高溫超導(dǎo)磁懸浮智能優(yōu)化算法及其應(yīng)用.pdf

1、高溫超導(dǎo)磁懸浮由于其自穩(wěn)定、低能耗等優(yōu)點(diǎn)，在磁懸浮軸承、飛輪儲(chǔ)能、軌道交通等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。載人高溫超導(dǎo)磁懸浮車的懸浮系統(tǒng)主要由平移對(duì)稱式永磁軌道和懸浮在其上方的高溫超導(dǎo)塊材組成。懸浮系統(tǒng)的成本是阻礙載人高溫超導(dǎo)磁懸浮車進(jìn)入工程應(yīng)用的重要因素之一，因此對(duì)懸浮系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常重要的工作。過(guò)去的優(yōu)化工作主要分為實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值計(jì)算兩個(gè)方面。數(shù)值計(jì)算可以進(jìn)行大規(guī)模定量的仿真分析，具有實(shí)驗(yàn)測(cè)試所不具備的優(yōu)點(diǎn)。已有的數(shù)值優(yōu)化工作很

2、少采用全局的智能優(yōu)化算法，或者只采用磁懸浮簡(jiǎn)化的解析模型結(jié)合智能優(yōu)化算法，本論文首次將高溫超導(dǎo)磁懸浮二維模型和智能優(yōu)化算法結(jié)合一起對(duì)高溫超導(dǎo)磁懸浮優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。
　　本論文首先推導(dǎo)基于矢量磁位法的高溫超導(dǎo)磁懸浮二維模型，然后詳細(xì)介紹該模型的電磁控制方程的空間域離散和時(shí)間域離散的過(guò)程，并且簡(jiǎn)要介紹了JFNK法求解非線性有限元方程組的方法，實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了該模型的有效性和準(zhǔn)確性。
　　在分析比較幾種常用的隨機(jī)全局智能優(yōu)化算法的

3、基礎(chǔ)上，決定采用遺傳算法對(duì)高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)進(jìn)行智能優(yōu)化設(shè)計(jì)。考慮遺傳算法內(nèi)在的并行性和主從式并行計(jì)算模型，采用OpenMP并行編程模型對(duì)串行優(yōu)化程序進(jìn)行了改進(jìn)。對(duì)一種簡(jiǎn)單的單超導(dǎo)塊材的磁懸浮系統(tǒng)優(yōu)化后結(jié)果分析，表明懸浮力和垂向穩(wěn)定性都得到了大幅度的提高，同時(shí)并行程序的計(jì)算時(shí)間比原串行程序計(jì)算時(shí)間減少四分之三。
　　利用上述優(yōu)化算法，分別對(duì)由單塊和多塊的高溫超導(dǎo)塊材與兩種不同的Halbach型永磁軌道組成的懸浮系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化研究。

4、結(jié)果表明，有限元的計(jì)算參數(shù)（包括超導(dǎo)體的剖分密度和時(shí)步法的時(shí)間步長(zhǎng)）和超導(dǎo)塊材的臨界電流密度只影響最后優(yōu)化的懸浮力的大小，并不影響優(yōu)化得到的永磁軌道的尺寸。超導(dǎo)體的工作高度和幾何尺寸對(duì)優(yōu)化后的永磁軌道的尺寸參數(shù)有決定性的影響。綜合結(jié)果說(shuō)明隨著永磁軌道體積的增大，超導(dǎo)塊材工作區(qū)域下方的永磁的尺寸幾乎保持穩(wěn)定，而區(qū)域外的永磁塊和永磁軌道的厚度才會(huì)隨之增大。在尋求系統(tǒng)最高性價(jià)比的條件下，存在一個(gè)最佳厚度，同時(shí)應(yīng)盡量增大超導(dǎo)塊材的寬度。永磁軌道

5、的體積應(yīng)和超導(dǎo)塊材有一個(gè)合理的搭配。對(duì)于多塊超導(dǎo)塊材的情況，在以最大化系統(tǒng)的懸浮力為目標(biāo)函數(shù)時(shí)，系統(tǒng)的導(dǎo)向力在一定情況下也會(huì)隨之提高。
　　高溫超導(dǎo)磁懸浮需要大尺寸的高溫超導(dǎo)塊材，因此多籽晶高溫超導(dǎo)塊材成為目前首選。針對(duì)多籽晶超導(dǎo)塊材存在的晶間電流和晶內(nèi)電流在仿真計(jì)算中的的困難，本文采用考慮籽晶間的磁耦合的方法仿真晶間電流，計(jì)算和測(cè)試結(jié)果對(duì)比表明在場(chǎng)冷的條件下與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果比較吻合。針對(duì)下一步大載重的載人高溫超導(dǎo)磁懸浮車的設(shè)計(jì)，提