) ，其中( x = 1 或0 7 5 ，y 0 ) ，它的超导转变温度可能大于3 0 k 。1 9 8 6 年底，m f i l l e r 和b e d n o r z 的发现得到公认，并在1 9 8 7 年获诺贝尔物理奖1 7 引。这一重大发现使得国际上高临界温度研究领域的情况发生了骤变，成为超导体研究的重大突破，从而揭开了超导体研究的新篇章。在此后不久，就在世界范围内掀起了探索、研究高温超导体的热潮，高温超导体的临界温度迅速得到提高，如图1 - 9 所示。1 9 8 6 年底，日本东京大学、美国休斯顿大学和中国科学院物理研究所，发表了各自独立研究的结果，用锶( s r ) 代替l a b a c u o 体系中的钡( b a )获得高于4 0 k 的转变温度。1 9 8 7 年初，中国科学院物理所宣布获得了l a s r c u o 超导材料，其起始超导转变温度最高达4 8 6k 1 3 4 】。够l o1 9 ：0l 姗1 9 6 01 9 侈甾i 娜，l 粥81 9 9 0 1图1 - 9 超导体临界温度提高的历史进科1 9 8 7 年2 月6r ，美国朱经武小组和吴茂昆