高溫超導(dǎo)懸浮系統(tǒng)在場冷條件下的磁剛度研究.pdf

1、高溫超導(dǎo)懸浮系統(tǒng)是以第 II類非理想高溫超導(dǎo)體為核心材料的電磁懸浮系統(tǒng)。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，如高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承、高溫超導(dǎo)磁懸浮列車等，具有廣泛的應(yīng)用前景，并已實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)。第 II類非理想高溫超導(dǎo)體的強(qiáng)磁滯特征決定了系統(tǒng)的宏觀物理、力學(xué)行為。由于超導(dǎo)塊材的強(qiáng)磁滯特性，如何描述塊材在磁場中的俘獲磁通行為，進(jìn)而計(jì)算系統(tǒng)的宏觀力學(xué)性質(zhì)，成為求解高溫超導(dǎo)磁懸浮問題的關(guān)鍵。針對(duì)與磁剛度密切相關(guān)的超導(dǎo)磁懸浮力，博士論文首先基于電流和磁場相關(guān)聯(lián)的Ki

2、m臨界態(tài)模型和Maxwell方程組，考慮超導(dǎo)體內(nèi)部臨界電流密度與磁場的函數(shù)關(guān)系，以屏蔽電流穿透深度為基本變量，建立了隱含屏蔽電流穿透深度的半解析微分方程。采用迭代法進(jìn)行數(shù)值求解，得到了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合的磁懸浮力結(jié)果，驗(yàn)證了理論模型的有效性。進(jìn)而分析了近場冷卻情況下，超導(dǎo)磁懸浮力的典型特征，給出了超導(dǎo)磁懸浮力隨系統(tǒng)物理參數(shù)與幾何參數(shù)的變化規(guī)律。
　　作為超導(dǎo)體應(yīng)用之一的高溫超導(dǎo)懸浮系統(tǒng)，其磁剛度特性研究一直是超導(dǎo)懸浮系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)

3、，受到廣泛關(guān)注。磁剛度是衡量懸浮系統(tǒng)穩(wěn)定性能的重要物理量之一，在研究方法和變化規(guī)律上仍然存在一些問題未被清晰揭示。目前，磁剛度的測(cè)試結(jié)果較多，理論研究較少。在磁剛度測(cè)量上，通常測(cè)量小滯回距離對(duì)應(yīng)的磁懸浮力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而這個(gè)距離的選取具有較大的隨意性，甚至達(dá)幾個(gè)毫米，并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。由于塊材的強(qiáng)磁滯性，距離的選擇直接影響磁剛度結(jié)果。博士論文針對(duì)傳統(tǒng)的磁剛度認(rèn)知程度和實(shí)驗(yàn)處理方法，建立了與實(shí)際更為符合的磁剛度數(shù)據(jù)處理方法—極限擬合法。以

4、此方法為基礎(chǔ)，討論了近場冷卻情況下，高溫超導(dǎo)懸浮系統(tǒng)的磁剛度特征。進(jìn)一步地詳細(xì)分析了磁剛度對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的依賴關(guān)系，通過對(duì)超導(dǎo)體內(nèi)部屏蔽電流穿透情況和內(nèi)磁場變化情況進(jìn)行分析，對(duì)磁剛度的變化規(guī)律給予了合理解釋。
　　超導(dǎo)塊材的初始場冷條件是屏蔽電流穿透歷史的決定性因素之一，對(duì)系統(tǒng)的力學(xué)行為有較大影響。博士論文研究了先上升-后下降和先下降-后上升兩類典型初始場冷條件的區(qū)別。詳細(xì)討論了這兩種場冷情況下高溫超導(dǎo)懸浮系統(tǒng)的磁剛度特征，重點(diǎn)關(guān)注了

5、場冷高度對(duì)兩類情況下系統(tǒng)磁剛度的比對(duì)結(jié)果。給出了在先下降-后上升場冷條件下磁剛度隨臨界電流密度、外加磁場、超導(dǎo)體厚度等參數(shù)的變化規(guī)律。此外，基于屏蔽電流穿透深度理論，對(duì)高溫超導(dǎo)懸浮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制策略提出一些初步構(gòu)想。
　　除了準(zhǔn)靜態(tài)方面的應(yīng)用外，高溫超導(dǎo)懸浮系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)營中往往處于動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中，如何衡量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并將系統(tǒng)的宏觀動(dòng)力學(xué)性質(zhì)與超導(dǎo)體電磁運(yùn)動(dòng)本質(zhì)相關(guān)聯(lián)，是高溫超導(dǎo)動(dòng)力學(xué)研究的一個(gè)重要基礎(chǔ)課題。博士論文在這方面進(jìn)行了

6、一些探索工作?；贙im電磁本構(gòu)關(guān)系、Ampère環(huán)路定律，數(shù)值求解了懸浮體的動(dòng)力學(xué)微分方程，得到了系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)曲線以及超導(dǎo)體內(nèi)部多層電流的穿透特征廓線。討論了動(dòng)力系統(tǒng)的角頻率和動(dòng)磁剛度的時(shí)變性特征，指出動(dòng)磁剛度隨時(shí)間的變化規(guī)律符合Logistic函數(shù)關(guān)系。研究了場冷高度的影響，給出了動(dòng)磁剛度隨場冷高度的增加呈負(fù)指數(shù)關(guān)系減小的規(guī)律。從角頻率和單位位移增量兩個(gè)角度分別獲得了動(dòng)磁剛度的結(jié)果，進(jìn)行了對(duì)比分析，給出了兩種方法差異性的合理解釋。