高温超导磁悬浮三维理论计算模型及其应用

虽然高温超导磁悬浮的理论计算研究已突破二维或轴对称情形的局限，逐步向更接近实际情况的三维情形靠拢，但目前的三维理论计算模型或者忽略高温超导体的电磁各向异性行为或者对其作简化处理，导致模型对高温超导体电磁特性的描述不够。本课题将从Maxwell方程组出发，选取适当的状态变量，建立考虑高温超导体电磁参数各向异性行为的三维电磁场控制方程，针对具有平移对称结构的永磁轨道上的高温超导磁悬浮系统和具有轴对称结构的高温超导磁悬浮轴承系统，建立不同应用外磁场中的高温超导磁悬浮的三维电磁力计算模型，并对其进行系统的实验验证。为研究运动状态下高温超导体内部可能出现的温升问题，课题将建立高温超导体的温度场控制方程，并实现高温超导体的温度场与电磁场的耦合。最后，针对实际应用的需求，利用建立的三维理论计算模型对高温超导磁悬浮系统的悬浮稳定性问题进行系统研究。

在本项目的资助下，课题组从Maxwell方程组出发，引入张量电导率来表述高温超导体特殊的各向异性行为，以矢量电位为状态变量，建立了高温超导体三维电磁场控制方程，并在此基础上创建了经过实验检验的基于有限元法的高温超导磁悬浮三维理论计算模型，进而将其应用于高温超导磁悬浮车系统和轴承系统的优化设计中，并研究了高温超导磁悬浮系统的悬浮稳定性以及磁热耦合问题。在完成这些原定研究要点的基础上，增加了对处理强非线性高温超导体电磁特性的数值计算方法和对超导薄带及其与铁磁体等相关材料耦合作用下的多物理场响应特性的研究，首次引入一种广义的矢量磁位（尚未见类似报道），发展了传统的二维矢量磁位法，提出了一种能快速高效地求解强非线性高温超导电磁场问题的理论方法，使得智能优化高温超导磁悬浮问题变得可能。