永磁軌道上高溫超導(dǎo)塊材YBCO的導(dǎo)向性能實(shí)驗(yàn)與仿真研究.pdf

1、高溫超導(dǎo)磁懸浮由于高溫超導(dǎo)體自身較強(qiáng)的磁通釘扎特性，與其它傳統(tǒng)的物理懸浮(如電磁懸浮等)相比，具有自穩(wěn)定性好不需要任何控制、能耗低、無環(huán)境污染等十分突出的優(yōu)點(diǎn)。因此，它除高溫超導(dǎo)磁懸浮車之外還廣泛應(yīng)用于飛輪儲(chǔ)能、電機(jī)、電流限位器和高磁場(chǎng)磁體等方面。自2000年首輛載人高溫超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)車誕生以來，國(guó)內(nèi)外對(duì)處于永磁軌道上的高溫超導(dǎo)塊材的懸浮性能進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究工作，但目前有關(guān)研究的總體狀況為：實(shí)驗(yàn)多于理論，靜態(tài)多于動(dòng)態(tài)，懸浮性能多于導(dǎo)

2、向性能。特別是超導(dǎo)磁懸浮的理論研究，由于超導(dǎo)體E-J關(guān)系的強(qiáng)非線性、電磁耦合特性及其高溫超導(dǎo)體材料復(fù)雜的各向異性都大大增加了以YBCO塊材為代表的高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)磁懸浮數(shù)值計(jì)算的難度。
　　 對(duì)高溫超導(dǎo)磁懸浮車而言，系統(tǒng)的導(dǎo)向力特性關(guān)系著整個(gè)車系統(tǒng)的側(cè)向穩(wěn)定性，所以開展導(dǎo)向性能的研究無論從理論分析上還是在實(shí)際應(yīng)用中，都有其重要的意義。本文針對(duì)高溫超導(dǎo)塊材/永磁軌道組成的懸浮系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的導(dǎo)向性能分別從實(shí)驗(yàn)和理論上進(jìn)行了深入研究

3、。在已經(jīng)建立的求解高溫超導(dǎo)塊材磁懸浮力特性的三維數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，采用網(wǎng)格復(fù)用(用剖分超導(dǎo)體求解區(qū)域的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)來模擬超導(dǎo)體內(nèi)釘扎中心)來模擬高溫超導(dǎo)塊材在場(chǎng)冷情況下磁通釘扎特性。對(duì)于采用有限元技術(shù)剖分的求解區(qū)域，當(dāng)求解區(qū)域處于高溫超導(dǎo)體內(nèi)部時(shí)，判斷剖分的節(jié)點(diǎn)是否為高溫超導(dǎo)塊材內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，如果是內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，則在形成初始單元?jiǎng)偠染仃嚂r(shí)，強(qiáng)制賦予該節(jié)點(diǎn)處待求磁場(chǎng)初值為場(chǎng)冷高度時(shí)的外磁場(chǎng)值。通過這種網(wǎng)格復(fù)用的技術(shù)，用內(nèi)部剖分節(jié)點(diǎn)模擬高溫超導(dǎo)塊材內(nèi)部

4、的缺陷(釘扎中心)，從而達(dá)到模擬場(chǎng)冷時(shí)高溫超導(dǎo)塊材的磁通釘扎特性，即處理了場(chǎng)冷的情況。利用FORTRAN平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了編程。然后通過仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，證明了此算法的可靠性。
　　 在對(duì)高溫超導(dǎo)塊材電磁場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上，使用數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了高溫超導(dǎo)塊材在不同外場(chǎng)下的導(dǎo)向力特性。首先，通過建立由場(chǎng)冷高度與工作高度構(gòu)成的空間矩陣列，用數(shù)值計(jì)算全面地研究不同軌道外場(chǎng)(單峰磁場(chǎng)分布和多峰磁場(chǎng)分布)下同一場(chǎng)冷高度不同工

5、作高度、不同場(chǎng)冷高度下同一工作高度處的導(dǎo)向力和水平位移之間的關(guān)系；導(dǎo)向力磁滯回線和場(chǎng)冷高度、工作高度之間的關(guān)系，計(jì)算結(jié)果表明：由于外場(chǎng)結(jié)構(gòu)的不同，導(dǎo)向力特性在變化趨勢(shì)大致相同的情況下也表現(xiàn)出了不同的一面；同一條件下，多峰軌道下塊材的導(dǎo)向力變化更復(fù)雜。然后通過實(shí)驗(yàn)研究了不同外場(chǎng)下高溫超導(dǎo)塊材的可恢復(fù)區(qū)間與場(chǎng)冷高度、工作高度等之間的關(guān)系，指出塊材的可恢復(fù)區(qū)間不是與導(dǎo)向力的大小或?qū)蛄Φ拇艤?jiǎn)單地成比例關(guān)系，而是與外場(chǎng)結(jié)構(gòu)、場(chǎng)冷高度、工作高度

6、以及塊材的大小和形狀都密切相關(guān)，在相同條件下(場(chǎng)冷高度、工作高度、塊材的大小、形狀及籽晶數(shù)等)塊材在以鐵聚磁的單峰軌道上的可恢復(fù)區(qū)間優(yōu)于以永磁聚磁的多峰軌道。在此基礎(chǔ)上，提出了幾種如何增大可恢復(fù)區(qū)間的方法，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。同時(shí)實(shí)驗(yàn)研究了水平偏移過程中懸浮力和導(dǎo)向力隨時(shí)間變化快慢的情況，以及速度對(duì)力隨時(shí)間變化的影響，研究表明，在水平偏移過程中，懸浮力隨時(shí)間的變化較導(dǎo)向力隨時(shí)間的變化要大；測(cè)試速度對(duì)力隨時(shí)間的變化幾乎沒有實(shí)質(zhì)的影響。最后，

7、在前面研究的基礎(chǔ)上，考慮高溫超導(dǎo)磁懸浮車系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)由于某種原因?qū)е萝圀w暫時(shí)離開當(dāng)前的平衡位置而漂移到另一位置并且達(dá)到某種新的平衡態(tài)的情況，進(jìn)一步數(shù)值研究了高溫超導(dǎo)塊材相對(duì)于軌道空間運(yùn)動(dòng)時(shí)的懸浮力、導(dǎo)向力的變化。論文從最簡(jiǎn)單的直線通過路徑出發(fā)，研究了不同外場(chǎng)下不同通過曲線時(shí)塊材的懸浮特性，特別是對(duì)塊材的空間路徑為二次拋物曲線時(shí)的懸浮特性進(jìn)行了詳細(xì)的研究，研究表明，在不同曲線通過路徑下，導(dǎo)向力的路徑相關(guān)性很小，其大小主要依靠場(chǎng)冷的高度