CAT-1超导磁悬浮系统的平衡分析与永磁实验装置设计

天环一号(CAT-1)是国内首个采用磁悬浮偶极场磁体设计的磁约束等离子体装置。本文根据CAT-1装置总体目标和参数设计要求,采用线电流简化模型,基于矢量磁场、力学平衡及动力学等方法,完成了超导磁悬浮系统的平衡稳定分析,给出了参数设计结果;初步设计出简化的永磁悬浮实验装置,用于检验超导磁悬浮系统稳定性及参数可靠性。结果表明:对于CAT-1装置的悬浮磁体1200 kg、电流5 MA、悬浮距离2.0 m设计目标,托举线圈半径最优值为1.7 m,相应的电流为3.49 kA,为实现对悬浮磁体偏移运动的有效阻减及控制,平衡点附近工作区域应限制在垂直位移Δz<0.1 m、水平位移Δer<0.05 m、倾斜角位移Δα<π/24;分析了TSR线圈对悬浮线圈的影响,计算显示TSR与悬浮线圈产生对向漂移,漂移幅度与径向位置有关,同时TSR线圈侧原本闭合磁力线被破坏,造成输运粒子损失;采用1.5 kg永磁完成了悬浮实验装置概念设计,分析表明永磁体与托举线圈间距0.1 m,铜导托举线圈电流895 A,满足控制对响应速度的要求。