永磁轨道上方高温超导块材磁悬浮实验与仿真研究

1、永磁轨道上方高温超导块材磁悬浮实验与仿真研究    研  究  生  学  位  论  文 永磁轨道上方高温超导块材磁悬浮实验与仿真研究 本学位论文的主要创新点如下：1. 实现了高温超导磁悬浮测试系统(SCML-2)各项测试功能的优化。包括悬浮力与导向力测试功能的调试与优化(3.3节)、悬浮力刚度与导向力刚度测试功能的调试与优化(3.4节)。该测试系统是西南交通大学超导技术研究所自主研发的，在超导磁悬浮性能测试方面，世界上未见有类似测试系统报到。2. 首次

2、提出了一种求解高温超导块材磁悬浮特性的三维数值模型(4.2节，4.3节，4.4节，4.5节)。三维模型采用虚拟电导率的方法，首次实现了将高温超导块材分为两种块材叠加来模拟超导块材内部的电流各向异性。到目前为止国际上未见报道。3. 首次研究了永磁轨道上方有限尺寸高温超导块材内部电磁分布的端面效应。到目前为止国际上未见报道(5.1节)。4. 首次通过三维数值模拟方法研究了高温磁悬浮系统的磁悬浮力优化设计方法。包括永轨道各结构尺寸比例值与高温超导悬浮力性能的关系研究(6.2节)；高温超导块材临界电流密度与外磁场结构对悬浮性能的影响(6.4节)。目前为止国际上未见报道。 

3、摘   要自从1986年发现了可以工作在液氮温区的YBCO高温超导体以来，世界上许多科学家纷纷对其表示了极大的兴趣并投入大量的精力进行研究，使得高温超导体的性能不断提高，为其在工程方面的应用开辟了广阔的前景。由于YBCO高温超导块材拥有较强的磁通钉扎能力而具有自稳定的悬浮特性，因此具有巨大的应用潜力。本研究小组对高温超导磁悬浮列车系统进行了大量的研究工作，并于2000年12月31日研制成功世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车。为了使高温超导磁悬浮车系统早日走向工程应用，系统实验研究耗资巨大，所以，本论文提出了一种求解高温超导块材磁悬浮特性的三维数值模型，描述了该磁悬浮三维数值计

4、算原理。本三维模型采用虚拟电导率的方法，将高温超导块材分为两种块材叠加来模拟超导块材内部的电流各向异性；论文中详细地描述了两中种永磁轨道产生的轨道磁场的解析计算方法以及三维模型的数值求解过程，采用有限元方法结合时域差分法，使用迭代法处理非线性耦合问题。在FORTRAN平台上编写实现了高温超导磁悬浮三维数值模拟计算程序，同时实验验证了该程序的正确性。从而为高温超导磁悬浮车系统的悬浮性能数值模拟研究和优化设计提供了理论指导。通过三维仿真模型对高温超导磁悬浮车用永磁导轨上方高温超导块材电磁特性进行了模拟计算，研究了超导块材在沿永磁轨道无限长方向垂直面内对称外磁场中端面效应。该研究揭示了由于超导块材端

5、面效应的存在，虽然外磁场在永磁轨道无限长方向无磁场分量，但是超导块材内部沿此方向的磁场分量不为零，这是与目前世界上二维超导磁悬浮计算所不能做到的结论不同。使用实验与数值计算相结合的方法，研究了高温超导块材在分布对称式永磁轨道和Halbach结构永磁轨道上方悬浮力特性。实验研究和数值计算了在分布对称式永磁轨道下，高温超导块材在零场冷下悬浮力磁滞回线与超导块材横向水平偏移量之间的关系；最大悬浮力与超导块材横向水平偏移量之间的关系。在Halbach结构永磁轨道下，悬浮力磁滞回线与超导块材横向水平偏量之间的关系；最大悬浮力与超导块材横向水平偏量之间的关系。研究结果还表明，模拟计算和实验结果能够较好的吻

6、合。代写博士学位论文通过三维仿真计算，研究了高温超导磁悬浮列车系统几何参数和物理参数对悬浮性能的影响。对于分布式永磁轨道，高温超导磁悬浮性能随着轨道高度的增加和宽度的增加而在一定范围内增加，当永磁轨道横截面积一定时，与永磁轨道的宽度与高度的比值紧密相关。对于Halbach结构永磁轨道，高温超导块材的磁悬浮性能比较复杂。在轨道其它参数保持不变的情况下，高温超导磁悬浮性能随着主磁体宽度的增加不仅取决于主磁体宽度与聚磁体宽度的比例，还与主磁体宽度与永磁轨道的高度的比例相关。高温超导磁悬浮性能与聚磁体宽度之间的关系和主磁体宽度与聚磁体宽度的比例值、主磁体宽度与永磁轨道的高度的比例值密切相关。通常上述各

7、比例数值一定的情况下，永磁轨道横截面积的增大能够在一定范围内提升悬浮性能。通过仿真计算了分布式永磁轨道上方高温超导块材在不同临界电流密度下的悬浮力曲线、Halbach结构永磁轨道上方高温超导块材在不同临界电流密度下悬浮力曲线，得出超导块材临界电流密度对超导体磁悬浮性能的提升，与外磁场结构有着密切的关系。单纯的提升超导块材材料性能，未必能达到优化磁悬浮性能的最终目点的。 关键词：高温超导体；磁悬浮力；永磁导轨；三维模型；优化设计 Abstract Since the first discovery of YBCO of high-temperature superc

8、onductors(HTS) in 1986 which can operate at temperatures within the cooling capabilities of liquid nitrogen，Many scientists on the world have expressed a great interesting in it and done a lot of research. So the performance of the HTS is improved constantly， and it makes its application in engineer

9、ing became easier. Because the YBCO bulks have strong flux pinning effect， the stable levitation can be achieved without any complex control system out of superconducting materials. Bulk superconductors have great potential. Our group did a lot of research on HTS maglev vehicle system and successfully developed the first man-loading HTS magl