高温超导悬浮系统横向稳定性实验研究

Since the discovery of high temperature superconducting (HTS) materials, levitation system consists of bulk HTS and permanent magnet (PM) have good application prospect in the domain of transportation (maglev vehicle) and aerospace craft. In such levitation system, the position of levitated body (PM or HTS) which levitate in the air is sensitive to the external disturbances and will depart from the original equilibrium position under such disturbances. This is inevitable. The intrinsic property that the existing of shielding current provides restoring force (guidance force) make the levitated body oscillate around the equilibrium position laterally. The oscillation will exert AC magnetic field on the HTS and subsequently flux motion in HTS. This will induce some complex, nonlinear dynamics phenomena, such as the position relaxation of levitating body with time and so on, which are harmful for levitating stability. This project aims at the electrical-magnetic-dynamic nonlinear coupling problems in HTS levitation system. We will carry out the testing of levitated body excursion under lateral (horizontal) excitation (time varying or pulse), and subsequently analyze the influence on levitation and lateral forces, and then deal with other basic experimental researches. Our research will provide basic testing technique and data for safety design of HTS levitation system.

自从高温超导材料发现以来，超导块材与永磁体构成的超导悬浮系统在交通运输(超导悬浮列车)和空天飞行器等领域有着广泛应用前景。在该悬浮系统中，悬浮体(永磁体或超导体)以一定间隙稳定悬浮于某一高度处时，不可避免会受到外界干扰而偏离平衡位置。由于超导体中超导屏蔽电流的存在使的偏离平衡位置的悬浮体受到回复力(导向力)作用，导致悬浮体发生以平衡位置为中心的横向振动。振动将产生施加于超导体之上的交变磁场，使超导体内部发生不稳定的磁通运动，宏观上表现为悬浮体中心随时间发生漂移等一系列复杂的、不利于悬浮稳定的非线性动力学现象。本项目针对超导悬浮系统中电磁物理及悬浮体动力运动的非线性耦合问题，开展悬浮系统在横向(水平)外加激励(时变或者脉冲)作用下的悬浮体中心漂移特征，及其对悬浮力、导向力特性的影响等基础课题的基本实验研究，为高温超导悬浮系统的安全性设计提供基本实验研究手段和基础数据。

高温超导悬浮系统可做为核心技术应用于高速轨道列车、高速轴承等高新产业当中，而悬浮系统中悬浮体所受的横向作用力的特性决定了其是否稳定，以及保持稳定能力的强弱。本项目设计和组装了测试用横向振动悬浮测试观测分析系统，测试了一些初始冷却高度和水平相对位移条件下的系统固有频率，得到了易发生非线性振动即分岔和混沌的频率区间，发现了定激励下混沌易退化的现象。该结果对磁悬浮系统的设计和控制有着重要的指导意义。测试了温度循环对悬浮力弛豫的影响，提出了一种提高悬浮系统温度稳定性的操作方法。另外测试了超导块材裂纹尖端临界电流分布，得到了电流强度因子阶数为-1.37的结论，该数据是分析电磁应力分布和裂纹扩展性质的关键。测试了超导块材从室温冷却至40K过程中的热应力演化过程，为超导块材冷却破坏的机理分析提供实验依据。自行设计和组装了超导多场特性测试系统，并利用该系统对YBCO 涂层超导带材进行外加磁场载流剥离强度实验，以此为依托弄清了剥离过程中超导材料临界电流的变化规律，成功解释了实验观察到的YBCO层与合金层率先剥离的原因。测试了液氮沸点至常温温度范围的微米级铜材料拉伸力学性能，为ITER计划所用超导材料Nb3Sn线缆的力学性能的评估提供微观尺度的实验数据。