【摘 要】
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具有自主化创新特征的高温超导钉扎磁浮是我国在高速磁浮领域重要的技术储备。随着高温超导高速磁浮工程化样车及试验线的启用,工程化进程已经迫在眉睫。然而,关于永磁轨道几何、磁场不平顺及外界不可控激励下超导块材内部温升这一关键问题研究却只停留在理论分析阶段,未见报道实验数据,且关于动态悬浮力的实验研究却未能关联到块材温升这一本质问题。本文以多种动态激扰下块材温升特性与悬浮力为主要切入点,研究小幅值与低频率
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目: 磁轨磁场不平顺激扰下超导块材温升特性及对高速磁悬浮应用影响机制研究(52077178); 国家自然科学基金面上项目: 磁轨不平顺随机激扰下高温超导磁悬浮车/轨耦合垂向动力学研究(51875485);
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具有自主化创新特征的高温超导钉扎磁浮是我国在高速磁浮领域重要的技术储备。随着高温超导高速磁浮工程化样车及试验线的启用,工程化进程已经迫在眉睫。然而,关于永磁轨道几何、磁场不平顺及外界不可控激励下超导块材内部温升这一关键问题研究却只停留在理论分析阶段,未见报道实验数据,且关于动态悬浮力的实验研究却未能关联到块材温升这一本质问题。本文以多种动态激扰下块材温升特性与悬浮力为主要切入点,研究小幅值与低频率、大幅值与高频率磁场激扰以及更多极端危险性激励下块材的温升特性与悬浮性能,总结归纳危险性工况及参数,提出工程化参考建议。首先,针对块状高温超导体进行打孔改造及搭建超导块材温升检测系统,可实现多点温度数据高精度检测。基于该系统,首先研究了永磁轨道不平顺特征(小幅值、低频率)下高温超导钉扎磁浮系统的内部温升特性,分析了转速、场冷高度、长时间运行工况对于超导块材温升的影响。结果表明:对极型永磁轨道几何较为平整、磁场波动幅值小与频率低,这种激励下超导块材内部仅有微弱温升,首次以实验形式证明SCML-03装置的对极型永磁轨道与超导块材组成的悬浮系统的磁-热是稳定、可靠的。其次,基于环形Halbach永磁磁轮,开展大幅值、高频率磁场激扰下超导块材温升特性与悬浮力行为实验研究,分析了不同运行工况对温升特性与悬浮性能的影响规律。结果表明:其一,超导块材内部温升的变化与悬浮力的变化在时间上呈现出一致性,在某一磁场幅值、频率时达到饱和。其二,转速、场冷高度、工作高度、逐级加速对超导块材温升与悬浮力影响程度不同,高温超导钉扎磁浮最佳的场冷高度、工作高度的选取需要结合外部磁场的波动频率、幅值去综合考虑。其三,82 K、87 K分别是超导块材悬浮力危险性衰减的拐点、超导块材无法表现出磁通钉扎特性的转折点。其四,磁场波动频率从低频向高频转变时,超导块材悬浮力振荡出现了由弱振向强振的转变。最后,在COMSOL Multiphysics软件中建立了两种高温超导钉扎磁浮磁-热-力耦合模型,经对比验证选择出更优的基于磁场强度法的耦合模型,能够准确模拟永磁轨道不平顺激励、外界激励下超导块材力学与热学行为。分别探讨了几何不平顺、磁场不平顺、外界激扰几种典型激励类型特征,采用数学方法表征并进行计算,归纳总结出具有危险性温升的特殊工况,提出有效降低、减弱振荡的方法。基于Halbach永磁轨道永磁体磁性能对悬浮力与温升的影响规律,提出一种轨道优化的方法。综上,本文以超导块材悬浮力、温升特性为出发点,研究了多种动态激励下超导块材的热学、力学响应,总结出危险性工况特征,为其工程化应用提供理论参考。
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