高溫超導(dǎo)磁懸浮三維理論模型及其數(shù)值計算研究.pdf

1、雖然高溫超導(dǎo)磁懸浮的理論研究已突破二維或軸對稱情形的局限，逐步向更接近實際情況的三維情形靠攏，但目前的三維理論模型或者忽略高溫超導(dǎo)體的電磁各向異性或者對其作過多的簡化處理，導(dǎo)致模型對高溫超導(dǎo)體電磁特性的描述不夠。因此，高溫超導(dǎo)磁懸浮的理論研究還有待進一步完善。
　　 本文從Maxwell方程組和高溫超導(dǎo)體電阻率的各向異性出發(fā)，結(jié)合高溫超導(dǎo)體的電磁本構(gòu)關(guān)系，以矢量電位為狀態(tài)變量，建立了考慮高溫超導(dǎo)體電各向異性現(xiàn)象的三維電磁場控制方

2、程。為研究運動狀態(tài)下高溫超導(dǎo)體的熱磁耦合問題，給出了高溫超導(dǎo)體的溫度場控制方程。在數(shù)值實現(xiàn)方法上，分別采用Galerkin有限元和Crank-Nicolson-θ有限差分格式對控制方程進行空間離散和時間離散。此外，為模擬永磁軌道中相鄰永磁體之間的縫隙引起的外場沿縱向的不均勻性，采用面電流模型建立了永磁軌道磁場的三維解析模型。
　　 在對模型的驗證方面，詳細(xì)比較討論了不同運動模式下的數(shù)值計算結(jié)果與實驗測試結(jié)果，具體包括豎直運動下平

3、移對稱場中的零場冷、場冷懸浮與懸掛三種情形以及軸對稱場中零場冷情形；橫向運動下場冷懸浮、懸浮高度等于場冷高度與懸掛三種情形；縱向運動下懸浮力隨運動時間的變化關(guān)系。結(jié)果表明本文提出的三維理論模型可以很好地反映高溫超導(dǎo)體與外場的電磁作用力。在此基礎(chǔ)上，理論研究了三維運動下高溫超導(dǎo)塊材的磁懸浮特性。
　　 對于豎直運動，首先分析了工作條件、外場結(jié)構(gòu)、材料性能與幾何尺寸等影響因素對懸浮力的作用規(guī)律，接著討論了懸浮力的弛豫特性及其影響因素

4、的作用規(guī)律，得出提高塊材的材料性能或降低溫度，既可顯著提高懸浮力，也能有效抑制甚至避免懸浮力弛豫衰減的結(jié)論，最后從理論上證實了預(yù)載可以有效地抑制懸浮力的弛豫衰減，是提高系統(tǒng)懸浮穩(wěn)定性的一種有效手段。
　　 對于橫向運動，首先分析了工作條件、最大橫向位移、材料性能與幾何尺寸等影響因素對電磁力的作用規(guī)律，接著討論了高溫超導(dǎo)體的臨界場冷高度問題，發(fā)現(xiàn)隨著懸浮高度的增加、材料性能的提高或者溫度的降低，臨界場冷高度是逐漸降低的，隨后提出了

5、用于研究懸浮體橫向可恢復(fù)特性的最小能量法，最后就連續(xù)橫向運動過程中不同條件下懸浮力和導(dǎo)向力隨橫向運動次數(shù)的變化規(guī)律進行了深入分析，并從理論上證實預(yù)載能夠有效地抑制橫向運動引起的懸浮力衰減。
　　 對于縱向運動，分為磁懸浮發(fā)射和磁懸浮軌道交通兩種應(yīng)用。就磁懸浮發(fā)射應(yīng)用而言，研究的內(nèi)容包括軌道縫隙、出口速度和溫度對懸浮力的影響規(guī)律以及不同出口速度和溫度下塊材內(nèi)最大溫升的變化規(guī)律；就軌道交通應(yīng)用而言，研究了不同場冷高度、懸浮高度、運動