预载对高温超导磁悬浮系统中横向运动引起的悬浮力衰减行为的影响

1、预载对高温超导磁悬浮系统中横向运动引起的悬浮力衰减行为的影响    论文导读:：悬浮力不断衰减。结果表明随着横向运动次数的增加。我们在前期的研究中提出了预载法。图.1给出了实验中所用的两种永磁轨道。 关键词：Y-Ba-Cu-O块材，悬浮力，横向运动，预载，永磁轨道    1 引言 高温超导磁悬浮车是通过车载高温超导块材（多采用YBCO块材）与地面永磁轨道系统的电磁互作用提供车体稳定悬浮所需的悬浮力和导向力1,2，其理想的工作状况是车体在运动过程中一直悬浮于永磁轨道的正上方，但实际情况下由于轨距偏差、外界干扰等因素的

2、存在，车体前行时将不可避免地伴随有不同程度的横向运动。针对这一问题，Song等3,4首先进行了实验模拟研究，结果表明随着横向运动次数的增加，悬浮力不断衰减，并且横向运动发生的偏移越大，对应的衰减越明显。Valle等5相关的理论计算结果也显示，随着横向运动次数的增加，悬浮力不断衰减，并且悬浮的位置越低，衰减得越快。为抑制这种横向运动引起的悬浮力衰减，提高系统的悬浮稳定性，我们在前期的研究中提出了预载法，并通过比较有无预载两种情况下横向运动引起的悬浮力变化情况，证实了这种方法的有效性6。但相关的研究还只是停留在方法的提出，未对不同情况下的预载效果进行深入的研究。 这里需要指出的一点是，所谓预载就是

3、指首先给高温超导块材施加一个较强的外磁场，然后降低外磁场，回到正常工作时的外磁场中。在高温超导磁悬浮车系统中，可通过让高温超导块材先运动到低于其悬浮高度处的某一位置（外场强），然后再上升到悬浮高度处来实现对高温超导块材的预载。就这种情形而言，对块材施加的冷却条件、块材悬浮的位置、预载的位置、外磁场的结构、块材的性能等因素都会对预载的效果产生影响，本文从这些因素出发，对不同工作条件下预载抑制横向运动引起的悬浮力衰减效果进行深入的研究，以为高温超导磁悬浮车系统的实际应用提供一定的设计依据。 2 实验装置和实验测试 2.1 实验器材 本文的实验测试是在高温超导磁悬浮测试系统SCML-02上进行的，S

4、CML-02是一套高精度多功能的高温超导块材磁悬浮性能专用测试设备。这套设备可以同时测试高温超导块材在外磁场中受到的悬浮力和导向力7。在本文的实验中主要关心的是横向运动中悬浮力的变化情况，因此利用这套设备我们可以研究横向运动对块材悬浮力的影响。 图.1给出了实验中所用的两种永磁轨道，其中Rail_A宽为130mm高为30mm，是由Halbach结构演变而来的轨道，这种轨道可以将大部分磁力线聚集到其上部空间，磁场利用率高8。Rail_B宽为128mm高为36mm，同样可认为是由Halbach结构演变而来，只是为保证轨道磁场沿纵向的均匀性，中间用聚磁铁板置换了永磁体，这种结构的轨道同样可以将磁场聚

5、集到轨道正上方，因此也有较高的磁场利用率9，不同的是Rail_A轨道上方磁场以水平分量为主，Rail_B轨道上方磁场以竖直分量为主。 图.2所示为实验中用到的两种块材。其中左图为长方体YBCO块材，是德国ATZ公司于2007年左右制备的，含有三个籽晶，其几何尺寸为68 mm×33mm×13 mm，在实验中，块材的长度方向与轨道的长度方向一致；右图为单籽晶圆柱体YBCO块材，是北京有色金属研究院在2000年左右制备的，其直径为30 mm，高为18 mm。           &

6、#160; 图. 1 两种永磁轨道的截面尺寸图                   图. 2 实验中两种超导块材的实物图           2.2 测试过程 首先向盛有超导块材的容器中注入液氮，冷却大约十分钟，使块材完全进入超导态，然后以0.5 mm/s的速度将块材下降到给定的预载位置，预载大约五分钟，再上升到预定的测试高度，

7、使块材在一定的位移范围内（6mm至-6mm）沿横向做往返运动14次，记录块材运动到轨道正上方时受到的悬浮力。 首先选用轨道Rail_A和长方体块材，在轨道正上方30 mm高度处场冷，设定工作位置为轨道正上方15 mm，测试无预载、预载高度为8 mm、10mm、12 mm、14 mm五种情况下横向往返运动过程中块材受到的悬浮力。依次分别改变冷却方式（采用零场冷）、工作位置（设定为20 mm）、永磁轨道（采用轨道Rail_B）、超导块材（采用圆柱体），保持其它条件不变，重复上述实验。 3实验结果与分析 图. 3是长方体三籽晶YBCO块材在Rail_A磁场中，场冷高度为30 mm，测试高度为15 m

8、m时，预载高度分别为8 mm、10 mm、12 mm和14 mm以及无预载等五种情况下，块材横向运动至轨道Rail_A正上方时受到的悬浮力随横向运动次数的变化关系。 由图. 3可见，工作高度为15 mm时，对于无预载情况，悬浮力最大值出现在起始时刻，即块材由处于轨道正上方的场冷位置竖直运动到测试位置，经过约五分钟的弛豫后开始测试时系统采集到的悬浮力。随着块材开始做横向运动，达到最大横向位移处（6 mm），然后返回至轨道正上方，继续横向运动至最小横向位移处（-6 mm），接着再反向继续横向运动这一运动过程的重复进行，发现块材运动到轨道正上方时的悬浮力不断衰减，虽然随着横向运动次数的增加，悬浮力衰

9、减的幅度逐渐降低，但在总的测试范围内，衰减还在继续，悬浮力还             图. 3. 不同预载条件下方形块材在轨道Rail_A上方横向运动至轨道正上方时受到的悬浮力随横向运动次数的变化关系。块材的场冷高度为30 mm，测试高度为15 mm                   图. 4. 不同预载条

10、件下方形块材在轨道Rail_A上方横向运动至轨道正上方时受到的悬浮力随横向运动次数的变化关系。块材的场冷高度为30 mm，测试高度为20 mm           未达到稳态。对于预载高度为14mm的情况，虽然起始时的悬浮力低于无预载下的悬浮力，但随着横向运动的开始和运动次数的不断增加，这种情况下的悬浮力快速接近并最终超过无预载下的悬浮力，但在这种预载高度下悬浮力随横向运动次数的增加仍然呈现逐渐衰减的态势，并未抑制悬浮力衰减。降低预载位置到12 mm，随着横向运动次数的增加，悬浮力在出现些许的衰减后，逐步进入了稳态，即不再随着横向运动的发生而变化，并且与无预载和14 mm预载高度两种情况相比，悬浮力虽然有所下降，但下降的幅度并不大。进一步降低预