运动外磁场下高温超导块材悬浮特性及变化机理研究

High temperature superconducting (HTS) magnetic levitation (Maglev) technology is one of the future potential rail transit solutions attributed to the unique passive self-stable levitation. The proposed project devotes to investigate the phenomenon and mechanism of levitation force variation of bulk high temperature superconductors (HTSCs) applied in a moving magnetic field above permanent magnet rails (PMRs) specific to the questions about the dynamic running state of the HTS Maglev vehicle system. Based on the updating and renovation work of the HTS Maglev dynamic measurement system, the current highest experimental speed condition is planned to be achieved up to 300 km/h in this project. Dynamic levitation experiments of bulk HTSCs are going to be accomplished in the conditions such as different working modes, different running modes and different artificial experimental conditions etc. Meantime, the temperature and trapped flux monitoring functions will be built to reveal the variation relationships among levitation force, temperature and inner trapped flux of bulk HTSCs during the above running processes. Then the inherent magnetic-thermal coupling, heat exchanging and energy losses problems will be discussed in detail with lots of research work to help improving the scientific understanding of the HTS Maglev dynamic performance change, the influencing factors and the related mechanisms of action. Finally, it is planned to analyze and anticipate possible running phenomena, principle advantages and challenges of the real operation of the future HTS Maglev vehicle application. This whole work is able to help complementing the current unknown running data of the HTS Maglev and supporting some significant theoretical and scientific proofs for the future HTS Maglev test line and other related applications.

高温超导磁悬浮技术以其独特的无源自稳定优势为未来轨道交通发展提供了新途径。针对人们对高温超导磁悬浮车动态运行状态的疑虑，本课题提出了运动外磁场下永磁轨道上方高温超导块材动态悬浮特性和变化机理的研究。在升级改造高温超导磁悬浮动态测试平台的基础上，完成当前最高实验研究速度（300 km/h）及在不同工作模式、不同运动模式和不同人为模拟实验条件下超导块材动态悬浮实验；并建立温度和磁场测试模块，揭示运动过程中块材的悬浮力、温度和磁场变化行为关系，分析其内在的磁热耦合、热交换及能量损耗等问题，协助完善确认高温超导磁悬浮动态特性变化的影响因素和作用机理；最终从应用的角度预见未来高温超导磁悬浮车在实际运行状况中可能出现的现象、机理上存在的优势或风险。预计研究结果将有助于丰富目前未知的高温超导磁悬浮动态运行数据，为未来高温超导磁悬浮试验线及其他领域的应用提供重要理论和科学依据。

高温超导磁悬浮技术以其独特的无源自稳定优势为未来轨道交通发展提供了新途径。针对高温超导磁悬浮车动态运行状态，提出了运动外磁场下永磁轨道上方高温超导块材动态悬浮特性和变化机理的研究课题。主要研究内容包括：升级改进测试装置SCML-03，提高系统采样频率，完成背景数据测试，确保最高实验速度300 km/h装置的可靠性和实验的准确性；研究不同工作模式和不同运动模式下高温超导块材的悬浮力变化，同时引入磁场和温度研究，探究超导体俘获磁场和温度变化规律，从宏观悬浮力出发，结合俘获磁场和温度信息，深层次分析超导体磁-热耦合机理；探讨运动外场下高温超导块材悬浮力受影响的作用机理，研究磁滞损耗、涡流损耗及其他可能因素对悬浮力衰减的影响；探究在自由悬浮状态下超导体内部的温升（温度效应）对超导体振动响应特性的影响；探究涡流阻尼器对高温超导磁悬浮系统准静态和动态特性的影响。实验结果发现：不同工作模式（悬浮和悬挂）下的悬浮力曲线都呈现一个先急剧衰减然后逐渐趋于稳定的过程，且场冷高度越高，块材获得的悬浮力越大，对应的悬浮力衰减也越多，达到稳定所需时间也越长；在较高速度下悬浮力衰减主要集中在运行前期且趋于稳定较快,利于系统长期运行稳定性；加速过程对衰减趋势没有明显影响，减速过程却加剧了衰减，表明不同的运行速度对悬浮力的衰减趋势影响存在差异。外界温度越低，超导体内外温差越大，热传导越快，超导体内部温升越小；超导体工作温度越低，温升越小，内部能量损耗越小。引入涡流阻尼器到高温超导磁悬浮系统中，实验发现铜片厚度在1.2 mm内能增大系统的垂向阻尼系数，提高系统的垂向稳定性；对悬浮力也有较小的提升，且在0.3 mm时对悬浮力的提升最大。本课题研究结果有助于丰富现有的高温超导磁悬浮动态运行数据，为未来高温超导磁悬浮试验线及其他领域的运用提供重要理论和科学依据。