高溫超導懸浮系統(tǒng)在場冷條件下的磁剛度研究.pdf

1、高溫超導懸浮系統(tǒng)是以第 II類非理想高溫超導體為核心材料的電磁懸浮系統(tǒng)。在實際的工程應用中，如高溫超導磁懸浮軸承、高溫超導磁懸浮列車等，具有廣泛的應用前景，并已實現(xiàn)了樣機。第 II類非理想高溫超導體的強磁滯特征決定了系統(tǒng)的宏觀物理、力學行為。由于超導塊材的強磁滯特性，如何描述塊材在磁場中的俘獲磁通行為，進而計算系統(tǒng)的宏觀力學性質，成為求解高溫超導磁懸浮問題的關鍵。針對與磁剛度密切相關的超導磁懸浮力，博士論文首先基于電流和磁場相關聯(lián)的Ki

2、m臨界態(tài)模型和Maxwell方程組，考慮超導體內部臨界電流密度與磁場的函數(shù)關系，以屏蔽電流穿透深度為基本變量，建立了隱含屏蔽電流穿透深度的半解析微分方程。采用迭代法進行數(shù)值求解，得到了與實驗結果吻合的磁懸浮力結果，驗證了理論模型的有效性。進而分析了近場冷卻情況下，超導磁懸浮力的典型特征，給出了超導磁懸浮力隨系統(tǒng)物理參數(shù)與幾何參數(shù)的變化規(guī)律。
　　作為超導體應用之一的高溫超導懸浮系統(tǒng)，其磁剛度特性研究一直是超導懸浮系統(tǒng)安全設計的基礎

3、，受到廣泛關注。磁剛度是衡量懸浮系統(tǒng)穩(wěn)定性能的重要物理量之一，在研究方法和變化規(guī)律上仍然存在一些問題未被清晰揭示。目前，磁剛度的測試結果較多，理論研究較少。在磁剛度測量上，通常測量小滯回距離對應的磁懸浮力數(shù)據(jù)進行處理，而這個距離的選取具有較大的隨意性，甚至達幾個毫米，并沒有統(tǒng)一的標準。由于塊材的強磁滯性，距離的選擇直接影響磁剛度結果。博士論文針對傳統(tǒng)的磁剛度認知程度和實驗處理方法，建立了與實際更為符合的磁剛度數(shù)據(jù)處理方法—極限擬合法。以

4、此方法為基礎，討論了近場冷卻情況下，高溫超導懸浮系統(tǒng)的磁剛度特征。進一步地詳細分析了磁剛度對系統(tǒng)參數(shù)的依賴關系，通過對超導體內部屏蔽電流穿透情況和內磁場變化情況進行分析，對磁剛度的變化規(guī)律給予了合理解釋。
　　超導塊材的初始場冷條件是屏蔽電流穿透歷史的決定性因素之一，對系統(tǒng)的力學行為有較大影響。博士論文研究了先上升-后下降和先下降-后上升兩類典型初始場冷條件的區(qū)別。詳細討論了這兩種場冷情況下高溫超導懸浮系統(tǒng)的磁剛度特征，重點關注了

5、場冷高度對兩類情況下系統(tǒng)磁剛度的比對結果。給出了在先下降-后上升場冷條件下磁剛度隨臨界電流密度、外加磁場、超導體厚度等參數(shù)的變化規(guī)律。此外，基于屏蔽電流穿透深度理論，對高溫超導懸浮系統(tǒng)的實時控制策略提出一些初步構想。
　　除了準靜態(tài)方面的應用外，高溫超導懸浮系統(tǒng)的實際運營中往往處于動態(tài)運動狀態(tài)中，如何衡量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并將系統(tǒng)的宏觀動力學性質與超導體電磁運動本質相關聯(lián)，是高溫超導動力學研究的一個重要基礎課題。博士論文在這方面進行了

6、一些探索工作?；贙im電磁本構關系、Ampère環(huán)路定律，數(shù)值求解了懸浮體的動力學微分方程，得到了系統(tǒng)的時間響應曲線以及超導體內部多層電流的穿透特征廓線。討論了動力系統(tǒng)的角頻率和動磁剛度的時變性特征，指出動磁剛度隨時間的變化規(guī)律符合Logistic函數(shù)關系。研究了場冷高度的影響，給出了動磁剛度隨場冷高度的增加呈負指數(shù)關系減小的規(guī)律。從角頻率和單位位移增量兩個角度分別獲得了動磁剛度的結果，進行了對比分析，給出了兩種方法差異性的合理解釋。