不同温度下高温超导磁悬浮系统悬浮性能实验研究

论文摘要

高温超导磁悬浮是目前所有悬浮形式中唯一能够实现自行调节相对稳定的悬浮方式,其悬浮主要是通过非理想的Ⅱ类高温超导体在外磁场中的稳定悬浮来实现。由于高温超导体具有较高的临界温度,能够工作在液氮温区,因此基于高温超导磁悬浮的应用研发已非常活跃,根据应用结构的不同,大致可分为轴对称式应用和平移对称式应用。相比轴对称式高温超导磁悬浮系统,基于永磁轨道的平移对称式高温超导磁悬浮系统在77K以上或以下温度的悬浮性能的研究还甚少。为了全面描述这种平移对称式高温超导磁悬浮系统,研究其在更低温度下的一系列特性是非常有必要的。这一方面是完善理论的需要,另一方面又是工程应用的需要,因为在更低的温区系统可能具有很高的磁悬浮效率,从而发现高温超导磁悬浮的最佳工作温区。围绕平移对称式高温超导磁悬浮应用背景,本论文就不同温度下高温超导磁悬浮系统的悬浮性能展开了研究。论文的目的在于进一步提高和改善磁悬浮系统的悬浮性能,推进磁悬浮技术在平移对称式应用领域的实用化进程。对平移对称式高温超导磁悬浮系统而言,超导体本身的性能和永磁轨道磁场的分布及强弱是决定此系统悬浮性能的关键因素。而对于给定的高温超导体,系统的悬浮性能直接依赖于永磁轨道的磁场分布和强弱。因此,为了在更好的轨道场下研究不同温度下高温超导磁悬浮系统的悬浮性能,本论文首先对永磁轨道的磁路进行了选择和优化,构建了Halbach永磁轨道。计算结果表明Halbach永磁轨道能够将95%以上的磁通聚集在其上方,极大的提高了轨道磁场的利用率。接着,基于优化后的Halbach永磁轨道,实验探讨了由此轨道构成的磁悬浮系统在液氮温度的悬浮力性能,并与由目前高温超导磁悬浮车用永磁轨道构成的磁悬浮系统进行性能比较。结果表明Halbach永磁轨道的应用极大的增强了系统的悬浮性能,是平移对称式高温超导磁悬浮系统永磁轨道的较佳选择。同时,给出了超导块材与此永磁轨道之间较优的宽度比例。随后,本论文在西南交通大学超导技术研究所研制的高温超导磁悬浮1号测试系统的基础上搭建了高温超导磁悬浮低温实验平台,实验探讨了悬浮力的“连续测试”方法和“非连续测试”方法之间的关系和各自的适用背景。接着,借助于Bean临界态模型分析了圆环高温超导块材在外场中感应电流分布以及临界孔径的确定与温度之间的关系。在此基础上,利用低温实验平台,针对“场冷高度”、“工作高度”、“磁场强度”、“磁场分布”等因素,实验研究了平移对称式高温超导磁悬浮系统的低温悬浮力性能,得出了悬浮力趋于饱和时的温度依赖于场冷高度这一重要结论。同时,通过对系统悬浮力曲线的磁滞特性以及准静态力刚度等实验数据的深入分析,给出了平移对称式高温超导磁悬浮系统在液氮以下温度悬浮性能的影响因素和作用规律。并且从实用化的角度,进一步实验研究了“往返运动”、“运动速度”以及“运行时间”对系统悬浮力的影响与温度的关系。最后,为提高和改善磁悬浮系统应用的可靠性,本论文还探讨了高温超导块材在液氮以上温度的悬浮力性能,为高温超导磁悬浮系统的实用化提供实验依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 高温超导磁悬浮的悬浮原理
• 1.3 研究背景
• 1.4 国内外研究现状
• 1.4.1 液氮温度下高温超导磁悬浮系统悬浮性能研究现状
• 1.4.2 不同温度下高温超导磁悬浮系统悬浮性能研究现状
• 1.5 问题的提出
• 1.6 本论文的主要研究内容和目的
• 第2章 实验研究平台
• 2.1 国际上典型的高温超导磁悬浮低温实验平台介绍
• 2.2 HTS-PMG磁悬浮系统低温实验平台
• 2.2.1 K535斯特林制冷机
• 2.2.2 真空罩及块材夹具材料的选择
• 2.2.3 真空罩结构设计
• 2.2.4 块材夹具结构设计
• 2.2.5 温度传感器
• 2.2.6 HTS-PMG磁悬浮系统低温实验平台的组成及测试原理
• 2.3 小结
• 第3章 实验测试方式
• 3.1 1#永磁轨道
• 3.2 测试方式
• 3.2.1 “连续测试”方式
• 3.2.2 “非连续测试”方式
• 3.3 实验结果及分析
• 3.4 小结
• 第4章 超导悬浮系统的轨道场构建
• 4.1 Halbach永磁轨道的构建
• 4.2 永磁利用率
• 4.2.1 Halbach永磁轨道的永磁利用率
• 4.2.2 T型永磁轨道
• 4.3 块材组合在永磁轨道上方悬浮性能
• 4.3.1 SCML-02高温超导磁悬浮测试系统
• 4.3.2 块材组合在永磁轨道上方的悬浮力
• 4.4 块材与永磁轨道之间较优的宽度比例
• 4.5 小结
• 第5章 液氮及以下温度的悬浮性能研究
• 5.1 实验样品
• 5.1.1 圆环形YBCO块材
• 5.1.2 圆环块材在外场中的感应电流分布
• 5.1.3 块材临界孔径的确定
• 5.1.4 块材温度的确定
• 5.2 实验过程
• 5.3 磁通跳跃
• 5.4 温度对悬浮力、磁滞及悬浮力刚度的影响
• 5.4.1 温度对悬浮力的影响
• 5.4.2 温度对悬浮力磁滞的影响
• 5.4.3 温度对悬浮力及其磁滞的影响与场冷高度的关系
• 5.4.4 温度对悬浮力的影响与悬浮高度之间的关系
• 5.4.5 温度对悬浮力刚度的影响
• 5.4.6 温度对悬浮力刚度的影响与场冷高度的关系
• 5.5 磁场强度对悬浮力及其刚度的影响与温度的关系
• 2波峰位置、B_x波峰位置对悬浮力的影响与温度的关系'>5.6 轨道B₂波峰位置、B_x波峰位置对悬浮力的影响与温度的关系
• 5.7 往返运动对悬浮力的影响与温度的关系
• 5.8 运动速度对悬浮力的影响与温度的关系
• 5.9 运行时间对悬浮力的影响与温度的关系
• 5.10 小结
• 第6章 液氮以上温度的悬浮性能研究
• 6.1 实验过程
• 6.2 实验结果及分析
• 6.3 小结
• 结论
• 本论文的主要创新点
• 值得进一步开展的工作
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果
• 在学期间发表的论文
• 在学期间申请的专利
• 在学期间参加的科研项目