（电工理论与新技术专业论文）永磁轨道上方波动外磁场下高温超导块材悬浮力性能研究.pdf

第1 i 页西南交通大学博士研究生学位论文 在b e a n 临界态模型的基础上，针对目前的高温超导磁悬浮车系统，提 出了一种通过磁场在块材中的穿透情况来计算块材悬浮力的模拟计算方法。 该方法可计算在波动外磁场中块材悬浮力的振荡和衰减情况。通过实验结果 与模拟计算结果的对比，验证了该方法的可行性。通过该方法讨论了高温超 导块材的性能( 临界电流密度、块材尺寸) 对波动外磁场中高温超导块材悬 浮力的影响情况。 关键词：高温超导体；磁悬浮：永磁轨道；悬浮力；波动外磁场 西南交通大学博士研究生学位论文第l ii 页 a b s t r a c t t h eh i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r ( h t s c ) b u l kc a nr e a l i z ei n h e r e n t l y s e l f - s t a b l el e v i t a t i o ni ne x t e r n a lm a g n e t i cf i e l dw i t h o u ta n ya c t i v ec o n t r o l ，s ot h e h i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i cl e v i t a t i o n ( m a g l e v ) t r a i ni sm o r e s i g n i f i c a n tp o t e n t i a lf o rt h em a g l e vt r a i nt h a nt h en o r m a le l e c t r o m a g n e t sm a g l e v a n dt h el o wt cs u p e r c o n d u c t i n gm a g l e v t h es u p e r c o n d u c t i v i t ym a g l e vt r a i nw i l l b eo n eo ft h et r a n s p o r t sw i t hh i g h s p e e d ，s a f e t y , r e l i a b i l i t y , l o we n v i r o n m e n t a l i m p a c t o u rg r o u pd i dal o to fr e s e a r c ho nh i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i v t i n g ( h t s ) m a g l e vv e h i c l es y s t e ma n ds u c c e s s f u ll yd e v e l o p e dt h ef i r s tm a n l o a d i n g h t sm a g l e vt e s tv e h i c l eo nd e c 31 ，2 0 0 0 f o rt h eh t sm a g e vv e h i c l es y s t e m ，i t r e q u i r e dt h a tt h em a g n e t i c f i e l di s im m u t a b l ea l o n gt h el e n g t h w a y sd i r e c t i o n h o w e v e r , t h ep e r m a n e n tm a g n e tg u i d e w a y ( p m g ) i sc o m p o s e dm a n yp e r m a n e n t m a g n e t s ，t h e r es h o u l db ea i rg a pb e t w e e nt h ea d j a c e n tm a g n e t s ，w h i c hw o u l d f l u c t u a t em a g n e t i cf i e l da b o v et h ep m gs u r f a c e s ot h ep r e s e n tt h e s i sc o n s i d e r s t h ee f f e c to ft h ef l u c t u a n tm a g n e t i cf i e l do nt h el e v i t a t i o nf o r c eo ft h eh t sb u l k a b o v et h ep m g f o rt h ep e r m a n e n tm a g n e tg u i d e w a yo ft h eh t sm a g l e vv e h i c l e s y s t e m ， t h e r es h o u l d b es o m ea i r g a p sb e t w e e nt w oa d j a c e n tp e r m a n e n tm a g n e t sb y c o n n e c t i n g ，w h i c hm a yg e n e r a t er i p p l em a g n e t i cf i e l di nt h ef o r w a r dd i r e c t i o no f t h ev e h i c l e t h es u r f a c em a g n e t i cf i e l do ft h ep m gi sm e a s u r e da n ds i m u l a t e db y ac o m p u t e r f r o mt h ee x p e r i m e n t a la n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ei n f l u e n c eo f t h ea i rg a po nt h em a g n e t i cf i e l da b o v ep m gi si n v e s t i g a t e d f o rt h em a g l e vv e h i c l ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，w ei n v e s t i g a t et h el e v i t a t i o n f o r c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eh t sb u l ka b o v et h ep m ge x p o s e dt ot h ea c m a g n e t i cf i e l dg e n e r a t e db ye l e c t r o m a g n e t ，w h i c hi su s e dt os i m u l a t et h ep o s s i b l e f l u c t u a t i o no ft h ep m g f i r s t l y ，t h ei n f l u e n c eo ft h ea cf i e l df r e q u e n c i e so nt h el e v i t a t i o nf o r c ei s i n v e s t i g a t e d ，a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i co ft h el e v i t a t i o no fh t sb u l ke x p o s et h e 第1v 页西南交通大学博士研究生学位论文 a cf i e l da b o v ep m g i ti st h ef r r s tt i m et od i v i d et h ef r e q u e n c i e si n t o l o w f r e q u e n c y ，h i g h f r e q u e n c ya n dt r a n s i t i o n f r e q u e n c y b e s i d e s ，t h ei n f l u e n c e o fv a r i a t i o no ff r e q u e n c yo ft h ea cf i e l do nt h el e v i t a t i o nf o r c ei si n v e s t i g a t e d t h e n t h eo s c i l l a t i o na n da t t e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h el e v i t a t i o nf o r c eo ft h e h t sb u l ke x p o s et ot h el o w f r e q u e n c ya cf ie l da r ei n v e s t i g a t e d ；b a s e do nt h e b e a nc r i t i c a lm o d e l w ee x p l a i n e dt h eo s c i l l a t i o na n da t t e n u a t i o no ft h e1 e v i t a t i o n f o r c ea n dd i s c u s s e dt h ei n f l u e n c eo fa m p l i t u d eo fa cf i e l do nt h e1 e v i t a t i o nf o r c e w ea l s oc o m p a r et h el e v i t a t i o nf o r eo s c i l l a t i o na n da t t e n u a t i o no ft h eb u l k e x p o s e dt ot h ef l u c t u a n te x t e r n a lm a g n e t i cf i e l du n d e rt h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n t f i e l d - c o o l e dh e i g h to rd i f f e r e n tw o r kh e i g h t s i m i l a r l y , t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e l e v i t a t i o nf o r c eo ft h eh t sb u l ke x p o s et ot h eh i g h f r e q u e n c ya cf i e l di sa l s o i n v e s t i g a t e d b a s e do nt h eb e a nc r i t i c a lm o d e l as i m u l a t i o nm e t h o di sa d o p t e dt o c a l c u l a t et h eo s c i l l a t i o na n dd e c a yo fl e v i t a t i o nf o r c eo ft h eb u l ke x p o s e dt o f l u c t u a n tm a g n e t i cf i e l df o rt h ec u r r e n th t sm a g l e vs y s t e m c o m p a r e dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw i t ht h es i m u l a t i o no n e s i tw a sf o u n dt h a tt h es i m u l a t i o n m e t h o dw a sf e a s i b i l i t ya n dc o u l dq u a l i t a t i v e l yr e v e a lt h ec h a r a c t e r i s t i c so f l e v i t a t i o nf o r c eo fh t sb u l ki n t h i ss i t u a t i o n f u r t h e r m o r e t h ei n f l u e n c e so f c r i t i c a lc u r r e n td e n s i t ya n dt h ed i m e n s i o no fas u p e r c o n d u c t o ro nt h e1 e v i t a t i o n f o r c eo ft h eb u l ke x p o s e dt of l u c t u a n tm a g n e t i cf i e l da r ei n v e s t i g a t e db yt h e s i m u l a t i o nm e t h o d k e yw o r d s ：h i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r ；m a g l e v ，p e r m a n e n tm a g n e t i c g u i d e w a y ；l e v i t a t i o nf o r c e ；f l u c t u a n tm a g n e t i cf i e l d 第vf ii 页西南交通大学博士研究生学位论文 插图目录 图1 1 磁悬浮列车结构示意图2 图1 - 2 世界首辆高温超导磁悬车系统结构示意图3 图1 3 高温超导磁悬浮原理图4 图1 4 世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车6 图2 1 永磁轨道的截面示意图1 4 图2 2 永磁轨道磁力线分布示意图1 5 图2 3 永磁轨道照片l5 图2 4 圆弧形轨道结构示意图一1 6 图2 5 圆弧形轨道实物照片1 6 图2 - 6 高温超导磁悬浮测试系统s c m l 0 1 实物图17 图2 7 高温超导磁悬浮系统原理示意图18 图2 8 轨道上方纵向磁场扫描曲线1 9 图2 - 92m m 高磁场沿横向分布2 0 图2 1 01 5m m 高磁场沿横向分布2 1 图2 1 1 圆弧轨道磁场不对称2 1 图2 一1 2 圆弧轨道磁场沿纵向分布2 2 图2 1 3 永磁轨道的3d 计算模型2 4 图2 1 4 轨道表面磁场的云图和方向2 4 图2 1 5 三维和二维仿真计算结果和实验结果的比较2 5 图2 1 62m m 高处磁场沿纵向分布2 5 图2 1 71 5m m 高处磁场沿纵向分布2 6 图2 1 8 圆弧轨道仿真计算模型2 7 图2 1 9 圆弧轨道仿真与实测比较2 8 图3 1 轨道上方磁场随着缝隙而波动一2 9 图3 2 随车运动的运动坐标系3 0 图3 3 外磁场叠加示意图3 2 西南交通大学博士研究生学位论文第lx 页 图3 4 空心电磁线圈实物图3 4 图3 5 波动磁场结构示意图3 5 图3 - 6l m l 6 0 5 信号发生器3 5 图3 7f n l 0 1 型功率放大器系统构成方框图3 6 图3 8f n l 0 1 0 型功率放大器实物图3 6 图3 - 9 交流电流幅值与交流磁场幅值的对应关系曲线3 7 图3 1 0s c m l 0 2 磁悬浮力测试系统控制台3 8 图3 1 1s c m l 0 2 磁悬浮力测试系统机械结构图3 9 图3 1 2 高温超导体块材照片4 0 图3 1 3y b a 2 c u 3 0 7 x 的晶体结构示意图4 0 图3 1 4 测试系统示意图4 1 图3 1 5 试验装置的实物照片4 2 图3 1 6 悬浮力测试示意图一4 3 图4 1 缝隙间距、车速与频率的关系4 6 图4 21 h z 、2 0 0 h z 交流磁场和无交流磁场作用下悬浮力驰豫4 9 图4 31 2 0 h z 到1 6 0 h z 交流磁场作用下悬浮力振荡情况5 1 图4 41 6 0h z 到1 2 0h z 交流磁场作用下悬浮力振荡情况5 l 图4 5 不同交流磁场下悬浮力振荡情况5 3 图4 6 频率突变对悬浮力的影响5 5 图4 7 弱振频率内频率渐变对悬浮力的影响5 6 图4 8 强振频率内频率渐变对悬浮力的影响5 7 图5 1 悬浮力弛豫曲线5 9 图5 2 交流磁场对悬浮力的影响6 0 图5 3 悬浮力和交流磁场的关系( a ) 正弦波( b ) 矩形波6 1 图5 4 块材表面电流和磁场6 3 图5 5 交流磁场幅值对悬浮力的影响6 6 图5 - 6 交流磁场幅值与悬浮力振荡幅度的关系曲线6 7 图5 7 交流磁场幅值与悬浮力衰减的关系曲线6 9 第x 页西南交通大学博士研究生学位论文 图5 8 不同场冷高度悬浮力特性7 1 图5 - 9 不同测试高度悬浮力振荡幅度7 2 图5 1 0 不同测试高度悬浮力衰减量7 3 图5 1 1 交流磁场作用8 0 0s 的悬浮力7 4 图6 1 不同幅值的交流磁场对悬浮力驰豫的影响7 7 图6 2 悬浮力衰减量和衰减百分比与交流磁场幅值的关系7 8 图6 3 场冷3 0 m m 高度的悬浮力驰豫8 0 图6 4 悬浮受交流磁场幅值影响的关系曲线8 1 图6 5 交流磁场频率对悬浮力驰豫性能影响曲线8 2 图6 - 6 不同场冷高度下交流磁场对悬浮力的衰减8 4 图6 7 不同场冷高度下交流磁场对悬浮力的衰减百分比_ 8 5 图6 8 不同测试高度高度下交流磁场对悬浮力的衰减量8 6 图6 - 9 不同测试高度高度下交流磁场对悬浮力的衰减百分比8 6 图6 一1 0 不同作用时间后悬浮力衰减情况8 8 图7 1 计算模型及坐标系9 0 图7 2b e a n 模型e j 关系图91 图7 3 外场中的高温超导块材9 2 图7 4 外场变化时，高温超导体内部的感应电流密度分布9 3 图7 5 交流磁场作用下，超导块材内部感应电流分布情况9 5 图7 - 6 轨道上方磁场b z 分布9 7 图7 7b z 测试值和计算值比较9 7 图7 8b z 计算值和模拟曲线的比较9 8 图7 - 9b x 计算值的平均磁场和不同点的测试值。9 8 图7 1 0b x 计算平均值和模拟曲线的比较9 9 图7 1 1 悬浮力实验测试值与模拟计算值计算1 0 3 图7 1 2 悬浮力振荡幅度随临界电流密度的变化曲线1 0 5 图7 1 3 悬浮力振荡百分比和临界电流密度关系1 0 6 图7 1 4 悬浮力衰减和临界电流密度关系- 1 0 7 西南交通大学博士研究生学位论文第xl 页 图7 1 5 悬浮力振荡幅度和块材直径的关系1 0 8 图7 。1 6 悬浮力衰减和块材直径的关系1 0 9 图7 1 7 悬浮力振荡和衰减率与块材直径的关系1 1 0 图7 1 8 在不同幅值的交流磁场作用下，悬浮力曲线1 1 1 图7 1 9 悬浮力振荡和衰减与交流磁场幅值的关系1 1 2 第xi l 页西南交通大学博士研究生学位论文 表格目录 表2 1 永磁轨道的尺寸参数1 5 表2 2 磁场波动随高度和缝隙大小的变化情况2 6 表4 一l 不同速度及缝隙间距下所对应的波动磁场的频率4 6 表4 2 磁场波动对悬浮力影响的实验测试条件4 8 表4 3 强振和弱振频率转换实验测试条件5 0 表4 - 4 不同频率交流磁场作用下悬浮力振荡情况5 2 表5 1 交流磁场幅值对悬浮力振荡影响的实验测试条件6 5 表5 - 2 磁场幅值与悬浮力振荡幅度的关系6 7 表5 3 磁场幅值与悬浮力衰减量的关系6 8 表5 4 不同场冷高度的悬浮力振荡幅度和衰减量7 0 表5 5 不同测试高度的悬浮力振荡幅度和衰减量7 2 表6 1 高频外磁场对悬浮力驰豫性能影响的实验条件7 6 表6 2 交流磁场幅值与悬浮力衰减率对应关系7 8 表6 3 悬浮力衰减与交流磁场幅值的对应关系一8 4 表6 4 不同测试高度交流磁场对悬浮力的衰减8 6 表6 5 不同测试高度交流磁场对悬浮力的衰减一8 7 表7 1b x 模拟曲线参数一9 9 表7 2 不同临界电流密度的块材所受悬浮力振荡及衰减1 0 4 表7 3 不同直径的块材所受悬浮力振荡及衰减1 0 7 表7 4 不同幅值交流磁场作用下悬浮力振荡及衰减1 1 2 西南交通大学曲南父逋大莩 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位敝赭签名毒阱 醐1 引蝴灿 指导教师签名：彩 日期如务，2 月肌 西南交通大学四南父逋大字 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在本文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1在实验的基础上，首次将频率对悬浮力的影响划分为三个不同的区 域，分别是：低频( 悬浮力振荡为主要特征) 、高频( 悬浮力振荡很 小，悬浮力衰减为主要特征) 和过渡区域( 4 2 节) ，并通过实验的 结果，首次确定了他们之间的转换区域和转换方式( 4 3 节) 。该研 究结果对高温超导磁悬浮车动态稳定性设计具有指导意义，到目前 为止国际上未见报道。 2实验研究了低频( 1 0 0h z ) 交流磁场作用下，悬浮力的振荡和衰减 特性。首次发现处于稳定悬浮的超导块材施加交流磁场后，悬浮力 立即开始振荡，而且悬浮力出现一定的衰减( 5 1 节) ，其振荡幅度 和衰减量与交流磁场的幅值成正比( 5 3 节) 二实验结果为高温超导 磁悬浮车的低速运行下的动态稳定性设计提供了初步的实验依据。 到目前为止国际上未见报道。 3研究了高频( 1 7 0h z ) 交流外磁场对块材悬浮力衰减性能衰减的影 响情况( 第六章) 。首次获得了高频交流磁场对悬浮力衰减影响的研 究结果，给高温超导磁悬浮车高速运行下的动态稳定性提供了初步 的实验依据。到目前为止国际上未见报道。 4提出了一种通过磁场在块材中的穿透情况来计算块材悬浮力的模拟 计算方法( 第七章) 。该方法能定性的描述在波动外磁场作用下，永 磁轨道上方高温超导体块材悬浮力的振荡和衰减变化情况。通过与 实验结果的比对，证明了此方法的有效性。该方法为将来高温超导 磁悬浮车系统设计具有指导意义。到目前为止未耀艄。 学位论文作者签名：沙l 么矿冱 日期：厶1 年il 月 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第一章绪论 随着社会经济的发展，人们对交通运输的依赖和要求也越来越高，传统 的交通工具由于大都是以煤、石油、天然气等不可再生资源作为燃料，这既 消耗了有限的自然资源又对生活环境造成了污染。因此寻求一种更方便、快 捷、环保、安全以及低能耗的等新型交通方式是现在人们迫切需要的。磁悬 浮列车技术就是在这种需求下应运而生的。磁悬浮( m a g n e t i cl e v i t a t i o n ) 简称 m a g l e v , 是当今世界最新的地面交通运输技术f l 五j 。磁悬浮列车是一种采用无 接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的高速列车系统【3 - 4 】。它利用电磁力使车体 悬浮在轨道上方，避免了车体与轨道的直接接触，大大减小了行车阻力，提 高了运行速度，降低了能源消耗。另外，磁悬浮列车还具有容量大、安全性 好、环境影响小等诸多优点，因此具有明显的经济效益和巨大的社会效益， 发展前景广阔，已经成为世界各国竞相研究和开发的热点项目之一。 在现有的磁悬浮列车中，包括常规磁悬浮和低温超导磁悬浮，都不具备 自稳定悬浮特性，他们能持久稳定的运行都需要一套精密的传感检测、反馈 及控制系统。1 9 8 7 年初发现临界温度高于液氮温区( 7 7 k ) 1 约高温超导体钇钡 铜氧( y b a 2 c u 3 0 7 ) 之后 5 】，于1 9 8 8 年发现用这种新型材料制备的块状能够使 永磁体稳定地悬浮于( 1 e v i t a t i o n ) 其上方，或是稳定地悬挂- 于( s u s p e n s i o n ) 其下 1 6 。这些使入耳目一新的特性很自然地让人们开始探索其未来的应用，一种 可能的应用就是基于块状高温超导体和永磁轨道的高温超导磁悬浮列车。 1 2 高温超导磁悬浮列车 1 ，2 1 磁悬列车及高温超导磁悬浮车结构 磁悬浮列车主要由悬浮系统、推进系统和导向系统三大部分组成【7 灌。】， 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 其结构如图i 1 所示”“。尽管可以使用与磁力无关的推进系统，但在目前的 绝大部分设计中，这三部分的功能均由磁力来完成。 g r a d w e 蕾 瓢立 攀警u 。l s i o n 图卜1 磁悬浮列车结构示意图 在常规的磁悬浮列车和低温超导磁悬浮列车中都需要一套专门的导向系 统】。前者通常在车辆侧面安装一组专门用于导向的电磁铁，当车辆运行发 生左右偏移时，车上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用，产生一种排斥 力，使车辆恢复到正常位置，和导向轨侧面之间保持一定的间隙。当车辆的 运行状态发生变化时，例如运行在曲线或坡道上时，控制系统通过对导向磁 铁中的电流进行控制，来保持这一侧向间隙，从而达到控制列车运行方向的 目的。后者在车辆上安装专用的导向超导磁铁。使之与导向轨侧向的地面线 圈和金属环产生磁斥力，该力与列车的侧向作用力相平衡，使列车保持正确 的运行方向。这种导向方式避免了机械摩擦，只要控制侧向地面导向线圈中 的电流，就可以使列车保持一定的侧向间隙。在日本的低温超导磁悬浮车系 统中，利用磁力进行导引的“零磁通量”导向系统。即沿线路中心线均匀地 铺设“8 ”字形的封闭线圈，当列车上设置的超导磁体位于该线圈的对称中心 线上时，线圈内的磁场为零；而当列车产生侧向位移时，“8 ”字形的线圈内 磁场不为零，并产生一个反作用力以平稳列车的侧向力，使列车回到线路中 心线的位置m ”1 。 在高温超导磁悬浮车中，由于永磁轨道上方的高温超导块材具有自稳定 悬浮特性，在高温超导磁悬车系统中，不需要另外的导向系统，所以高温超 导磁悬浮车相对于常规的磁悬浮车和低温超导磁悬浮车来说，结构更简单， m s 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 无需外界控制。同时，高温超导块材使用液氮冷却，其成本低，便于推广 无污染，有利于环保。现有的高温超导磁悬车的结构如图1 2 所示。 圈 口 口 4 h 翻 、m 【) 图卜2 世界首辆高温超导磁悬车系统结构示意图 1 22 高温超导磁悬浮原理 1 9 1 1 年，荷兰物理学家昂内斯发现了超导现象【1 “，人们为这个新发现而 感到欣喜，但遗憾的是由于传统的超导电现象只能在液氦温区才能出现，而 氦是一种无孔不入的稀有气体，因而大大限制了超导的应用。1 9 8 6 年，德国 物理学家柏诺兹( g e o r g eb e d n o r z ) 和瑞士物理学家缪勒( a l e xm i l l l e r ) 发现 了一种新的陶瓷超导体，其构成为b a x l a j 。c u j 0 5 嘻仲其中( x = 1 或0 7 5 ， y o ) ，其转变温度大于3 0 k f ”，并在1 9 8 7 年获得诺贝尔物理奖。1 9 8 7 年初， 华裔科学家吴茂昆、朱经武等发现了超导转变温度高达9 0 k 的超导体”，几 天后，中国科学院物理研究所赵忠贤、陈立泉等以及日本的科学家也分别独 立地发现了超导转变温度为1 0 0 k 以上的超导体i ”i ，此后又有更高的转变温 度的超导体”7 ”1 被发现。超导体不能在液氮温区工作的禁区终于被打破了。 高温超导材料发现以来，人们在高温超导电性的理论、高温超导体的物 性、超导材料的制备手段、超导材料的特性及应用等方面已经作了大量的工 作，取得了很多重要结果。同时，由于高温超导设备可在液氮温区( 7 7 k ) 下运行，运行成本大大降低，而磁热稳定性也太大提高，这为高温超的应用 提供了可能性。于是，人们开始致力于对高温超导的实际应用的研究。1 9 8 8 年，fh e l l m a n 和pnp e t e r s 等人分别利用由这种新型材料制备的块状超导 体使得永磁体稳定地悬浮在其上方，或者稳定地悬挂于其下方珊“埘。该现 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 象引起科学家的关注，并孕育了一个新的研究领域，高温超导磁悬浮技术。 该技术的应用主要集中在两个领域，即轴对称场下高温超导体飞轮储能系统 和高温超导磁悬浮运输系统。 高温超导磁悬浮现象产生的原因是块状超导体的宏观电流与外磁场的相 互作用。超导体内宏观电流的产生则是因为其所在外磁场发生改变，因此， 这种宏观电流是一种涡流。处在外场中的高温超导体，任何外场的改变都会 引起超导体感应电流的变化，感应电流与外场相互作用产生洛伦兹力 ( l o r e n t zf o r c e ) 以阻止外场的改变。当该洛伦兹力和外力太小相等方向相 反时，便实现了稳定悬浮，这便是高温超导磁悬浮的基本原理。 t 矗蓝 矗矗美 。、圈； 。o 这z ：墓到 话尘嚣剑 图卜3 高温超导磁悬浮原理图 在高温超导体内部密布着由于各种晶格缺陷或掺杂产生的钉扎中心，这 些钉扎中心区域内属于非超导区域，钉扎中心周围属于超导区域。当超导体 处于超导混合态并置于外磁场h ( 丑m一 第6 2 页西南交通大学博士研究生学位论文 二是交流磁场作用后，悬浮力存在不同程度的衰减。在下面的研究中，我们 主要研究在不同情况下，交流磁场对悬浮力这两个方面的影响。 5 2 悬浮力振荡原因探究 处于外场中的导体，根据洛伦兹力( l o r e n t z ) 公式，其受到的洛伦兹力 为： f = j x b ( 5 1 ) 其中厂是导体受到的力密度，是导体的电流密度，外场的磁感应强度为 b 。处于外磁场的高温超导块材和外磁场的相互作用，从宏观角度讲，表现 为超导体内部感应电流和外磁场的相互作用，具体也服从洛伦兹力作用的规 律，也就是说满足洛伦兹力的公式。 轨道上方的超导块材受到的悬浮力从某种角度讲就是超导块材的超导电 流和外场的相互作用受到洛伦兹力的结果。在没有加交流磁场的情况下，超 导块材所处的外场是恒定不变的，超导块材内部的感应电流也是恒定的，故 超导块材受到的悬浮力仅仅因为块材内部磁通蠕动和磁通流动的影响使得悬 浮力存在一定的衰减，而悬浮力并不存在振荡和波动。而一旦加入交流磁场 后，超导块材表现出的外磁场为 b = b o - i - 民s i n 刃 t( 5 - 2 ) 其中玩为永磁轨道产生的外磁场b 口。是交流磁场的幅值，万是交流磁场 的角频率，t 是作用时间。 对半径为r 的无限长圆柱形高温超导体，在没有磁场作用的情况下，将 其冷却到临界温度以下，使它进入超导状态，然后施加沿其轴向的外部磁场 b ( b = b o ) 时，高温超导体内部的感应磁场和电流密度分布如图5 4 所示：当外 磁场小于超导体的下临界磁场时，超导体显示出完全的抗磁性，磁通无法进 入超导体内部，也就是说超导体表现出迈斯纳效应，显示完全逆磁性；当外 磁场大于下临界磁场( h 耳。) ，外部磁通开始慢慢进入超导体内部，超导体e 内部的磁场强度和电流密度分布如图5 4 ( a ) ，在穿透深度6 范围内，电流 密度大小等于其临界电流密度( j = 以) ，在温度不发生改变的情况下，如是一 个常数，是不会发生改变的：在磁场未穿透区域，超导体的电流密度始终为 西南交通大学博士研究生学位论文第6 3 页 零( j = o ) ； j q t 止u ( a ) ， 怫靠 门 止一u 1 ， l l ( b ) j c i 止1l ( d ) fe 1 图5 - 4 块材表面电流和磁场 广 扯u ( f ) 第6 4 页西南交通大学博士研究生学位论文 随后向超导体施加一个交流磁场b 例书口。s i n o d t ( 幅值为b 钟，方向平行于 z 轴方向) 作用在高温超导体上。在交流磁场的第一个1 4 周期内，交流磁 场方向与原来磁场方向= 致时，由于外磁场的增加，超导体的穿透区域进一 步向超导内部延伸( 当超导未完全穿透的情况下) ，穿透深度增加，即在超导 块材体内的总的感应电流增加，如图5 - 4 ( b ) 所示，图中所示的1 的区域就是 交流磁场在块材内的向前进一步穿透的区域；第一个1 4 周期结束后，块材 达到最大穿透深度，此时也是悬浮力最大的时候；然后交流磁场的大小开始 逐步减小，交流磁场从块材的外表面向内穿透，并在其穿透区域内产生与原 来相反的屏蔽电流，1 2 周期后，其磁场分布和屏蔽电流如图5 4 ( c ) 所示； 1 2 周期后，磁场的大小继续减小，交流磁场的穿透区域进一步向块材内部 延伸，3 4 周期后，交流磁场的穿透达到最大值五。( 五。= 召。，) ，在整个 被交流磁场穿透的区域，屏蔽电流的方向与初期屏蔽电流的方向相反，其电 流分布和电流的方向如图5 4 ( d ) ，此时，在交流磁场穿透的区域，由于屏 蔽电流的方向相反，它提供与悬浮力相反的力，所以在此时，悬浮力振荡到 最小值；此后，磁场的大小周期性的由最小振荡到最大和由最大振荡到最小， 块材的屏蔽电流也周期性的由外向内周期性的反转，如图5 4 ( e ) ，图中阴 影部分是交流磁场穿透的区域，在此区域，屏蔽电流随外场改变而反转，当 屏蔽电流由外向内反转的时候，块材受到的悬浮力也随之振荡；最后，交流 磁场的幅值逐渐减小到零，在交流磁场穿透的区域内，屏蔽电流在平均意义 上也逐渐减d , n 零，此时磁场分布和屏蔽电流分布如图5 4 ( f ) 1 2 2 】，由于屏 蔽电流为零，在此区域内，也就不能提供悬浮力，故撤销交流磁场后，悬浮 力出现了衰减。 由图5 4 可以看出，当外磁场发生波动，在高温超导块材内部都会产生 感应电流【1 2 3 1 。当向块材施加交流变化的磁场后，由于外磁场的波动，屏蔽电 流在块材中由外向内发生反转，而屏蔽电流的反转，其受到的悬浮力也开始 波动。由此可以看出，块材在交流磁场的作用下受到的悬浮力出现振荡的原 因是由于块材内部的感应电流在外场的波动下而反转。也就是说，波动的外 磁场使得块材内部的感应电流出现反转从而导致悬浮力的波动，而且悬浮力 的波动是随着外磁场的波动而振荡。 西南交通大学博士研究生学位论文第6 5 页 5 3 交流磁场幅值对悬浮力的影响 本小节主要研究交流磁场幅值对超导块材悬浮力振荡和衰减的影响。在 实验过程中，我们同样采用给电磁铁通交流电产生的交变磁场来模拟轨道磁 场的波动。在实验中，给电磁铁通的电流分别为la ，2 a ，3a 和4 a ，对应 交流磁场的幅值分别为0 0 1 1t ，o 0 2 2t ，0 0 3 3t 和o 0 4 4t 。交流磁场的频 率保持不变，始终是1 h z 。表5 1 是该实验的测试条件 表5 1 交流磁场幅值对悬浮力振荡影响的实验测试条件 测试条件具体参数 场冷高度f c h ( m m ) 测试高度m h ( m m ) 交流磁场频率( h z ) 交流电流幅值i o , ( a ) 3 0m m 1 5m m 1h z la 、2a 、3 a 、4 a 图5 5 给出了高温超导块材在作用不同幅值的交流磁场作用下悬浮力的 测试曲线。图5 5 ( a ) 所示是电磁铁电流为la ，也即交流磁场幅值为0 0 l l t 时的悬浮力测试曲线。从图中可以看出，在加交流磁场后，悬浮力开始出 现振荡，不同幅值对应的测试曲线如图5 5 ( a ) 、( b ) 、( c ) 及( d ) 。 从图5 5 ( a ) 一( d ) 可以看出，当交流磁场的幅值增加，悬浮力振荡 的幅度也越来越大。而且悬浮力的衰减量也随着交流磁场幅值的增大而增大 u 2 4 。 5 3 1 交流磁场幅值对悬浮力振荡的影响 为了进一步研究交流磁场幅值对悬浮力振荡的影响，文中把在同一个周 期内悬浮力最大和最小之间的差值称为振荡幅度。表5 2 给出了交流磁场幅 值与悬浮力振荡幅度的关系。 第6 6 页西南交通大学博士研究生学位论文 图5 - 5 交流磁场幅值对悬浮力的影响 艺一2 e u i l j e l l 一 西南交通大学博士研究生学位论文第6 7 页 表5 - 2 磁场幅值与悬浮力振荡幅度的关系 图5 - 6 交流磁场幅值与悬浮力振荡幅度的关系曲线 从表5 - 2 中可以看出，悬浮力振荡幅度随着交流磁场幅值的增加而增加。 图5 - 6 给出了悬浮力振荡幅度与交流磁场幅值的关系曲线。从图中可咀看出， 悬浮力振荡幅度和交流磁场的幅值大致成正比例的关系，悬浮力振荡幅度随 着交流磁场的幅值增大而增大。这也进一步说明了悬浮力的振荡是由于外场 的波动产生的，由于外场的波动使得高温超导块材受到的洛仑兹力也随着波 动。但需要说明的是，悬浮力振荡幅度和交流磁场幅值成正比例的这种关系 仅仅在本实验中适用，当外场增加到定的范围一块材受到的悬浮力饱和后， 这种正比例关系可能也会改变。遗憾的是，由于实验条件的限制，实验没有 进一步对外场继续增加的情况进行研究。 由5 2 小节中对悬浮力振荡原因中得知当交流磁场的幅值增大时，交 流磁场在块材中的穿透深度增大，悬浮力的波动也随之增大。在高温超导磁 第6 8 页西南交通大学博士研究生学位论文 悬浮车系统中，永磁轨道由很多小的永磁块拼接而成，永磁体的连接处存在 缝隙，缝隙的存在是轨道磁场波动的主要原因。缝隙越大，磁场的波动越大， 当高温超导磁悬浮车运行在上方，受到的悬浮力的波动也越大。 5 3 2 交流磁场幅值对悬浮力衰减的影响 由图5 5 也可以看出，交流磁场的幅值不同，在撤销交流磁场后，悬浮 力的衰减量也不同。同样地，为了研究衰减量随交流磁场幅值的关系，在本 文中，把施加交流磁场前和撤销交流磁场后块材受到的悬浮力的差值定义为 悬浮力的衰减量。衰减量与未加交流场前悬浮力的值的比值称为衰减率。表 5 3 给出了交流磁场幅值与悬浮力衰减量和衰减百分比的关系。 从表5 3 可以看出，悬浮力在交流磁场作用后都会出现衰减，而且其衰 减是随着交流磁场的幅值增大而增大。无论是在零场冷还是在场冷的情况下， 悬浮力的衰减量都是随着交流磁场的幅值增大而增大的。同样地，悬浮力的 衰减率也随着交流磁场的幅值的增加而增加，但在同样的幅值的交流磁场作 用下，不同场冷高