不同运动模式下永磁轨道上方高温超导体悬浮性能的研究

摘要

高温超导磁悬浮技术利用块状高温超导体的磁通钉扎原理，在外部磁激励条件下，实现无需主动控制的静态稳定悬浮，这种优良的被动悬浮技术，不仅具备普通磁悬浮系统的技术优势，而且结构简单，应用便利，可靠性高，在磁悬浮交通领域受到越来越多的关注。目前，世界各研究小组研究方向主要集中在高温超导体在永磁体及永磁轨道上做垂直方向、侧向、纵向单个自由度运动时高温超导体的电磁特性，以及高温超导体在永磁体及永磁轨道上做垂直方向与侧向两个自由度复合运动时高温超导体的电磁特性。而针对高温超导磁悬浮车在实际运行中可能出现的不同运动模式，例如从直道进入弯道时在水平面上所产生的圆弧曲线运动，侧向扰动下在水平面上可能出现的车体水平偏移运动即折线形运动以及加减速时车头在垂直面上可能产生的斜线往返运动轨迹，所引起高温超导磁悬浮车悬浮性能变化的研究，尚未见相关报导。为使高温超导磁悬浮实验车早日走出实验室，本论文对折线形运动、斜线往返运动以及圆弧曲线运动三种不同运动模式下永磁轨道上方高温超导块材YBCO(YBa2Cu3Ox+1)的悬浮性能进行了基础的实验与理论研究。
　　 本论文在改造SCML-01高温超导磁悬浮测试系统基础上，搭建了可实现上述三种运动模式的高温超导磁悬浮实验平台，在垂直面上通过纵向与垂直两个自由度的复合运动，研究了场冷情况下块材组合、反应急缓加减速特点的斜线往返运动角度及运动次数对悬浮力的影响;在水平面上通过纵向与侧向两个自由度的复合运动，研究了场冷情况下折线形运动的侧向位移、角度与力矩的关系以及场冷情况下圆弧曲线运动的弧形大小、轨道倾斜角度与力矩的关系。本论文针对上述不同的运动模式，引入不同的运动控制方程，结合洛仑兹力公式和能量公式，建立高温超导磁悬浮不同运动模式下多物理场耦合暂态非线性模型;在学习相关电磁场理论与超导理论的基础上，利用高温超导电磁场的超导本构关系，即磁通流动与蠕动的E-J本构关系模型，求解高温超导体内部的电流密度J;通过改变块材的临界电流密度、不同的运动速度、不同运动模式下运动路径的大小以及改变轨道倾斜度等因素，采用comsol软件完成悬浮力与导向力的三维数值计算，进一步深入研究高温超导体的内在因素与外部条件对其悬浮性能的影响。
　　 上述实验与理论研究结果表明，通过提高高温超导体的临界电流密度和适当地改变外部条件可以提高高温超导体在上述不同运动模式下的悬浮性能。论文的研究结果将为高温超导磁悬浮车的工程应用提供具有一定参考价值的测试数据和设计依据。

目录

声明

摘要

中英文对照表

记号说明

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 高温超导体磁悬浮原理

1．3 国内外研究现状

1．3．1 实验研究

1．3．2 数值计算

1．4 本文提出的研究思路及主要研究内容、目标与方法

第2章 实验平台的搭建

2．1 实验平台的总体设计方案

2．1．1 需求分析

2．1．2 总体设计方案

2．2 实验平台的详细设计

2．2．1 实验平台的硬件设计

2．2．2 实验平台的软件设计

2．3 实验平台的测试

2．3．1 位移测试

2．3．2 磁场测试

2．3．3 悬浮力测试

2．4 小结

第3章 不同运动模式下的实验研究

3．1 高温超导块材YBCO在永磁轨道上做折线形运动时的悬浮性能

3．1．1 不同侧向位移对高温超导块材YBCO悬浮性能的影响

3．1．2 不同折线形角度对高温超导块材YBCO悬浮性能的影响

3．2 高温超导块材YBCO在永磁轨道上做斜线往返运动时的悬浮性能

3．2．1 不同斜线角度对高温超导块材YBCO悬浮性能的影响

3．2．2 块材组合对高温超导磁悬浮性能的影响

3．3 高温超导块材YBCO在永磁轨道上做圆弧曲线运动时的悬浮性能

3．4 小结

第4章 高温超导磁悬浮基本理论及三维数值计算

4．1 高温超导磁悬浮系统的相关理论

4．1．1 电磁场基本方程

4．1．2 超导电磁本构关系

4．1．3 电磁作用力的基本方程

4．1．4 不同运动模式下的运动控制方程

4．2 高温超导磁悬浮系统的三维数值计算

4．2．1 平移对称式永磁轨道磁场分布的计算

4．2．2 超导电磁场的数值计算

4．2．3 高温超导体的能量公式

4．2．4 有限元方法及边界条件

4．2．5 数值计算方案

4．2．6 COMSOL Multiphysics软件简介

4．3 数值计算结果与实测值比较与分析

4．4 小结

第5章 不同运动模式下的仿真研究

5．1 高温超导块材YBCO在永磁轨道上做斜线往返运动的仿真研究

5．2 高温超导块材YBCO在永磁轨道上做折线形运动的仿真研究

5．2．1 高温超导块材YBCO在永磁轨道上方做折线形运动的悬浮力研究

5．2．2 高温超导块材YBCO在永磁轨道上方做折线形运动的导向力研究

5．3 高温超导块材YBCO在永磁轨道上做圆弧曲线运动的仿真研究

5．3．1 高温超导块材YBCO在永磁轨道上方做圆弧曲线运动的悬浮力研究

5．3．2 高温超导块材YBCO在永磁轨道上方做圆弧曲线运动的导向力研究

5．4 小结

结论

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