常導超導磁懸浮演示試驗裝置設計資料

個啟示：簡單的演示實驗裝置也能夠說明磁懸浮列車等高新技術的工作原理，磁懸浮并不是遙不可及的。懸浮力(垂直),導向(水平左右)和推進力(水平前后)。怎樣通過對三個力的1)磁懸浮地球儀的工作原理：2)磁懸浮電動牙刷的工作原理：這種牙刷能夠利用高速音波振動除去牙垢，每分鐘振動達到31000次。工作原理是：通過不斷切換驅動部位電磁鐵的N極和S極每秒約切換516次，時436公里的速度。日本開發(fā)的磁懸浮列車MAGLEV(MagneticallyLevitated浮列車也稱超導磁斥型，以日本MAGLEV為代表。它是懸浮氣隙較大，一般為100毫米左右，速度可達每小時500公里以上。這兩種磁輪軌鐵路出現(xiàn)在1825年，經過140年努力，其運營速度才突破200公里/小時，由200公里/小時到300公里/小時又花了近30年，雖然技術還在完善與發(fā)展，代價是很高的，300公里/小時高速鐵路的造價比200公里/小時的準高速鐵路高近兩倍，比120公里/小時的普通鐵路高三至八倍，繼續(xù)提高速度，其造價還將急劇上升。與之相比世界上第一個磁懸浮列車的小型模型是1969年在德國出現(xiàn)的，日本是1972年造出的。可僅僅十年后的1979年，磁懸浮列車技術就創(chuàng)造了517公里/小時的速度紀錄。目前技術已經成熟，可進入500公里/小時實用運營第二，磁懸浮列車速度高，常導磁懸浮可達400-500公里/小時，超導磁懸浮可達500-600公里/小時。對于客運來說，提高速度的主要目的在于縮短乘客考慮，300公里/小時的高速輪軌與飛機相比在旅行距離小于700公里時才優(yōu)越。而500公里/小時的高速磁懸浮，則比飛機優(yōu)越的旅行距離將達1500公里以上。第三，磁懸浮列車能耗低，據(jù)日本研究與實際試驗的結果，在同為500公里/時速下，磁懸浮列車每座位公里的能耗僅為飛機的1/3。據(jù)德國試驗，當TR磁懸浮列車時速達到400公里時，其每座位公里能耗與時速300公里的高速輪軌列車持平；而當磁懸浮列車時速也降到300公里時，它的每座位公里能耗可比輪軌鐵路低33%。常導磁懸浮列車工作時，首先調整車輛下部的懸浮和導向電磁鐵的電磁吸10毫米，是通過一套高精度電子調整系統(tǒng)得以保證的。此外由于懸浮和導向實超導磁懸浮列車的最主要特征就是其超導元件在相當?shù)偷臏囟认滤哂械某瑢Т艖腋×熊囈彩怯裳鼐€分布的變電所向地面導軌兩側的驅動繞組提供檢測軌道與列車之間的間隙，使其始終保持100毫米的懸浮間隙。同時，與懸浮持、長春客車廠、中科院電工所、國防科技大學參加，共同研制的長為6.5米、寬為3米、自重4噸、內設15個座位的6噸單轉向架磁懸浮試驗車在鐵科院環(huán)行試進行了試驗，并于1998年12月通過了鐵道部科技成果鑒定。道約1厘米處運行，而實現(xiàn)這一功能的主要部件之一就是軌道梁，它既是承載列磁懸浮(EMS)及永磁懸浮(PMS)三種，表1-1中作了性能比較1.4.2電磁懸浮(EMS,磁吸式)上的-01,-03型)德國transrapid磁懸浮列車(圖中為軌道)與日本HSST磁懸浮列車1.4.3永磁懸浮(PMS,磁吸式)電磁鐵吸收力永磁吸力或斥力懸浮高度(mm)閉環(huán)控制機械止擋避免觸軌鋁板或短路線圈無中速、高速中、長距離日本MLU日本MLX日本HSST以可控電磁鐵為主形成磁吸式系列常導型和日本所采用的超導型。從懸浮技術上講就是電磁懸浮系統(tǒng)(EMS)和電力懸浮系統(tǒng)(EDS),以及在早期采用的永磁懸浮(PMS),但由于簡單的控制手段難以保證良好的平穩(wěn)性，已經淘汰，在此故不作細論。圖4給出了兩種系統(tǒng)的電磁懸浮系統(tǒng)(EMS)是一種吸力懸浮系統(tǒng)，是結合在機車上與行車軌道之間的懸浮間隙為10毫米，是通過一套高精度電子調整系統(tǒng)得以保電力懸浮系統(tǒng)(EDS)將磁鐵使用在運動的機車上以在導軌上產生電流。由軌鐵路低33%。計算懸浮力的公式為：從式(2)可以看出，懸浮力主要取決于磁極的物理參數(shù)!勵磁線圈安匝數(shù)以及氣隙長度。2.1.2磁極側向偏移時的懸浮力和導向力在設計懸浮系統(tǒng)的時候，磁極和導軌部分都做成形，目的是使系統(tǒng)在提供懸浮力的同時，利用磁極左右擺動時產生的反方向的橫向力讓磁極回到中心位置，從而起到側向導向的作用。磁極側向偏移時懸浮力和導向力的近似計算公式：2.1.3磁浮列車的驅動原理磁懸浮與線性驅動是磁浮列車兩大技術特點，現(xiàn)在從驅動角度來分析選型。用線性電機取代輪軌機車中的旋轉電機，縱向(列車運行方向)牽引力不受輪軌黏著力限制，這決定了磁浮列車具有牽引力大、爬坡能力強、起動快和速度高等一系列優(yōu)點。磁浮列車采用的線性電機有兩種不同型式，它們的主要技術特征見下表。電機定子繞組安裝位置功率因數(shù)低小大低高是否要受流器需要不需要車輛型號日本HSST德國TR,日本MLU相交流繞組是鋪設在地面線路兩側，動力電源VVVF(變頻變壓變流器系統(tǒng))也是夾扣短定子線性異步電機驅動日本HSST磁浮列車采用短定子線性異步電機，線性異步電機定子三相繞組布置在車上兩側，而異步電機轉子結構簡單，由4mm左右的鋁板鋪設在線路與車上定子位置相應的兩側。所以，短定子磁浮線路的造價遠低于長定子磁浮線路。由于電機繞組在車上，所以動力電源(VVVF)也必須裝在車內，從地面供電軌從運行控制方面來說，短定子磁浮列車控制是在車上完成的，相對比較容易。但是，對磁浮列車線性異步電機控制時，必須使線性異步電機的法向力(垂向力)的影響降至最小。2.1.4參數(shù)圖2-1所示物理模型的基本參數(shù)：單個勵磁線圈得匝數(shù)N為360;單個氣隙長度D為10;磁極寬度p為28;磁極長度1為1250。ANSYS磁場分析圈加上10080A的電流，可以獲得圖2-4所示的磁力線分布圖以及圖2-5所示的氣(1)磁極側向偏移回到中心位置。表2-1給出了磁極極面寬度為28,線圈勵磁電流為10080A時，0(2)列車通過彎道(1)磁極鐵芯和導軌的極面同時加寬圖2-7和圖2-8給出了相同的勵磁安匝數(shù)下，在磁極寬度分別為28mm、可達30%,而磁極寬度為36mm時，偏移量可達40%。也就是說，在增加磁極圖2-7懸浮力的變化圖2-8導向力的變化(2)加寬導軌內側極面增加導軌內側極面的寬度。通過分析，得到的結果如圖2-9和圖2-10。從圖中可以看出，單側極面柱寬度每增加14%(4/28),在磁極側移時，懸浮力的增加約為300N·m(約為無側移時的2.9%)的定值，而導向力則幾乎保持不變，總的效果不是十分明顯(3)增大線圈勵磁在設計參數(shù)已定的情況下，要增加懸浮力，則只能增大線圈的勵磁電流。在這里對列車通過彎道處時由于磁極鐵芯跟導軌極面不重合情況下懸浮力的損失及電流補償進行分析?？紤]到圖2-6中兩塊不重合區(qū)域的對稱性，分析時只取半個磁極模塊1.2m的長度，并把這1.2m分成6段，對每段的磁極偏移造成的懸浮力損失加權平均，得到整個模塊總的懸浮力損失。圖2-12導向力的變化對比2.3常導磁懸浮系統(tǒng)設計總的來說，影響懸浮力的因素有下面4個：物理參數(shù)、勵磁電流、磁極側向偏移、渦流。的是極寬為28mm的磁極，但懸浮能力有限，主要是溫升限制了勵磁電流的大小。可以得到溫升的計算公式：將設計參數(shù)代入式(11)可得也就是說，如果允許溫升為80℃,則最大允許勵磁電流為17.54A。要改善溫升，一方面可以采用高溫升等級的耐熱材料；另一方面，可以采用電阻率低的材料作為線圈材料，或改善線圈的散熱條件。至于渦流，在對整車的懸浮模塊進行分析時，渦流的影響不是很大。為了更有效地減小渦流的影響，可以采用薄鋼板代替整塊鋼或是高電阻的磁鋼。實際上，在列車速度超過100km/h時，對設計影響更大的是牽引異步電機的效率和功示。測量超導轉交溫度主要有電測法和磁測法兩種圖3—2表示錫的轉變，由線1、2、3分別表示純錫單品、純錫多品及不純變寬度增大。通常把樣品電阻下降到正常態(tài)電阻值一半時所處的溫度定為Tc。自然會產生這樣一個問題：在超導態(tài)下電阻真是完全消失了嗎?為研究這個問題，昂尼斯作了更靈敏的實驗——超導環(huán)中的持續(xù)屯流實驗。大家知道，若將一金屬環(huán)放在變化著的磁場下，則環(huán)內就會產生感應電動勢。如果以L表示環(huán)的其中t=L/R表示電流衰減時間。對于正常金屬來說，t很小，環(huán)內電流很快衰減為零。然而對于超導環(huán)，情況完全不同。昂尼斯先把超導環(huán)置于磁場中，然后使它冷卻轉變?yōu)槌瑢B(tài)，再將磁場撤掉，這時在超導態(tài)的環(huán)中感生一電流。實驗發(fā)現(xiàn)，此電流衰減極小。由此得知，對于超導態(tài)的鉛而言，如果它有電阻的話，其電阻率將小于10-16。其后柯林斯曾使一超導環(huán)中的電流持續(xù)了約兩年半之久，而末發(fā)現(xiàn)電流有明顯變化?？嫉热俗髁祟愃频膶嶒灒赋龀瑢B(tài)鉛的電阻率看來，認為超導態(tài)金屬具有零電阻是合適的。應該指出，只是在直流電情況下才有零電阻現(xiàn)象。如果電流隨時間而變化，那就會有功率耗散，但在低頻下功率損耗很小。當頻率高于101Hz時，其電阻將達到正常金屬的電阻值。Hc(T)=Hc(0)[1-(T/Tc)2]圖3-3一些超導體磁場隨溫度變化曲線從圖3—3可以看出，在圖3-4超導體相圖所表示的，在一定溫度下，增大磁場可以使超導體從超導態(tài)進入正常態(tài)。在一定磁場強度下，提高溫度出可使之進入正常態(tài)。當然也可以同時改變溫度和磁場強度，像圖中斜箭頭所示的那樣。當通過超導線的電流超過一定數(shù)值(Ic)后，超導態(tài)便被破壞。Ic稱為超導體的臨界電流。昂尼斯開始時認為這是由于導線中的所謂“不良點”使電阻恢復。但是，當實驗上發(fā)現(xiàn)了臨界磁場之后，西耳斯比提出，這種由電流引起的超導一正常轉變是場致轉變的特殊情況。換句話說，電流之所以能破壞超導電性，純粹是因為它所產生的磁場(自場)而引起的。西耳斯比提出了下面的假設：在無外加磁場的情況下，臨界電流在樣品表面所產生的磁場恰等于Hc?，F(xiàn)在稱之為西耳斯比定則。在半徑為r的超導線中通過電流I時，在超導線表面上產生的磁場強度H為：如果I足夠大，使得H超過Hc(T),那么超導態(tài)就被破壞。按西耳斯比定則可由下式得出臨界電流：Ic=2πrHc(T)其中Ic(0)代表在了=0K時超導體的臨界電流。(3)邁斯納效應直到1933年，人們從零電阻現(xiàn)象出發(fā)，一直把超導體和完全導體(或稱無阻導體)完全等同起來，完全導體有其特殊的磁性質，而1933年邁斯納和奧克森菲爾德的磁測量實驗表明超導體的磁性質與完全導體不同。在完全導體中不能存在電場，即E=0,于是有：圖3—7表示一長圓柱形完全導體的磁化情況。圖中A點表示零場下B=0的完全導體。當沿圓柱軸線加一均勻外磁場，并使外加磁場強度H等于臨界碰對于超導體，與圖3—7相應的圖如圖3—8所示。利用圖3—9所承的示意漿置，可以觀察超導體的邁所納效應。在長圓桿體向加一磁場。這時與探測線路串聯(lián)的沖擊電流計G有一正向偏轉α,其大小與進入樣品的磁通量成正比，然后緩慢地冷卻樣品，去或重新增加外磁場(<Hc),只要樣品的溫度T<Tc.沖擊電流計G的偏轉均為現(xiàn)在使外加磁場B隨時間變化，根據(jù)法拉第原則，磁場變化所引起的感應電動其中L是線圈的自感。由于在超導態(tài)金屬回路中無電阻，所以上式右方歐姆電壓項應為零，于是積分上式即得：Li+Bs=常數(shù)Li+Bs恰是穿過線圈的總磁通量。上式表明，只要回路是無阻的，則穿過一閉合無阻回路的總磁通量就保持為常數(shù)。無阻回路的這一性質有重要應用。例如在使用超導螺線管產生磁場時就可以利用這個性質以形成持續(xù)工作態(tài)。直流電源E給出于超導態(tài)的超導螺線管5供電流，用變阻器R調協(xié)電流以達到所需要的磁場強度。當已達到所需磁場時，可以合上超導開關AB、ABs形成一閉合無阻電路，于是在回路中的磁通量必然保持不變。這樣，由超導螺線管所產生的磁場就不會隨時時間改變。這時我們可以斷開Ki以切斷電源E,而磁場仍能由ABs回路中的電流保持，達叫作超導螺線管的持續(xù)工作狀態(tài)。實際的超導開關是利用超導材料發(fā)生正常一超導相變時從有阻變到無阻這一特性制作的，利用溫度控制、磁場控制或電流控制相應的臨界參量Tc,Hc,Ic的辦法，可以使超導外關打開或者合上。當通過上述控制法使超導開關的材料處于超導態(tài)時，就表示超導開關閉合了，反之，就是打開了超導開無阻回路前述性質的另一重要應用是超導屏蔽外磁場。如果在沒有外磁場時冷卻回路，使成為無阻回路，于是初始條件是：穿過線圈的磁通Φ=0,隨后，我們可以加上外磁場，但由于無阻電路的特性，穿過這回路的凈磁通仍應是零。利用這一點，我們可以使用中空超導圓柱體去屏蔽外磁場，當中空圓柱體足夠長時，這種屏蔽作用是相當好的。3.2超導磁懸浮的原理下圖說明磁懸浮的原理.其中圖(a)為兩個永磁體同性磁極相對時產生排斥力；圖(b)為兩個通有反向電流的超導圓線圈產生排斥力；圖(c)上部的載流超導圓線圈與理想導體板下面的鏡像圓線圈產生排斥力.與圖(b)和(c)對應由二平行載流直導線相互作用力的公式可近似算得斥力為：式中L為矩形線圈周長，即L=所以料制成的線圈.3.3超導磁懸列車的物理模型超導磁懸浮列車的最主要特征就是其超導元件在相當?shù)偷臏囟认滤哂械耐耆珜щ娦院屯耆勾判?。超導磁鐵是由超導材料制成的超導線圈構成，它不僅電流阻力為零，而且可以傳導普通導線根本無法比擬的強大電流，這種特性使其能夠制成體積小功率強大的電磁鐵。超導磁懸浮列車的車輛上裝有車載超導磁體并構成感應動力集成設備，而列推進系統(tǒng)：磁懸浮列車的驅動運用同步直線電動機磁鐵線圈的作用就像是同步直線電動機的勵磁線圈，地場驅動繞組起到電樞的作用，它就像同步直線電動機的長工作原理可以知道，當作為定子的電樞線圈有電時，由于電磁感應而推動電機的轉子轉動。同樣，當沿線布置的變電所向軌道內側的電力時，由于電磁感應作用承載系統(tǒng)連同列車一起就像電機的"轉子"一樣被推動圖3-11說明日本磁懸浮列車樣機所采用的推-挽型磁推進系統(tǒng)的原理。列車磁鐵的極性是恒定的。沿軌道兩旁鐵柵欄放置的、由超導線圈制成的電磁鐵簡軌道電磁鐵與(1)有所不同。對比圖(1)與圖(5)可知，此時列車已前進了圖中車身長度的2/3。通俗的講就是，在位于軌道兩側的線圈里流動進是因為列車頭部的電磁體(N極)被安裝在靠前一點的軌道上的電磁體(S極)所吸引，并且同時又被安裝在軌道上稍后一點的電磁體(N極)所排斥。當列車前進時，在線圈里流動的電流流向就反轉過來了。其結果就是原來那現(xiàn)在變?yōu)镹極線圈了，反之亦然。這樣，列車由于電磁極性的轉換而得以持續(xù)向分析它們的靜態(tài)和動態(tài)特性。實際上它們是感應電流和外場相互作用產生的洛淪茲力的兩個垂直分量。本文將在高溫超導磁懸浮實驗車實際運行的基礎上綜對該變化的影響。在綜合考慮懸浮力和導向力的基礎上給出高溫超導磁懸浮系向。塊材先在場冷高度(FieldCoolingHeight)液氮冷卻，晶面朝下。接著豎試。6分鐘后，塊材在工作高度出做水平往復運動。本實驗共設計了四組實驗，圖3-12給出了五組懸浮力弛豫測試結果，測試時間總長360秒。不同的倍多?？梢妼τ谂懦馐綉腋」ぷ鼽c高度對懸浮力影響較大。如圖3-12所示，由360秒后，塊材保持工作高度不變，平行于出橫向運動過程中懸浮力和導向力的變化曲線。塊材先向右運動至+6mm處，返次數(shù)的增加而減小。另一方面實驗也同時測量了橫向運動過程中的導向力曲◆Z大約為93.5N,第一循環(huán)后懸浮力減少到81.5N,第二循環(huán)后衰減至78.0N,圖3-15給出了一個循環(huán)的不同最大橫向偏移量的導向力曲線.插圖曲線對應的運動是塊材從導軌正上方向最大偏移量處運動，然對于去程(從原點向正方向最大位移處運動)的曲線是重疊的?；爻糖€差別較46、23、15和12,所以圖3-16中每條曲線的點疏密程度略微不同?？偟膩碚f圖3-15不同最大橫向偏移量對導向力曲導軌正上方時的懸浮力出現(xiàn)了突增。12mm曲線在348s,第9次經過導軌正上方時的懸浮力也出現(xiàn)了突增。這是因為在測試程序中故意中斷了5s,以觀察懸浮力當2腳，即比較器A2的反相輸入端加進電位低于ADD的觸發(fā)信號時，則的飽和壓降Vces筘制VT15的基極處于低電平，使V