EMS型高温超导悬浮系统设计与实现

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高温超导材料在超导强电和超导电子方面体现出了诸多的优点和广阔的应用前景。将高温超导线材应用在磁悬浮列车上,代替常导绕组的铜线或铝线,实现车辆的悬浮,能够发挥超导材料零电阻、导线截面积小等特性,大幅降低悬浮系统功耗和体积。目前国内外普遍的做法是在超导线材中通直流电产生恒定磁场,另外并联常导线圈以提供系统稳定性调节所需要的变化磁场。但这样悬浮系统中保留了超导和常导两套系统,使整个系统变得复杂。为此,本文探讨直接在超导线圈中通可控制的变化电流,从而实现车辆稳定悬浮的可行性和可用性问题。  围绕该问题,本文设计了高温超导悬浮实验平台,分析了超导线圈的失超特性;建立了高温超导悬浮架电磁场仿真模型,并进行电磁场仿真分析;建立了高温超导悬浮系统动力学模型,设计了控制器;最后在高温超导悬浮实验平台上进行了悬浮实验,验证了高温超导悬浮系统的可行性和可用性。论文主要研究内容如下:  本文首先介绍了高温超导悬浮架的结构设计。然后针对高温超导线圈失超特性,分析了高温超导线圈失超的原因以及超导磁体稳定性参数的定义,从损耗的角度以及悬浮过程电流变化出发总结出超导线圈稳定性参数为临界电流和热稳定电流,并设计实验进行测试。  随后进行了高温超导悬浮架电磁场仿真。建立了高温超导悬浮架 Maxwell三维仿真模型,分析了超导线圈所处磁场对临界电流的影响。分析了轨道所受电磁力,在临界电流约束下选取了合适的悬浮工作点。  接下来进行了高温超导悬浮建模与控制算法设计。建立了高温超导悬浮系统动力学模型,利用反馈线性化方法得到了线性化模型。针对高温超导悬浮系统,提出了悬浮系统性能评价指标和损耗性能指标;建立了悬浮系统Matlab仿真模型,在最小化超导损耗的性能指标函数和动态性能函数的约束下,利用仿真优化设计了超导悬浮控制算法和参数。考虑到悬浮过程中悬浮负载质量会变化,为了适应这种参数变化提高系统响应能力,设计了质量自适应控制算法。  最后进行了高温超导悬浮系统软硬件设计并进行了高温超导悬浮实验。详细介绍了高温超导悬浮实验系统组成和软硬件设计,在高温超导悬浮实验系统上开展实验,实验验证了高温超导悬浮系统的可行性和可控性。
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