超导磁悬浮力的理论研究与实验分析

本文通过理论研究和实验分析了超导磁悬浮力的变化规律.首先,基于超导体局部模型,从理论上建立了永磁-超导系统磁悬浮力的计算方法,得到的悬浮力为实用高温超导体的最大磁悬浮力,为判断超导块材的性能提供理论依据.利用该方法全面分析了系统参数对磁悬浮力的影响,结果与实验结果吻合,为超导磁悬浮系统的优化设计提供重要的理论指导.其次,采用基于超导体临界态Bean模型的有限元法仿真分析了超导块材磁悬浮力变化的规律.最后,在西北有色金属研究院的超导磁悬浮力测试台上对超导块材在不同场冷条件下的磁悬浮力变化进行了测试,对仿真结果进行了验证,并得到不同冷却方式、不同的场冷高度对超导磁悬浮力的影响.这些结论为超导块材的实际应用提供了重要的理论依据.     

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.     

高温超导飞轮储能演示实验

利用准单畴高温超导块材的磁悬浮特性,自制了开放性演示实验室或课堂教学所用的超导飞轮储能演示实验装置.电机驱动磁悬浮飞轮高速旋转,切断电源后因磁悬浮摩擦损耗极小能量得以储存下来.用电磁感应将磁悬浮飞轮的转动动能转换为电能,持续点亮LED发光管.该实验装置,能直观展示超导磁悬浮飞轮储能现象,可用于超导和能源相关课程的配套实验或课堂演示.     

一种实时测量大尺寸REBCO超导块材三维空间磁场及温度分布的装置北大核心CSCD

由于单畴RE-Ba-Cu-O(简称REBCO,其中RE为稀土元素:Nd,Y,Gd,Sm)超导块材具有较高的捕获磁场和较大磁悬浮力等优良的特点,使得其在超导磁悬浮,超导磁体,储能飞轮等高新技术领域有着广泛的应用前景.然而,REBCO超导块材捕获磁场的高低,不仅与其自身特性有关,还与其磁化的方式有关,即与样品在不同条件下的磁化机制密切相关.为了更好的研究高温超导体在不同条件下的磁化机制和磁化规律,进一步提高REBCO超导块材的捕获磁场强度,我们自主设计并制作了一种可实时测量大尺寸REBCO超导块材三维空间磁场及样品表面温度分布的装置.在液氮温度(77K)下,通过对磁化过程中圆柱状单畴GdBCO超导块材表面中心由内到外不同位置处磁场的测量,获得了样品的三维磁场强度随外加磁场实时变化的动态曲线图,揭示了随外加磁场的变化,GdBCO超导块材体内磁场由外向内逐渐扩散和运动、由内向外逐渐扩散和逃逸的机制,同时,对样品中存在的磁通蠕动规律进行了分析.此外,本装置还可用于对其它设备(如电机等)的动态磁场和温度进行实时测量.     

一种实时测量大尺寸REBCO超导块材三维空间磁场及温度分布的装置

由于单畴RE-Ba-Cu-O(简称REBCO,其中RE为稀土元素:Nd,Y,Gd,Sm)超导块材具有较高的捕获磁场和较大磁悬浮力等优良的特点,使得其在超导磁悬浮,超导磁体,储能飞轮等高新技术领域有着广泛的应用前景.然而,REBCO超导块材捕获磁场的高低,不仅与其自身特性有关,还与其磁化的方式有关,即与样品在不同条件下的磁化机制密切相关.为了更好的研究高温超导体在不同条件下的磁化机制和磁化规律,进一步提高REBCO超导块材的捕获磁场强度,我们自主设计并制作了一种可实时测量大尺寸REBCO超导块材三维空间磁场及样品表面温度分布的装置.在液氮温度(77K)下,通过对磁化过程中圆柱状单畴GdBCO超导块材表面中心由内到外不同位置处磁场的测量,获得了样品的三维磁场强度随外加磁场实时变化的动态曲线图,揭示了随外加磁场的变化,GdBCO超导块材体内磁场由外向内逐渐扩散和运动、由内向外逐渐扩散和逃逸的机制,同时,对样品中存在的磁通蠕动规律进行了分析.此外,本装置还可用于对其它设备(如电机等)的动态磁场和温度进行实时测量.     

Ag箔钎焊YBCO高温超导块材

采用Ag箔在两种不同的工艺条件下对YBCO高温超导块材进行了钎焊连接,钎焊完成后,分别对原始超导块材和钎焊接头进行磁悬浮力测量和俘获磁场测试、以评价钎焊质量.磁悬浮力的测试结果表明,在两种工艺条件下,钎焊接头的磁悬浮力分别可达原始块材的69.88%和79.37%.俘获场测试结果表明,单畴原始母材的俘获场为单峰,钎焊接头的俘获场为双峰;同时,钎缝区域的俘获磁场强度较低,没有完全恢复接头母材的超导环流,而限制了钎焊接头超导性能的提高.     

一种行波磁场中高温超导块材的电磁-热仿真方法（英文）

对高温超导块材在行波磁场中的电磁-热特性研究是掌握超导块材在直线电机中良好应用的基础.本文提出一种快速计算的仿真方法,建立了超导块材处于行波磁场中的有限元模型来计算超导块材内的电磁和温度分布.这个模型考虑了超导块材的非线性E-J本构关系及利用磁场强度法来分析行波磁场的频率和幅值对块材内电磁和温度分布的影响,并对提出的新方法与传统方法的计算结果和计算时间进行了对比,发现两种模型的计算结果相同但本文提出的新方法计算时间更短.     

NdFeB永磁体下YBaCuO块材在交流磁扰动中的悬浮力磁滞特性

研究了交流磁扰动对高温超导块材和永磁体之间悬浮力的影响。实验分析了在零场冷(ZFC)条件下,不同频率的交流磁场扰动下的悬浮力曲线;另外还研究了交流磁扰动在永磁体下降和上升过程中对悬浮力的影响,发现上升过程中悬浮力受交流磁场影响较大,而在下降过程中影响则较为不明显,同时随着交流磁场幅值的增大,悬浮力的滞回曲线逐渐加宽。说明交流磁场导致了超导块磁滞损耗的增加,对超导磁浮特性的研究具有理论意义。     

低温容器中超导块材悬浮与导向性能研究

本文主要研究超导磁悬浮系统中超导块材与永磁导轨之间的相互作用力,通过浸于低温容器中的超导块材与三磁峰轨道之间不同排布方式的实验,测试不同悬浮间距的悬浮力,以及在一定场冷距离下超导块材在三磁峰轨道上方不同水平位移段的导向力。结果表明,悬浮间隙越大,超导块材中心与三磁峰轨道中心水平偏移越小,悬浮力越大;在一定悬浮间距下,超导块材与三磁峰轨道之间水平位移越大,导向力越大。     

脉冲场励磁YBCO块材俘获磁通特性

研究了熔融织构法制备的单畴高温超导YBaCuO块材在脉冲场下的俘获磁通特性。分别测试了YBCO块材在不同强度脉冲场下的俘获磁场,并对实验结果进行了分析。实验发现:YBCO块材在脉冲场输入电压小于300V时的俘获磁场,随着外加脉冲场强度的增加而增加;而脉冲输入电压大于300V时,俘获磁场并没有继续增加。实验获得的超导块材俘获磁场图形呈现出明显的十字结构,这是由于块材采用顶部籽晶熔融织构生长技术、存在五个生长区域、不同生长区域及边界处临界电流密度的不同而导致的。     

辅助永磁体厚度对单畴GdBCO超导体捕获磁场分布及其磁悬浮力的影响

研究了两种磁悬浮系统组态中圆台形辅助永磁体厚度对高温超导体捕获磁场和超导磁悬浮力的影响。结果表明,圆台形辅助永磁体的下表面和GdBCO超导体上表面同处在一个水平面上,磁化用圆台形辅助永磁体的厚度H从5 mm增加到45 mm时,超导体捕获磁场和磁悬浮力与圆台形辅助永磁体的厚度直接相关。（1）当圆台形辅助永磁体的北极垂直向上且用液氮冷却后移除辅助永磁体时,最大磁悬浮力从21.8 N增大到26.5 N,再减小到22.9 N;（2）当圆台形辅助永磁体的北极垂直向下且用液氮冷却后移除辅助永磁体时,最大磁悬浮力从20.5 N减小到11.9 N ,再增加到20.4 N;（3）两种磁悬浮系统组态中最大磁悬浮力不一致,与零场冷情况下的最大磁悬浮力14.6 N也不同。在超导磁悬浮应用系统设计中,只有科学选择辅助永磁体形状和尺寸,合理设计组合方式,才能获得较强的磁场强度,提高超导磁悬浮力特性,该结果对促进高温超导体的实际应用具有重要的指导作用。     

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     

Magnetic levitation of YBa2Cu3Oy single crystals

By using an ordinary electric balance, we are able to measure the magnetic levitation forces acting on a superconducting YBa₂Cu₃O_y (YBCO) single crystal. It is found that when the external magnetic field is parallel to the c-axis of the single crystal, the hysteretic levitation curve is similar to that of a melt-processed YBCO superconducting sample. However, when the external magnetic field is perpendicular to the c-axis of the YBCO single crystal, the levitation forces are too small to be measured by our equipment. Also, we have introduced a simple model with the Bean's approximations to explain the levitation forces. The critical current density derived from this model by fitting with experimental data is quite close to the value obtained from magnetization measurements.     

高温超导磁悬浮飞轮储能系统样机

在日益严峻的能源问题背景下,为展示无源高温超导磁悬浮技术在能量储存领域的应用前景,我们设计制作了一台全高温超导磁悬浮形式的飞轮储能样机.样机主要由高温超导磁悬浮轴承、飞轮转子、永磁电机和电路控制及负载部分组成.上下两个轴向型高温超导磁悬浮轴承用于悬浮和稳定飞轮转轴,直径200mm重量1.4kg的飞轮转子作为储能载体,最高可实现13000r/min的转速.在演示运行中,采用灯泡作为负载,该样机完成了从电能→机械能→电能的相互转换.     

超导悬浮系统中电磁力的有限元分析

利用超导体宏观电磁场的Bean模型和有限元方法对由超导体和超导悬浮线圈所组成的悬浮系统进行了分析计算,通过定量计算与模拟,得到了超导体感应的屏蔽电流分布,从而得到了悬浮间隙及悬浮线圈中的电流对悬浮力的影响规律,同时分析了悬浮线圈尺寸与最大悬浮力之间的关系。这些数值计算结果为优化超导悬浮系统的结构设计提供了理论依据。     

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。     

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。     

Levitation performance of the magnetized bulk high-Tc superconducting magnet with different trapped fields

To a high-T_c superconducting (HTS) maglev system which needs large levitation force density, the magnetized bulk high-T_c superconductor (HTSC) magnet is a good candidate because it can supply additional repulsive or attractive force above a permanent magnet guideway (PMG). Because the induced supercurrent within a magnetized bulk HTSC is the key parameter for the levitation performance, and it is sensitive to the magnetizing process and field, so the magnetized bulk HTSC magnets with different magnetizing processes had various levitation performances, not only the force magnitude, but also its force relaxation characteristics. Furthermore, the distribution and configuration of the induced supercurrent are also important factor to decide the levitation performance, especially the force relaxation characteristics. This article experimentally investigates the influences of different magnetizing processes and trapped fields on the levitation performance of a magnetized bulk HTSC magnet with smaller size than the magnetic inter-pole distance of PMG, and the obtained results are qualitatively analyzed by the Critical State Model. The test results and analyses of this article are useful for the suitable choice and optimal design of magnetized bulk HTSC magnets.     

超导技术在飞轮储能系统中的应用及前景

阐述了飞轮储能装置原理和超导磁悬浮理论,并设计了超导飞轮储能系统的基本结构。采用超导磁悬浮轴承技术可以解决普通的飞轮储能系统由于有机械轴承摩擦产生的能量损耗,克服普通飞轮储能的低效、储能时间短等问题。最后简要介绍了超导飞轮储能技术的发展前景。     

过冷液氮温度下块材的悬浮特性及其仿真研究

随着温度的降低, 超导块材表现出的超导特性也随之变化. 本文结合现有实际应用的车载超导块材冷却方法, 通过改变气压的方式营造过冷液氮温度条件, 探究块材组合与 Halbach 轨道之间的悬浮特性. 由于实验测量存在一定局限性, 只能完成部分工况条件下的研究. 为了更加系统全面的研究, 本文对过冷状态下超导块材的悬浮特性进行仿真计算, 通过与实验结果对比来确定仿真参数. 结果显示, 仿真计算与实验数据吻合度较高, 为后期的研究工作提供了仿真工具.