常导超导磁悬浮演示试验装置设计资料

个启示：简单的演示实验装置也能够说明磁悬浮列车等高新技术的工作原理，磁悬浮并不是遥不可及的。悬浮力(垂直),导向(水平左右)和推进力(水平前后)。怎样通过对三个力的1)磁悬浮地球仪的工作原理：2)磁悬浮电动牙刷的工作原理：这种牙刷能够利用高速音波振动除去牙垢，每分钟振动达到31000次。工作原理是：通过不断切换驱动部位电磁铁的N极和S极每秒约切换516次，时436公里的速度。日本开发的磁悬浮列车MAGLEV(MagneticallyLevitated浮列车也称超导磁斥型，以日本MAGLEV为代表。它是悬浮气隙较大，一般为100毫米左右，速度可达每小时500公里以上。这两种磁轮轨铁路出现在1825年，经过140年努力，其运营速度才突破200公里/小时，由200公里/小时到300公里/小时又花了近30年，虽然技术还在完善与发展，代价是很高的，300公里/小时高速铁路的造价比200公里/小时的准高速铁路高近两倍，比120公里/小时的普通铁路高三至八倍，继续提高速度，其造价还将急剧上升。与之相比世界上第一个磁悬浮列车的小型模型是1969年在德国出现的，日本是1972年造出的。可仅仅十年后的1979年，磁悬浮列车技术就创造了517公里/小时的速度纪录。目前技术已经成熟，可进入500公里/小时实用运营第二，磁悬浮列车速度高，常导磁悬浮可达400-500公里/小时，超导磁悬浮可达500-600公里/小时。对于客运来说，提高速度的主要目的在于缩短乘客考虑，300公里/小时的高速轮轨与飞机相比在旅行距离小于700公里时才优越。而500公里/小时的高速磁悬浮，则比飞机优越的旅行距离将达1500公里以上。第三，磁悬浮列车能耗低，据日本研究与实际试验的结果，在同为500公里/时速下，磁悬浮列车每座位公里的能耗仅为飞机的1/3。据德国试验，当TR磁悬浮列车时速达到400公里时，其每座位公里能耗与时速300公里的高速轮轨列车持平；而当磁悬浮列车时速也降到300公里时，它的每座位公里能耗可比轮轨铁路低33%。常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁吸10毫米，是通过一套高精度电子调整系统得以保证的。此外由于悬浮和导向实超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的超导磁悬浮列车也是由沿线分布的变电所向地面导轨两侧的驱动绕组提供检测轨道与列车之间的间隙，使其始终保持100毫米的悬浮间隙。同时，与悬浮持、长春客车厂、中科院电工所、国防科技大学参加，共同研制的长为6.5米、宽为3米、自重4吨、内设15个座位的6吨单转向架磁悬浮试验车在铁科院环行试进行了试验，并于1998年12月通过了铁道部科技成果鉴定。道约1厘米处运行，而实现这一功能的主要部件之一就是轨道梁，它既是承载列磁悬浮(EMS)及永磁悬浮(PMS)三种，表1-1中作了性能比较1.4.2电磁悬浮(EMS,磁吸式)上的-01,-03型)德国transrapid磁悬浮列车(图中为轨道)与日本HSST磁悬浮列车1.4.3永磁悬浮(PMS,磁吸式)电磁铁吸收力永磁吸力或斥力悬浮高度(mm)闭环控制机械止挡避免触轨铝板或短路线圈无中速、高速中、长距离日本MLU日本MLX日本HSST以可控电磁铁为主形成磁吸式系列常导型和日本所采用的超导型。从悬浮技术上讲就是电磁悬浮系统(EMS)和电力悬浮系统(EDS),以及在早期采用的永磁悬浮(PMS),但由于简单的控制手段难以保证良好的平稳性，已经淘汰，在此故不作细论。图4给出了两种系统的电磁悬浮系统(EMS)是一种吸力悬浮系统，是结合在机车上与行车轨道之间的悬浮间隙为10毫米，是通过一套高精度电子调整系统得以保电力悬浮系统(EDS)将磁铁使用在运动的机车上以在导轨上产生电流。由轨铁路低33%。计算悬浮力的公式为：从式(2)可以看出，悬浮力主要取决于磁极的物理参数!励磁线圈安匝数以及气隙长度。2.1.2磁极侧向偏移时的悬浮力和导向力在设计悬浮系统的时候，磁极和导轨部分都做成形，目的是使系统在提供悬浮力的同时，利用磁极左右摆动时产生的反方向的横向力让磁极回到中心位置，从而起到侧向导向的作用。磁极侧向偏移时悬浮力和导向力的近似计算公式：2.1.3磁浮列车的驱动原理磁悬浮与线性驱动是磁浮列车两大技术特点，现在从驱动角度来分析选型。用线性电机取代轮轨机车中的旋转电机，纵向(列车运行方向)牵引力不受轮轨黏着力限制，这决定了磁浮列车具有牵引力大、爬坡能力强、起动快和速度高等一系列优点。磁浮列车采用的线性电机有两种不同型式，它们的主要技术特征见下表。电机定子绕组安装位置功率因数低小大低高是否要受流器需要不需要车辆型号日本HSST德国TR,日本MLU相交流绕组是铺设在地面线路两侧，动力电源VVVF(变频变压变流器系统)也是夹扣短定子线性异步电机驱动日本HSST磁浮列车采用短定子线性异步电机，线性异步电机定子三相绕组布置在车上两侧，而异步电机转子结构简单，由4mm左右的铝板铺设在线路与车上定子位置相应的两侧。所以，短定子磁浮线路的造价远低于长定子磁浮线路。由于电机绕组在车上，所以动力电源(VVVF)也必须装在车内，从地面供电轨从运行控制方面来说，短定子磁浮列车控制是在车上完成的，相对比较容易。但是，对磁浮列车线性异步电机控制时，必须使线性异步电机的法向力(垂向力)的影响降至最小。2.1.4参数图2-1所示物理模型的基本参数：单个励磁线圈得匝数N为360;单个气隙长度D为10;磁极宽度p为28;磁极长度1为1250。ANSYS磁场分析圈加上10080A的电流，可以获得图2-4所示的磁力线分布图以及图2-5所示的气(1)磁极侧向偏移回到中心位置。表2-1给出了磁极极面宽度为28,线圈励磁电流为10080A时，0(2)列车通过弯道(1)磁极铁芯和导轨的极面同时加宽图2-7和图2-8给出了相同的励磁安匝数下，在磁极宽度分别为28mm、可达30%,而磁极宽度为36mm时，偏移量可达40%。也就是说，在增加磁极图2-7悬浮力的变化图2-8导向力的变化(2)加宽导轨内侧极面增加导轨内侧极面的宽度。通过分析，得到的结果如图2-9和图2-10。从图中可以看出，单侧极面柱宽度每增加14%(4/28),在磁极侧移时，悬浮力的增加约为300N·m(约为无侧移时的2.9%)的定值，而导向力则几乎保持不变，总的效果不是十分明显(3)增大线圈励磁在设计参数已定的情况下，要增加悬浮力，则只能增大线圈的励磁电流。在这里对列车通过弯道处时由于磁极铁芯跟导轨极面不重合情况下悬浮力的损失及电流补偿进行分析。考虑到图2-6中两块不重合区域的对称性，分析时只取半个磁极模块1.2m的长度，并把这1.2m分成6段，对每段的磁极偏移造成的悬浮力损失加权平均，得到整个模块总的悬浮力损失。图2-12导向力的变化对比2.3常导磁悬浮系统设计总的来说，影响悬浮力的因素有下面4个：物理参数、励磁电流、磁极侧向偏移、涡流。的是极宽为28mm的磁极，但悬浮能力有限，主要是温升限制了励磁电流的大小。可以得到温升的计算公式：将设计参数代入式(11)可得也就是说，如果允许温升为80℃,则最大允许励磁电流为17.54A。要改善温升，一方面可以采用高温升等级的耐热材料；另一方面，可以采用电阻率低的材料作为线圈材料，或改善线圈的散热条件。至于涡流，在对整车的悬浮模块进行分析时，涡流的影响不是很大。为了更有效地减小涡流的影响，可以采用薄钢板代替整块钢或是高电阻的磁钢。实际上，在列车速度超过100km/h时，对设计影响更大的是牵引异步电机的效率和功示。测量超导转交温度主要有电测法和磁测法两种图3—2表示锡的转变，由线1、2、3分别表示纯锡单品、纯锡多品及不纯变宽度增大。通常把样品电阻下降到正常态电阻值一半时所处的温度定为Tc。自然会产生这样一个问题：在超导态下电阻真是完全消失了吗?为研究这个问题，昂尼斯作了更灵敏的实验——超导环中的持续屯流实验。大家知道，若将一金属环放在变化着的磁场下，则环内就会产生感应电动势。如果以L表示环的其中t=L/R表示电流衰减时间。对于正常金属来说，t很小，环内电流很快衰减为零。然而对于超导环，情况完全不同。昂尼斯先把超导环置于磁场中，然后使它冷却转变为超导态，再将磁场撤掉，这时在超导态的环中感生一电流。实验发现，此电流衰减极小。由此得知，对于超导态的铅而言，如果它有电阻的话，其电阻率将小于10-16。其后柯林斯曾使一超导环中的电流持续了约两年半之久，而末发现电流有明显变化。奎思等人作了类似的实验，他指出超导态铅的电阻率看来，认为超导态金属具有零电阻是合适的。应该指出，只是在直流电情况下才有零电阻现象。如果电流随时间而变化，那就会有功率耗散，但在低频下功率损耗很小。当频率高于10¹Hz时，其电阻将达到正常金属的电阻值。Hc(T)=Hc(0)[1-(T/Tc)²]图3-3一些超导体磁场随温度变化曲线从图3—3可以看出，在图3-4超导体相图所表示的，在一定温度下，增大磁场可以使超导体从超导态进入正常态。在一定磁场强度下，提高温度出可使之进入正常态。当然也可以同时改变温度和磁场强度，像图中斜箭头所示的那样。当通过超导线的电流超过一定数值(Ic)后，超导态便被破坏。Ic称为超导体的临界电流。昂尼斯开始时认为这是由于导线中的所谓“不良点”使电阻恢复。但是，当实验上发现了临界磁场之后，西耳斯比提出，这种由电流引起的超导一正常转变是场致转变的特殊情况。换句话说，电流之所以能破坏超导电性，纯粹是因为它所产生的磁场(自场)而引起的。西耳斯比提出了下面的假设：在无外加磁场的情况下，临界电流在样品表面所产生的磁场恰等于Hc。现在称之为西耳斯比定则。在半径为r的超导线中通过电流I时，在超导线表面上产生的磁场强度H为：如果I足够大，使得H超过Hc(T),那么超导态就被破坏。按西耳斯比定则可由下式得出临界电流：Ic=2πrHc(T)其中Ic(0)代表在了=0K时超导体的临界电流。(3)迈斯纳效应直到1933年，人们从零电阻现象出发，一直把超导体和完全导体(或称无阻导体)完全等同起来，完全导体有其特殊的磁性质，而1933年迈斯纳和奥克森菲尔德的磁测量实验表明超导体的磁性质与完全导体不同。在完全导体中不能存在电场，即E=0,于是有：图3—7表示一长圆柱形完全导体的磁化情况。图中A点表示零场下B=0的完全导体。当沿圆柱轴线加一均匀外磁场，并使外加磁场强度H等于临界碰对于超导体，与图3—7相应的图如图3—8所示。利用图3—9所承的示意浆置，可以观察超导体的迈所纳效应。在长圆杆体向加一磁场。这时与探测线路串联的冲击电流计G有一正向偏转α,其大小与进入样品的磁通量成正比，然后缓慢地冷却样品，去或重新增加外磁场(<Hc),只要样品的温度T<Tc.冲击电流计G的偏转均为现在使外加磁场B随时间变化，根据法拉第原则，磁场变化所引起的感应电动其中L是线圈的自感。由于在超导态金属回路中无电阻，所以上式右方欧姆电压项应为零，于是积分上式即得：Li+Bs=常数Li+Bs恰是穿过线圈的总磁通量。上式表明，只要回路是无阻的，则穿过一闭合无阻回路的总磁通量就保持为常数。无阻回路的这一性质有重要应用。例如在使用超导螺线管产生磁场时就可以利用这个性质以形成持续工作态。直流电源E给出于超导态的超导螺线管5供电流，用变阻器R调协电流以达到所需要的磁场强度。当已达到所需磁场时，可以合上超导开关AB、ABs形成一闭合无阻电路，于是在回路中的磁通量必然保持不变。这样，由超导螺线管所产生的磁场就不会随时时间改变。这时我们可以断开Ki以切断电源E,而磁场仍能由ABs回路中的电流保持，达叫作超导螺线管的持续工作状态。实际的超导开关是利用超导材料发生正常一超导相变时从有阻变到无阻这一特性制作的，利用温度控制、磁场控制或电流控制相应的临界参量Tc,Hc,Ic的办法，可以使超导外关打开或者合上。当通过上述控制法使超导开关的材料处于超导态时，就表示超导开关闭合了，反之，就是打开了超导开无阻回路前述性质的另一重要应用是超导屏蔽外磁场。如果在没有外磁场时冷却回路，使成为无阻回路，于是初始条件是：穿过线圈的磁通Φ=0,随后，我们可以加上外磁场，但由于无阻电路的特性，穿过这回路的净磁通仍应是零。利用这一点，我们可以使用中空超导圆柱体去屏蔽外磁场，当中空圆柱体足够长时，这种屏蔽作用是相当好的。3.2超导磁悬浮的原理下图说明磁悬浮的原理.其中图(a)为两个永磁体同性磁极相对时产生排斥力；图(b)为两个通有反向电流的超导圆线圈产生排斥力；图(c)上部的载流超导圆线圈与理想导体板下面的镜像圆线圈产生排斥力.与图(b)和(c)对应由二平行载流直导线相互作用力的公式可近似算得斥力为：式中L为矩形线圈周长，即L=所以料制成的线圈.3.3超导磁悬列车的物理模型超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性和完全抗磁性。超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成，它不仅电流阻力为零，而且可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流，这种特性使其能够制成体积小功率强大的电磁铁。超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集成设备，而列推进系统：磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机磁铁线圈的作用就像是同步直线电动机的励磁线圈，地场驱动绕组起到电枢的作用，它就像同步直线电动机的长工作原理可以知道，当作为定子的电枢线圈有电时，由于电磁感应而推动电机的转子转动。同样，当沿线布置的变电所向轨道内侧的电力时，由于电磁感应作用承载系统连同列车一起就像电机的"转子"一样被推动图3-11说明日本磁悬浮列车样机所采用的推-挽型磁推进系统的原理。列车磁铁的极性是恒定的。沿轨道两旁铁栅栏放置的、由超导线圈制成的电磁铁简轨道电磁铁与(1)有所不同。对比图(1)与图(5)可知，此时列车已前进了图中车身长度的2/3。通俗的讲就是，在位于轨道两侧的线圈里流动进是因为列车头部的电磁体(N极)被安装在靠前一点的轨道上的电磁体(S极)所吸引，并且同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体(N极)所排斥。当列车前进时，在线圈里流动的电流流向就反转过来了。其结果就是原来那现在变为N极线圈了，反之亦然。这样，列车由于电磁极性的转换而得以持续向分析它们的静态和动态特性。实际上它们是感应电流和外场相互作用产生的洛沦兹力的两个垂直分量。本文将在高温超导磁悬浮实验车实际运行的基础上综对该变化的影响。在综合考虑悬浮力和导向力的基础上给出高温超导磁悬浮系向。块材先在场冷高度(FieldCoolingHeight)液氮冷却，晶面朝下。接着竖试。6分钟后，块材在工作高度出做水平往复运动。本实验共设计了四组实验，图3-12给出了五组悬浮力弛豫测试结果，测试时间总长360秒。不同的倍多。可见对于排斥式悬浮工作点高度对悬浮力影响较大。如图3-12所示，由360秒后，块材保持工作高度不变，平行于出横向运动过程中悬浮力和导向力的变化曲线。块材先向右运动至+6mm处，返次数的增加而减小。另一方面实验也同时测量了横向运动过程中的导向力曲◆Z大约为93.5N,第一循环后悬浮力减少到81.5N,第二循环后衰减至78.0N,图3-15给出了一个循环的不同最大横向偏移量的导向力曲线.插图曲线对应的运动是块材从导轨正上方向最大偏移量处运动，然对于去程(从原点向正方向最大位移处运动)的曲线是重叠的。回程曲线差别较46、23、15和12,所以图3-16中每条曲线的点疏密程度略微不同。总的来说图3-15不同最大横向偏移量对导向力曲导轨正上方时的悬浮力出现了突增。12mm曲线在348s,第9次经过导轨正上方时的悬浮力也出现了突增。这是因为在测试程序中故意中断了5s,以观察悬浮力当2脚，即比较器A2的反相输入端加进电位低于ADD的触发信号时，则的饱和压降Vces筘制VT15的基极处于低电平，使V