高温超导直线同步电机电磁力仿真与实验研究

无铁芯超导直线同步电机(superconducting linear synchronous motor,SLSM)具有推力密度高、工作气隙大等优势,是超导磁浮列车的动力核心。由于会不可避免地受到弯道、道岔、横风和电源谐波等因素的影响,磁浮列车在运行过程中将发生多自由度运动,使电机次级姿态发生滚转或偏移,致使超导直线电机的电磁力性能发生改变,进而影响列车的运行稳定性。针对多变电机次级姿态下高温超导直线同步电机的三维力特性展开研究,首先分析悬浮车体多自由度运动对直线电机次级姿态的影响,并建立计算SLSM三维电磁力的有限元模型;其次,通过搭建超导同步直线电机样机,实验验证模型的有效性;最后,基于该模型研究无铁芯SLSM次级在发生横向偏移、法向偏移、侧滚、俯仰以及偏航条件下的三维电磁力输出特性及其变化规律,为超导磁浮列车运行性能优化提供了理论依据。

行波磁场中高温超导电动悬浮磁体的热性能研究

地面线圈的交变磁场会在超导电动悬浮磁体中感应出涡流,产生涡流损耗,导致磁体温度上升。该文研究地面推进线圈产生的行波磁场对车载高温超导磁体热性能的影响,首先介绍高温超导磁体和推进线圈结构,分析行波磁场空间分布特征;搭建高温超导磁体热性能测试平台,测量行波磁场激扰下超导磁体内关键组件的温度分布,揭示各组件温度耦合关系;最后探究行波磁场频率和峰值对磁体温升的影响规律。结果表明,行波磁场激扰下,超导线圈的温升可忽略不计,但辐射屏温升显著,进一步使超导电流引线温度升高,增大电流引线失超风险,为此提出2种方法来限制电流引线温升。该研究成果可为高温超导悬浮磁体低温结构和电流引线的设计提供参考。

跑道型高温超导磁体的磁场解析计算模型

基于均匀电流密度假设和毕奥-萨伐尔定律,该文建立了三种计算跑道型高温超导磁体磁场的解析模型。通过有限元仿真和实验测量验证了解析模型的有效性,对比分析了三种解析模型的计算精度和效率。基于解析模型,探究了椭圆段和电流密度穿透深度对跑道型超导磁体磁场分布的影响,揭示了自洽模型的磁场边界大小对超导磁体临界电流估计值的影响规律。该文建立的磁场解析模型能够准确快速地计算复杂形状超导磁体和常导磁体的磁场,可进一步应用于磁体电感、临界电流、交流损耗和电磁力等参数的计算,以提升磁体电磁设计效率。

基于场–路–运动耦合模型的超导电动悬浮列车特性研究

基于动态电路理论,该文建立"8"字形零磁通轨道线圈无交叉连接超导电动悬浮列车系统中悬浮导向结构的等效电路模型,推导超导磁体与轨道线圈之间的时变互感计算公式,采用能量法求解列车的悬浮力、导向力及磁阻力;利用日本山梨磁浮试验线的实测数据对等效电路模型进行验证。在此基础之上,最后建立"8"字形零磁通轨道线圈交叉连接系统场–路–运动耦合模型,研究电动悬浮列车的动态运行特性,揭示电磁力随横向偏移、悬浮高度的变化规律,同时阐述轨道线圈感应电流的形成机理。文中的研究结论将为国内超导电动悬浮技术的发展提供重要参考。

轴对称结构非接触供电动态特性研究

采用仿真分析与实验验证相结合的方法研究了旋转状态下非接触传能系统的性能。利用两谐振线圈的电磁耦合,从理论上建立等效电路模型进行阻抗匹配。利用有限元分析软件,建立了三维仿真模型,研究了不同旋转速度下,轴向间距、径向偏移以及倾斜角度对非接触能量传输系统性能的影响规律。同时利用搭建的实验平台进行稳态验证,与仿真结果对比,表明有限元仿真模型的有效性和准确性。最后,利用经过检验的仿真模型,研究了系统的瞬态特性以及磁场分布,证实改变旋转速度几乎不影响系统的传输功率,这为非接触传能技术应用于电机无刷励磁等旋转装置提供了有益的参考。

制冷机可插拔式固氮低温系统的设计与实验

为了给高温超导磁体提供一个20—40 K的工作温度,并提升低温系统的便携性,设计制造了一种制冷机可插拔式固氮低温容器。理论分析了系统整体漏热以及固氮在20—40 K的保温时间,对其降温及保温性能进行了测试。结果表明,制冷机拔离可有效提升固氮低温容器在20—40 K的保温时间。

车载控制器和列车管理系统接口监测系统设计

部分城市地铁车载设备由车载控制器(CC)和列车管理系统(TMS)组成。由于TMS常常显示CC通信状态误报警信息,给设备维护带来麻烦,容易延误设备维修时机。为此,提出一种监测地铁CC和TMS通信的监测系统,能实时监测并记录CC和TMS之间的通信信息,并且能够离线图形化解析监测数据,方便设备维护人员找出问题原因。该系统目前已成功应用,并取得了很好的效果。

高温超导涂层带材接头工艺研究进展

二代高温超导涂层带材因其具有较高的临界温度、临界电流密度和工程临界磁场,被认为是绕制下一代高场强超导磁体最具潜力的材料之一。带材接头对于磁体研制必不可少,其制作工艺和性能测试方法成为国内外许多研究机构的关注重点。文中综合目前高温超导涂层带材接头相关的研究进展和成果,对包括涂层带材的工业制备现状、带材接头焊接工艺、性能测试方法、仿真建模研究等几个方面进行了概述。

一种简便有效的涂层超导带材低电阻焊接工艺（英文）

随着近年来YBCO涂层超导带材性能的提升,其相关应用已逐渐成为研究热点。由于单根带材长度通常不能满足实际应用需要或需要形成闭合线圈,涂层超导带材的连接是各项应用中必不可少的一个关键步骤。国内外对带材接头工艺中控制因素的研究主要集中在焊接温度、焊料、施加压力等方面。由于涂层带材很薄,极易因为局部的微小形变而损坏退化,因此焊接平台表面应该足够平整光滑,焊接平台具有高平整度表面也是获得极低电阻接头的关键因素之一,而目前这一点还未引起足够重视。因此研究了一种简便有效的基于高平整度(小于5μm/100 mm)焊接平台的涂层超导带材焊接工艺。采用该工艺及带材正面相对的搭接方式,进行了不同厚度和搭接长度的带材接头焊接。之后,采用四引线法在液氮环境中对接头进行了电性能测试,当搭接长度为14 cm时接头电阻低至6.3 n?。此外,通过金相光学显微镜和扫描电子显微镜对接头微观结构进行了观察分析,获得了接头处焊料分布状态。

无铁心双层绕组超导直线同步电机参数优化设计

超导电动磁悬浮(electrodynamic suspension,EDS)技术具有自稳定、效率高、工作气隙大等优势,是高速磁悬浮列车发展的主要方向之一。以应用于超导电动悬浮列车的双层绕组直线同步电机为研究对象,首先,利用谐波分析法推导该电机电磁推力表达式并分析推力波动产生原因。接着,利用三维有限元法研究电机结构参数对电机推力及其波动的影响规律,明确主要结构参数的选取准则。针对磁场的空间衰减特性,提出内外层绕组结构匹配设计方法。然后,基于上述研究确定了一套实验样机尺寸参数,并仿真分析样机电磁性能。最后,研制实验样机并通过推力测量,验证设计方法与理论分析的有效性。