永磁轨道上高温超导块材YBCO的导向性能实验与仿真研究

题名:永磁轨道上高温超导块材YBCO的导向性能实验与仿真研究
作者:秦玉洁
学位授予单位:西南交通大学
关键词:高温超导块材;;导向力;;可恢复区间;;数值计算;;网格复用
摘要:

 高温超导磁悬浮由于高温超导体自身较强的磁通钉扎特性,与其它传统的物理悬浮(如电磁悬浮等)相比,具有自稳定性好不需要任何控制、能耗低、无环境污染等十分突出的优点。因此,它除高温超导磁悬浮车之外还广泛应用于飞轮储能、电机、电流限位器和高磁场磁体等方面。自2000年首辆载人高温超导磁悬浮实验车诞生Neodymium Magnets以来,国内外对处于永磁轨道上的高温超导块材的悬浮性能进行了大量的实验研究工作,但目前有关研究的总体状况为：实验多于理论,静态多于动态,悬浮性能多于导向性能。特别是超导磁悬浮的理论研究,由于超导体E-J关系的强非线性、电磁耦合特性及其高温超导体材料复杂的各向异性都大大增加了以YBCO块材为代表的高温超导磁悬浮系统磁悬浮数值计算的难度。

 对高温超导磁悬浮车而言,系统的导向力特性关系着整个车系统的侧向稳定性,所以开展导向性能的研究无论从理论分析上还是在实际应用中,都有其重要的意义。本文针对高温超导块材／永磁轨道组成的悬浮系统,对系统的导向性能分别从实验和理论上进行了深入研究。在已经建立的求解高温超导块材磁悬浮力特性的三维数值模型的基础上,采用网格复用(用剖分超导体求解区域的网格节点来模拟超导体内钉扎中心)来模拟高温超导块材在场冷情况下磁通钉扎特性。对于采用有限元技术剖分的求解区域,当求解区域处于高温超导体内部时,判断剖分的节点是否为高温超导块材内部节点,如果是内部节点,则在形成初始单元刚度矩阵时,强制赋予该节点处待求磁场初值为场冷高度http://www.everbeenmagnet.com/en/products/110-sintered-neodymium-magnets时的外磁场值。通过这种网格复用的技术,用内部剖分节点模拟高温超导块材内部的缺陷(钉扎中心),从而达到模拟场冷时高温超导块材的磁通钉扎特性,即处理了场冷的情况。利用FORTRAN平台实现了编程。然后通过仿真计算与实验结果进行比较,证明了此算法的可靠性。

 在对高温超导块材电磁场分析的基础上,使用数值计算与实验相结合的方法,研究了高温超导块材在不同外场下的导向力特性。首先,通过建立由场冷高度与工作高度构成的空间矩阵列,用数值计算全面地研究不同轨道外场(单峰磁场分布和多峰磁场分布)下同一场冷高度不同工作高度、不同场冷高度下同一工作高度处的导向力和水平位移之间的关系；导向力磁滞回线和场冷高度、工作高度之间的关系,计算结果表明：由于外场结构的不同,导向力特性在变化趋势大致相同的情况下也表现出了不同的一面；同一条件下,多峰轨道下块材的导向力变化更复杂。然后通过实验研究了不同外场下高温超导块材的可恢复区间与场冷高度、工作高度等之间的关系,指出块材的可恢复区间不是与导向力的大小或导向力的磁滞简单地成比例关系,而是与外场结构、场冷高度、工作高度以及块材的大小和形状都密切相关,在相同条件下(场冷高度、工作高度、块材的大小、形状及籽晶数等)块材在以铁聚磁的单峰轨道上的可恢复区间优于以永磁聚磁的多峰轨道。在此基础上,提出了几种如何增大可恢复区间的方法,以提高系统稳定性。同时实验研究了水平偏移过程中悬浮力和导向力随时间变化快慢的情况,以及速度对力随时间变化的影响,研究表明,在水平偏移过程中,悬浮力随时间的变化较导向力随时间的变化要大；测试速度对力随时间的变化几乎没有实质的影响。最后,在前面研究的基础上,考虑高温超导磁悬浮车系统在实际运行时由于某种原因导致车体暂时离开当前的平衡位置而漂移到另一位置并且达到某种新的平衡态的情况,进一步数值研究了高温超导块材相对于轨道空间运动时的悬浮力、导向力的变化。论文从最简单的直线通过路径出发,研究了不同外场下不同通过曲线时块材的悬浮特性,特别是对块材的空间路径为二次抛物曲线时的悬浮特性进行了详细的研究,研究表明,在不同曲线通过路径下,导向力的路径相关性很小,其大小主要依靠场冷的高度,而悬浮力在不同曲线下的变化很大。这一研究结果为高温超导磁悬浮车的实用化提供了一定的理论依据。
学位年度:2009