【摘 要】
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针对目前常导磁吸式电磁悬浮系统中存在的常导线圈耗能严重、磁体易发热,悬浮间隙过小导致轨道造价过高等问题,结合第二代高温超导带材YBCO载流性能不断提升、制备成本不断降低的发展趋势,在长沙磁悬浮快线现有常导电磁铁结构的基础上,对常导电磁铁进行改进,提出高温超导与常导混合悬浮的设计方案。本文对应用于磁浮列车的高温超导与常导混合悬浮电磁铁基本单元进行了结构设计,利用有限元仿真软件对其悬浮性能进行电磁分析
【基金项目】
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北京交通大学应用研究项目,高温超导悬浮电磁铁研发,项目编号E20L00540;
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针对目前常导磁吸式电磁悬浮系统中存在的常导线圈耗能严重、磁体易发热,悬浮间隙过小导致轨道造价过高等问题,结合第二代高温超导带材YBCO载流性能不断提升、制备成本不断降低的发展趋势,在长沙磁悬浮快线现有常导电磁铁结构的基础上,对常导电磁铁进行改进,提出高温超导与常导混合悬浮的设计方案。本文对应用于磁浮列车的高温超导与常导混合悬浮电磁铁基本单元进行了结构设计,利用有限元仿真软件对其悬浮性能进行电磁分析;设计并制作了混合悬浮电磁铁的实验装置,配套设计并搭建了悬浮力测量实验平台,对混合悬浮电磁铁实验装置进行了悬浮力的实验测量;通过将仿真结果和实验结果进行对比,验证了混合悬浮电磁铁设计方案的可行性。本文介绍了两种利用有限元仿真软件ANSYS Maxwell的场计算器预判高温超导磁体临界电流的方法。通过对设计的混合悬浮电磁铁超导磁体表面垂直磁场的分布情况进行仿真求解,结合高温超导带材在垂直磁场下临界电流的衰减特性曲线,计算出超导磁体的临界电流,并得出结论:设定的超导磁体通流范围完全满足安全运行的要求。此外,对设计的高温超导与常导混合悬浮电磁铁的悬浮性能与能耗情况进行了评估,通过评估得出结论:所设计的混合悬浮电磁铁可以完全满足系统的悬浮承载要求,且相较常导电磁铁其具备很大的节能优势。本文在设计混合悬浮电磁铁实验装置的过程中对电磁铁的铁芯结构进行了优化设计,提出了较U型铁芯结构性能更优的W型铁芯结构,W型铁芯相较U型铁芯在降低线圈材料使用、节约成本以及提升悬浮力等方面更具优势;设计并加工了一套高温超导与常导混合悬浮电磁铁的实验装置,并对超导磁体的临界电流进行测量,通过将测量结果与仿真结果进行对比分析,验证了利用有限元仿真软件ANSYS Maxwell对超导磁体临界电流进行预判方法的可行性与准确性。本文设计并搭建了悬浮力测量实验平台,对特定悬浮工况下悬浮电磁铁的悬浮力进行实验测量,并将测试数据与仿真结果及理论计算公式进行对比分析,实现了悬浮力理论计算公式,悬浮力有限元仿真计算以及悬浮力实验测量三者之间的相互验证。最终得出结论:利用高温超导与常导混合悬浮电磁铁来替代常导电磁铁具有较高可行性。综上,本文认为所提出的高温超导与常导混合悬浮方案有较高的可行性,有必要在未来进一步对其悬浮控制系统及背景磁场下的交流损耗等问题进行研究。
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