第27卷第5期低 温 物 理 学 报Vol.27,No.5 2005年11月CHIN ESE J OURNAL OF LOW TEMPERA TU RE P H YSICS Nov.,2005
宋宏海 王家素 王素玉 王兴志
郑 岑冀娜 方华荣
西南交通大学超导技术研究所
四川成都西南交通大学152信箱, 610031
高温超导磁悬浮列车在运行过程中，导轨磁场的不连续或者机电耦合会引起车身的横
向偏移.针对这一实际问题，本文研究了横向运动对竖直悬浮力和水平导向力的影响.实验
中系统同时测试横向运动过程中不断变化悬浮力和导向力.研究发现运动过程中的悬浮力
<23衰减与最大横向偏移量和往返运动次数有关；但导向力在第一次往返运动之后的往返运动
中迟滞曲线基本不变.该工作可能为高温超导磁悬浮列车系统提供一定科学依据.
关键词：高温超导体，悬浮力，导向力，力弛豫，最大横向偏移量
1引 言
熔融织构高温超导Y BCO已经广泛应用于磁悬浮系统，比如飞轮储能[1]、交通运输[2]等.悬浮力和导向力是高温那超导磁悬浮的两个重要参数，一般人们习惯于独立分析它们的静态和动态特性[3].实际上它们是感应电流和外场相互作用产生的洛沦兹力的两个垂直分量[4].本文将在高温超导磁悬浮实验车实际运行的基础上综合考虑两个悬浮参量，给出悬浮系统的最佳场冷高度(Field2Cooling Height简称F H)和工作高度(Working2Levitation Height简称W H)[5]. 一般来说，实验车先在某一高度处场冷，一段时间后，缓慢降低达到工作高度，当悬浮力和车体总重相等时，实现所谓的稳定悬浮[6～8].很多小组理论和实验研究了此时出现的悬浮力弛豫现象，发现悬浮力的变化衰减和时间成近似指数关系.随着时间的增加悬浮力衰减非常小[9]，近似可以看作不变.
本文将研究块材横向运动过程中的悬浮力和导向力变化，考虑横向偏移量对对该变化的影响[10].在综合考虑悬浮力和导向力的基础上给出高温超导磁悬浮系统的最优场冷高度和工作高度.该工作能为高温超导磁悬浮列车系统研究一定科学依据.
3国家高技术研究发展计划(863计划)(项目编号:2005AA306150)、国家自然科学基金(项目编号:50377036)资助和教育部博士点基金(项目编号:0613009)资助的课题.
收稿日期:2005204205
低 温 物 理 学 报 27卷2实 验
与以前实验不同的是，本文的悬浮力和导向力是同时测试的.实验块材的长宽高分别为91.0mm 、36mm 和15mm ，其长向垂直于导轨方向.块材先在场冷高度(Field Cooling Height )液氮冷却，晶面朝下.接着竖直降至工作高度(Working Height )，开始测试悬浮力和导向力，即悬浮力弛豫测试.6分钟后，块材在工作高度出做水平往复运动.本实验共设计了四组实验，四个横向偏移量分别为3mm 、6mm 、9mm 和12mm.
3结果讨论
图1给出了五组悬浮力弛豫测试结果，测试时间总长360秒.不同的场冷和悬浮高度，静止悬浮力和时间成对数关系.对于工作高度10mm ，场冷高度40mm 的悬浮力比场冷高度30mm 的大.工作高度15mm 的情况仍旧如此.但是，对于相同的场冷高度40mm 或者30mm ，工作高度10mm 的悬浮力是15mm 的两倍多.可见对于排斥式悬浮工作点高度对悬浮力影响较大.如图1所示，由于工作点过高，虽然场冷高
度为40mm ，工作高度20mm 的悬浮力最大值不到40N.图1还表明悬浮力主要在初始时刻衰减较快，因为外场增加，磁力线流动很快.随着时间的增加，到达300秒时，悬浮力几乎没有变化，磁力线只在超导块材内部蠕动
.
图1 悬浮力弛豫图2 横向运动过程中悬浮力和导向力的变化曲线，横
向最大偏移量为6mm
360妙后，块材保持工作高度不变，平行于导轨表面作横向运动.图2给出横向运动过程中悬浮力和导
向力的变化曲线.块材先向右运动至+6mm 处，然后返回，经过中心平面，继续运动至左侧-6mm 处，然后返回至运动初始点，计为循环一次.如图3(a )所示，虽然块材第二次经过导轨正上方时，外场没有变化，但是悬浮力衰减很多.因为块材一旦运动，其已有的内外部磁力线分布的暂时平衡状态将被打破，外磁场磁力线高速流进和流出超导体.非理想第二类超导体的迟滞效应使得相同位置悬浮力不等，出现衰减现象，但是衰减程度随着往返次数的增加而减小.另一方面实验也同时测量了横向运动过程中的导向力曲线，图2(b )表明导向力也存在明显的迟滞现象.
因为在实际运行过程中，车体有可能在导轨正上方反复摇摆振动，所以实验继续增加循469
5期宋宏海等:
高温超导磁悬浮系统中横向运动对悬浮力和导向力影响的研究 图3 块材横向运动过程中的悬浮力和导向力.(a )横向运动对导轨正上方悬浮力的影响;(b )不同
场冷和工作高度的导向力曲线，最大横向偏移量为6mm
邀请注册
环次数.图2共计测试了7个循环，每个循环结束时的悬浮力衰减都有不同程度的衰减，特别是前三个循环结束时.但是每个循环结束时的导向力几乎不变.该现象说明，一旦超导块材离开正上方，是不可恢复的.但是因为不可恢复程度较小，可以采用电磁铁或永磁体进行悬浮矫正.
押花材料图3(a )分析了横向运动对导轨正上方悬浮力的影响.尽管工作高度10mm 的悬浮力较大，但是其悬浮力衰减也很明显.场冷高度40mm 的悬浮力弛豫后大约为93.5N ，第一循环后悬浮力减少到81.5N ，第二循环后衰减至78.0N ，七组循环结束后，悬浮力只有70.0N.同样工作高度10mm ，场冷高度30mm 的悬浮力衰减也很大，从84.0N 变到60N.比较而言，工作高度15mm 的悬浮力衰减较缓，场冷高度40mm 弛豫后悬浮力约为61.0N ，七组循环结束后变为48.0N.尽管场冷高度40mm 的悬浮力大于场冷高度30mm 的.但是后者在工作高度15mm 的导向力大于前者，利于稳定悬浮运行.所以本文认为悬浮系统的场冷高度宜取30mm ，运行高度宜取15mm.
因为横向运动对导向力影响不大，所以图3首先给出了不同场冷和工作高度的导向力曲线.与悬浮力相反，对于相同工作高度10mm ，场冷高度30mm 的导向力大于场冷高度40mm 的.尽管工作高度10mm
的悬浮力和导向力都很大，但是10mm 的悬浮间距会给车体和导轨设计提出更高的设计要求，增加设计和施工费用.工作高度20mm 的悬浮力和导向力都很小.所以场冷高度30mm ，工作高度15mm 的导向力综合性能较优.
图4给出了一个循环的不同最大横向偏移量的导向力曲线.插图曲线对应的运动是块材从导轨正上方向最大偏移量处运动，然后回到正上方.可以看出对于去程(从原点向正方向最大位移处运动)的曲线是重叠的.回程曲线差别较大.图5还给出了整个循环的迟滞回线，随着最大横向偏移的增加，回线的迟滞也明显增加.
图5给出了不同最大横向偏移量对导轨正上方悬浮力的影响.四组曲线的最大值是相同的，约为50N.因为最大横向偏移量不同，所以它们每个循环所需的时间也是不同的.对于3mm ，每个循环大约需要12s ；最大横向偏移量6mm 、9mm 和12mm 的每个循环所需时间分别为24s 、36s 和49s.相同时间内，测试点数分别为46、23、15和12，所以图6中每条曲线的点疏密程度略微不同.总的来说随着横向偏移量的增加，导轨正上方悬浮力是减少的.当最569
低 温 物 理 学 报 27卷大横向偏移量大于9mm 时，它对悬浮力的影响明显减小，有收敛趋势
.
图4 不同最大横向偏移量对导向力曲线，插
图表示初始运动 图5 不同最大横向偏移量对导轨正上方悬浮力的影响
值得注意的是，它们的曲线都不是单调的,9mm 曲线在288秒时，第9次经过导轨正上方时的悬浮力出现了突增.12mm 曲线在348s ，第9次经过导轨正上方时的悬浮力也出现了突增.这是因为我们在测试程序中故意中断了5s ，以观察悬浮力的变化.图4测试同样采用了该中断程序，当块材第9次经过导轨正上方时，悬浮力也有增加，但是增幅较小.因为最大横向偏移量增加了，块材所经历外场变化更剧
烈，磁通流动速度加快，悬浮力弛豫现象显著.4结 论
本文在测试静止块材悬浮力弛豫的基础上，研究了不同场冷和工作高度的悬浮和导向特性.发现场冷高度30mm 时，宜选取工作高度15mm.尽管测试悬浮力弛豫后，静止块材的悬浮力几乎不变，一旦块材发生横向偏移悬浮力明显变化.特别是当块材回到导轨正上方时，悬浮力又出现了急剧衰减.随着往复循环次数的增加，悬浮力衰减变弱.且当最大横向偏移量大于9mm 时，悬浮力弛豫逐渐变小.但导向力在第一次往返运动之后的往返运动中迟滞曲线基本不变.
[1]
K.B.Ma ,Y.V.Postrekhin ,and W.K.Chu ,Rev.S ic.I nst rum.,74(2003),4989.[2]
S.Wang ,J.Wang ,X.Wang ,Z.Ren ,Y.Zeng ,C.Deng ,and H.Jiang ,I E E E T rans.A p pl.S u per 2cond .,13(2003),2134.[3]
J.R.Hull ,S u percond.S ci.Technol .,13(2000),R1.[4]
X.Wang ,Z.Ren ,H.Song ,X.Wang ,J.Zheng ,S.Wang ,J.Wang and Y.Zhao ,S upercond.S ci.Technol .,18(2005),S99.[5]
C.Navau. A.Sanchez ,E.Pardo ,and
D.X.Chen ,S u percond.Sci.Tehnol ,17(2004),828.[6]
A.Riise ,T.Johansen ,H.Brat sberg ,and Z.Yang ,A p pl.Phys.L ett .,60(1992).,2294.[7]
B.Smolyak ,G.Perel ’sshtein ,and G.Ermakov ,Tech.Phys.L ett.,27(2001),21.[8]
E.Postrekhin ,K.Ma ,H.Ye ,and W.Chu ,I E E E T rans.A p pl.S upercont .,11(2001),1984.[9]
M.Qin ,G.Li and S.Dou ,Phys.Rev. B.,66(2002),024516.[10]
F. C.Moon ,S u perconducti ng levitation (J O HN WIL EY ,New Y ork ,1994),120.[11]J.Hull ,T.Mulcahy ,and J.Labataille ,A p pl.Phys.L ett.,70(1997).,655.
取样方法
669
769
5期宋宏海等：高温超导磁悬浮系统中横向运动对悬浮力和导向力影响的研究
STU DIES ON THE INFL UENCE OF THE LATERAL MOVEMENT ON THE L EVITATION AN D GUIDANCE FORCE FOR HIGH2TEMPERATURE SUPERCON D UCT OR MAG LEV SYSTEM3 S
ON G H ON G2H AI W AN G J IA2S U W AN G S U2Y U W AN G X IN G2ZH I竹筏船
ZH EN G J UN C EN J I2N A F AN G H UA2R ON G
A p plied S uperconducti vit y L aboratory
M ail S top152#,S out hwest J i aotong Universit y Cheng du,S ichuan 610031
(Received5April,2005)
Due to t he magnetic field discontinuity of t he permanent magnet guide2裂痕字体
way and t he Mechanical&Elect rical coupling,t here will be lateral displace2
ment for t he high temperat ure superconductor Maglev vehicle.Aim to t his
practical p roblem,t he influence of t he lateral movement on t he vertical levi2
tation force and t he horizontal lateral force was st udied in t his paper.Bot h
levitation and guidance force were collected by t he measurement system at t he
same time.It was found t hat t he decay of levitation force is dependent on bot h
t he maximum lateral displacement and t he movement cycle times,while t he
guidance force hysteresis curve does not change after t he first cycle.This
work p rovided scientific analysis for t he H TS Maglev system design.
K eyw ords:High temperat ure superconductor,levitation force,guidance
force,force relaxation,t he maximum lateral displacement
3Project supported by t he National High Technology Research and Development Program of China (2005AA306150),t he National Natural Science Foundation in China(50377036)and t he Specialized Research Fund for t he Doctoral Program of Higher Education(0613009).
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议