超导转子磁悬浮结构磁耦合特性及承载能力分析

高速旋转的超导转子可用作高精度角速度传感器,其转子结构的质量偏心和球面误差是限制其精度提升的关键因素,转子结构越复杂,其制作和装配过程造成的质量偏心和球面误差就越大,则其测量角速度的精度越低.基于此介绍了一种转子结构简单的超导转子磁悬浮结构,并通过有限元方法对其磁悬浮结构的磁耦合特性进行研究,分析其对超导转子磁支承力的影响.然后基于磁路原理对磁支承结构的磁路建模,提出了一种对超导转子磁支承结构承载能力分析的方法,并设计出一种优化超导转子磁支承结构承载能力的方案.研究结果为超导转子磁悬浮系统的结构设计和优化,及其承载能力的分析和优化提供参考.     

超导空心球形转子变形分析

超导空心球形转子的非球形误差将产生干扰力矩、引起漂移误差降低仪表精度。针对转速和温度引起超导空心球形转子的非球形误差进行分析,将超导空心球形转子模型直接从CREO中导入到有限元分析软件ANSYS,并对超导空心球形转子进行有限元变形仿真。通过对仿真结果进行分析,得出超导空心球形转子离心变形量和温度变形量,阐明了超导空心球形转子特有的变形规律,为补偿和减小转子的动态变形提供了理论依据,也为该特殊结构的空心薄壁转子的设计和优化提供了重要依据。     

特殊结构超导球形转子气浮平衡装置的气膜分析（英文）

本文设计了一种六孔侧吹式静压气体球轴承,利用气浮法对非完整球形的超导转子进行静平衡检测.由于转子采用超导铌制成,薄壁空心,在4.2K极低温条件下工作,并高速旋转,要求转子具有较高的平衡精度,针对本文提出的测量方法,在测量过程中,转子自由悬浮,作用于转子表面的支撑力引起守恒干扰力矩,以及作用于转子表面的粘性剪应力引起非守恒干扰力矩,都是静平衡装置设计过程中不容忽视的关键部分,所以本文就此问题进行分析.在一定假设条件下,根据气体润滑理论和粘性流体动力学中的Navier-Stokes方程,推导得出垂直于转子表面的支撑力的计算公式以及流体粘性剪应力的计算公式,以及与轴承各设计参数之间的关系,根据静压气体球轴承设计尺寸得出各作用力的大小.     

目标场法在悬浮超导球体的球形线圈设计中的应用

文中把目标场法引入到悬浮超导球体的球形线圈设计中,根据目标场法产生均匀磁场的原理,通过离散化绕组来近似处理球形线圈在超导球体和球形线圈的间隙内产生均匀磁场的电流密度分布规律。利用有限元分析和验证,在超导球体与球形线圈之间的间隙内产生了具有很好均匀性的悬浮磁场,这会明显提高超导球体悬浮的刚度和稳定性。     

基于H方程的超导磁悬浮系统悬浮特性分析

高精度的重力测量在地震监测、资源勘探、惯性导航等领域均有着十分重要的意义,将超导磁悬浮系统应用于重力测量可以极大提高重力测量的精度,减少漂移率。当前对超导重力仪内磁悬浮系统的仿真主要采用A方程静磁场法,仿真得到的数据与实验结果相差较大,为了提高仿真精度和效率,采用H方程在COMSOL中建立了新的仿真模型,仿真得到的数据与实验结果偏差较小,验证了该方法可以提高超导磁悬浮系统的仿真精度和效率。仿真得到了超导重力仪内磁悬浮系统的磁场分布,屏蔽电流分布,受力,穿透深度等特征,分析了超导球在磁场中受到的悬浮力与悬浮高度、悬浮线圈电流大小、通入速率的关系,计算得到了超导磁悬浮系统的磁力梯度。     

圆形线圈对超导球体的悬浮力特性分析

针对超导球体和圆形线圈之间的力的作用,介绍了一种简化而有效的计算悬浮力的方法。在此基础上,对线圈和超导球体的几何形状尺寸以及两者之间的相对位置关系对悬浮力的影响进行了综合的分析和讨论;对悬浮力在随着线圈和超导球体的具体参数的变化规律做了定量的分析。总结出的结论为超导悬浮系统的分析和设计提供重要的参照。     

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.     

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。     

应用于重力测量的超导磁悬浮系统电磁特性分析

高精度重力测量是资源勘测、地球科学研究等领域研究的基础。与常规的机械式重力仪相比,超导重力仪具有极低的噪声和漂移率,并且测量精度高、工作寿命长、工作稳定性好,超导磁悬浮系统是它的核心部件。论文研究了超导重力仪磁悬浮系统结构,并对其原理及可行性进行了阐述。利用Ansoft及Opera软件对系统进行建模仿真分析,完成结构位置的优化选择。分析了系统正常运行时悬浮力、磁力梯度、电流值、间隙磁场分布等参量特征,并研究了超导球质量变化对系统测量灵敏度的间接影响。仿真结果表明,对于15g超导球磁悬浮系统,重力分辨率可以达到1nGal,且间隙磁场最大值小于超导材料临界磁场值。     

永磁导轨上高温超导块材排布方式与悬浮力关系的研究

本文研究了YBCO块材排布方式与其在永磁导轨上悬浮力的关系.实验结果表明:悬浮力与随悬浮间距成指数关系.而YBCO块材在导轨上方排列方式的不同,导致沿轨道横截面方向,每块超导块获得的悬浮力平均值差异较大.当超导块集中分布于轨道上方磁场强度最大的区域时,超导块平均悬浮力最大.这意味着,与其他排布方式相比,在获得同等悬浮力情况下,这种排布方法的超导块用量最少.这一结果对于超导磁悬浮系统的设计具有指导意义。     

磁梯度张量不变量的椭圆误差消除方法研究

基于磁梯度张量不变量定位方法, 可以实现对目标的单点实时定位, 且定位目标不限于静止目标, 这一方法目前得到了人们的广泛关注, 但该方法由于存在着椭圆系数导致目标定位误差较大的问题. 针对该问题, 提出了一种基于正六面体磁梯度张量测量系统的单点实时定位改进方法, 该方法通过消除原定位方法中不变量存在的椭圆系数, 从而克服椭圆误差对定位精度的影响. 具体做法是通过求解测量系统中正六面体的六个平面中心点处磁梯度张量的特征值, 并把这些特征值按照一定关系进行组合来消除椭圆系数, 来获得六个平面的新不变量, 再对这些新不变量求其梯度值, 根据这些梯度值对目标进行定位, 这样该定位方法可以有效的克服椭圆误差, 可对目标进行单点实时定位. 对改进定位方法进行了仿真实验分析, 结果表明改进方法可以实现目标的单点实时定位, 定位的平均相对误差较现有方法减少10.9%. 改进方法对所搭载平台的机动性要求较低, 其平台可做直线或曲线运动对目标实现单点实时定位.     

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.     

Effect of current sweep reversal on the magnetic field stability for a Bi-2223 superconducting solenoid

The effect of current sweep reversal on the temporal drift in magnetic field intensity for a Bi-2223 solenoid was investigated by experiment and using numerical simulation. Current sweep reversal, by as small as 1% of the peak current, was found to stabilize the drift in magnetic field intensity for a Bi-2223 tape solenoid. The field drift was due to flux creep in the Bi-2223 tape and the current sweep reversal formed a barrier for flux entrance at the upper and lower surface of the conductor, preventing flux creep. With a current reversal of several% of the peak current, the barrier formation extended over half of the solenoid and the magnetic field intensity became constant with time. The current sweep reversal technique should prove useful to stabilize an ultra-high field low/high-temperature superconducting nuclear magnetic resonance magnet operated at frequencies (field intensities) beyond 1 GHz (23.5 T).     

低温下测量超导球转子极轴偏角的光学读取系统的研究

本文介绍了一种低温下测量超导球转子极轴偏角的光学读取系统及其读取原理，讨论了光学读取系统照明产生的热量对转子正常工作的影响．分析结果表明，此光学读取系统可用于液氦温区下测量超导球转子的极轴偏角．     

Induced current of high temperature superconducting loops by combination of exciting coil and thermal switch

With its commercialization, the second-generation (2G) high temperature superconducting (HTS) RE—Ba—Cu—O (REBCO, RE is rare earth) tape is extensively applied to the superconducting magnets in the high magnetic fields. However, unlike low temperature superconducting (LTS) magnets, the HTS magnet cannot operate in the persistent current mode (PCM) due to the immature superconducting soldering technique. In this paper, an exciting method for two HTS sub-loops, so-called charging and load loops, is proposed by flux pump consisting of exciting coil and controllable thermal switch. Two HTS sub-loops are made of an REBCO tape with two slits. An exciting coil with iron core is located in one sub-loop and is supplied with a triangular waveform current so that magnetic field is generated in another sub-loop. The influence of magnetic flux on induced current in load loop is presented and verified in experiment at 77 K. The relationship between the induced magnetic flux density and the current on the sub-loops having been calibrated, magnetic flux density, and induced current are obtained. The results show that the HTS sub-loops can be excited by a coil with thermal switch and the induced current increases with magnetic flux of exciting coil increasing, which is promising for persistent current operation mode of HTS magnets.     

Investigation the positive moments on the M－T curve of YBCO films measured by using zero-field cooling

The superconducting transition of a YBCO film was measured by a MPMS-5 superconducting quantum interference device magnetometer, using a zero-field cooling process. The experimental results have shown that there are positive magnetic moment and positive peak on the M－T curve. We have proven that these anomalous behaviours are due to measurement error, but not phase transition. We have proposed a simple formula to explain and to calculate quantitatively these anomalous behaviours. It was found that, provided dH>0.59H_p (dH is the inhomogeneous field of the remnant field, H_p is the fully penetrated field of the measured sample), the experimental results will be positive, not negative. If dH≥2H_p, the experimental results will be symmetrical to their real negative values. From the M－T curve, which has positive moment and positive peak below T_c (superconducting transition temperature), we found a new possible method to obtain H_p of the measured sample.     

Magnetic design and modelling of a 14 mm‐period prototype superconducting undulator

The magnetic design of a ten‐period (each period 14 mm) prototype superconducting undulator is reported using RADIA. The results of modelling the magnetic flux density are presented in an analytical formula. The dependence of the field integrals and phase error on the current density and undulator gap has been calculated, and temperature curves are determined for the models and are compared with earlier reported Moser–Rossmanith fits.     

1.5 T关节磁共振成像超导磁体的设计、制作与测试

磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)是当今世界上最先进的医学影像技术之一,现阶段MRI技术正朝着成像质量更清晰、功能更强大、效率更高、个体化更强的趋势发展.与全身MRI设备相比,专科型MRI设备具有体积小、重量轻、成本低、病人舒适度高、成像质量高、功能更强等优点.但是关节专用超导MRI系统需要长度方向上被严格限制的超导磁体在160 mm直径球域(diameter sphere volume,DSV)内产生高均匀度的磁场.本文综合考虑了超导线用量、中心磁感应强度和成像区磁场不均匀度等因素,使用0-1规划和遗传算法相结合的方法设计了一种非屏蔽型1.5 T关节MRI超导磁体,该磁体的室温孔径为280 mm,总长度为520 mm,液氦量为30 L,载流区最大磁场为5.48 T,5高斯线范围为径向3.2 m、轴向2.6 m,160 mm DSV的磁场不均匀度设计值为22 ppm,考虑加工误差及冷缩因素,磁体加工完成并经过被动匀场后的预估值为60 ppm.经过绕制、固化、组装、焊接等工序,该磁体已制作完成.经过3次锻炼后成功励磁到1.5 T,经过被动匀场后160 mm DSV的磁场不均匀度达到50 ppm,各项指标均达到设计目标.     

CFETR CSMC装配误差下的电磁状态研究

中心螺旋管模型线圈是为了积累中心螺线管线圈设计和制造经验而预研的一套混合超导磁体线圈,该线圈由五大模块组成,高场区采用Nb_3Sn线圈,低场区采用NbTi线圈,可以满足紧凑型聚变装置对低纵横比的要求.然而模型线圈各模块结构复杂、尺寸庞大在装配过程中不可避免的存在装配误差,线圈励磁以后产生的非对称磁场和电磁力将分别影响等离子体的旋转和线圈整体的稳定性.为了详细分析装配误差对线圈磁场和电磁力的影响,选取模型线圈在装配过程中可能出现的典型的装配误差,基于电流丝等效模型计算了NbTi线圈偏置以后Nb_3Sn内外线圈上的磁场和电磁力.计算结果表明,由于装配误差,线圈磁场沿环向呈不均匀分布,轴向电磁力合力不为零;轴向和径向装配误差对线圈磁场和电磁力的影响存在明显的差异;电磁力随着装配误差呈线性增长,当线圈装配误差较大时将引发数倍于线圈自重的电磁力;该研究结果可为偏置状态下模型线圈的耦合场分析和线圈模块的装配方案设计优化提供参考.     

三维介观超导环的涡旋结构

在Ginzburg-Landan理论的框架下, 运用有限差分法研究了在圆环电流产生磁场下的介观超导圆环内的涡旋结构, 讨论了超导圆环尺寸和不同空间分布的磁场对涡旋形成的影响, 得到在一般超导圆环体内的基态多是巨涡旋态、而多涡旋态多以激发态形式存在的结论, 说明磁场一般从超导圆环的环孔穿过, 而很难穿过超导圆环体.