（電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)論文）高溫超導ems磁浮系統(tǒng)的研究與實現.pdf

西南交通大學碩士研究生學位論文第1 i 頁 a b s t r a c t t h em a g l e vt e c h n o l o g y , an e w - t e c hm e r g e di n2 0 t hc e n t u r y , h a sb e e np r o g r e s s e dal o t i nr e c e n ty e a r s i ti s w i d e l ya p p l i e di nt r a n s p o r t a t i o n ，m e t a l l u r g y , m e c h a n i s m , e l e c t r i c a l e q u i p m e n t sa n dm a t e r i a lr e s e a r c h e s t h em a g l e vt r a i n , an e wr a i l w a yv e h i c l ew i t h o u t f r i c t i o n i so n es u c c e s s f u la n di m t m r t a n ta p p l i c a t i o no fm a g l e v - t e c h h o w e v e r , a 5f o r t r a d i t i o n a le m s ，t h ee n e r g yl o s sc a n n o tb ei g n o r e d ，b e c a u s eo ft h er e s i s t a n c ei nn o r m a l c o n d u c t o r w i t ht h er a p p i dd e v e l o p m e n to ft h eh t s ( h i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r ) ， h t se m s t e c hh a sab r i g h tp r o s p e c t i nt h i sn e wt y p eo fe m s ，e n e r g yl o s sc a nb em u c h l o w e rt h a nt h et r a d i t i o n a ln o r m a l - c o n d u c t o re m s ，b e c a u s eo f z e r o - r e s i s t a n te f f e c t i nt h i sp a p e r , t h es i n g l e - m a g n e td y n a m i cm o l d l eo ft h ep u r eh t se m si sb u i l ta n dt h e b a s i ct h e o r yo ft h es y s t e mi sd i s c u s s e d ，a c c o r d i n gt op r a c t i c a le x p e r i m e n ta p p l i a n c e ，t h e s i n g l e m a g n e th t se m sm o l d l em a g n e t i ca n a l y s i s i sd o n eb a s e do na n s y s ，t h ec r i t i c a l c u r r e n to ft h eh t sc o i li sd i s c u s s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw i l lp r o v i d es i g n i f i c a n t r e f e r e n c e st ot h ee x p e r i m e n t t h ec o n t r o lp a r a m e t e r sf o re x p e r i e m e n ts y s t e ma r ed e s i g n e d a c c o r d i n gt op l g ) c o n t r o ls t r a t e g y t h es i m u l a t i o nb a s e do nt h es i m l i n kd i c t a t e st h es t a b i l i t y o f t h eh t se m s ，a n dt h ec h a l l e n g eo f t h eh t se m si sp r e s e n t e d ，a sw e l l t h e n ，as e r i e so f h a r d w a r ec i r c u i t sc e n t e r e da r o u n ds u s p e n t i o nc o n l x o l l e rb a s e dd s pf 2 8 1 2i sd e s i g n e d ， i n c l u d i n gm a i nc i r c u i t ，s i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t ，c o t f i n a l l y , t h es i n g l e m a g n e th t se m se x p e r i m e n tb a s e do nt h eh t se m se x p e r i m e n t p l a t f o r md e v e l o p e db yt h em a g l e v - t e c hi n s t i t u t eo fs w j t uh a sb e e nd o n e t h es t a b l e s u s p e n t i o nw i t hac e r t a i ng a p i sr e a l i z e d 。t h ef e a s i b i l i t yo fh t se m s - t e c hi sp r o v e d w i t h t h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h eh t s 。a p p l y i n gh t se m s - t e c hi nm a g l e vt r a i nw i l lh a v ea b r i g h tp r o s p e c t k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cs u s p e n s i o nt e c h n o l o g y ；e m s ；e d s ；h t s 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 頁 第1 章緒論 磁懸浮技術由于其無接觸的特點，避免了物體之間的摩擦和磨損，能延 長設備的使用壽命，改善設備的運行條件，因而在交通、機械、冶金、材料 等各個方面有著廣闊的應用前景。但現在前景最看好的還是其在交通領域的 應用。 磁懸浮列車依靠電磁吸力或電動斥力將列車車廂托起懸浮于空中并進行 導向，實現列車與地面軌道間的無機械接觸，從根本上克服了傳統(tǒng)列車輪軌 粘著限制、機械噪聲和磨損等問題，利用直線電機驅動列車運行。它的時速 高，是當今世界最快的地面客運交通工具，并且還具有安全，舒適，無污染， 與環(huán)境兼容性好，爬坡能力強以及占地面積小等一系列優(yōu)點。既可用于城市 之間的長距離運輸，也可用于城市與郊區(qū)、城市內的中短距離運輸，具有廣 闊的應用前景，對其懸浮系統(tǒng)的研究工作具有重要價值。 1 1 磁浮列車的懸浮原理 實用的磁浮列車的懸浮系統(tǒng)可分為電磁吸力型懸浮( e l e c t r om a g n e t i c s u s p e n s i o n ，簡稱e m s ) 和電動斥力型懸浮( e l e c t r od y n a m i cs u s p e n s i o n ，簡稱 e d s ) 兩種基本的懸浮方式。 1 1 1 電磁吸力型懸浮( e m s ) 的懸浮原理 電磁吸力懸浮是電磁力主動控制懸浮，不管列車運行與否，即使在靜止 時都能實現懸浮。列車可以是低速的也可以是高速的。具體地說，就是對置 于導軌下方的懸浮電磁鐵線圈提供電流產生電磁場，使之與軌道上的鐵磁性 導軌相互作用，利用他們之間的電磁吸力，使列車懸浮至一定的高度。但由 于電磁吸引力與氣隙大小成近似平方反比的非線性關系，氣隙減小會使電磁 吸力增大，導致氣隙進一步減?。粴庀对龃髣t使電磁吸力減小，導致氣隙進 一步增大。因此，這種懸浮系統(tǒng)本質上是不穩(wěn)定的，必須通過精確快速的反 饋控制，才能保證列車可靠穩(wěn)定地懸浮?？刂频年P鍵是通過對懸浮氣隙的檢 測實現電磁鐵電流的精確快速控制，從而控制磁場強度、控制電磁吸力，進 而控制磁鐵的上下運動，使電磁鐵與導軌之間保持一個穩(wěn)定的懸浮氣隙。采 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 頁 用e l m s 技術的常導磁浮列車己投入了商業(yè)運營。圖1 1 為中低速磁浮列車懸 浮結構示意圖。上海高速磁浮列車懸浮結構參見圖1 2 。 忒心心 _ 圖卜1中低速磁浮列車懸浮結構示意圖 圖卜2 上海高速磁浮列車懸浮、導向和驅動原理示意圖 1 1 。2 電動斥力型懸浮( e d s ) 的懸浮原理 電動斥力型磁懸浮列車是利用同性磁極之間的相互推斥的原理來實現車 輛的懸浮的，采用電動斥力懸浮系統(tǒng)( e d s ) 的磁浮列車只能在列車達到一定 的運行速度后才能實現懸浮( 列車通常都是高速的) 。日本的低溫超導磁懸浮 列車，采用的便是e d s 懸浮方式，也是目前最為成功的e d s 系統(tǒng)。 下面就以日本m l u 磁懸浮列車為例，簡要介紹e d s 型超導磁懸浮列車 原理。這里將“8 ”字形線圈的零磁通原理用于懸浮，其懸浮原理示意圖如圖 1 3 所示，“8 ”字形線圈的零磁通原理如圖1 4 。沿軌道兩邊鋪設“8 ”字型短 路線圈，磁懸浮列車在靜止或低速運行時不能起浮，要靠支撐輪支撐，此時 車載低溫超導磁體的中心線0 ，- 0 ，與“8 ”字形短路線圈中心線0 。一0 。重合， 西南交通大學碩士研究生學位論文第3 頁 “8 ”字形短路線圈中上下兩部分產生的感應電勢相互抵消為零，因此在“8 ”字 形短路線圈中沒有感生電流，因此也沒有懸浮力產生。當列車運行到一定的 速度并收起支撐輪后，車載低溫超導磁體下沉從而使低溫超導磁體中心線 0 ，一0 ，偏離“8 ”字形短路線圈中心線0 。一0 。，因而“8 ”字形短路線圈中上半部 線圈交鏈的磁通減少，下半部交鏈的磁通增大。結果使得上下兩部分的感應 電勢不能相互抵消，于是在“8 ”字形短路線圈內產生感生電流。由楞次定律可 知，感應電流在上半部線圈感應的磁場方向與車載低溫超導磁體的磁場方向 相同，在下半部線圈感應的磁場方向與車載低溫超導磁體的磁場方向相反。 同極相斥產生的推力會形成一個向上的分力，異極相吸產生的吸引力會形成 另一個向上的分力，一推一拉形成磁浮列車的懸浮力。 e d s 型列車加速運行的過程中，懸浮力隨速度增加而增加直至與重力平 衡從而將車體懸浮起來。當速度超過一定值時，列車就脫離路軌表面而實現 懸浮，高度可達1 0 0 m m 1 5 0 r a m 。由于是斥力懸浮，懸浮是自穩(wěn)定，不需要 任何反饋控制系統(tǒng)來保證其懸浮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，控制系統(tǒng)可以大為簡化，但 懸浮的高度與列車速度有關，因此必須在車上安裝輔助的機械支撐輪裝置， 以保證列車在啟動、低速運行或停車時，能安全可靠地著地。 圖卜3m l u 列車電動斥力懸浮系統(tǒng)示意圖 西南交通大學碩士研究生學位論文第4 頁 圖卜4“8 ”字形線圈的零磁通原理 除了采取典型的e m s 和e d s 懸浮方式外，還有基于超導釘扎原理的斥 力型懸浮列車，如西南交通大學研制的基于高溫超導塊材的超導磁浮列車。 除了采取純常導e m s 懸浮方式外，人們還提出了混合e m s 方式，如永 磁與常導混合懸浮方式，超導與常導混合懸浮方式。 1 2 高溫超導e m s 磁浮技術的研究意義與研究現狀 近幾十年來，磁浮列車的發(fā)展取得了令人矚目的成就，正在發(fā)展成為新型 的綠色交通運輸工具之一。但是現有的懸浮方案也都有自身的不足之處。 對于常導e m s 磁浮列車，雖然有不管列車運行與否，都能實現懸浮的優(yōu)點， 并且列車運行高、低速皆宣。但這種磁浮列車的懸浮線圈具有一定的電阻，存在 較大的懸浮功耗。由于運行中的能耗問題，影響了懸浮氣隙的進一步增大，同時 也增加了車載蓄電池的容量和重量。 而e d s 磁浮列車一般采用低溫超導磁體，對制冷系統(tǒng)要求高；雖然懸浮 氣隙大，但需要在一定速度下才能實現懸浮；由于軌道上的閉合懸浮線圈是 離散的，而且懸浮斥力沒有閉環(huán)控制，斥力隨著磁場強度的變化而變化，容 易產生上下波動，因此磁浮列車的舒適度較差：又由于懸浮斥力磁場很強， 磁場又無閉合鐵芯磁路，在列車車廂中有較強的磁場，磁場對人體的損害將 增加。美國的m a g p l a n e 系統(tǒng)方案采用永磁鐵代替超導磁體，鋁板型軌道代替 分離閉合懸浮線圈，車輛系統(tǒng)和軌道變得極為簡單，乘坐舒適度有所改善。 但由于車輛懸浮采用永磁體，車輛偏重。車輛輔助用電、車廂強磁問題仍沒 西南交通大學碩士研究生學位論文第5 頁 有很好地解決。 隨著高溫超導塊材的發(fā)展，利用超導體釘扎效應的磁懸浮系統(tǒng)得到了發(fā) 展，如西南交通大學研制成功的高溫超導懸浮車。但由于這種懸浮系統(tǒng)的軌 道為永磁體軌道，軌道造價過高，而且出于安全性和鐵磁性鐵屑污染難于清 除等考慮，其工程應用價值有待論證。 引入永磁( 或超導線圈) 與常導線圈構成的混合e m s 懸浮系統(tǒng)，雖然可以 降低懸浮功耗，但是控制較為復雜。且永磁體長期運行易退磁，永磁體安裝拆卸 也不方便。在常導與超導混合懸浮系統(tǒng)中，超導線圈與常導線圈之間存在互感， 懸浮的穩(wěn)定性受到影響。 人們不斷探尋著更為理想的懸浮方案。由于超導具有零電阻特性，若能 用高溫超導線圈代替常導e m s 懸浮系統(tǒng)中的常導懸浮線圈，可達到降低懸 浮功耗，節(jié)省能量的目的；同時，超導e m s 懸浮又可能克服e d s 型懸浮以 及混合e m s 懸浮的諸多不足之處。于是，直接控制高溫超導線圈電流的高 溫超導e m s 懸浮方案成為研究的熱點。這種超導懸浮方案從懸浮原理上有 別于現有的采用超導磁體的e d s 懸浮和基于釘扎原理的超導斥力型懸浮，為 超導材料在磁浮領域的應用開辟了新的天地。 1 9 9 0 年h t s 超導線圈首次繞制成功。經過多年艱苦工作，美國i g c 公 司研制出在4 2 k 下產生2 6 t 磁場的b i 系線圈。1 9 9 4 年，我國西北有色院和 北京有色總院已成功地用b i 系帶材研制出高溫超導線圈。材料制造方面的突 破為將高溫超導引入e m s 懸浮裝置打下了堅實基礎。 1 9 9 2 年，g r u m m a n 公司提出了一種直接控制高溫超導線圈電流，實現 穩(wěn)定懸浮的設計思路。英國牛津大學也曾于1 9 9 6 年嘗試類似裝置的設計和建 造，但尚無成功的報道【4 l 。 國內將高溫超導線圈應用于e m s 懸浮研究的單位有西南交通大學和清 華大學。 2 0 0 3 年，清華大學物理系超導研究中心和北京英納超導技術有限公司合 作，設計了一種基于b i 2 2 2 3 a g 線材制作的高溫超導線圈的電磁懸浮系統(tǒng)， 該試驗裝置首次驗證了高溫超導線圈在小電流( 3 2 安培) 下的可控性問題【4 】， 為進一步探索將高溫超導e m s 技術用于磁懸浮軌道交通系統(tǒng)的可行性打下 了基礎。 2 0 0 2 年，西南交通大學磁浮列車與磁浮技術研究所王莉教授等人提出由 高溫超導線圈與常導線圈構成的混合式電磁懸浮系統(tǒng)1 9 l ，并且通過實驗驗證 西南交通大學碩士研究生學位論文第6 頁 了方案的可行性。目前，超導與常導混合懸浮實驗已經基本實現了大氣隙穩(wěn) 定懸浮。但是由于常導與超導線圈存在互感，當常導電流快速變化時，超導 電流隨之波動，對懸浮的穩(wěn)定性存在一定影響，且控制也較為復雜。我們希 望能夠直接控制超導線圈電流，實現以純高溫超導e m s 方式懸浮質量為 2 5 0 k g 的電磁鐵。這項研究工作為高溫超導線材在磁浮軌道交通事業(yè)之中的 應用進行了探索性研究，具有相當的理論和實踐意義。由于超導線圈易失超， 需要在線圈電流跟隨的快速性( 以保證懸浮的穩(wěn)定) 和避免電流變化率過大引 起高溫超導線圈的失超之間尋找折中，該研究也具有相當的風險和挑戰(zhàn)。 1 3 本文作者的主要工作 本文深入研究了高溫超導e m s 懸浮方案，采取p i d 控制實現了單磁鐵 高溫超導e m s 系統(tǒng)的定氣隙懸浮，最后將高溫超導e m s 懸浮和其它懸浮方 案作簡要比較，分析了其優(yōu)勢與不足。 本文作者主要完成以下任務： 1 建立單磁鐵高溫超導e m s 懸浮系統(tǒng)模型，分析高溫超導e m s 懸浮 的基本原理。 2 以超導懸浮實驗裝置的結構以及實驗所用的超導線圈參數為藍本，利 用a n s y s 仿真，計算擬定懸浮點處的工作電流，磁場分布規(guī)律，分析懸浮 功耗，并與常導懸浮功耗進行比較分析。結合實驗所用超導線材特性分析超 導線圈的臨界電流，為設計和實驗提供重要參考依據。 3 針對超導懸浮實驗對象，采取定氣隙p i d 控制策略，設計氣隙環(huán)控制 參數，進行仿真，說明懸浮穩(wěn)定性的同時，結合超導特性，說明可能存在的 風險。同時，設計電流環(huán)參數，并進行仿真。 4 搭建實驗硬件電路，包括斬波器，及i g b t 驅動電路；相關信號處理 電路；設計制作基于d s p f 2 8 1 2 的控制器，編制控制程序，將氣隙環(huán)和電流 環(huán)均集成于d s p 控制器中，并由d s p 中e v 模塊的通用定時器直接產生p w m 驅動信號； 5 通過實驗驗證設計的可行性和正確性。 西南交通大學碩士研究生學位論文第7 頁 第2 章超導特性和高溫超導 通常的物質在常溫時具有一定的電阻率。但是有些物質在特定的溫度r 叫 轉變溫度或臨界溫度) 以下會轉變?yōu)橥耆珱]有電阻的狀態(tài)。后來發(fā)現，與零 電阻性出現的同時，這些物質還伴有完全抗磁性。具有這種性質的材料稱為 超導材料。 2 1 零電阻效應 1 9 1 1 年荷蘭物理學家翁內斯( o r m e s ) 在研究金屬電阻隨溫度變化的規(guī)律 時發(fā)現，當溫度降低時，水銀的電阻先是平穩(wěn)地減小，而在4 2 k 附近電阻突 然降為0 。于是稱這種情況下發(fā)生的零電阻現象為物質的超導電性，具有超 導電性的材料稱為超導體。零電阻效應是超導的基本特征之一。發(fā)生電阻突 然下降為零的這個溫度稱為超導的臨界轉變溫度z ，當t c 時金屬為正常 態(tài)，t 為超導態(tài)。許多金屬和合金在低溫下都會出現超導現象，不同金 屬轉變成超導態(tài)的臨界溫度不同。 2 2 完全抗磁性( 邁斯納效應) 1 9 3 3 年，德國的邁斯納( m e i s s n e r ) 通過實驗發(fā)現，當置于磁場中的超導體 從正常態(tài)變到超導態(tài)后，原來穿過超導體的磁力線會被完全排斥到超導體之 外，同時超導體外的磁通密度增加。由此可見，超導態(tài)時，在超導體內磁感應 強度變?yōu)榱恪＿@種現象就稱為邁斯納效應。邁斯納效應是超導態(tài)的第二個基本 特征。 習慣上，人們把完全排除體內磁通的超導體稱為理想超導體，也就是第 一類超導體；把體內出現部分束縛磁通，即出現非線性的磁化行為，具有上、 下臨界磁場的超導體稱為第二類超導體；而把具有不可逆磁化行為，即存在 磁通屏蔽、俘獲磁通和具有剩磁的超導體稱為非理想第二類超導體1 7 4 1 。 西南交通大學碩士研究生學位論文第8 頁 2 3 臨界磁場和臨界電流 超導態(tài)除了決定于溫度外，還與外磁場有關。在t 皿時，超導態(tài)便轉變?yōu)檎?常態(tài)。皿( r ) 稱為溫度為t 時的i 晦界磁場，皿( r ) 與t 的關系為 皿( d = 皿( o ) 【l 一( ) 2 】 ( 2 1 ) 其中以( 0 ) 為，- h o k 時的臨界磁場，對于不同的超導材料有不同的 皿( 0 ) 值。 每一種超導體都有一定的l 臨界磁場數值，對于第二類超導體還存在當磁 場高于下f 臨界場以時，超導體處于既有超導態(tài)又有正常態(tài)的混合態(tài)；只有 當磁場高于上i i 函界場皿：時超導體才完全轉交為正常態(tài)?；旌蠎B(tài)下，第二類 超導體的臨界電流密度很低，而非理想第二類超導體在混合態(tài)仍有很高的臨 界電流密度。非理想第二類超導體是實用的超導材料。 當通過超導體的電流超過一定的數值后，超導態(tài)便被破壞，l 稱為超 導臨界電流。每單位截面積超導體流過的最大電流值，稱為臨界電流密度。 2 4 交流損耗 超導體基本特性之一是在直流運行條件下的電阻為零，因此在直流狀態(tài) 下沒有損耗。但是當超導體通過交流電流或是處在交變磁場中，超導體將出 現損耗，我們稱之為交流損耗。超導體的交流損耗必然導致導體發(fā)熱，如果 熱量不能及時排出，則將使導體溫度升高并使臨界電流下降。同時，由于導 體發(fā)熱，所以制冷功率亦需相應增大，這對超導體運行是很不利的。這使得 使超導磁體在交流條件下的應用受到限制。 2 5 高溫超導 長期以來，人們發(fā)現的超導體只能在低溫液氦區(qū)( 4 k 左右1 工作，這就需 要許多低溫設備和技術，費用很高且不方便，因而限制了超導體的應用。2 0 世紀6 0 年代開始，人們開始了對是高溫超導探索研究。 西南交通大學碩士研究生學位論文第9 頁 所謂高溫超導是相對傳統(tǒng)超導而言的，傳統(tǒng)超導體必須在液氦溫區(qū)工作。 高溫超導體是指可以在液氮溫區(qū)工作的超導體，液氮的沸點為7 7 k ，其價格 要比液氦便宜很多，冷卻效率同液氦相比又有很大提高，且氮又是十分安全 的氣體，故大大擴展了超導的應用前景。高溫是該類超導材料的主要優(yōu)勢所 在。在高溫超導體發(fā)現以后，原則上說，凡是低溫超導電性能獲得應用并顯 示優(yōu)越性的領域，高溫超導電性也具有同樣的優(yōu)越性。有人甚至頂言，人類 社會將進入超導時代。 人們迫切需要實現高溫超導體的實用化，然而高溫超導材料的自身的特 點決定著高溫超導體的應用存在許多困難?，F在發(fā)現的高溫超導材料大都是 類陶瓷材料，脆性較大，不易成材。高溫超導材料在高溫區(qū)液氮溫區(qū)，當外 加磁場增加時，臨界電流密度t 明顯降低。但是人們相繼發(fā)現，高溫超導線 材在低溫區(qū)( 3 0 k ) ，即使在很高的場強下仍可承載較大的電流。n b t i 在同樣 高的場強下，l 早已衰減至零。利用這一特性，可以把這類材料繞制成超強 磁場的磁體。 在高下，強磁場下，保持高的臨界電流密度和降低交流損耗是將高溫 超導強電領域的兩大關鍵課題。對其臨界電流的影響因素主要包括磁場，溫 度，機械形變因素等等，目前人們正致力于對弱連接和磁通蠕動的研究，尋 找減小磁通蠕動的方法。交流損耗與臨界電流緊密相關，還與交變電流或磁 場的變化的幅值，頻率相關，與制冷循環(huán)也有一定關系，應盡快尋找出進一 步減小交流損耗的有效方法，加強超導線圈熱穩(wěn)定性的研究。 目前，已發(fā)現的高溫超導材料很多，我們實驗中所用的超導體是鉍系 2 2 2 3 a g ，它的臨界溫度最高已達1 1 0 k ，其臨界電流超過1 0 0 a ，臨界電流密 度超過1 0 0 0 0 a e m 2 。我國自1 9 8 8 年以來，一直在開展b i 系高溫超導材料的 研究，目前從事b s c c o 超導帶材研究的主要單位有北京有色金屬研究院、 西北有色金屬研究院和北京英納超導技術有限公司。其中西北有色金屬研究 院和北京莢納超導技術有限公司這兩個國內超導材料生產企業(yè)具備了批量生 產工程應用超導帶材的能力。西北有色金屬研究院在2 0 0 3 年初成功制出 2 0 0 m 長的單根帶材，工程臨界電流超過8 0 a 。北京英納超導技術有限公司的 設計生產能力為年產量2 0 0 k m ，臨界電流達到8 5 a 。 b i 2 2 2 3 a g 高溫超導線材已經在超導電纜、超導電機、超導儲能裝置等 強電領域得到廣泛應用。將b i 2 2 2 3 a g 高溫超導線圈引入磁懸浮列車懸浮系 統(tǒng)代替常導懸浮勵磁線圈，值得期待。 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 0 頁 第3 章超導磁浮實驗臺概述及其電磁場仿真 該課題中的高溫超導e m s 懸浮實驗系統(tǒng)是一個比較復雜的實驗系統(tǒng)， 應該包括下面幾個部分： ( 1 ) 超導懸浮實驗臺( 包括超導磁鐵和附屬機械結構) ( 2 ) 檢測器 ( 3 ) 主電路 ( 4 ) 控制電路 本章僅就超導懸浮實驗臺的機械結構，高溫超導線圈及其制冷裝置作闡 述。并基于實際的幾何參數，通過a n s y s 仿真分析超導懸浮的電磁環(huán)境以 及超導線圈臨界電流情況，懸浮功耗等。 3 1 實驗臺機械結構 本實驗基于超導懸浮實驗臺進行。它是以高溫超導電磁鐵為核心的單磁 鐵懸浮裝置。導軌由硅鋼片軋成，長1 2 7 0 r a m ，寬1 2 0 r a m ，高1 5 0 m m 。u 型 鐵心同樣由硅鋼片軋成，磁極面積為1 5 0 m i n x l 2 0 r a m 。u 型磁鐵中部安裝杜 瓦罐，超導線圈繞制其中。在磁鐵下部設有加重臺，可以進行加重實驗。兩 側是燕尾槽，保證磁鐵可以上下自由滑動。整個懸浮重量約2 5 0 k g ，實驗臺 整體結構圖如圖3 - 4 。下面是u 型鐵心及導軌的整體結構圖，如圖3 1 所示。 i ii i 一：一i iii 鍾匿 一 tt 丫丫tt 一 一1 杰、 上上 圖3 一l磁鐵鐵心及導軌整體結構圖 西南交通大學碩士研究生學位論文第”頁 u 型鐵心的詳細幾何結構如圖3 - 2 ，導軌的詳細幾何結構如圖3 3 。 + 圖3 2u 型鐵心結構圖 u 型鐵心制造參數表如3 一l ： 表3 - 1u 型鐵心的參數 磁極面積s ( m m ) o 1 2 x 0 1 5 懸浮磁鐵鐵心高度( m m ) 3 0 0 磁鐵鐵心底邊總長( m m l 6 0 0 導軌結構圖如圖3 3 所示 圖3 - 3導軌結構圖 實驗臺整體結構如下圖所示： 西南交通大學碩士研究生學位論文第12 頁 圖3 4懸浮裝置整體示意組圖 超導懸浮系統(tǒng)的總體參數如下表3 2 ： 表3 2 超導懸浮系統(tǒng)參數 懸浮重量m ( 嘲 2 5 0 超導繞組匝數 5 9 4 電磁鐵磁極面積s ( 小2 ) 0 1 2 x o 1 5 擬實現懸浮氣隙( r a m ) 1 0 超導電流似) 1 1 1 7 8 注：此處超導電流值按磁路理論求得未考慮漏磁因素 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 3 頁 3 2 實驗使用的高溫超導線圈參數及其制冷裝置設計 3 2 1 高溫超導線圈基本參數設計 高溫超導線圈共5 9 4 匝，采用北京英納超導技術有限公司生產的 b i 2 2 2 3 a g 高溫超導線材繞制。超導線圈參數如表3 - 3 所示。根據表3 3 參數 繞制的高溫超導線圈照片如圖3 5 所示。高溫超導線圈結構如圖3 - 6 所示。 表3 - 3超導線及線圈參數 超導線雙餅線圈 雙餅編號超導線規(guī)格 液氮溫度下 室溫電阻 液氮溫度下 臨界電流臨界電流 寬+ 厚m m 2( 歐姆) ( a )( a ) 1 4 0 8 * 0 2 3 7 1 7 31 2 23 7 _ 3 24 1 3 * 0 2 3 5 7 2 5 8 7 5 8 7 1 1 3 3 4 7 6 3 4 1 3 + o 2 3 57 2 5 8 7 5 8 7 1 2 23 4 7 6 4 4 0 9 * 0 2 3 5 7 2 4 5 7 5 9 41 3 3 3 5 54 0 9 * 0 2 47 3 3 9 8 2 5 3i 1 33 6 5 64 2 5 * 0 2 37 0 8 4 7 9 171 2 53 6 2 5 74 0 9 * 0 2 47 3 3 9 8 2 5 31 1 93 8 7 4 84 3 * 0 2 57 1 7 1 7 7 5 51 2 13 4 2 6 94 2 3 o 2 46 9 2 2 - 7 6 6 81 2 13 4 0 1 9 個雙餅電阻總 和 1 0 8 9 以下為超導線圈的實物照片： 圖3 - 5超導線圈 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 4 頁 l 圖3 - - 6磁體結構圖 高溫超導線圈結構參數如表3 - 4 所示。 表3 - 4磁體結構參數 結構尺寸、設計參數 名稱單位 線圈內徑 n u n1 9 3 線圈外徑 盥2 0 9 線圈有效長度 m m8 1 雙餅數 9 每雙餅匝數 6 6 每雙餅用線 m4 1 7 線圈總匝數 匝 5 9 4 用線總長度 m 3 7 5 2 線圈填充系數 8 4 西南交通大學碩士研究生學位論文第15 頁 3 2 2 杜瓦罐的設計 杜瓦罐的設計要滿足3 個條件，一是高溫超導線圈能放置在其中，二是 u 型鐵心能夠穿過包含在杜瓦罐中的高溫超導線圈，三是杜瓦罐中能夠灌入 足夠的液氮，能保證一次灌裝可維持實驗2 個小時。另外還需考慮方便灌裝 液氮。 考慮以上各種要求，杜瓦罐設計為長方體，長2 7 5 m m ，高3 0 0 r a m ，厚 度為1 2 5 r a m ，中間挖切圓柱空洞便于鐵心穿套。在其頂部開一小孔，小孔 距前端3 0 r a m ，高度為2 5 r a m ，用以充灌液氮。超導線圈便繞制在罐內圓柱形 骨架上面，四周充以液氮，維持高溫超導體的工作環(huán)境溫度。每次充灌液氮 量約為7 l 左右。杜瓦罐整體外觀圖如3 7 圖所示，具體制造參數如圖3 8 。 l o 圖3 7杜瓦罐立體圖圖3 - 8杜瓦罐二視圖 3 2 3 空心線圈的臨界電流 高溫超導帶材的通流能力對磁場相當敏感，當高溫超導帶材處于磁場中 時，隨著磁場的大小和磁場方向的不同，超導帶材的臨界電流會有不同程度 的衰減，圖3 - 9 是n s t 公司提供的高溫超導線材在承受不同的平行場和垂直 場時臨界電流的衰減系數曲線。 西南交通大學碩士研究生學位論文第16 頁 糍 甏 器 羹 黲”。2 一” 4 | ，量裹踅! ! 瑟墓薹鎏瞪 ，5 l 噩王的衰減i “ ，八謹 、 。， l j 、k i 。 、 、卜 ik h !e l h 。镕 。一! ，。一t # 。l 一。 圖3 - 9溫度7 7 k 時臨界電流隨作用在帶材上的垂直 和平行方向磁場變化而衰減的曲線 圖3 - 9 可以看出，高溫超導線材的臨界電流受加在其上的磁場的影響很 大，受垂直場的影響大于受平行場的影響。磁體制成后出廠性能測試時沒有 配置鐵心。此時，磁體是空心結構，通電時，超導線圈處有較大磁場，故此 時測量得到的磁體臨界電流較安裝鐵心以后的磁體臨界電流有所降低。空心 磁體臨界電流測試如下： 實驗方法：向低溫杜瓦內灌入液氮，當磁體冷卻下來以后，再向杜瓦內 補充液氮直至灌滿整個杜瓦，手動調節(jié)電流源的輸出從0 a 3 9 a 調節(jié)，用納 伏表監(jiān)測磁體端電壓的變化情況。 將測試結果繪制成圖3 1 0 所示曲線，橫坐標為線圈中流過的電流，縱坐 標為線圈兩端的電壓。當線圈處于超導態(tài)時，超導線圈電阻為零，只有接頭 及常導引出線有微小電阻，因此測得的電壓不會隨電流增大而明顯增大，只 有當超導線圈中的電流超過臨界電流后，超導線圈失超，電阻明顯增大，則 線圈兩端電壓明顯上升。 其空心測試結果表明，其空心臨界電流為2 8 a 左右。實際使用時，加裝 鐵心，磁場主要通過鐵心閉合，超導線材處所承受的磁場將會減小，它的臨 界失超電流應當高于空心線圈的臨界電流。下節(jié)，將運用a n s y s 分析加裝 鐵心后的線圈臨界電流。 西南交通大學碩士研究生學位論文第17 頁 2 , 2 x l o 2 o x l o ，, s x l 1 瞅仃 4 x 1 一 耋怒2 x l 8 o x l o 6 m 1 。r 4 m 1 2 缸1 o ；o 卜_ m - - i - vc u r v e l ， d f 一， _ or o 3 6 9 1 2 1 51 82 2 42 73 03 33 6 4 2 i 圖3 - 1 0空心磁體i v 測試曲線 3 3 基于a n s y s 的電磁場分析 通過有限元仿真軟件a n s y s 可以較為準確的計算懸浮系統(tǒng)的電磁量， 仿真結果對參數設計和實驗具有指導作用，同時通過計算超導線材所乘受的 磁場，可以分析裝有鐵心后，超導線圈的臨界電流情況，以確保超導線圈的安 全。 3 3 1 加裝鐵心超導臨界電流分析 超導懸浮系統(tǒng)中，超導線圈裝有鐵心，為了確保超導線圈正常工作，有 必要分析加裝鐵心后的超導線圈的臨界工作電流情況。 加裝鐵心后，雖然主磁通通過鐵心閉合，但在超導線圈處仍存在漏磁， 所以超導磁體的臨界電流仍會受磁場影響而降低，但其影響程度應當小于空 心線圈。 下面分析加裝鐵心后鐵心與導軌間氣隙為l o m m 時，該超導線圈的臨界 電流。利用a n s y s 分別計算出超導線圈通以不同電流值時，超導線材所承 受的最大平行場和垂直場，查閱圖3 - 9 n t s 公司提供的溫度7 7 k 時，臨界電 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 8 頁 流隨作用在帶材上的垂直和平行方向磁場變化而衰減的曲線，并按制造商說 明，工程應用時，考慮5 的機械應力衰減，計算出下表： 表3 - 5超導線圈臨界電流計算結果 超導電流( a )最大平行場( t )最大垂直場( t )臨界電流( a ) 2 90 0 4 6 4 8 2 0 0 3 8 6 9 1 4 0 9 3 3 0 0 0 4 8 0 9 00 0 4 0 0 1 6 3 9 8 9 3 l0 0 4 9 7 0 10 0 4 1 3 3 8 3 8 8 5 3 2o 0 5 1 3 1 4 0 0 4 2 6 5 4 3 7 8 2 3 30 0 5 2 9 2 90 0 4 3 9 6 1 3 6 8 0 3 40 0 5 4 5 4 60 0 4 5 2 5 53 5 7 8 3 4 8 80 0 5 5 9 6 2 0 0 4 6 3 7 3 3 4 9 0 3 50 0 5 6 1 6 40 0 4 6 5 3 23 4 7 8 3 60 0 5 7 7 8 30 0 4 7 7 8 73 3 7 9 以下是隨超導電流增加，通過查閱圖3 - 9 ，計算出磁場帶來的超導臨界 電流衰減系數的變化趨勢如圖3 1 l 。 藏 饔 器 圖3 一l l臨界電流衰減系數隨電流增加的變化趨勢圖 下面以超導線圈通流2 9 a 時為例說明臨界電流計算過程。利用a n s y s 計算得到此時線圈承受的最大平行場為o 0 4 6 4 8 2 ，最大垂直場為0 0 3 8 6 9 1 。查 閱圖3 - 9 ，由最大平行場引起的臨界電流衰減系數為o 8 1 4 0 7 ( 即衰減為原臨 界電流的0 8 1 4 0 7 ) ，而最大垂直場引起的衰減系數為0 5 7 4 4 0 ，顯然，垂直 場引起的臨界電流衰減更大?？紤]5 的機械應力衰減，超導線圈通流為2 9 a 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 9 頁 時，其臨界電流計算如下： m i n ( 7 5 。0 8 1 4 0 7 0 9 5 7 5 + 0 5 7 4 4 0 + 0 9 5 ) - - - 4 0 9 3 4 臨界電流的變化趨勢如下圖所示： -_-、 - - - - 一 - - 十十 一 、 - - _ - - _ - - - k 露一 _ -r - - - 4 一 - - - - -i - - - ，- 量大王作電流點 - - _ 、 彗笈 _ - - - - - -。_ - - - - _ ： h _ - - - - - _- - - 盤量。- -_- 二二； ：； 4 ：f 一 - 。-_ - 。，一 超導電流，a 圖3 - 1 2臨界電流隨超導電流增大而變化的趨勢圖 圖中虛線代表超導線圈中的電流，而實線為超導線圈的臨界電流?？梢姡?隨線圈中電流增大，磁場增大，臨界電流隨之降低，實線與虛線相交處，即 為最大工作電流點。據以上分析，超導線圈的最大工作電流在3 4 8 8 a 左右。 但是，即使穩(wěn)定懸浮時，超導電流也存在一定交流成分，這可能影響超導線 圈的通流能力，臨界電流可能更低。同時，磁鐵上下運動，電磁環(huán)境也隨之 發(fā)生變化，對超導線圈的臨界電流的影響更加復雜。實際使用時應考慮足夠 裕量。 3 3 2 超導e m s 系統(tǒng)電磁場仿真 實驗臺的懸浮重量約2 5 0 k g ，本設計擬進行l(wèi) o m m 定氣隙懸浮。下面對 氣隙為l o m m 時的超導懸浮進行分析，計算工作電流以及磁場分布情況。 下面通過三維電磁仿真定量分析超導懸浮系統(tǒng)的電磁量，其三維仿真模 型如下： 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 0 頁 圖3 - 1 3超導懸浮磁鐵三維仿真模型 鐵心，導軌機械參數按實際幾何參數建模，參閱3 1 節(jié)相關內容。超導 線圈5 9 4 匝，長度為8 1 r a m ，內徑為1 9 3 r a m ，外徑為2 0 9 r a m ，懸浮氣隙為l o m m 。 導軌，鐵心材料導磁特性按制造參數，b h 曲線如下圖所示。 ， ， l f 0 工2 5 l s 2 5 鐵心b h 曲線 1 工作電流的計算： 仿真時通以不同電流，可計算得出相應懸浮力。當通以1 2 5 4 的電流時， 懸浮力為2 5 0 0 9 n o 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 1 頁 u n i t so f f o r c e ：( n ) c o m p o n e n t f o r c e - xf o r c e - yf o r c e z f 0 ，1 3 4 8 0 e + 0 10 6 5 1 4 t e + 0 00 2 5 0 0 9 e + 0 4 說明氣隙為l o m m 時，要懸浮2 5 0 k g 的重物，超導電流大約需要1 2 鮒左右， 這比直接按磁路理論，不考慮漏磁時得出的值要大。 通過以上計算并結合前節(jié)臨界電流分析，工作于l o m m 氣隙時，超導電 流僅為1 2 5 4 ，超導電流有充足的安全裕量，即使考慮增重，短時沖擊等影 響，也還有一定裕量，超導線圈應當可以安全工作。 但是，除去臨界電流因素，超導線圈是否會失超，還取決于電流變化率， 交流損耗大小，制冷狀況等等，其影響因素很多，且各個因素問又相互影響， 這也注定該項實驗充滿風險和挑戰(zhàn)，是否可以正常懸浮需要通過實驗進行驗 證。 2 鐵心及導軌中的帶狀磁密分布圖 圖3 - 1 5鐵心及導軌中磁密帶狀分布圖 從總體說，磁路中的磁場基本成對稱分布，磁路中的磁感應強度遠離鐵 心的飽和此時鐵心具有較好的線性調節(jié)能力。 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 2 頁 3 氣隙中磁密的分布情況分析 取從u 型磁鐵磁極表面向上到導軌面中心路徑上的磁感應強度b 值，每 間隔l m m 計算b 值于表3 - 6 ，z 代表離開磁極表面的距離。 表3 - 6電磁鐵磁極中心路徑上b 值列表 z ( m )b ( 7 ) 0 0 0 0o 4 2 1 1 7 0 0 0 10 4 2 0 4 7 0 0 0 20 4 2 0 0 1 0 0 0 30 4 1 9 7 9 0 0 0 4o 4 1 9 8 0 0 0 0 50 4 2 0 0 6 0 0 0 60 4 2 0 5 5 0 0 0 7o 4 2 1 2 9 0 0 0 80 4 2 2 2 3 0 0 0 90 4 2 3 3 8 0 0 1 00 4 2 4 8 2 根據上表繪制下圖。x 軸代表距離磁級表面的距離。 ； ii5， 瘴膏加 圖3 - 1 6 電磁鐵極中心路徑上b 值變化趨勢圖 由上圖可知，磁場強度基本分布在o 4 2 t 左右，b 值變化不大，出現谷 值是因為邊沿效應所致。 4 懸浮功耗分析 氣隙為1 0 m m 時，超導懸浮電流為1 2 5 爿。若忽略超導回路電阻，超導 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 3 頁 懸浮功耗為零。與常導懸浮相比，若常導線圈電阻為1 歐( 參照混合實驗臺常 導線圈電阻) ，則懸浮功耗為1 5 6 3 礦左右，超導懸浮大大節(jié)約了能量。 利用a n s y s 分別計算懸浮氣隙為1 0 m m 時，懸浮重量為 2 0 0 k g ，5 0 0 k g ，8 0 0 k g 時，懸浮所需要的工作電流，與常導懸浮功耗進行對比分 析。 表3 7不同懸浮重量下超導懸浮與常導懸浮功耗比較 懸浮重量( 嘲線圈電流c a ) 超導懸浮功耗常導懸浮功耗 ( 陽( 叨 2 0 01 1 4o1 2 9 9 5 0 01 8 oo3 2 4 0 8 0 02 2 9o5 2 4 4 可見在懸浮重量增加時，常導懸浮的功耗增長迅速，而超導懸浮功耗始 終很低，超導懸浮在重載條件下低功耗優(yōu)勢更加明顯。 選取不同的氣隙值，懸浮重量為2 5 0 k g ，重復以上仿真，與常導懸浮進行對 比，結果見下表： 表3 - 8不同氣隙時超導懸浮與超導懸浮功耗比較 懸浮氣隙( m 塒)線圈電流似)超導懸浮功耗常導懸浮功耗 ( 聊 ( g o 1 01 2 501 5 6 3 1 51 9 2o3 6 8 6 2 02 5 706 6 0 5 懸浮氣隙越大，超導懸浮的低功耗優(yōu)勢愈加明顯。如果超導線材性能瓶 頸能夠取得突破，與常導懸浮相比，超導懸浮有利于實現更大重量，更大氣 隙的懸浮。 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 4 頁 第4 章高溫超導e m s 系統(tǒng)建模及其控制 與原有超導e d s 懸浮不同，高溫超導e m s 懸浮系統(tǒng)是主動控制型懸浮， 本章將分析超導e m s 懸浮的動態(tài)模型和控制方法。 4 1 單磁鐵超導e m s 懸浮模型的建立 4 1 1 單磁鐵超導e m s 懸浮動態(tài)模