（电力系统及其自动化专业论文）高温超导ems磁浮系统的研究与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h em a g l e vt e c h n o l o g y , an e w - t e c hm e r g e di n2 0 t hc e n t u r y , h a sb e e np r o g r e s s e dal o t i nr e c e n ty e a r s i ti s w i d e l ya p p l i e di nt r a n s p o r t a t i o n ，m e t a l l u r g y , m e c h a n i s m , e l e c t r i c a l e q u i p m e n t sa n dm a t e r i a lr e s e a r c h e s t h em a g l e vt r a i n , an e wr a i l w a yv e h i c l ew i t h o u t f r i c t i o n i so n es u c c e s s f u la n di m t m r t a n ta p p l i c a t i o no fm a g l e v - t e c h h o w e v e r , a 5f o r t r a d i t i o n a le m s ，t h ee n e r g yl o s sc a n n o tb ei g n o r e d ，b e c a u s eo ft h er e s i s t a n c ei nn o r m a l c o n d u c t o r w i t ht h er a p p i dd e v e l o p m e n to ft h eh t 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 ) ， h t se m s t e c hh a sab r i g h tp r o s p e c t i nt h i sn e wt y p eo fe m s ，e n e r g yl o s sc a nb em u c h l o w e rt h a nt h et r a d i t i o n a ln o r m a l - c o n d u c t o re m s ，b e c a u s eo f z e r o - r e s i s t a n te f f e c t i nt h i sp a p e r , t h es i n g l e - m a g n e td y n a m i cm o l d l eo ft h ep u r eh t se m si sb u i l ta n dt h e b a s i ct h e o r yo ft h es y s t e mi sd i s c u s s e d ，a c c o r d i n gt op r a c t i c a le x p e r i m e n ta p p l i a n c e ，t h e s i n g l e m a g n e th t se m sm o l d l em a g n e t i ca n a l y s i s i sd o n eb a s e do na n s y s ，t h ec r i t i c a l c u r r e n to ft h eh t sc o i li sd i s c u s s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw i l lp r o v i d es i g n i f i c a n t r e f e r e n c e st ot h ee x p e r i m e n t t h ec o n t r o lp a r a m e t e r sf o re x p e r i e m e n ts y s t e ma r ed e s i g n e d a c c o r d i n gt op l g ) c o n t r o ls t r a t e g y t h es i m u l a t i o nb a s e do nt h es i m l i n kd i c t a t e st h es t a b i l i t y o f t h eh t se m s ，a n dt h ec h a l l e n g eo f t h eh t se m si sp r e s e n t e d ，a sw e l l t h e n ，as e r i e so f h a r d w a r ec i r c u i t sc e n t e r e da r o u n ds u s p e n t i o nc o n l x o l l e rb a s e dd s pf 2 8 1 2i sd e s i g n e d ， i n c l u d i n gm a i nc i r c u i t ，s i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t ，c o t f i n a l l y , t h es i n g l e m a g n e th t se m se x p e r i m e n tb a s e do nt h eh t se m se x p e r i m e n t p l a t f o r md e v e l o p e db yt h em a g l e v - t e c hi n s t i t u t eo fs w j t uh a sb e e nd o n e t h es t a b l e s u s p e n t i o nw i t hac e r t a i ng a p i sr e a l i z e d 。t h ef e a s i b i l i t yo fh t se m s - t e c hi sp r o v e d w i t h t h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h eh t s 。a p p l y i n gh t se m s - t e c hi nm a g l e vt r a i nw i l lh a v ea b r i g h tp r o s p e c t k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cs u s p e n s i o nt e c h n o l o g y ；e m s ；e d s ；h t s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 磁悬浮技术由于其无接触的特点，避免了物体之间的摩擦和磨损，能延 长设备的使用寿命，改善设备的运行条件，因而在交通、机械、冶金、材料 等各个方面有着广阔的应用前景。但现在前景最看好的还是其在交通领域的 应用。 磁悬浮列车依靠电磁吸力或电动斥力将列车车厢托起悬浮于空中并进行 导向，实现列车与地面轨道间的无机械接触，从根本上克服了传统列车轮轨 粘着限制、机械噪声和磨损等问题，利用直线电机驱动列车运行。它的时速 高，是当今世界最快的地面客运交通工具，并且还具有安全，舒适，无污染， 与环境兼容性好，爬坡能力强以及占地面积小等一系列优点。既可用于城市 之间的长距离运输，也可用于城市与郊区、城市内的中短距离运输，具有广 阔的应用前景，对其悬浮系统的研究工作具有重要价值。 1 1 磁浮列车的悬浮原理 实用的磁浮列车的悬浮系统可分为电磁吸力型悬浮( e l e c t r om a g n e t i c s u s p e n s i o n ，简称e m s ) 和电动斥力型悬浮( e l e c t r od y n a m i cs u s p e n s i o n ，简称 e d s ) 两种基本的悬浮方式。 1 1 1 电磁吸力型悬浮( e m s ) 的悬浮原理 电磁吸力悬浮是电磁力主动控制悬浮，不管列车运行与否，即使在静止 时都能实现悬浮。列车可以是低速的也可以是高速的。具体地说，就是对置 于导轨下方的悬浮电磁铁线圈提供电流产生电磁场，使之与轨道上的铁磁性 导轨相互作用，利用他们之间的电磁吸力，使列车悬浮至一定的高度。但由 于电磁吸引力与气隙大小成近似平方反比的非线性关系，气隙减小会使电磁 吸力增大，导致气隙进一步减小；气隙增大则使电磁吸力减小，导致气隙进 一步增大。因此，这种悬浮系统本质上是不稳定的，必须通过精确快速的反 馈控制，才能保证列车可靠稳定地悬浮。控制的关键是通过对悬浮气隙的检 测实现电磁铁电流的精确快速控制，从而控制磁场强度、控制电磁吸力，进 而控制磁铁的上下运动，使电磁铁与导轨之间保持一个稳定的悬浮气隙。采 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 用e l m s 技术的常导磁浮列车己投入了商业运营。图1 1 为中低速磁浮列车悬 浮结构示意图。上海高速磁浮列车悬浮结构参见图1 2 。 忒心心 _ 图卜1中低速磁浮列车悬浮结构示意图 图卜2 上海高速磁浮列车悬浮、导向和驱动原理示意图 1 1 。2 电动斥力型悬浮( e d s ) 的悬浮原理 电动斥力型磁悬浮列车是利用同性磁极之间的相互推斥的原理来实现车 辆的悬浮的，采用电动斥力悬浮系统( e d s ) 的磁浮列车只能在列车达到一定 的运行速度后才能实现悬浮( 列车通常都是高速的) 。日本的低温超导磁悬浮 列车，采用的便是e d s 悬浮方式，也是目前最为成功的e d s 系统。 下面就以日本m l u 磁悬浮列车为例，简要介绍e d s 型超导磁悬浮列车 原理。这里将“8 ”字形线圈的零磁通原理用于悬浮，其悬浮原理示意图如图 1 3 所示，“8 ”字形线圈的零磁通原理如图1 4 。沿轨道两边铺设“8 ”字型短 路线圈，磁悬浮列车在静止或低速运行时不能起浮，要靠支撑轮支撑，此时 车载低温超导磁体的中心线0 ，- 0 ，与“8 ”字形短路线圈中心线0 。一0 。重合， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 “8 ”字形短路线圈中上下两部分产生的感应电势相互抵消为零，因此在“8 ”字 形短路线圈中没有感生电流，因此也没有悬浮力产生。当列车运行到一定的 速度并收起支撑轮后，车载低温超导磁体下沉从而使低温超导磁体中心线 0 ，一0 ，偏离“8 ”字形短路线圈中心线0 。一0 。，因而“8 ”字形短路线圈中上半部 线圈交链的磁通减少，下半部交链的磁通增大。结果使得上下两部分的感应 电势不能相互抵消，于是在“8 ”字形短路线圈内产生感生电流。由楞次定律可 知，感应电流在上半部线圈感应的磁场方向与车载低温超导磁体的磁场方向 相同，在下半部线圈感应的磁场方向与车载低温超导磁体的磁场方向相反。 同极相斥产生的推力会形成一个向上的分力，异极相吸产生的吸引力会形成 另一个向上的分力，一推一拉形成磁浮列车的悬浮力。 e d s 型列车加速运行的过程中，悬浮力随速度增加而增加直至与重力平 衡从而将车体悬浮起来。当速度超过一定值时，列车就脱离路轨表面而实现 悬浮，高度可达1 0 0 m m 1 5 0 r a m 。由于是斥力悬浮，悬浮是自稳定，不需要 任何反馈控制系统来保证其悬浮系统的稳定性，控制系统可以大为简化，但 悬浮的高度与列车速度有关，因此必须在车上安装辅助的机械支撑轮装置， 以保证列车在启动、低速运行或停车时，能安全可靠地着地。 图卜3m l u 列车电动斥力悬浮系统示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 图卜4“8 ”字形线圈的零磁通原理 除了采取典型的e m s 和e d s 悬浮方式外，还有基于超导钉扎原理的斥 力型悬浮列车，如西南交通大学研制的基于高温超导块材的超导磁浮列车。 除了采取纯常导e m s 悬浮方式外，人们还提出了混合e m s 方式，如永 磁与常导混合悬浮方式，超导与常导混合悬浮方式。 1 2 高温超导e m s 磁浮技术的研究意义与研究现状 近几十年来，磁浮列车的发展取得了令人瞩目的成就，正在发展成为新型 的绿色交通运输工具之一。但是现有的悬浮方案也都有自身的不足之处。 对于常导e m s 磁浮列车，虽然有不管列车运行与否，都能实现悬浮的优点， 并且列车运行高、低速皆宣。但这种磁浮列车的悬浮线圈具有一定的电阻，存在 较大的悬浮功耗。由于运行中的能耗问题，影响了悬浮气隙的进一步增大，同时 也增加了车载蓄电池的容量和重量。 而e d s 磁浮列车一般采用低温超导磁体，对制冷系统要求高；虽然悬浮 气隙大，但需要在一定速度下才能实现悬浮；由于轨道上的闭合悬浮线圈是 离散的，而且悬浮斥力没有闭环控制，斥力随着磁场强度的变化而变化，容 易产生上下波动，因此磁浮列车的舒适度较差：又由于悬浮斥力磁场很强， 磁场又无闭合铁芯磁路，在列车车厢中有较强的磁场，磁场对人体的损害将 增加。美国的m a g p l a n e 系统方案采用永磁铁代替超导磁体，铝板型轨道代替 分离闭合悬浮线圈，车辆系统和轨道变得极为简单，乘坐舒适度有所改善。 但由于车辆悬浮采用永磁体，车辆偏重。车辆辅助用电、车厢强磁问题仍没 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 有很好地解决。 随着高温超导块材的发展，利用超导体钉扎效应的磁悬浮系统得到了发 展，如西南交通大学研制成功的高温超导悬浮车。但由于这种悬浮系统的轨 道为永磁体轨道，轨道造价过高，而且出于安全性和铁磁性铁屑污染难于清 除等考虑，其工程应用价值有待论证。 引入永磁( 或超导线圈) 与常导线圈构成的混合e m s 悬浮系统，虽然可以 降低悬浮功耗，但是控制较为复杂。且永磁体长期运行易退磁，永磁体安装拆卸 也不方便。在常导与超导混合悬浮系统中，超导线圈与常导线圈之间存在互感， 悬浮的稳定性受到影响。 人们不断探寻着更为理想的悬浮方案。由于超导具有零电阻特性，若能 用高温超导线圈代替常导e m s 悬浮系统中的常导悬浮线圈，可达到降低悬 浮功耗，节省能量的目的；同时，超导e m s 悬浮又可能克服e d s 型悬浮以 及混合e m s 悬浮的诸多不足之处。于是，直接控制高温超导线圈电流的高 温超导e m s 悬浮方案成为研究的热点。这种超导悬浮方案从悬浮原理上有 别于现有的采用超导磁体的e d s 悬浮和基于钉扎原理的超导斥力型悬浮，为 超导材料在磁浮领域的应用开辟了新的天地。 1 9 9 0 年h t s 超导线圈首次绕制成功。经过多年艰苦工作，美国i g c 公 司研制出在4 2 k 下产生2 6 t 磁场的b i 系线圈。1 9 9 4 年，我国西北有色院和 北京有色总院已成功地用b i 系带材研制出高温超导线圈。材料制造方面的突 破为将高温超导引入e m s 悬浮装置打下了坚实基础。 1 9 9 2 年，g r u m m a n 公司提出了一种直接控制高温超导线圈电流，实现 稳定悬浮的设计思路。英国牛津大学也曾于1 9 9 6 年尝试类似装置的设计和建 造，但尚无成功的报道【4 l 。 国内将高温超导线圈应用于e m s 悬浮研究的单位有西南交通大学和清 华大学。 2 0 0 3 年，清华大学物理系超导研究中心和北京英纳超导技术有限公司合 作，设计了一种基于b i 2 2 2 3 a g 线材制作的高温超导线圈的电磁悬浮系统， 该试验装置首次验证了高温超导线圈在小电流( 3 2 安培) 下的可控性问题【4 】， 为进一步探索将高温超导e m s 技术用于磁悬浮轨道交通系统的可行性打下 了基础。 2 0 0 2 年，西南交通大学磁浮列车与磁浮技术研究所王莉教授等人提出由 高温超导线圈与常导线圈构成的混合式电磁悬浮系统1 9 l ，并且通过实验验证 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 了方案的可行性。目前，超导与常导混合悬浮实验已经基本实现了大气隙稳 定悬浮。但是由于常导与超导线圈存在互感，当常导电流快速变化时，超导 电流随之波动，对悬浮的稳定性存在一定影响，且控制也较为复杂。我们希 望能够直接控制超导线圈电流，实现以纯高温超导e m s 方式悬浮质量为 2 5 0 k g 的电磁铁。这项研究工作为高温超导线材在磁浮轨道交通事业之中的 应用进行了探索性研究，具有相当的理论和实践意义。由于超导线圈易失超， 需要在线圈电流跟随的快速性( 以保证悬浮的稳定) 和避免电流变化率过大引 起高温超导线圈的失超之间寻找折中，该研究也具有相当的风险和挑战。 1 3 本文作者的主要工作 本文深入研究了高温超导e m s 悬浮方案，采取p i d 控制实现了单磁铁 高温超导e m s 系统的定气隙悬浮，最后将高温超导e m s 悬浮和其它悬浮方 案作简要比较，分析了其优势与不足。 本文作者主要完成以下任务： 1 建立单磁铁高温超导e m s 悬浮系统模型，分析高温超导e m s 悬浮 的基本原理。 2 以超导悬浮实验装置的结构以及实验所用的超导线圈参数为蓝本，利 用a n s y s 仿真，计算拟定悬浮点处的工作电流，磁场分布规律，分析悬浮 功耗，并与常导悬浮功耗进行比较分析。结合实验所用超导线材特性分析超 导线圈的临界电流，为设计和实验提供重要参考依据。 3 针对超导悬浮实验对象，采取定气隙p i d 控制策略，设计气隙环控制 参数，进行仿真，说明悬浮稳定性的同时，结合超导特性，说明可能存在的 风险。同时，设计电流环参数，并进行仿真。 4 搭建实验硬件电路，包括斩波器，及i g b t 驱动电路；相关信号处理 电路；设计制作基于d s p f 2 8 1 2 的控制器，编制控制程序，将气隙环和电流 环均集成于d s p 控制器中，并由d s p 中e v 模块的通用定时器直接产生p w m 驱动信号； 5 通过实验验证设计的可行性和正确性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章超导特性和高温超导 通常的物质在常温时具有一定的电阻率。但是有些物质在特定的温度r 叫 转变温度或临界温度) 以下会转变为完全没有电阻的状态。后来发现，与零 电阻性出现的同时，这些物质还伴有完全抗磁性。具有这种性质的材料称为 超导材料。 2 1 零电阻效应 1 9 1 1 年荷兰物理学家翁内斯( o r m e s ) 在研究金属电阻随温度变化的规律 时发现，当温度降低时，水银的电阻先是平稳地减小，而在4 2 k 附近电阻突 然降为0 。于是称这种情况下发生的零电阻现象为物质的超导电性，具有超 导电性的材料称为超导体。零电阻效应是超导的基本特征之一。发生电阻突 然下降为零的这个温度称为超导的临界转变温度z ，当t c 时金属为正常 态，t 为超导态。许多金属和合金在低温下都会出现超导现象，不同金 属转变成超导态的临界温度不同。 2 2 完全抗磁性( 迈斯纳效应) 1 9 3 3 年，德国的迈斯纳( m e i s s n e r ) 通过实验发现，当置于磁场中的超导体 从正常态变到超导态后，原来穿过超导体的磁力线会被完全排斥到超导体之 外，同时超导体外的磁通密度增加。由此可见，超导态时，在超导体内磁感应 强度变为零。这种现象就称为迈斯纳效应。迈斯纳效应是超导态的第二个基本 特征。 习惯上，人们把完全排除体内磁通的超导体称为理想超导体，也就是第 一类超导体；把体内出现部分束缚磁通，即出现非线性的磁化行为，具有上、 下临界磁场的超导体称为第二类超导体；而把具有不可逆磁化行为，即存在 磁通屏蔽、俘获磁通和具有剩磁的超导体称为非理想第二类超导体1 7 4 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 3 临界磁场和临界电流 超导态除了决定于温度外，还与外磁场有关。在t 皿时，超导态便转变为正 常态。皿( r ) 称为温度为t 时的i 晦界磁场，皿( r ) 与t 的关系为 皿( d = 皿( o ) 【l 一( ) 2 】 ( 2 1 ) 其中以( 0 ) 为，- h o k 时的临界磁场，对于不同的超导材料有不同的 皿( 0 ) 值。 每一种超导体都有一定的l 临界磁场数值，对于第二类超导体还存在当磁 场高于下f 临界场以时，超导体处于既有超导态又有正常态的混合态；只有 当磁场高于上i i 函界场皿：时超导体才完全转交为正常态。混合态下，第二类 超导体的临界电流密度很低，而非理想第二类超导体在混合态仍有很高的临 界电流密度。非理想第二类超导体是实用的超导材料。 当通过超导体的电流超过一定的数值后，超导态便被破坏，l 称为超 导临界电流。每单位截面积超导体流过的最大电流值，称为临界电流密度。 2 4 交流损耗 超导体基本特性之一是在直流运行条件下的电阻为零，因此在直流状态 下没有损耗。但是当超导体通过交流电流或是处在交变磁场中，超导体将出 现损耗，我们称之为交流损耗。超导体的交流损耗必然导致导体发热，如果 热量不能及时排出，则将使导体温度升高并使临界电流下降。同时，由于导 体发热，所以制冷功率亦需相应增大，这对超导体运行是很不利的。这使得 使超导磁体在交流条件下的应用受到限制。 2 5 高温超导 长期以来，人们发现的超导体只能在低温液氦区( 4 k 左右1 工作，这就需 要许多低温设备和技术，费用很高且不方便，因而限制了超导体的应用。2 0 世纪6 0 年代开始，人们开始了对是高温超导探索研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 所谓高温超导是相对传统超导而言的，传统超导体必须在液氦温区工作。 高温超导体是指可以在液氮温区工作的超导体，液氮的沸点为7 7 k ，其价格 要比液氦便宜很多，冷却效率同液氦相比又有很大提高，且氮又是十分安全 的气体，故大大扩展了超导的应用前景。高温是该类超导材料的主要优势所 在。在高温超导体发现以后，原则上说，凡是低温超导电性能获得应用并显 示优越性的领域，高温超导电性也具有同样的优越性。有人甚至顶言，人类 社会将进入超导时代。 人们迫切需要实现高温超导体的实用化，然而高温超导材料的自身的特 点决定着高温超导体的应用存在许多困难。现在发现的高温超导材料大都是 类陶瓷材料，脆性较大，不易成材。高温超导材料在高温区液氮温区，当外 加磁场增加时，临界电流密度t 明显降低。但是人们相继发现，高温超导线 材在低温区( 3 0 k ) ，即使在很高的场强下仍可承载较大的电流。n b t i 在同样 高的场强下，l 早已衰减至零。利用这一特性，可以把这类材料绕制成超强 磁场的磁体。 在高下，强磁场下，保持高的临界电流密度和降低交流损耗是将高温 超导强电领域的两大关键课题。对其临界电流的影响因素主要包括磁场，温 度，机械形变因素等等，目前人们正致力于对弱连接和磁通蠕动的研究，寻 找减小磁通蠕动的方法。交流损耗与临界电流紧密相关，还与交变电流或磁 场的变化的幅值，频率相关，与制冷循环也有一定关系，应尽快寻找出进一 步减小交流损耗的有效方法，加强超导线圈热稳定性的研究。 目前，已发现的高温超导材料很多，我们实验中所用的超导体是铋系 2 2 2 3 a g ，它的临界温度最高已达1 1 0 k ，其临界电流超过1 0 0 a ，临界电流密 度超过1 0 0 0 0 a e m 2 。我国自1 9 8 8 年以来，一直在开展b i 系高温超导材料的 研究，目前从事b s c c o 超导带材研究的主要单位有北京有色金属研究院、 西北有色金属研究院和北京英纳超导技术有限公司。其中西北有色金属研究 院和北京荚纳超导技术有限公司这两个国内超导材料生产企业具备了批量生 产工程应用超导带材的能力。西北有色金属研究院在2 0 0 3 年初成功制出 2 0 0 m 长的单根带材，工程临界电流超过8 0 a 。北京英纳超导技术有限公司的 设计生产能力为年产量2 0 0 k m ，临界电流达到8 5 a 。 b i 2 2 2 3 a g 高温超导线材已经在超导电缆、超导电机、超导储能装置等 强电领域得到广泛应用。将b i 2 2 2 3 a g 高温超导线圈引入磁悬浮列车悬浮系 统代替常导悬浮励磁线圈，值得期待。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第3 章超导磁浮实验台概述及其电磁场仿真 该课题中的高温超导e m s 悬浮实验系统是一个比较复杂的实验系统， 应该包括下面几个部分： ( 1 ) 超导悬浮实验台( 包括超导磁铁和附属机械结构) ( 2 ) 检测器 ( 3 ) 主电路 ( 4 ) 控制电路 本章仅就超导悬浮实验台的机械结构，高温超导线圈及其制冷装置作阐 述。并基于实际的几何参数，通过a n s y s 仿真分析超导悬浮的电磁环境以 及超导线圈临界电流情况，悬浮功耗等。 3 1 实验台机械结构 本实验基于超导悬浮实验台进行。它是以高温超导电磁铁为核心的单磁 铁悬浮装置。导轨由硅钢片轧成，长1 2 7 0 r a m ，宽1 2 0 r a m ，高1 5 0 m m 。u 型 铁心同样由硅钢片轧成，磁极面积为1 5 0 m i n x l 2 0 r a m 。u 型磁铁中部安装杜 瓦罐，超导线圈绕制其中。在磁铁下部设有加重台，可以进行加重实验。两 侧是燕尾槽，保证磁铁可以上下自由滑动。整个悬浮重量约2 5 0 k g ，实验台 整体结构图如图3 - 4 。下面是u 型铁心及导轨的整体结构图，如图3 1 所示。 i ii i 一：一i iii 锺匿 一 tt 丫丫tt 一 一1 杰、 上上 图3 一l磁铁铁心及导轨整体结构图 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 u 型铁心的详细几何结构如图3 - 2 ，导轨的详细几何结构如图3 3 。 + 图3 2u 型铁心结构图 u 型铁心制造参数表如3 一l ： 表3 - 1u 型铁心的参数 磁极面积s ( m m ) o 1 2 x 0 1 5 悬浮磁铁铁心高度( m m ) 3 0 0 磁铁铁心底边总长( m m l 6 0 0 导轨结构图如图3 3 所示 图3 - 3导轨结构图 实验台整体结构如下图所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 图3 4悬浮装置整体示意组图 超导悬浮系统的总体参数如下表3 2 ： 表3 2 超导悬浮系统参数 悬浮重量m ( 嘲 2 5 0 超导绕组匝数 5 9 4 电磁铁磁极面积s ( 小2 ) 0 1 2 x o 1 5 拟实现悬浮气隙( r a m ) 1 0 超导电流似) 1 1 1 7 8 注：此处超导电流值按磁路理论求得未考虑漏磁因素 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 3 2 实验使用的高温超导线圈参数及其制冷装置设计 3 2 1 高温超导线圈基本参数设计 高温超导线圈共5 9 4 匝，采用北京英纳超导技术有限公司生产的 b i 2 2 2 3 a g 高温超导线材绕制。超导线圈参数如表3 - 3 所示。根据表3 3 参数 绕制的高温超导线圈照片如图3 5 所示。高温超导线圈结构如图3 - 6 所示。 表3 - 3超导线及线圈参数 超导线双饼线圈 双饼编号超导线规格 液氮温度下 室温电阻 液氮温度下 临界电流临界电流 宽+ 厚m m 2( 欧姆) ( a )( a ) 1 4 0 8 * 0 2 3 7 1 7 31 2 23 7 _ 3 24 1 3 * 0 2 3 5 7 2 5 8 7 5 8 7 1 1 3 3 4 7 6 3 4 1 3 + o 2 3 57 2 5 8 7 5 8 7 1 2 23 4 7 6 4 4 0 9 * 0 2 3 5 7 2 4 5 7 5 9 41 3 3 3 5 54 0 9 * 0 2 47 3 3 9 8 2 5 3i 1 33 6 5 64 2 5 * 0 2 37 0 8 4 7 9 171 2 53 6 2 5 74 0 9 * 0 2 47 3 3 9 8 2 5 31 1 93 8 7 4 84 3 * 0 2 57 1 7 1 7 7 5 51 2 13 4 2 6 94 2 3 o 2 46 9 2 2 - 7 6 6 81 2 13 4 0 1 9 个双饼电阻总 和 1 0 8 9 以下为超导线圈的实物照片： 图3 - 5超导线圈 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 l 图3 - - 6磁体结构图 高温超导线圈结构参数如表3 - 4 所示。 表3 - 4磁体结构参数 结构尺寸、设计参数 名称单位 线圈内径 n u n1 9 3 线圈外径 盥2 0 9 线圈有效长度 m m8 1 双饼数 9 每双饼匝数 6 6 每双饼用线 m4 1 7 线圈总匝数 匝 5 9 4 用线总长度 m 3 7 5 2 线圈填充系数 8 4 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 3 2 2 杜瓦罐的设计 杜瓦罐的设计要满足3 个条件，一是高温超导线圈能放置在其中，二是 u 型铁心能够穿过包含在杜瓦罐中的高温超导线圈，三是杜瓦罐中能够灌入 足够的液氮，能保证一次灌装可维持实验2 个小时。另外还需考虑方便灌装 液氮。 考虑以上各种要求，杜瓦罐设计为长方体，长2 7 5 m m ，高3 0 0 r a m ，厚 度为1 2 5 r a m ，中间挖切圆柱空洞便于铁心穿套。在其顶部开一小孔，小孔 距前端3 0 r a m ，高度为2 5 r a m ，用以充灌液氮。超导线圈便绕制在罐内圆柱形 骨架上面，四周充以液氮，维持高温超导体的工作环境温度。每次充灌液氮 量约为7 l 左右。杜瓦罐整体外观图如3 7 图所示，具体制造参数如图3 8 。 l o 图3 7杜瓦罐立体图图3 - 8杜瓦罐二视图 3 2 3 空心线圈的临界电流 高温超导带材的通流能力对磁场相当敏感，当高温超导带材处于磁场中 时，随着磁场的大小和磁场方向的不同，超导带材的临界电流会有不同程度 的衰减，图3 - 9 是n s t 公司提供的高温超导线材在承受不同的平行场和垂直 场时临界电流的衰减系数曲线。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 糍 甏 器 羹 黪”。2 一” 4 | ，量裹踅! ! 瑟墓薹鎏瞪 ，5 l 噩王的衰减i “ ，八谨 、 。， l j 、k i 。 、 、卜 ik h !e l h 。镕 。一! ，。一t # 。l 一。 图3 - 9温度7 7 k 时临界电流随作用在带材上的垂直 和平行方向磁场变化而衰减的曲线 图3 - 9 可以看出，高温超导线材的临界电流受加在其上的磁场的影响很 大，受垂直场的影响大于受平行场的影响。磁体制成后出厂性能测试时没有 配置铁心。此时，磁体是空心结构，通电时，超导线圈处有较大磁场，故此 时测量得到的磁体临界电流较安装铁心以后的磁体临界电流有所降低。空心 磁体临界电流测试如下： 实验方法：向低温杜瓦内灌入液氮，当磁体冷却下来以后，再向杜瓦内 补充液氮直至灌满整个杜瓦，手动调节电流源的输出从0 a 3 9 a 调节，用纳 伏表监测磁体端电压的变化情况。 将测试结果绘制成图3 1 0 所示曲线，横坐标为线圈中流过的电流，纵坐 标为线圈两端的电压。当线圈处于超导态时，超导线圈电阻为零，只有接头 及常导引出线有微小电阻，因此测得的电压不会随电流增大而明显增大，只 有当超导线圈中的电流超过临界电流后，超导线圈失超，电阻明显增大，则 线圈两端电压明显上升。 其空心测试结果表明，其空心临界电流为2 8 a 左右。实际使用时，加装 铁心，磁场主要通过铁心闭合，超导线材处所承受的磁场将会减小，它的临 界失超电流应当高于空心线圈的临界电流。下节，将运用a n s y s 分析加装 铁心后的线圈临界电流。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 2 , 2 x l o 2 o x l o ，, s x l 1 瞅仃 4 x 1 一 耋怒2 x l 8 o x l o 6 m 1 。r 4 m 1 2 缸1 o ；o 卜_ m - - i - vc u r v e l ， d f 一， _ or o 3 6 9 1 2 1 51 82 2 42 73 03 33 6 4 2 i 图3 - 1 0空心磁体i v 测试曲线 3 3 基于a n s y s 的电磁场分析 通过有限元仿真软件a n s y s 可以较为准确的计算悬浮系统的电磁量， 仿真结果对参数设计和实验具有指导作用，同时通过计算超导线材所乘受的 磁场，可以分析装有铁心后，超导线圈的临界电流情况，以确保超导线圈的安 全。 3 3 1 加装铁心超导临界电流分析 超导悬浮系统中，超导线圈装有铁心，为了确保超导线圈正常工作，有 必要分析加装铁心后的超导线圈的临界工作电流情况。 加装铁心后，虽然主磁通通过铁心闭合，但在超导线圈处仍存在漏磁， 所以超导磁体的临界电流仍会受磁场影响而降低，但其影响程度应当小于空 心线圈。 下面分析加装铁心后铁心与导轨间气隙为l o m m 时，该超导线圈的临界 电流。利用a n s y s 分别计算出超导线圈通以不同电流值时，超导线材所承 受的最大平行场和垂直场，查阅图3 - 9 n t s 公司提供的温度7 7 k 时，临界电 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 流随作用在带材上的垂直和平行方向磁场变化而衰减的曲线，并按制造商说 明，工程应用时，考虑5 的机械应力衰减，计算出下表： 表3 - 5超导线圈临界电流计算结果 超导电流( a )最大平行场( t )最大垂直场( t )临界电流( a ) 2 90 0 4 6 4 8 2 0 0 3 8 6 9 1 4 0 9 3 3 0 0 0 4 8 0 9 00 0 4 0 0 1 6 3 9 8 9 3 l0 0 4 9 7 0 10 0 4 1 3 3 8 3 8 8 5 3 2o 0 5 1 3 1 4 0 0 4 2 6 5 4 3 7 8 2 3 30 0 5 2 9 2 90 0 4 3 9 6 1 3 6 8 0 3 40 0 5 4 5 4 60 0 4 5 2 5 53 5 7 8 3 4 8 80 0 5 5 9 6 2 0 0 4 6 3 7 3 3 4 9 0 3 50 0 5 6 1 6 40 0 4 6 5 3 23 4 7 8 3 60 0 5 7 7 8 30 0 4 7 7 8 73 3 7 9 以下是随超导电流增加，通过查阅图3 - 9 ，计算出磁场带来的超导临界 电流衰减系数的变化趋势如图3 1 l 。 藏 饔 器 图3 一l l临界电流衰减系数随电流增加的变化趋势图 下面以超导线圈通流2 9 a 时为例说明临界电流计算过程。利用a n s y s 计算得到此时线圈承受的最大平行场为o 0 4 6 4 8 2 ，最大垂直场为0 0 3 8 6 9 1 。查 阅图3 - 9 ，由最大平行场引起的临界电流衰减系数为o 8 1 4 0 7 ( 即衰减为原临 界电流的0 8 1 4 0 7 ) ，而最大垂直场引起的衰减系数为0 5 7 4 4 0 ，显然，垂直 场引起的临界电流衰减更大。考虑5 的机械应力衰减，超导线圈通流为2 9 a 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 时，其临界电流计算如下： m i n ( 7 5 。0 8 1 4 0 7 0 9 5 7 5 + 0 5 7 4 4 0 + 0 9 5 ) - - - 4 0 9 3 4 临界电流的变化趋势如下图所示： -_-、 - - - - 一 - - 十十 一 、 - - _ - - _ - - - k 露一 _ -r - - - 4 一 - - - - -i - - - ，- 量大王作电流点 - - _ 、 彗笈 _ - - - - - -。_ - - - - _ ： h _ - - - - - _- - - 盘量。- -_- 二二； ：； 4 ：f 一 - 。-_ - 。，一 超导电流，a 图3 - 1 2临界电流随超导电流增大而变化的趋势图 图中虚线代表超导线圈中的电流，而实线为超导线圈的临界电流。可见， 随线圈中电流增大，磁场增大，临界电流随之降低，实线与虚线相交处，即 为最大工作电流点。据以上分析，超导线圈的最大工作电流在3 4 8 8 a 左右。 但是，即使稳定悬浮时，超导电流也存在一定交流成分，这可能影响超导线 圈的通流能力，临界电流可能更低。同时，磁铁上下运动，电磁环境也随之 发生变化，对超导线圈的临界电流的影响更加复杂。实际使用时应考虑足够 裕量。 3 3 2 超导e m s 系统电磁场仿真 实验台的悬浮重量约2 5 0 k g ，本设计拟进行l o m m 定气隙悬浮。下面对 气隙为l o m m 时的超导悬浮进行分析，计算工作电流以及磁场分布情况。 下面通过三维电磁仿真定量分析超导悬浮系统的电磁量，其三维仿真模 型如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 图3 - 1 3超导悬浮磁铁三维仿真模型 铁心，导轨机械参数按实际几何参数建模，参阅3 1 节相关内容。超导 线圈5 9 4 匝，长度为8 1 r a m ，内径为1 9 3 r a m ，外径为2 0 9 r a m ，悬浮气隙为l o m m 。 导轨，铁心材料导磁特性按制造参数，b h 曲线如下图所示。 ， ， l f 0 工2 5 l s 2 5 铁心b h 曲线 1 工作电流的计算： 仿真时通以不同电流，可计算得出相应悬浮力。当通以1 2 5 4 的电流时， 悬浮力为2 5 0 0 9 n o 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 u n i t so f f o r c e ：( n ) c o m p o n e n t f o r c e - xf o r c e - yf o r c e z f 0 ，1 3 4 8 0 e + 0 10 6 5 1 4 t e + 0 00 2 5 0 0 9 e + 0 4 说明气隙为l o m m 时，要悬浮2 5 0 k g 的重物，超导电流大约需要1 2 鲋左右， 这比直接按磁路理论，不考虑漏磁时得出的值要大。 通过以上计算并结合前节临界电流分析，工作于l o m m 气隙时，超导电 流仅为1 2 5 4 ，超导电流有充足的安全裕量，即使考虑增重，短时冲击等影 响，也还有一定裕量，超导线圈应当可以安全工作。 但是，除去临界电流因素，超导线圈是否会失超，还取决于电流变化率， 交流损耗大小，制冷状况等等，其影响因素很多，且各个因素问又相互影响， 这也注定该项实验充满风险和挑战，是否可以正常悬浮需要通过实验进行验 证。 2 铁心及导轨中的带状磁密分布图 图3 - 1 5铁心及导轨中磁密带状分布图 从总体说，磁路中的磁场基本成对称分布，磁路中的磁感应强度远离铁 心的饱和此时铁心具有较好的线性调节能力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 3 气隙中磁密的分布情况分析 取从u 型磁铁磁极表面向上到导轨面中心路径上的磁感应强度b 值，每 间隔l m m 计算b 值于表3 - 6 ，z 代表离开磁极表面的距离。 表3 - 6电磁铁磁极中心路径上b 值列表 z ( m )b ( 7 ) 0 0 0 0o 4 2 1 1 7 0 0 0 10 4 2 0 4 7 0 0 0 20 4 2 0 0 1 0 0 0 30 4 1 9 7 9 0 0 0 4o 4 1 9 8 0 0 0 0 50 4 2 0 0 6 0 0 0 60 4 2 0 5 5 0 0 0 7o 4 2 1 2 9 0 0 0 80 4 2 2 2 3 0 0 0 90 4 2 3 3 8 0 0 1 00 4 2 4 8 2 根据上表绘制下图。x 轴代表距离磁级表面的距离。 ； ii5， 瘴膏加 图3 - 1 6 电磁铁极中心路径上b 值变化趋势图 由上图可知，磁场强度基本分布在o 4 2 t 左右，b 值变化不大，出现谷 值是因为边沿效应所致。 4 悬浮功耗分析 气隙为1 0 m m 时，超导悬浮电流为1 2 5 爿。若忽略超导回路电阻，超导 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 悬浮功耗为零。与常导悬浮相比，若常导线圈电阻为1 欧( 参照混合实验台常 导线圈电阻) ，则悬浮功耗为1 5 6 3 矿左右，超导悬浮大大节约了能量。 利用a n s y s 分别计算悬浮气隙为1 0 m m 时，悬浮重量为 2 0 0 k g ，5 0 0 k g ，8 0 0 k g 时，悬浮所需要的工作电流，与常导悬浮功耗进行对比分 析。 表3 7不同悬浮重量下超导悬浮与常导悬浮功耗比较 悬浮重量( 嘲线圈电流c a ) 超导悬浮功耗常导悬浮功耗 ( 阳( 叨 2 0 01 1 4o1 2 9 9 5 0 01 8 oo3 2 4 0 8 0 02 2 9o5 2 4 4 可见在悬浮重量增加时，常导悬浮的功耗增长迅速，而超导悬浮功耗始 终很低，超导悬浮在重载条件下低功耗优势更加明显。 选取不同的气隙值，悬浮重量为2 5 0 k g ，重复以上仿真，与常导悬浮进行对 比，结果见下表： 表3 - 8不同气隙时超导悬浮与超导悬浮功耗比较 悬浮气隙( m 埘)线圈电流似)超导悬浮功耗常导悬浮功耗 ( 聊 ( g o 1 01 2 501 5 6 3 1 51 9 2o3 6 8 6 2 02 5 706 6 0 5 悬浮气隙越大，超导悬浮的低功耗优势愈加明显。如果超导线材性能瓶 颈能够取得突破，与常导悬浮相比，超导悬浮有利于实现更大重量，更大气 隙的悬浮。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 第4 章高温超导e m s 系统建模及其控制 与原有超导e d s 悬浮不同，高温超导e m s 悬浮系统是主动控制型悬浮， 本章将分析超导e m s 悬浮的动态模型和控制方法。 4 1 单磁铁超导e m s 悬浮模型的建立 4 1 1 单磁铁超导e m s 悬浮动态模