永磁轨道磁场波动下高温超导块材温升与悬浮行为研究

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高温超导钉扎磁浮利用车载高温超导块材独特的磁通钉扎特性使车体稳定悬浮于永磁轨道上方,具有悬浮/导向一体化、无需主动控制、绿色环保等原理性优势,是后高铁时代高速磁浮列车的重要发展方向。前期的研究重点集中于悬浮系统的悬浮力、导向力、刚度等方面,对超导块材与永磁轨道间准静态磁-力作用特性已形成了较为完善的基础理论。随着研究的不断深入及工程化应用的推进,动态运行中永磁轨道磁场不平顺导致的超导块材内在热损耗及表象的悬浮波动是应用中不可忽视的重要现象。本文以实际应用为背景,以高温超导钉扎磁浮系统电磁-热-力耦合特性为出发点,实验探究与仿真分析相结合,对不同永磁轨道磁场波动激励下高温超导块材的动态温升及悬浮行为特性展开研究,以期为工程化应用提供参考。实验探究方面,首先利用实验室自主研发的高温超导磁悬浮动态试验系统SCML-03,对现有永磁轨道进行改进,人为改变其磁场不平顺幅值,并结合自行搭建的温升检测系统,实验探究了永磁轨道磁场特征下高温超导块材内部动态温升行为规律,以及不同运行工况(运行时间、运行速度、工作高度和场冷高度)对高温超导块材内部动态温升特性的影响。结果表明,在永磁轨道磁场环境下,高温超导块材内部温度表现出先快速升高而后逐渐趋于稳定的趋势,且运行时间对其温升行为影响较小;而适当提高工作高度、降低场冷高度的方式可以减小块材内部温升,提高运行稳定性。仿真分析方面,利用COMSOL Multiphysics有限元软件中PDE模块与固体传热模块相耦合,建立了高温超导钉扎磁浮电磁-热-力二维仿真模型,并通过建立永磁体磁化强度与空间磁场的转换关系实现对真实轨道磁场波动的模拟,完善了适用于动态工况的多物理场耦合模型。在此基础上,以实际工程中可能出现的轨道不平顺因素为出发点,仿真分析了磁场波动对高温超导块材的动态温升行为及悬浮力变化的影响情况,包括不同磁场波动形式、频率、幅值等工况。并针对轨道磁场应用环境,进一步讨论了超导块材厚度、临界电流密度等材料自身参数对波动外磁场下块材的动态温升及悬浮力的作用规律。结果表明,磁场波动幅值是影响块材内部温升特性和动态悬浮力的重要因素;相比于垂向磁场波动,横向磁场波动对超导块材的温升行为影响更大。论文的仿真工作验证了相关实验研究结果,也表明高温超导钉扎磁浮具有高速运行的潜力,这些实验数据和仿真模型将为高温超导钉扎磁浮系统优化设计及工程化应用提供参考。
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