基于H-法高温超导轴承悬浮特性的数值仿真研究

当高温超导体处于超导态,永磁体的部分磁力线进入到超导体内,由于磁通钉扎的作用,永磁体无需控制而稳定悬浮,这种悬浮具有无源自稳定的优良特性,利用这种特性的高温超导轴承应运而生.本文通过数值仿真的方法研究高温超导轴承的悬浮特性,建立了基于H-法的有限元模型,采用幂指数函数表示超导体的E-J特性.通过实验数据与仿真数据的对比验证了模型的正确性,讨论了误差产生的原因.数值仿真形象地显示了超导定子在永磁转子轴向运动过程中的电磁行为.     

高温超导磁悬浮径向轴承悬浮特性分析

高温超导磁悬浮轴承凭借无源自稳定的优良特性,在飞轮储能系统中拥有巨大的应用潜能,其主要结构由高温超导定子和永磁转子组成。而轴承的悬浮特性直接决定飞轮转子的设计和飞轮储能系统的容量大小。本文基于磁通冻结镜像法的思想,对高温超导径向磁悬浮轴承的悬浮特性进行分析,并对轴承轴向/径向悬浮力和刚度参数进行计算。结果表明:轴承的悬浮力和刚度随着初始径向位置、径向位移和轴向位移的变化而变化;在相同的位移条件和研究的位移范围内,径向悬浮力/刚度皆大于轴向的情况,且两者相差约一个数量级。     

级联型爆磁压缩发生器的等效电路计算

 动态级联型爆磁压缩发生器由多级构成,后一级俘获前一级的磁通进而将能量放大。用镜像电流法计算装置等效电感和电阻,用磁通俘获模型计算两级间磁通耦合,并假设损耗电阻正比于直流电阻。用该等效电路方法计算了一种两级动态级联型爆磁压缩发生器的静态和动态电路参数,并对其输出电流波形进行了模拟,同实际测量和实验结果进行了比较,同时对该装置通过脉冲变压器对脉冲形成线的充电过程进行了简单的模拟计算。结果表明,该计算方法对级联型爆磁压缩发生器的优化设计和应用研究具有较好的指导作用。另外两级磁通俘获模型对于间接馈电（线圈或永磁体）装置模拟计算也有一定的参考价值。     

强钉扎高温超导体与永磁体系统的悬浮力数值模型

本文从数值模拟和实验两方面研究了熔融织构Y-Ba-Cu-O(YBCO)高温超导块材与永磁体组成的磁悬浮系统的悬浮特性.通过理论与实验结果的比较,在Hikihara-Moon超导磁悬浮动力学唯像模型的基础上,提出了强钉扎磁悬浮力模型,并进一步研究了熔融织构YBCO块材在不同条件下的悬浮特性,包括:场冷高度(FCH)和零场冷却(ZFC)的对磁浮力的影响,以及由不同运动速度导致的磁悬浮力的变化等.结果表明,强钉扎磁悬浮力模型适合于精确描述由熔融织构YBCO高温超导块材与永磁体所组成的磁悬浮系统的悬浮特性.     

永磁体在磁流体中的磁力学建模及自悬浮位置可控性

以球形永磁体和球形容器为对象,推导出永磁体磁浮力模型,分析磁导率、永磁体的剩余磁化强度和永磁体半径、容器半径以及永磁体相对于容器中心位置的位移对磁场力的影响,结论具有一定普遍性.计算结果表明各参数均遵循一定规律对磁场力产生影响,始终有满足自悬浮现象的条件存在.通过对悬浮平衡位置特征分析,论述各变化参数与自悬浮位置的关系,并讨论实现自悬浮位置的可控性途径. 关键词： 磁流体 磁场力模型 自悬浮     

基于PASCO平台的磁悬浮陀螺实验研究

利用PASCO实验平台的磁感应强度测量传感器,测量了方形永磁体轴线处不同高度上的磁感应强度.然后根据磁悬浮陀螺稳定悬浮的条件和方形永磁体磁场分布的解析表达式,提出了确定陀螺稳定悬浮高度范围的一种简化方法.实验测量表明,所采用的简化方法能方便确定陀螺悬浮的高度范围.     

永磁体 N-N 相对式排列提升旋转式高温超导磁通泵开路电压的仿真研究

旋转式高温超导磁通泵可以无接触地向超导线圈中注入直流电, 在超导磁体充电方面具有独特的优势.在本文中, 我们基于 H-A 方程耦合建立了一个磁通泵二维有限元模型, 分别模拟了三块永磁体、 五块永磁体在不同的排列方式下对磁通泵开路电压的影响. 与正常的 N 极向下的排列方式相比, N-N 相对式排列改进后能够提升磁通泵的开路电压; 改进式 Halbach 排列对开路电压几乎没有影响. 在50 Hz 的旋转频率下, 永磁体 N-N 相对式排列使开路电压提升13% . 这是由于永磁体 N-N 相对式排列后, 磁通将会被挤压, 从而产生有多个峰值的磁感应强度分布, 使等效电压波形从不对称的四重峰变为多重峰. 最后, 对永磁体宽度进行了参数化扫描来分析永磁体尺寸对开路电压的影响. 通过优化磁体结构设计, 可以控制磁感应强度分布, 提升磁通泵的开路电压, 为提升实验装置的输出性能提供一种新颖的设计方向.     

关于两个导体球间的电容问题

本文利用镜像法,计算了两相互接触的带电导体球的电容.接着再用镜像法计算两相距一定距离的具有相同半径的导体球间的电容,且其极限情况与已知结果相同.然后用Matlab对结果进行了数值分析.     

铟镓锌氧薄膜晶体管的悬浮栅效应研究

为了避免光照对铟镓锌氧薄膜晶体管(InGaZnO thin film transistors,IGZO TFTs)电学特性的影响,IGZO TFT要增加遮光金属层.本文研究了遮光金属栅极悬浮时,IGZO TFT的输出特性.采用器件数值计算工具TCAD(technology computer-aided design)分析了IGZO层与栅介质层界面处电势分布,证实了悬浮栅(floating gate,FG)IGZO TFT输出曲线的不饱和现象是由悬浮栅与TFT漏端的电容耦合造成.基于等效电容的电压分配方法,提出了悬浮栅IGZO TFT电流的一阶模型.TCAD数值分析及一阶物理模型结果与测试具有较高程度的符合,较完整地解释了悬浮栅IGZO TFT的电学特性.     

细棒入水动力学特性的解析计算与数值模拟

结合解析计算与数值模拟本文研究了均匀细棒低速入水过程中水的阻力系数和细棒密度这两个因素对其入水过程的动力学特性的影响.根据牛顿第二定律首先建立动力学微分方程并求得了解析解,由此进行数值计算并对其运动状态的动力学特性进行了分析.结果表明若细棒密度比水的大,不管以任何初速度入水,最终都会趋向于一个稳定的极限下沉速度,该极限速度正比于细棒与水的密度差,反比于水的阻力系数.但当密度差较小时,细棒的下沉速度先达到一个峰值,然后减速并逐渐趋向于稳定极限下沉速度.相反,如果细棒的密度不大于水的密度,则细棒入水后最终会静止不动而悬浮于水中.     

永磁条件下铁球稳定悬浮的理论和实验研究

通过引入小铁球阵列改变圆柱形永久磁体的空间磁场分布,采用螺线管模型计算永久磁体磁场在空间的分布,再根据待悬浮小铁球与永久磁体及被磁化的小铁球阵列的相互作用,用MatLab进行数值计算并绘出其能量分布曲线,发现该体系中的确存在着待悬浮小铁球能量的极小值位置,可实现小铁球的稳态悬浮呢.在此基础上,进行了实验研究,实验结果与理论计算一致.这些结果将有可能在室温磁悬浮领域得到应用.     

具有不规则自由表面的粘弹性介质中声波模拟的有限差分算法

声波在具有不规则自由表面的粘弹性介质传播的数值模拟工作在地震勘探,地震预测中非常重要,特别是当模型有起伏的自由界面和较强的衰减特性时更是如此。基于镜像方法和直接方法,本文发展了一种二维有限差分算法,可以模拟不规则自由表面引起的声波散射问题。该方法将自由表面条件与速度应力方程结合求解粘弹性波动方程,在垂直和水平自由段及拐点处设置相应的边界条件。该方法假设自由表面穿过剪切应力和相应参数的网格点。为了提高计算精度,分别计算了水平和垂直方向上应力镜像值,而对质点速度,采用先水平方向后垂直方向分析进行镜像计算和更新。将粘弹性水平自由表面镜像方法和不同倾斜度平滑自由表面的改进方法的数值结果进行对比,并验证了算法的精度。     

高温超导磁悬浮轴承悬浮力数值分析

高温超导磁悬浮轴承已经被广泛应用到飞轮储能系统之中,它的主要结构是由高温超导体和永磁体组成。本论文基于有限元法(FEM)和临界态模型,对高温超导推力轴承的悬浮力和刚度等参数进行模拟仿真,并且在SCML-02测试装置上进行测试,计算结果与测试结果得到很好的吻合。并且进一步对环形永磁体推力轴承进行计算模拟,为进一步的轴承结构参数优化做好基础。     

永磁体结构对高温超导推力轴承静态特性的影响

基于商用电磁场有限元软件以及M e issner效应假设,提出了对由块状高温超导体和永磁体组成的高温超导推力轴承静态特性进行分析的方法,分析了永磁体的结构对高温超导推力轴承悬浮力的影响。结果发现:永磁体的结构及磁极排列方式对高温超导推力轴承悬浮力的影响很大,适当地选择永磁体的结构和磁极排列方式可以显著地提高高温超导推力轴承的悬浮力。     

混合型高温超导飞轮储能系统磁悬浮力的仿真分析计算

磁悬浮力是块状超导体重要的实用参数,研究磁悬浮力具有实际意义;介绍了超导块材的自稳定悬浮原理;研究了永磁体的半径对系统磁悬浮力的影响,以及在永磁体半径与超导体半径不同时永磁体厚度、永磁体与超导块之间的距离及通过线圈的电流对混合磁悬浮系统的磁悬浮力的影响。使用Ansys软件对混合磁悬浮系统模型进行了仿真分析,并总结了系统各个参数与磁悬浮力之间的关系。最后通过实验验证了所得到的结论。     

垂向磁场变化量对高温超导块材悬浮力特性的影响

高温超导体因其无源自稳定的特性,受到许多学者的重视,具有广阔的应用前景.目前针对高温超导块材悬浮性能的研究主要集中于由永磁体产生的低磁场环境.本文基于超导磁体平台提供的强磁场环境,通过改变高温超导块材不同的场冷高度,实验研究了高温超导块材悬浮力与垂向磁场变化量的关系.研究结果表明随着垂向磁场变化量的增加,高温超导块材的悬浮力增长趋缓,并最终出现悬浮力饱和的现象.本文还对比了YBCO 和Gd-BCO 两种不同材料超导块材的悬浮性能,结果发现GdBCO 的悬浮力在强磁场环境中表现出更大的潜力.这为高温超导磁浮在强磁场中的应用奠定了基础,通过更加合理地调节磁场的分布,可以更好地发挥高温超导块材的悬浮性能潜力     

阶梯电压下量子环的动力学性质

利用非平衡格林函数方法,研究了一维量子环的动力学特性.量子环中通过恒定的磁通,并通过单根导线与电子库连接.考虑瞬时改变库的势（阶梯电压）,导线与环间有含时的隧穿电流.提出一种数值方法计算有阶梯电压体系的电导,结果说明遂穿电流特性能够反映量子环中电子能谱结构. 关键词： 量子环 遂穿电流 电子能谱     

快速计算地面上车辆目标的电磁散射特性

为快速计算地面上车辆目标的电磁散射特性,实现适用于半空间环境的多层快速多极子方法.对于近区项,利用严格的半空间并矢格林函数进行计算;对于远区项,首先将半空间格林函数分解为直射项和反射项,然后采用实镜像方法计算反射项.方法物理概念清晰,与目前常用的离散复镜像方法相比,具有良好的收敛性和稳定性,大大降低计算时间和内存需求.实例计算并分析地面上汽车模型的电磁散射特性.     

ε-Fe_3N磁性液体二阶磁浮力实验研究

磁性液体的二阶磁悬浮原理是一个新颖的磁学实验,将它引入物理实验中,提升为设计性研究性实验项目,培养学生的创新思维和科学素养。使用圆片状钕铁硼永磁体作为实验材料,利用自行设计的非磁性浮子,研究了永磁体在磁性液体中的悬浮高度和二阶磁浮力。研究发现,永磁体厚度相同时,随永磁体直径增加,永磁体的悬浮高度逐渐变高,说明磁性液体对永磁体的二阶磁浮力增大,主要是由于随永磁体直径增加,其磁性增强所致,实验结果与理论研究一致。永磁体直径相同时,随永磁体厚度增加,磁性液体对永磁体的二阶磁浮力逐渐增大,导致永磁体的悬浮高度也逐渐增高。     

基于旋转永磁体的超低频机械天线电磁特性分析

在甚低频(3—30 kHz)及以下频段,与波长相比,传统天线属于电小辐射体,因此辐射效率很低.如果将永磁体进行机械旋转,可以获得时变电磁场.与传统天线相比,旋转永磁体将机械能向电能转换,不需要阻抗匹配网络,提高了辐射效率.为了计算旋转永磁体的电磁特性,本文基于安培环路电流理论,研究了空间正交磁偶极子与机械旋转永磁体的场等效关系.在此基础上,采用无限大空间并矢格林函数,并引入旋转永磁体的初始旋转角参数,推导了空间正交磁偶极子场分布的通用解析表达式,作为分析旋转永磁体及其阵列的近场和远场分布的理论模型.仿真表明,当钕铁硼(NdFeB)永磁体剩余磁感应强度Br=0.8 T、体积V=270 cm~3、转速为9600 r/min时,对应频率为160 Hz,在自由空间1 km的位置,将产生15 fT的磁场;在海水介质中,当传输距离为250 m时,磁场快速衰减到1 fT.本文提出采用旋转永磁体阵列对近场分布特性进行调控,仿真结果表明:将两个相同的旋转永磁体组成二元阵,将使近区磁感应强度提高3 dB;改变阵元距离和初始旋转角,可改变近区磁场分布方向图.机械旋转永磁体为实现小型超低频发射天线提供了新的解决思路.