高温超导带-块混合悬浮特性研究

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磁悬浮交通是轨道交通的新兴领域。其中高温超导磁悬浮具有悬浮/导向自稳定、无需主动控制、车轨结构简单可靠、行进方向无固有磁阻(易于实现高速)等优势,是当下轨道交通领域最具变革性的前沿方向之一。针对公共交通运输,目前高温超导磁悬浮实验车1 t/m的载重能力尚显不足。为了使高温超导磁悬浮车进一步走向规模应用,寻求一种载重大、动态性能稳定的超导悬浮体结构是关键。钇钡铜氧块材一直是最主要的悬浮体选择,近年来随着钇钡铜氧带材制备技术的进步,将带材作为悬浮体的研究逐渐增多,但带材-块材混合悬浮研究尚未开展。若能打破块材和带材独立应用的界限,将带材和块材结合,发挥带材结合灵活的特点,对块材进行悬浮力、导向力、阻尼、机械强度、热稳定性等方面的优化和增强,具有重要的研究意义和实用价值。针对堆叠带材独特的临界电流密度各向异性进行研究。提出了堆叠带材等效各向异性的概念,通过实验研究了该等效各向异性对悬浮力、导向力、捕获磁通的影响,并基于面电流模型对等效各向异性系数进行了计算。结果显示堆叠带材的各向异性比块材更加强烈,堆叠带材可以等效为各向异性系数w为11.4的块材。针对带-块混合涉及的超导体之间的磁场耦合影响进行研究。通过分析、计算和捕获磁通实验,超导体会受到其余超导体的磁场耦合影响,但是由于存在较强的永磁轨道磁场环境,该磁场耦合影响较小可以忽略。从应用的角度看,在带材和块材混合悬浮体应用时,可以忽略多块超导体之间的“有害”的磁场耦合影响,带材和块材结合可以实现接近1+1=2的叠加效果。提出了“堆叠型”带-块混合悬浮体构型,并对其悬浮/导向特性进行了实验研究。比较了堆叠带材和块材的悬浮/导向性能,验证堆叠带材的悬浮/导向效率约为块材的一半,确定“块下带上”为更优的悬浮体构型,阐明了带材厚度对悬浮/导向特性的影响机理。随着带材厚度的增加,混合悬浮体能够增加悬浮力和导向力。提出了“环绕型”带-块混合悬浮体构型,并对其悬浮/导向特性进行了实验研究。环绕型混合悬浮体是一种各向异性较弱的悬浮体结构。随着带材厚度的增加,混合悬浮体能够增加悬浮力和导向力。应用角度上,通过对高温超导带-块混合悬浮特性进行研究,提出了两种各具特点的混合悬浮体构型。针对多样化的应用需求,混合悬浮体构型为车载悬浮体提供了多样选择,可有效提升高温超导磁悬浮车载重,将推动新兴高温超导磁悬浮车技术发展。
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