高温超导飞轮储能系统磁悬浮力的仿真计算与分析

阐述了飞轮储能系统的基本结构,利用有限元分析软件ANSYS进行仿真分析,搭建模型进行磁悬浮力计算,并研究系统超导块与永磁体之间的间隙和半径等尺寸参数的改变对超导磁悬浮力大小的影响。在完成上述工作后,在原悬浮系统的基础上,在超导块外侧加上线圈,并分析线圈中所加电流密度大小的不同对超导磁悬浮力的影响。     

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。     

无轴承式高温超导飞轮储能系统样机设计

针对现有飞轮储能系统中的机械摩擦等问题,提出了无轴承式高温超导飞轮储能装置。储能装置利用高温超导块材料的迈斯纳效应使安装有永磁体的飞轮悬浮,实现无轴承。定子侧安装有三相对称绕组与飞轮构成同步电机结构。利用陀螺仪效应,使飞轮高速旋转,实现储能。利用有限元分析软件,对超导块与永磁体间的作用力进行仿真分析,对在不同尺寸的圆柱永磁体下的悬浮力进行比较。在此基础上,进行飞轮和装置结构设计,并对储能装置储能性能进行了测试,验证了方案的可行性。     

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。     

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。     

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.     

飞轮储能用磁悬浮轴承研究进展北大核心

磁悬浮轴承已在高速飞轮储能和旋转机械等重要领域得到广泛应用。系统研究了高速飞轮储能用永磁悬浮、电磁悬浮、超导悬浮和混合悬浮轴承的工作原理、结构型式和特点,分析了各种磁悬浮轴承的悬浮力、刚度,并介绍了国内外研究现状以及待解决的关键技术问题,阐述了未来发展趋势。     

超导磁悬浮微飞轮系统设计与测试

设计了一种基于超导磁悬浮轴承的微飞轮系统样机．该微飞轮系统以超导磁悬浮轴承作为支撑机构，以平面直流无刷电机作为驱动装置，在输入电压14．4V电流0．36A时，飞轮转子在空气中最高转速可达到15000rpm．通过对采用机械轴承的飞轮系统和超导磁悬浮飞轮系统的自由降速曲线测试，求出不同轴承的摩擦损耗，并得到超导磁悬浮飞轮系...     

空心圆柱形永磁体内径对单畴GdBCO超导块材磁悬浮力的影响

通过对空心圆柱形永磁体与单畴GdBCO超导体磁悬浮力的实验测量,研究了空心圆柱形永磁体内径(d)的变化对超导体磁悬浮力的影响.结果发现,当空心圆柱形永磁体内径从0 mm增加到26 mm时,超导磁悬浮力大小与空心圆柱形永磁体内径有着密切关系(最小测量间距Z=2 mm),所有超导磁悬浮力曲线都存在磁滞现象.随着空心圆柱形永磁体内径的增大,最小间距处超导磁悬浮力逐渐减小,从d=0 mm时的14.8 N减小为d=26 mm时的-0.1 N,d≥20 mm时,最小间距处超导磁悬浮力出现负值;当0 mm≤d5 mm时,超导体最大磁悬浮力出现在最小间距处,d≥5 mm时,超导磁悬浮力先增大后减小,最大超导磁悬浮力产生的位置随着内径的增大而变大.研究表明:只有科学合理地设计永磁体结构参数,才能获得较大的磁场强度,提高超导磁悬浮力特性.该结果对设计并优化磁悬浮轴承系统、环形轨道和超导体的实际应用具有一定的指导意义.     

高温超导磁悬浮与飞轮储能

旋转飞轮的动能储存可以有多种的用途，飞轮储能装置的效率取决于轴承摩擦损耗的降低，高温超导磁悬浮具有稳定性，有可能用以制造飞轮储能用的无摩擦非接触被动磁性轴承。文章分析了超导磁悬浮的起因和特性，评介了目前高温超导ＹＢａＣｕＯ材料的水平，分析了用作飞轮储能的磁性轴承的设计考虑及有待解决的问题，最后介绍了国外的研究动态。     

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.     

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     

An Evershed type superconducting flywheel bearing

The objective of this work is to develop a bearing using high temperature superconductors (HTSs) for use in an energy storage flywheel. The experimental apparatus includes a cylindrical rotor levitated with the Evershed design in which the majority of the levitation force is provided by a permanent magnet arrangement and the stabilization of the system is achieved by HTS elements. The design characteristics and dynamics of the bearing associated with the rotor part are presented. The instrumentation measures the out of balance force and magnetomechanical stiffness associated with the rotor. A study of the rotational losses was performed using free spin down experiments associated with magnetic field variation measurements. The results are consistent with the loss being caused by hysteresis in the superconductor due to magnet inhomogeneity.     

Angular Dependence of Lateral and Levitation Forces in Asymmetric Small Magnet/Superconducting Systems

The dipole-dipole interaction model is used to calculate the angular dependence of lateral and levitation forces on a small permanent magnet and a cylindrical superconductor in the Meissner state lying laterally off the symmetric axis of the cylinder. Under the assumption that the lateral displacement of the magnet is small compared with the physical dimensions of the system, we obtain analytical expressions for the lateral and levitation forces as functions of geometrical parameters of the superconductor as well as the height, the lateral displacement and the orientation of magnetic moment of the magnet. The effect of thickness and radius of the superconductor on the levitation force is similar to that for a symmetric magnet/superconducting cylinder system, but within the range of lateral displacement. The splitting in the levitation force increases with the increasing angle of orientation of the magnetic moment of the magnet. For a given lateral displacement of the magnet, the lateral force vanishes when the magnetic moment is perpendicular to the surface of the superconductor and has a maximum value when the moment is parallel to the surface. For a given orientation of the magnetic moment, the lateral force has a linear relationship with the lateral displacement. The stability of the magnet above the superconducting cylinder is discussed in detail.     

辅助永磁体的引入方式对单畴GdBCO超导块材磁场分布及其磁悬浮力的影响

通过对永磁体辅助下单畴GdBCO超导体和方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, 研究了三种不同组态中辅助永磁体的引入方式对单畴GdBCO超导块材磁场分布及其磁悬浮力的影响. 实验结果表明, 如果处在超导体上方的测量用方形永磁体N极向下, 则在轴对称情况下, 当方形辅助永磁体N极向上与超导体下表面贴在一起时, 超导体的最大磁悬浮力从没有引入辅助永磁体磁化的14.3 N增加到31.8 N, 提高到222%; 当方形辅助永磁体放置在超导体上表面、 N极垂直向上且场冷后去掉辅助永磁体时, 超导体的最大磁悬浮力从没有引入辅助永磁体磁化的14.3 N增加到21.6 N, 增加到151%; 当方形辅助永磁体放置在超导体上表面、 N极垂直向下且场冷后去掉方形辅助永磁体时, 超导体的最大磁悬浮力从没有引入辅助永磁体磁化的14.3 N减小到8.6 N, 减小为无辅助永磁体时的60%.这些结果说明, 只有通过科学合理地设计超导体和永磁体的组合方式, 才能获得较高的磁场强度, 有效地提高超导体的磁悬浮力特性, 该结果对促进超导体的应用具有重要的指导意义.     

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.     

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。     

Effect of the characteristics of a superconductor on the levitation properties of the magnet-superconductor system

The results of the experimental and theoretical investigations of the magnetic levitation force appearing at the interaction of the multilayer superconducting block of the YBa₂Cu₃O_7?x melted textured ceramic and a permanent magnet are presented. The maximum repulsive force and maximum attractive force are determined as functions of the thickness of the superconducting block in the superconductor cooling regime in both zero and nonzero magnetic fields. The dependence of the levitation force on the geometric parameters and critical current of the superconductor is found.