高温超导磁浮动态性能的实验研究

在世界各国高重复使用单级入轨运载系统的概念研究中,磁悬浮助推发射技术具有低成本、高性能等优点而成为下一代发射系统可供选择的先进技术,提高动态特性可以有效的保证系统工作的稳定性和可靠性,对于磁浮系统及其磁浮技术的应用研究具有一定的指导意义.本文针对高温超导永磁磁浮机构,建立相应的动态性能测试平台,通过激振和响应回馈信号分析获得系统的刚度和固有频率等动态参数,研究和分析一定振幅、频率条件下悬浮气隙的变化对系统动态性能的影响,并探讨了磁浮系统在动态环境中的自稳定行为和可能的控制策略,为缩比磁悬浮发射试验平台的建立提供可靠的技术依据.     

航天发射超导磁浮平台设计的初步实验研究

鉴于未来航天发射安全、可靠、低成本的要求，国外先后提出了不同磁悬浮系统助推发射运载器的概念及方案．我们基于初步拟定的高温超导磁悬浮发射系统方案，展开了相应的研究和探索．本文从磁浮系统悬浮力和稳定性综合考虑出发，建立配套高温超导实验测试系统，研究和比较了NdFeB永磁轨道构型和高温超导块材组合对磁浮系统性能的影响，并进行了定性的分析，其结果对小型缩比磁悬浮发射试验平台的构造具有极其重要的现实意义．     

航天发射超导磁浮平台设计的初步实验研究

鉴于未来航天发射安全、可靠、低成本的要求,国外先后提出了不同磁悬浮系统助推发射运载器的概念及方案.我们基于初步拟定的高温超导磁悬浮发射系统方案,展开了相应的研究和探索.本文从磁浮系统悬浮力和稳定性综合考虑出发,建立配套高温超导实验测试系统,研究和比较了NdFeB永磁轨道构型和高温超导块材组合对磁浮系统性能的影响,并进行了定性的分析,其结果对小型缩比磁悬浮发射试验平台的构造具有极其重要的现实意义.     

高温超导磁悬浮轴承动态测试平台

为了研究高温超导磁悬浮轴承样机的动态旋转特性,介绍了由振动分析仪、转速计和位移传感器组成的动态测试平台。该测试平台不仅可以测试高温超导磁悬浮轴承的共振频率、刚度和阻尼系数等基本动态参数,而且可以实时测试旋转轴承的转速和振动偏移等运行参数。通过脉冲激励实验和自由衰减实验证实测试实验数据真实可靠。该平台的搭建将为本小组在轴对称式高温超导磁悬浮技术(轴承、飞轮等)的应用研究和开发奠定基础。     

永磁体尺寸对高温超导磁悬浮力的影响分析

高温超导体的发展推动了磁悬浮技术的应用,而磁悬浮中磁悬浮力的控制尤为重要。在磁浮系统中永磁体用来给超导体提供磁场,因此磁悬浮力的大小与永磁体的尺寸密切相关。主要介绍磁悬浮力理论计算方法和有限元仿真模型,研究了磁悬浮力随永磁体尺寸变化的趋势,并对仿真结果进行分析同时加以实验佐证。仿真结果对高温超导块材在磁悬浮技术中的应用有参考价值,同时有助于优化材料用量。     

真空管道HTS侧浮系统对直线电机推力的影响

为提高真空管道高温超导(HTS)磁悬浮列车系统的自由悬浮运行速度,提出了侧浮式高温超导磁悬浮系统.通过实验对该系统环线运行下的动态过程进行了研究,结果表明,磁浮车在环线运行中,因离心力和重力作用产生横向位移和垂直位移,通过实验和仿真研究了该动态过程对直线电机驱动性能的影响,结果表明,随着垂直位移和横向位移的减小,直线电机起动推力逐渐增大;当垂直位移为5 mm,横向位移小于10 mm时,磁浮车偏离电机中心引起的驱动力变化影响不大.使列车保持较高的驱动稳定性,为侧浮式真空管道高温超导磁浮车初始悬浮位置设计提供参考.     

动态应变场下相移光栅光谱特性及实验研究

光纤传感技术以其抗电磁干扰、高精度、易组网等优势在航空航天及地下工程领域的声发射传感中得到了广泛应用。针对光纤光栅声发射监测系统,目前研究侧重于均匀光纤光栅的动态应变场传感特性,基于相移光纤光栅(phase-shifted fiber Bragg grating, PS-FBG)这一新型光纤光栅器件,重点研究声发射激励产生的动态应变场下相移光纤光栅的光谱特性变化规律。首先利用传输矩阵理论,建立PS-FBG的动态应变传感模型,利用指数衰减的余弦函数模拟声发射激励产生的动态应变场。通过数值仿真,详细研究PS-FBG光谱对动态应变场幅度、采样时刻、衰减系数、声发射频率及波长的响应特性。结果表明,PS-FBG反射谱形状随声发射频率与采样时刻呈现周期性变化,具体表现为透射窗口所对波长产生周期性漂移,而带宽变化不明显;随着动态应变场幅值越大,PS-FBG反射谱的谐振峰向两侧逐渐增多,透射窗口所对波长漂移很小;一定范围内衰减系数对PS-FBG光谱影响较大;而当声发射波长为0.1～2 L时,对PS-FBG光谱产生较大影响,此时光谱畸变较严重,在此范围外,光谱形状不发生明显变化。最后,搭建连续信号激励下的动态应变场实验平台,分析不同幅度a与频率f变化下PS-FBG的光谱特性,实验结果与仿真结果较好吻合。表明PS-FBG光谱对不同声发射激励产生的动态应变场响应不同,呈现一定规律性,该研究为基于相移光纤光栅传感技术的声发射传感提供理论指导。     

PBX代用材料动态力学行为和微观结构的实验研究

 研究了固体炸药PBX代用材料D-90031的微观结构、压制过程中产生的原生缺陷形态，以及动态力学行为和破坏特征。采用数字图像分析技术、纳米力学测试系统，以及分离式霍普金森压杆（SHPB）实验和落锤冲击技术，获得了微观结构特点、各组分的硬度和弹性模量、动态性能，以及碎片的尺寸分布规律和材料的破坏形式。研究发现，晶粒的形态随外载的作用而改变，晶粒沿垂直加载方向伸长，材料的碎块尺寸满足一定的规律。研究结果对于深入认识固体炸药的性能与微观结构的关系具有一定的指导意义。     

三维微机电系统声发射传感器设计及性能分析

声发射技术作为一种动态无损检测手段,主要实现对材料产生的缺陷进行动态监测及损伤位置的预测。微机电系统声发射传感器在检测材料疲劳裂纹位置和扩展方向上应用广泛,实现其对材料裂纹的3-D动态位移检测,对于无损检测技术的发展具有重要意义。该文提出了一种新型3-D微机电系统声发射传感器,首先对3-D微机电系统声发射传感器进行了结构设计和性能分析,结构方面主要包括z方向响应传感单元和x、y方向响应传感单元设计;其次通过传感器的阻尼、谐振点处灵敏度计算,证明传感器的性能良好;最后采用有限元软件ANSYS对z方向响应传感单元做了模态和谐响应分析,x、y方向响应传感单元做了模态分析和谐响应分析,仿真结果与理论值吻合较好,验证了结构设计的合理性,对实现材料裂纹的三维动态检测具有一定的参考意义。     

基于多基因遗传规划的储层岩石静态模量预测

声发射技术作为一种动态无损检测手段,主要实现对材料产生的缺陷进行动态监测及损伤位置的预测。微机电系统声发射传感器在检测材料疲劳裂纹位置和扩展方向上应用广泛,实现其对材料裂纹的3-D动态位移检测,对于无损检测技术的发展具有重要意义。该文提出了一种新型3-D微机电系统声发射传感器,首先对3-D微机电系统声发射传感器进行了结构设计和性能分析,结构方面主要包括z方向响应传感单元和x、y方向响应传感单元设计;其次通过传感器的阻尼、谐振点处灵敏度计算,证明传感器的性能良好;最后采用有限元软件ANSYS对z方向响应传感单元做了模态和谐响应分析,x、y方向响应传感单元做了模态分析和谐响应分析,仿真结果与理论值吻合较好,验证了结构设计的合理性,对实现材料裂纹的三维动态检测具有一定的参考意义。     

一种超导重力仪磁悬浮力的等效计算

为实现超导重力仪磁悬浮力的精确计算,以GWR型超导重力仪为模型基础,采用有限元的思想,将超导球表面电流理想化为多个等高共轴电流环,计算出各个电流环与超导线圈的作用力,求和得到线圈与超导球间的磁悬浮力。利用MATLAB完成计算程序实现,通过改变下线圈电流和上、下线圈电流比,获得满足一定条件的磁悬浮力及其梯度。选取合适的模型参数,计算出线圈对质量为m=4.069 g超导球的磁悬浮力大小为:Ftotal=3.988×10^-2N,磁悬浮力梯度为:-9.699×10^-3N/m,此时悬浮力梯度合适,满足系统稳定性和灵敏度的要求。     

磁悬浮运动演示仪

基于磁悬浮与电磁驱动原理研制了磁悬浮运动演示仪.该演示仪不仅可以演示磁悬浮运动,还可以开展多种相关实验探究.本文详细介绍了演示仪的设计与制作,并举例说明了利用该该仪器开展的探究活动.     

The properties of short-circuited HTSC coils

The properties of short-circuited multiturn superconducting coils have been studied; coils with nonsuperconducting contacts have been fabricated from a high-temperature superconducting (HTSC) tape made by Super Power Company. The magnetic flux captured by HTSC coils has been measured at different values of magnetic field of the magnetizing solenoid. the critical current in the coils have been experimentally determined based on the maximum values of the field they captured. It is ~50% of the nominal value for this HTSC tape. The range of external magnetic field, where HTSC coils keep the captured magnetic flux, has been experimentally found. The obtained results have demonstrated the possibility of designing magnet systems with levitating coils made of HTSC tape, in which levitation is controlled without using feedbacks.     

永磁体辅助下单畴GdBCO超导体和永磁体之间的磁悬浮力研究

通过对永磁体辅助下单畴GdBCO超导体和圆柱形永磁体在液氮温度、零场冷、轴对称情况下磁悬浮力的测量,研究了两种不同组态下辅助永磁体对超导体磁悬浮力特性的影响.实验结果表明,当长方体辅助永磁体水平磁化、且磁极N指向超导体时,超导体的最大磁悬浮力从没有引入辅助永磁体的29.8 N增加到61.5 N,增加为没有引入辅助永磁体时的206%.当长方体辅助永磁体的N极与圆柱形永磁体的N极反平行时,超导体的最大磁悬浮力从没有引入辅助永磁体的29.8 N减小到19.6 N,减小为无辅助永磁体时的65.8%.这些研究结果说明,通过科学合理地设计超导体和永磁体的组合方式,能有效地提高超导体的磁悬浮力.该研究结果对促进超导体的应用具有重要的指导意义. 关键词： 单畴GdBCO 永磁体 磁悬浮力     

Infiltration effects on (RE) 123 superconductors

We produced RE-123 infiltrated by Sm123 superconductors by the melt growth method. The samples have been investigated in terms of X-ray diffraction (XRD) analysis, AC susceptibility, levitation force, and a magnetic stiffness calculation. The X-ray diffraction analysis showed that the Sm123 and Y123 phases were insufficiently grown at the selected sintering temperature of 1040 °C. The transition temperature of the IP Sample is 94.28 K from the AC Susceptibility (at 1 KHz and 4 Oe applied AC field) measurement. The magnetic stiffness was calculated using our newly designed vertical magnetic levitation force measurement system. It has a Nb-Fe-B permanent magnet (∼0.5T) at 77 K with the Zero Field Cooled process. The magnetic stiffness was calculated using the data of the levitation force. The descending experimental results showed that the most significant F₀was contained in the sample I5 (F₀ = 9.034 N) and the largest constant b value was determined in the sample IP (b = 0.3320 mm⁻¹). But in the ascending results, the most significant F₀ is 8.604 N, and the largest constant b is 0.3047 mm⁻¹, both calculated in the IP sample. Considering the oxygen content effects on the magnetic stiffness, one can infer that it has been positively affected by an increase in the Sm123 infiltration. These results indicatethat the produced samples could be applied to bearing systems, magnetic sensors and other technological applications.     

Magnetic Acceleration of the Levitating Sabot Made of Type-II Superconductors

Creation of a delivery system based on noncontact positioning and transport of the cryogenic fuel targets represents one of the major tasks in a general program of inertial fusion energy (IFE) research. The purpose is to maintain the fuel layer quality during acceleration and injection of IFE targets at the focus of a powerful laser facility or IFE reactor. The program of the Lebedev Physical Institute (LPI) includes much development work on creation of different designs of the hybrid accelerators for IFE target transport with levitation. One of the main directions is an electromagnetic accelerator (EM-AC) + PMG system, where PMG is the permanent magnet guideway. The operational principle is based on quantum levitation of type-II high-temperature superconductors (HTSC) in the magnetic field. At the current stage, conceptual development of “EM-AC + PMG” hybrid accelerator is complete, and proof-of-principle experiments in mutually normal magnetic fields are made. This accelerator is a combination of the acceleration system (field coils generating the traveling magnetic waves) and the levitation system (PMG including a magnetic rail or magnetic track). The results obtained show that the HTSCs can be successfully used to maintain friction-free motion of HTSC sabots over the PMG, and also provide the required stability of the levitation height over the whole acceleration length due to the pinning effect. Additionally, using the driving body from MgB₂ superconducting coils as a sabot component (critical current 5,000 A at magnetic induction 0.25 T) allows one to reach injection velocities of 200 m/s under 400 g at 5 m acceleration length.     

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     

基于磁滞效应的YBCO块材磁刚度测试方法

处于外磁场中的高温超导块材具有自稳定性。这种特性使得高温超导块材在磁悬浮轴承、飞轮储能、磁悬浮列车等方面,具有潜在的应用价值。非理想高温超导体具有很强的磁通钉扎特性,表现出很强的磁滞性。处于悬浮状态的高稳超导体,其稳定特性与其悬浮刚度密不可分。文中首先描述了高温超导块材磁悬浮测试系统磁刚度测试原理。此刚度测试方法充分考虑了非理想高温超导块材磁滞效应对磁刚度的影响。基于这种测试方法,研究了YBCO块材在永磁轨道上方悬浮力刚度的特性。通过与传统刚度测试方法比较,这种方法更能反应高温超导磁悬浮车实际磁刚度特性。     

Near-oscillatory relaxation behavior of levitation force in infiltration and growth processed bulk YBCO/Ag superconducting composites

Time relaxation behavior of levitation force has been studied in IGP bulk YBCO/Ag superconductor using levitation force measurements as these measurements throw light on the magnetic relaxation in superconductors and the underlying vortex dynamics, pinning mechanisms and the nature of pinning forces. The measurements have revealed a hitherto unknown near-oscillatory relaxation of the levitation force with varying magnetic field. This kind of behavior is found to be more pronounced at smaller gap distances between the permanent magnet and the superconductor. A switch-type polarity bistable equilibrium model for the supercurrent structure has been proposed based on the understanding that even the permanent magnet gets magnetized in the presence of the superconductor, which has also been verified and reported here. This model satisfactorily explains the observed oscillatory behavior of relaxation rates.     

空间高频交变磁场对超导块材悬浮力影响研究

高温超导磁悬浮装置,如磁悬浮列车和磁悬浮轴承在高速运行时,空间磁场交变及不均匀性扰动会引发超导块材内部损耗并影响性能,传统均匀时变磁场实验研究及仿真模拟无法满足实际工程应用情况.本文通过设计不同永磁阵列得到不同波形,在高速系统驱动下得到不同交变频率下超导块材损耗特性,发现全波型损耗较半波型损耗高,并研究了不同磁场构型悬浮力衰减特性,可为高速超导磁浮应用提供实验依据.