高温超导悬浮系统的磁刚度研究

基于Ampère环路定律和Bean临界态模型,通过分析超导体内部屏蔽电流穿透深度的变化,考虑高温超导悬浮系统的强磁滞特性和磁化历史,讨论了系统的磁刚度.针对实验和计算方法中与磁刚度密切相关的小滞回距离选取标准展开讨论,给出了合理的小滞回距离范围;指出磁刚度曲线具有明显的滞回性质,这主要源于超导悬浮系统的磁滞特性;详细讨论系统物理与几何参数(如临界电流密度、超导体厚度和半径等)对磁刚度的影响.计算结果可以为高温超导悬浮系统的稳定性设计提供有效可行的方法和参考依据.

飞轮储能器的新型高温超导悬浮轴承研究

储能器是一种储存能量的装置,随着高温超导悬浮轴承运用到飞轮储能器中,储能效率得到了大大的提高。它的主要结构是由高温超导体和永磁体组成。文中提出一种全新高温超导悬浮轴承,并研究其的力学性能,为新型超导悬浮轴承的研究与开发做好了基础准备。

针对磁通蠕动效应的超导悬浮动力运动比较研究

针对超导-永磁悬浮系统,分别采用描述超导宏观电磁场本构关系的磁通流动模型和磁通流动与蠕动模型,定量模拟了自由悬浮于超导体上方永磁体的振动。通过比较研究说明磁通蠕动效应对超导悬浮动力运动的影响程度以及这一影响随超导临界电流密度、系统外加激励振幅和频率的变化规律。

高温超导悬浮系统动力学仿真

研究永磁体-高温超导悬浮系统的动力学特性,针对改善系统的稳定特性,建立了考虑空气阻尼、外磁场干扰的永磁体-高温超导悬浮系统的动力学模型,采用修正的磁通冻结—镜象模型计算永磁体所受的动态悬浮力,计算出初始冷却条件的影响,避免了洛仑兹力积分求和问题,并进行仿真计算,得到了稳定的动态特征。采用Gear法进行两种工况数值计算的算例,结果表明,永磁体-高温超导悬浮系统的动力学性能改善,并能够反映系统的稳态特性,为永磁体-高温超导悬浮系统的设计提供了理论依据。

超导悬浮系统中电磁力的有限元分析

利用超导体宏观电磁场的Bean模型和有限元方法对由超导体和超导悬浮线圈所组成的悬浮系统进行了分析计算,通过定量计算与模拟,得到了超导体感应的屏蔽电流分布,从而得到了悬浮间隙及悬浮线圈中的电流对悬浮力的影响规律,同时分析了悬浮线圈尺寸与最大悬浮力之间的关系。这些数值计算结果为优化超导悬浮系统的结构设计提供了理论依据。

液氮-氮蒸汽两相流下超导悬浮器热力学研究

本文以超导悬浮器为实验对象,进行静态常压热力学演化实验,发现液氮蒸发速率随填充率减小而减小,静态安全液氮含量阈值为0.04。并采用流体体积(VOF)模型与Lee相变模型对不同液氮含量进行数值模拟并得到验证。仿真结果表明:在静置状态下超导悬浮器内会出现热分层现象,顶壁的温度最高。蒸发往往出现在壁面处,在底壁处尤为明显,产生较多气泡,并且气泡的产生使流动变得较为无序。本文为未来超导磁浮列车在真实运行中的液氮容量阈值分析和在线监测提供参考。

高温超导磁悬浮引纬结构悬浮稳定性分析

针对现有电磁投梭技术能量利用率低、引纬幅宽提升有限等问题,提出了一种基于超导磁悬浮的引纬方式,基于高温超导体的迈斯纳效应高温超导片梭能实现其自稳定悬浮,再通过设计的电磁线圈轨道产生行波磁场驱动片梭,从而实现增加片梭织机引纬幅度。由于引纬结构中永磁轨道间磁场存在相互干扰使轨道产生的磁场非对称分布,导致超导片梭两侧超导体悬浮力不相同,超导片梭不能稳定悬浮在轨道上方,后续引纬过程不能进行。为了保证引纬前片梭悬浮稳定性,通过有限元仿真软件分析超导片梭受到的悬浮力,并通过数值计算对永磁轨道磁场进行求解,从而研究磁场分布与超导片梭悬浮稳定性之间的影响。研究表明,轨道上方磁场分布对称性越高,超导片梭悬浮稳定性越高。通过数值计算方法确定了永磁轨道之间的距离为30-40 mm,即永磁轨道之间磁场发生干扰的临界距离,磁场分布具有很强对称性,超导片梭能够稳定悬浮于永磁轨道上方,并且能使超导片梭尺寸最小。

高温超导磁悬浮径向轴承的刚度特性仿真分析

刚度特性体现了超导磁悬浮轴承的稳定性,是高温超导磁悬浮径向轴承整体性能的主要评价指标之一。为探索刚度特性更优的径向轴承结构,笔者通过COMSOL软件对3种不同类型的径向轴承进行仿真设计,对比、分析不同结构的径向轴承的电磁特性,进而分析受力情况与刚度特性。结果表明,厚度较大、结构均匀的永磁体的径向轴承周围磁通密度更大,磁场梯度更强,刚度特性更优,在后续设计中可采用这种结构的径向轴承。

高温超导悬浮系统非线性动力特性实验与理论探究

悬浮系统主要由高温超导体与永磁体两部分构成,这一系统的应用优势较多,所以可以用于多种场景中,具有较好的发展趋势。通过汇总相关研究成果发现,大部分学者都对准静态悬浮力以及相关理论比较关注,但是关于强激励下的非线性运动特征、由温变引起的问题等一直没能解决。并且实验、数值模拟等方面都存在相应的问题。为此,本文以外界强激励作用为基础,针对高温超导悬浮系统的动力响应情况进行了实验、理论分析,希望可以对高温超导悬浮系统的完善与发展有所帮助。

高温超导磁悬浮列车气动噪声特征仿真研究

气动噪声是高温超导磁悬浮列车噪声的主要来源,以新型高温超导磁悬浮列车1∶8缩比的8车模型为研究对象,基于大涡模拟(LES)方法和K-FWH方程,通过建立可穿透积分面对列车在500,550,600及650 km·h-1 4个速度级下的气动噪声特征进行数值仿真研究。结果表明:在U型轨道的约束下,列车周围的气动激扰主要集中在车顶两侧、尾车流线型及尾流区;偶极子声源主要分布在中车车顶表面两侧、尾车流线型及超导线圈后方,尾流区也是重要的气动噪声源区;列车辐射噪声频谱呈现“宽峰”(100~315 Hz)特性,随着车速提升,低频噪声能量增强;4个速度级下测点辐射噪声水平变化规律一致,噪声最大值分别为94.2,96.4,100.1和105.2 dB(A);随着车速提升,四极子声源能量占比不断增大,当车速大于600 km·h-1时,16个测点的四极子声源平均能量占比超过90%。研究成果可为高温超导磁悬浮列车气动声学优化设计提供参考。

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。

高温超导磁浮车水平曲线通过适应性研究

针对高温超导磁浮车刚性悬浮架曲线通过性差,文章提出了一种具有一定点头和摇头自由度的半解耦悬浮架结构,将高温超导的悬浮力和导向力简化为线性特性,建立了高温超导磁悬浮车辆的动力学理论模型,通过UM软件,在周期性激励的作用下,对理论模型进行了动力力学响应的仿真验证,证明了动力学理论模型的合理性。文章进一步利用UM软件分析了高温超导磁浮车的水平曲线通过性能,对比了悬浮架不同垂向扭转刚度、横向扭转刚度、空气弹簧垂向刚度对杜瓦的横向位移、垂向位移的影响。仿真结果表明,释放一定点头自由度和摇头自由度的半解耦悬浮架,能够更好地适应曲线轨道的线路弯曲和线路扭曲,减少了构架对悬浮系统的不利影响,充分发挥了高温超导钉扎效应的特性,提高了车辆的曲线通过性能,同时合理的空气弹簧刚度能够很好地抑制杜瓦的振动,使车辆运行平稳。最后提出了满足车辆安全运行的悬浮架方案,高温超导磁悬浮车辆曲线通过性能有明显的提升。

超导转子磁悬浮结构磁耦合特性及承载能力分析

高速旋转的超导转子可用作高精度角速度传感器,其转子结构的质量偏心和球面误差是限制其精度提升的关键因素,转子结构越复杂,其制作和装配过程造成的质量偏心和球面误差就越大,则其测量角速度的精度越低.基于此介绍了一种转子结构简单的超导转子磁悬浮结构,并通过有限元方法对其磁悬浮结构的磁耦合特性进行研究,分析其对超导转子磁支承力的影响.然后基于磁路原理对磁支承结构的磁路建模,提出了一种对超导转子磁支承结构承载能力分析的方法,并设计出一种优化超导转子磁支承结构承载能力的方案.研究结果为超导转子磁悬浮系统的结构设计和优化,及其承载能力的分析和优化提供参考.

高温超导磁悬浮力三维测量系统设计

高温超导磁悬浮因其独特的无源自稳定优势,在高速轴承、轨道交通和飞轮储能系统等领域有着广阔的应用前景。为了探究高温超导磁悬浮系统的悬浮特性,设计了一种适用于测量磁悬浮轴承悬浮特性的高温超导磁悬浮力三维测量系统。首先,基于伺服驱控的三轴联动直线模组与三轴力传感测量单元设计了测量系统硬件部分,利用LabVIEW设计了数据采集单元,以实现数据连续采样及其图像化。其次,在恒载和永磁悬浮系统下,对高温超导磁悬浮力三维测量系统的测量精度进行校验。最后,建立了超导体-永磁悬浮系统有限元模型,仿真并测量了高温超导体在零场冷和场冷条件下的悬浮力特性,仿真与测量结果保持基本一致。结果表明,该测量系统具有测量精度高(0.5%),三维空间定位准确(±0.02 mm),被测对象相对运动时三轴力同步测量(最大悬浮力500 N,导向力200 N)等特点。

基于场-路-运动耦合模型的超导电动悬浮系统垂向振动抑制方法研究

超导电动悬浮具有大悬浮间隙、节能、环保等优点,是未来高速磁悬浮列车系统的技术路线之一。然而,在实际运行中,超导电动悬浮系统会受线路不平顺、气动扰动等因素影响而产生振动,振动会降低乘坐舒适性甚至导致列车悬浮失稳撞轨。因此,非常有必要研究抑制超导电动悬浮系统振动的方法。以铰链零磁通线圈超导电动悬浮系统为研究对象,开发超导电动悬浮系统“场–路–运动”耦合的阻尼性能分析模型,比较被动阻尼与主动阻尼的垂向振动抑制效果,揭示被动阻尼与主动阻尼的作用机理。研究结果表明,基于加速度比例控制的主动阻尼具有更优的振动抑制效果。

旋转超导转子的氦气阻尼特性

超导转子磁悬浮装置可制作角速度传感器,超导转子的高速驱动是实现超导转子磁悬浮装置高精度的基础.超导转子的热损耗和径向质量偏心会使超导转子在驱动过程中热失超和共振,所以在超导转子的驱动过程中,超导球腔中需要保持定量的氦气,以此传递超导转子的产热和抑制超导转子的共振.但氦气同时会对超导转子产生阻力,影响超导转子的驱动过程.基于此开展了超导转子在氦气中的阻力矩研究,首先引入范德瓦耳斯方程分析了低温氦气的性质,提出了一种低温氦气对超导转子阻力矩的研究方法,并进行实验验证.然后基于有限元方法分析了超导转子旋转驱动的电磁结构和电磁力矩,并研究了氦气对超导转子加速过程的影响,包括临界驱动速度、超导转子的加速时间和氦气对超导转子的摩擦热等.研究结果提供了一种低温气体对旋转超导体阻力矩的研究方法,为进一步优化超导转子的驱动过程提供参考.

超导电动磁悬浮列车模糊-改进型天棚阻尼横向半主动控制策略研究

为了提高超导电动磁悬浮列车动力学性能、改善列车运行平稳性和乘坐舒适性,提出基于可调因子的模糊-改进型天棚阻尼半主动复合控制方法。基于牛顿-欧拉方程建立车辆4自由度横向动力学模型,并通过逆傅里叶变换得到轨道随机不平顺激励;采用改进型天棚阻尼控制策略,结合模糊控制和可调因子方法,提出模糊-改进型天棚阻尼半主动复合控制策略和基于可调因子的模糊-改进型天棚阻尼半主动复合控制策略,探究列车在不同控制策略下的动力学性能。研究结果表明,模糊-改进型天棚阻尼策略和可调因子模糊-改进型天棚阻尼控制策略均可改善车辆的运行平稳性,且后者控制效果明显更优。

LK-99“室温超导”假象源自Cu_(2)S一级结构相变

1引言超导体具有零电阻和完全抗磁性(迈斯纳效应)两个特征,可用于电力传输、超导磁悬浮、核聚变等能源领域。此外,超导是一种宏观量子现象,可以用于量子计算、量子通讯等信息领域。自1911年第一个超导体被发现以来,超导体临界温度(Tc)从最初的液氦温区提升到了液氮温区.

高温超导磁悬浮列车振动特性分析及其参数可行域研究

高温超导磁悬浮列车在运行时由于轨道不平顺和风阻等因素的影响,导致悬浮间隙发生改变,列车的悬浮力特性使其具有恢复到原平衡位置的能力,在恢复过程中引起了列车的振动,需要研究列车的自由振动行为。通过试验平台测试得到不同悬浮间隙下高温超导体和永磁轨道之间的悬浮力,构造悬浮力的经验公式,基于经验公式建立列车自由振动下的动力学模型。利用无量纲化方法对动力学模型进行处理得到弱非线性系统,利用多尺度法对弱非线性系统进行解析求解,将近似解析解与数值解进行对比验证其正确性。基于近似解析解得到自由振动时列车的位移和最大加速度表达式,研究系统参数比阻尼和比刚度对最大加速度的影响规律,研究表明最大加速度随着比阻尼和比刚度的增大而增大。基于磁悬浮列车安全性和舒适性标准,提出一种判断系统参数可行域的解析方法,研究表明可行域呈现近似的三角形区域,并处于三角形的内部。这些研究结果为该类型磁悬浮列车磁轨关系的参数设计提供依据。

高温超导钉扎磁悬浮系统分岔和混沌特性研究

高温超导钉扎磁悬浮系统的应用十分广泛,但由于其悬浮力的非线性特性,导致在实际应用中经常引起设备的异常振动。为了探究高温超导钉扎磁悬浮系统的非线性振动特性和寻找避免发生异常振动的措施,首先,通过实验装置测量不同悬浮间隙下的悬浮力数据,将其拟合成指数模型,然后,基于该模型建立简谐激励下高温超导钉扎磁悬浮系统的动力学模型,最后,研究系统的分岔和混沌特性。研究表明,系统存在丰富的非线性动力学行为;系统的混沌阈值随着激励频率的增大先减小后增大,即系统在低频阶段和高频阶段不易发生混沌运动,而在中频阶段易发生混沌运动;质量、阻尼和场冷高度对混沌阈值均存在一定影响。研究结果为高温超导钉扎磁悬浮系统的参数设计及其抑振方法提供参考。