高温超导悬浮系统在场冷条件下的磁刚度研究

摘要

高温超导悬浮系统是以第 II类非理想高温超导体为核心材料的电磁悬浮系统。在实际的工程应用中，如高温超导磁悬浮轴承、高温超导磁悬浮列车等，具有广泛的应用前景，并已实现了样机。第 II类非理想高温超导体的强磁滞特征决定了系统的宏观物理、力学行为。由于超导块材的强磁滞特性，如何描述块材在磁场中的俘获磁通行为，进而计算系统的宏观力学性质，成为求解高温超导磁悬浮问题的关键。针对与磁刚度密切相关的超导磁悬浮力，博士论文首先基于电流和磁场相关联的Kim临界态模型和Maxwell方程组，考虑超导体内部临界电流密度与磁场的函数关系，以屏蔽电流穿透深度为基本变量，建立了隐含屏蔽电流穿透深度的半解析微分方程。采用迭代法进行数值求解，得到了与实验结果吻合的磁悬浮力结果，验证了理论模型的有效性。进而分析了近场冷却情况下，超导磁悬浮力的典型特征，给出了超导磁悬浮力随系统物理参数与几何参数的变化规律。
　　作为超导体应用之一的高温超导悬浮系统，其磁刚度特性研究一直是超导悬浮系统安全设计的基础，受到广泛关注。磁刚度是衡量悬浮系统稳定性能的重要物理量之一，在研究方法和变化规律上仍然存在一些问题未被清晰揭示。目前，磁刚度的测试结果较多，理论研究较少。在磁刚度测量上，通常测量小滞回距离对应的磁悬浮力数据进行处理，而这个距离的选取具有较大的随意性，甚至达几个毫米，并没有统一的标准。由于块材的强磁滞性，距离的选择直接影响磁刚度结果。博士论文针对传统的磁刚度认知程度和实验处理方法，建立了与实际更为符合的磁刚度数据处理方法—极限拟合法。以此方法为基础，讨论了近场冷却情况下，高温超导悬浮系统的磁刚度特征。进一步地详细分析了磁刚度对系统参数的依赖关系，通过对超导体内部屏蔽电流穿透情况和内磁场变化情况进行分析，对磁刚度的变化规律给予了合理解释。
　　超导块材的初始场冷条件是屏蔽电流穿透历史的决定性因素之一，对系统的力学行为有较大影响。博士论文研究了先上升-后下降和先下降-后上升两类典型初始场冷条件的区别。详细讨论了这两种场冷情况下高温超导悬浮系统的磁刚度特征，重点关注了场冷高度对两类情况下系统磁刚度的比对结果。给出了在先下降-后上升场冷条件下磁刚度随临界电流密度、外加磁场、超导体厚度等参数的变化规律。此外，基于屏蔽电流穿透深度理论，对高温超导悬浮系统的实时控制策略提出一些初步构想。
　　除了准静态方面的应用外，高温超导悬浮系统的实际运营中往往处于动态运动状态中，如何衡量系统的稳定性，并将系统的宏观动力学性质与超导体电磁运动本质相关联，是高温超导动力学研究的一个重要基础课题。博士论文在这方面进行了一些探索工作。基于Kim电磁本构关系、Ampère环路定律，数值求解了悬浮体的动力学微分方程，得到了系统的时间响应曲线以及超导体内部多层电流的穿透特征廓线。讨论了动力系统的角频率和动磁刚度的时变性特征，指出动磁刚度随时间的变化规律符合Logistic函数关系。研究了场冷高度的影响，给出了动磁刚度随场冷高度的增加呈负指数关系减小的规律。从角频率和单位位移增量两个角度分别获得了动磁刚度的结果，进行了对比分析，给出了两种方法差异性的合理解释。进一步讨论了系统的磁阻尼性质，讨论了相对阻尼系数随时间、场冷高度的变化规律。给出了动磁刚度随临界电流密度常数呈负指数关系减小的性质，从超导体的钉扎能力角度进行合理解释。

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第一章 绪 论

1.1 超导发展概况

1.2 高温超导悬浮机理

1.3 研究现状和进展

1.4 本文的主要内容

第二章 场冷条件下的高温超导磁悬浮力

2.1 计算模型

2.2 场冷条件下磁悬浮力的基本特征

2.3 场冷高度对磁悬浮力的影响

2.4 系统参数对磁悬浮力的影响

2.5 本章小结

第三章 场冷条件下系统的静磁刚度研究

3.1 磁刚度的研究意义

3.2 磁刚度的计算方法

3.3 大滞回曲线上支和下支的磁刚度性质

3.4 系统参数对磁刚度的影响研究

3.5 本章小结

第四章 磁化过程对系统力学性能的影响

4.1两类典型的磁化过程概述

4.2 超导悬浮系统在两类磁化过程中的力学性能研究

4.3 高温超导悬浮系统的实时控制策略

4.4 本章小结

第五章 场冷条件下的动磁刚度研究

5.1 研究意义

5.2 自由振动的计算模型

5.3 自由振动的计算结果

5.4 本章小结

第六章 结论

参考文献

在学期间的研究成果

致谢