Magnetic levitation performance of high-temperature superconductor over three magnetic hills of permanent magnet guideway with iron shims of different thicknesses

Superconducting magnetic levitation performance, including levitation force and guidance force, is important for the application of high-temperature super- conducting maglev. Both of them are not only affected by different arrays of superconductors and magnets, but also by the thickness of the iron shim between permanent magnets. In order to obtain the best levitation performance, the magnetic field distribution, levitation force, and guidance force of a new type of three magnetic hills of permanent magnet guideway with iron shim of different thicknesses （4, 6, and 8 mm） are discussed in this paper. Simulation analysis and experiment results show that the guideway with iron shim of 8 mm thickness possesses the strongest magnetic field and levitation performance when the suspension gap is larger than 10 mm. However, with the decreasing of suspension gap, the guideway with iron shim of 4 mm thickness possesses the best levitation performance. The phenomena can be attributed to the density distribution of flux and magnetization of iron shim.

Design consideration of a super-high speed high temperature superconductor maglev evacuated tube transport (I)

The super-high speed high temperature superconductor （HTS） maglev evacuated tube transport （ETT） is a promising transport mode for the future. As a key component of the HTS maglev vehicle, the permanent magnet guide- ways （PMGs） with different geometrical configurations and iron yoke widths are analyzed by finite element method （FEM）. The levitation force of a single onboard HTS maglev device over the designed PMG at different field cooling heights （FCH） is measured by magnetic levitation measurement system. Based on the designed PMG and experimental results, a preliminary scheme of subterranean super-high speed HTS maglev ETT is described in this paper. The HTS maglev ETT is mainly composed of an evacuated tube, HTS maglev vehicle, PMG, propulsion system, station, emergency rescue system, etc. In addition, a subterranean tube that consists of foundation tube and vacuum airproof layer is introduced. In order to convert the stress caused by the air pressure difference between inside and outside of the vehicle, a multi-circular vehicle body is designed. The vehicle is driven by a linear motor propulsion system under the control of a ground controlling system. The scheme of long-distance super-high speed passenger transportation is accomplished by the connection of different vehicles.

考虑损耗的永磁风力发电系统改进功率反馈法最大风能跟踪控制

永磁直驱风力发电系统(PMSG)采用传统功率反馈最大功率跟踪(MPPT)控制方法时,需要提前获取机组的功率-转速曲线,且机组的风能转换率会随着风机使用时间而变化,从而降低了功率反馈法的控制精度。本文基于传统功率反馈控制方法,在考虑发电机内部损耗的前提下,提出考虑损耗的永磁直驱风电系统改进功率反馈法MPPT控制策略。该策略通过爬山搜索法跟踪风机最大功率点,在考虑损耗的基础上准确地计算出功率反馈法所需要的比例系数,进而计算出参考功率,从而实现最大风能跟踪。通过对该策略进行仿真和实验研究,验证了控制策略的有效性和可行性。

永磁轨道磁场不平顺对YBCO高温超导块材温升行为的影响

永磁轨道磁场不平顺激扰下YBCO高温超导块材的内在动态温升行为对高温超导钉扎磁浮热稳定性及列车运行可靠性研究具有重要意义。本文基于自主研制的超导磁浮动态测试装置SCML-03搭建了超导块材温升检测平台,研究了不同运行工况时永磁轨道磁场不平顺激励下YBCO块材内部温升行为规律。实验表明,在不同速度磁轨磁场不平顺的动轨条件下,YBCO块材内部温度均表现出先快速升高而后逐渐趋于稳定的趋势,YBCO块材内部关键点的温升在0~3 K范围内波动;此外建立了永磁体磁化强度与空间磁场的数学关系,实现了对真实永磁轨道磁场波动的模拟,基于Comsol Multiphysics有限元软件构建了真实动轨磁场不平顺下高温超导块材电磁-热-力多物理场耦合仿真模型。实验对比验证了磁轨磁场不平顺模拟方法和多场耦合模型的有效性,为下一步研究高温超导钉扎磁浮磁轨不平顺设计限值标准提供了前期基础。

永磁导轨悬浮和导向磁力研究

为了寻求永磁悬浮导轨磁力的简便算法,基于由磁荷法和虚位移法给出的永磁磁力数值积分公式,结合两块平行矩形截面永磁体及永磁导轨结构特点,推导出永磁悬浮导轨解析磁力模型;根据介质分界面为平面的电流镜像法,得到了永磁体在铁磁体中的镜像,分析了永磁导轨的悬浮磁力和导向磁力。模型分析表明:两块截面平行永磁体的磁力分别与永磁体剩磁的平方和永磁体的纵向长度成正比,磁力随永磁体的横截面增大而增大,随永磁体的间距增大而减小;永磁导轨悬浮磁力随永磁导轨倾斜度增大而减小,导向磁力随永磁导轨倾斜度增大而增大。该模型通过代数运算就可得到精度较高的磁力计算结果。经验证,模型计算值和实验值吻合。

永磁弧形导轨电机的三维电磁场优化分析

针对常规电机在特定角度范围内往复运动应用的不足,提出一种新型永磁弧形导轨电机,能够直接驱动负载在有限角度范围内往复运动,具有结构简单、工作可靠、效率高等特点。从永磁体的充磁方式和螺线管线圈的通电方式入手,并对永磁体偏转角进行参数化设置,对比分析不同的充磁方式与通电方式对电磁力的影响。结果表明,通电方案一下,沿外磁场磁力线方向磁化时Y向电磁力与竖直磁化相比,最大提高了近51.23%,电磁合力最大提高了约45.91%。基于偏转角在30以内时,X向电磁力方向水平向右,不利于永磁体滑动组件的摆动,综合分析几个通电方式的优缺点,得到全摆角下的最优通电组合方式,具有一定的应用价值。

基于有限元的永磁导轨磁场数值计算

文中采用有限元方法计算了永磁导轨的磁场分布,永磁导轨由NdFeB、铁构成。讨论了截断边界和开尔文变换边界对计算结果的影响。计算结果表明,采用开尔文变换边界的计算结果更接近实际情况,而且可以使求解区域大大减小,从而提高计算精度和准确性。为了验证计算结果的可靠性和准确性,根据模拟计算参数,制作了一条1∶1的永磁导轨,导轨中心表面磁场达1 20T。测量结果表明,计算结果与永磁导轨磁场的实测值吻合较好。

高温超导磁悬浮车用悬浮单元优化的实验研究

研究了YBCO高温超导块材与2种典型的永磁轨道之间的最佳宽度比例。这2种永磁轨道的永磁用量基本相同,磁场分别呈单峰和双峰分布。通过改变YBCO高温超导块材组合的横向尺寸,利用高温超导磁悬浮测试装置(SCML-02)研究了在不同场冷高度、相同工作高度下高温超导块材在永磁轨道上的悬浮力。结果表明:块材与磁场呈单峰分布的永磁轨道之间的宽度比与场冷高度无关,而与呈双峰分布的永磁轨道之间的宽度比却极大地依赖于场冷高度。这一结果对高温超导磁悬浮车系统地优化设计是有帮助的。

基于超导块材磁刚度特性的永磁轨道优化设计

目前高温超导磁悬浮实验车使用的是单极永磁轨道(PMG)。为了提高磁悬浮车的运行稳定性,人们做出了大量的研究。磁悬浮刚度是设计优化高温超导磁悬浮车的一项很重要的参数。文中研究了七块YBCO块材阵列在两种结构不同的永磁轨道上方的竖直方向刚度和横向力刚度的特性。通过比较测试结果,得出七块YBCO阵列与双极型永磁轨道组成的磁悬浮系统在系统运行稳定方面性能更优的结论。

一种永磁多维球形步进电机稳定位置计算

文章对一种新型的永磁球形步进电机进行了模型简化;同时应用功能原理对简化模型进行分析,通过瞎子爬山法对该球形电机在不同定子线圈通电策略下转子球稳定位置的情况进行了仿真计算,为电机起动状况控制及电机旋转控制策略的研究奠定了基础。

任意倾斜角度下的永磁导轨感应磁场解析计算

平行移动式自稳定高温超导块材磁悬浮数值模拟计算包括永磁导轨感应磁场的计算。无限长的永磁轨道结构具有多样性。通过对称分布永磁轨道磁场的解析计算导出了任意倾斜角度下永磁轨道磁感应强度解析计算方法。采用此方法,成功计算出了多块交错排列的Halbach结构永磁轨道的感应磁场计算。采用该方法和商用Ansoft软件的有限元法分别对Halbach永磁轨道磁场进行了计算,对比计算结果表明,此方法是可行的,并且计算效率也远优于有限元法。

永磁弧形导轨电动机的永磁体设计与电磁场分析

针对常规电动机在特定角度范围内往复运动应用的不足,提出一种新型永磁弧形导轨电动机。该电动机能够直接驱动负载在有限角度范围内往复运动,而不需要通过旋转电机与其他传动机构相结合的方式来实现,具有结构简单、工作可靠、效率高等特点。从永磁体的充磁方式和螺线管线圈的通电方式入手,对比分析了五种不同充磁方式,以及三种不同的通电方式。结果表明,最优化的沿外磁场磁力线方向磁化时的Y向电磁力比其他磁化方式都大,与轴向磁化相比提高了近40%,通电方案三的沿外磁场磁力线方向磁化时的X向电磁力是方案二的轴向磁化时电磁力的2.5倍。可有效提升永磁弧形导轨电机的电磁力和动态响应性能,具有一定的实际意义。

永磁弧形导轨电机的电磁场参数化优化

针对普通电机在特定角度范围内往复运动应用的不足,提出了一种新型永磁弧形导轨电机,其具有结构简单、工作可靠、效率高等特点。从永磁体的充磁方式和螺线管线圈的通电方式入手,在参数化的偏转角度下,对比分析5种不同充磁方式及通电方式。结果表明,永磁体横向磁化能够提供给电机同一方向的持续电磁力,其他磁化方式都不能达到该要求。横向磁化时通电方案五的X向平均电磁力是通电方案1时的7.3倍,横向磁化时通电方案5的合力电磁力相比通电方案2时平均提高了近162.6%。由此可知,横向磁化与通电方案5可有效提升永磁弧形导轨电机的电磁力和动态响应性能,具有一定的实际意义。

基于Fepg系统HTS块材磁悬浮数值计算

文中基于高温超导体临界态模型和E-J本构关系幂指数模型,借助于虚拟电导率和Maxwell微分方程组,推导出了直接求解无限长永磁轨道上方超导块材内部磁场强度H变量的二维偏微分弱解积分形式。在有限元自动生成平台Fepg系统上,结合有限元描述语言,成功地生成了二维超导块材内部电磁数值计算有限元FOR-TRAN求解代码。采用生成的有限元计算代码模拟计算出了一磁悬浮原型系统中的超导块材悬浮力-位移曲线。数值结果显示了超导块材在永磁轨道上方竖直方向移动过程中其内部磁场分布特性。

高温超导YBCO块材临界电流密度与悬浮力磁滞的关系

高温超导磁悬浮车系统利用处于超导态的高温超导块材与永磁轨道相互作用产生的钉扎力使磁悬浮车稳定地悬浮于永磁轨道上方,块材的性能决定了悬浮力的磁滞特性。利用数值计算的方法计算悬浮于永磁轨道上方的YBCO块材的悬浮力,分析了临界电流密度与悬浮力磁滞及最大悬浮力的关系。结果表明,块材悬浮力磁滞随着临界电流密度的增加而减小,当临界电流密度增加到一定程度,悬浮力磁滞消失;块材最大悬浮力随临界电流密度的增加而增加,当临界电流密度增加到一定程度,最大悬浮力趋于饱合。

多导轨永磁悬浮系统的磁路设计与分析

为了解决空间相机内部支承相框中承受竖向载荷的机械轴承与导轨间存在较大摩擦与磨损,严重影响空间相机使用寿命的问题,提出一种多导轨永磁悬浮系统;通过2款电磁场仿真软件Maxwell与MagNet相结合的方式对系统进行静态、动态磁场仿真,并对影响该系统磁路、悬浮力以及磁感应强度分布的因素进行分析。结果表明:在永磁体阵列总长相近的条件下,当永磁体个数由2增加到8时,系统的悬浮力波动可减小约22.06%;在系统中添加隔磁板可使系统保持较稳定的磁感应强度;驱动速度由0.8 m/s增大到1.2 m/s可使系统的悬浮力波动局部减小50%以上。

基于改进变步长爬山法的永磁同步风力发电机最大功率点跟踪控制

针对直驱式风力发电系统存在建模误差和多变量耦合等内部不确定性以及复杂的外部环境干扰等问题,以风力机最大功率点跟踪为控制目标,基于改进变步长爬山法提出一种自抗扰控制的最大功率点跟踪方法.首先,将停止和重启机制引入变步长爬山法中,避免风速微小抖动引起的最大功率点振荡;其次,设计速度环自抗扰控制器,消除风力发电系统的内外干扰问题,提高风力发电机的稳定性和跟踪性能.仿真结果表明所提控制策略可使系统具有更好的鲁棒性和抗干扰能力,最大功率跟踪性能得到有效提升.

HCS策略在大惯性变速风力发电系统中的应用

大惯性风力机的系统输出功率与风力机的机械功率和储能的变化率相关联,常规的登山搜索(HCS)控制策略无法对大惯性风力机进行有效控制。提出的HCS策略是根据系统输出功率、系统储能及转速三者的变化量来对风力机进行控制的,无需最大功率曲线和风速值,就可以使风力机运行在最大功率点上。仿真结果证明了该方法的正确性。

Effective method to control the levitation force and levitation height in a superconducting maglev system

The influence of the width of the middle magnet in the permanent magnet guideways （PMGs） on the levitation force and the levitation height of single-domain yttrium barium copper oxide （YBCO） bulks has been investigated at 77 K under the zero field cooled （ZFC） state. It is found that the largest levitation force can be obtained in the system with the width of the middle magnet of the PMG equal to the size of the YBCO bulk when the gap between the YBCO bulk and PMG is small. Both larger levitation force and higher levitation height can be obtained in the system with the width of the middle magnet of the PMG larger than the size of the YBCO bulk. The stiffness of the levitation force between the PMG and the YBCO bulk is higher in the system with a smaller width of the middle magnet in the PMG. These results provide an effective way to control the levitation force and the levitation height for the superconducting maglev design and applications.

采用新型遗传算法的永磁同步电机参数辨识

针对内置式永磁同步电机(IPMSM)所具备的凸极特性以及传统遗传算法参数辨识的缺陷,提出一种基于局部搜索混合遗传算法(Is-hGA)的参数辨识方法。Is-hGA算法是爬山方法与遗传算法的结合,该方法可同时辨识定子电阻、d轴电感、q轴电感和永磁通链4个参数。一般来说,IPMSM的参数辨识问题可转化为寻找最优解问题。在所提出的混合优化方法中,由遗传算法执行全局搜索任务,爬山算法进行局部搜索,可改善遗传算法局部搜索能力较差的问题,大大节省了计算时间。实验结果表明,采用Is-hGA算法的IPMSM参数辨识的最小辨识精度分别达到了6.82%、3.62%、2.32%和2.12%。与传统遗传算法相比,其搜索效率及辨识精度得到大幅提高。因此,基于Is-hGA算法的参数辨识不仅可减少迭代次数、节省计算时间,而且具有很高的参数辨识精度。