高溫超導(dǎo)磁懸浮三維理論模型及其數(shù)值計(jì)算研究.pdf

1、雖然高溫超導(dǎo)磁懸浮的理論研究已突破二維或軸對(duì)稱(chēng)情形的局限，逐步向更接近實(shí)際情況的三維情形靠攏，但目前的三維理論模型或者忽略高溫超導(dǎo)體的電磁各向異性或者對(duì)其作過(guò)多的簡(jiǎn)化處理，導(dǎo)致模型對(duì)高溫超導(dǎo)體電磁特性的描述不夠。因此，高溫超導(dǎo)磁懸浮的理論研究還有待進(jìn)一步完善。
　　 本文從Maxwell方程組和高溫超導(dǎo)體電阻率的各向異性出發(fā)，結(jié)合高溫超導(dǎo)體的電磁本構(gòu)關(guān)系，以矢量電位為狀態(tài)變量，建立了考慮高溫超導(dǎo)體電各向異性現(xiàn)象的三維電磁場(chǎng)控制方

2、程。為研究運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下高溫超導(dǎo)體的熱磁耦合問(wèn)題，給出了高溫超導(dǎo)體的溫度場(chǎng)控制方程。在數(shù)值實(shí)現(xiàn)方法上，分別采用Galerkin有限元和Crank-Nicolson-θ有限差分格式對(duì)控制方程進(jìn)行空間離散和時(shí)間離散。此外，為模擬永磁軌道中相鄰永磁體之間的縫隙引起的外場(chǎng)沿縱向的不均勻性，采用面電流模型建立了永磁軌道磁場(chǎng)的三維解析模型。
　　 在對(duì)模型的驗(yàn)證方面，詳細(xì)比較討論了不同運(yùn)動(dòng)模式下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，具體包括豎直運(yùn)動(dòng)下平

3、移對(duì)稱(chēng)場(chǎng)中的零場(chǎng)冷、場(chǎng)冷懸浮與懸掛三種情形以及軸對(duì)稱(chēng)場(chǎng)中零場(chǎng)冷情形；橫向運(yùn)動(dòng)下場(chǎng)冷懸浮、懸浮高度等于場(chǎng)冷高度與懸掛三種情形；縱向運(yùn)動(dòng)下懸浮力隨運(yùn)動(dòng)時(shí)間的變化關(guān)系。結(jié)果表明本文提出的三維理論模型可以很好地反映高溫超導(dǎo)體與外場(chǎng)的電磁作用力。在此基礎(chǔ)上，理論研究了三維運(yùn)動(dòng)下高溫超導(dǎo)塊材的磁懸浮特性。
　　 對(duì)于豎直運(yùn)動(dòng)，首先分析了工作條件、外場(chǎng)結(jié)構(gòu)、材料性能與幾何尺寸等影響因素對(duì)懸浮力的作用規(guī)律，接著討論了懸浮力的弛豫特性及其影響因素

4、的作用規(guī)律，得出提高塊材的材料性能或降低溫度，既可顯著提高懸浮力，也能有效抑制甚至避免懸浮力弛豫衰減的結(jié)論，最后從理論上證實(shí)了預(yù)載可以有效地抑制懸浮力的弛豫衰減，是提高系統(tǒng)懸浮穩(wěn)定性的一種有效手段。
　　 對(duì)于橫向運(yùn)動(dòng)，首先分析了工作條件、最大橫向位移、材料性能與幾何尺寸等影響因素對(duì)電磁力的作用規(guī)律，接著討論了高溫超導(dǎo)體的臨界場(chǎng)冷高度問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)隨著懸浮高度的增加、材料性能的提高或者溫度的降低，臨界場(chǎng)冷高度是逐漸降低的，隨后提出了

5、用于研究懸浮體橫向可恢復(fù)特性的最小能量法，最后就連續(xù)橫向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不同條件下懸浮力和導(dǎo)向力隨橫向運(yùn)動(dòng)次數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行了深入分析，并從理論上證實(shí)預(yù)載能夠有效地抑制橫向運(yùn)動(dòng)引起的懸浮力衰減。
　　 對(duì)于縱向運(yùn)動(dòng)，分為磁懸浮發(fā)射和磁懸浮軌道交通兩種應(yīng)用。就磁懸浮發(fā)射應(yīng)用而言，研究的內(nèi)容包括軌道縫隙、出口速度和溫度對(duì)懸浮力的影響規(guī)律以及不同出口速度和溫度下塊材內(nèi)最大溫升的變化規(guī)律；就軌道交通應(yīng)用而言，研究了不同場(chǎng)冷高度、懸浮高度、運(yùn)動(dòng)