車載高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1　引言
二十幾年來對(duì)超導(dǎo)磁懸浮列車的研究證明, 它不僅速度高, 而且能耗低、運(yùn)輸容量大、噪聲低、環(huán)境污染輕、安全可靠[ 1 ]。由于低溫超導(dǎo)磁懸浮列車必須工作在液氦(4. 2K) 溫區(qū), 所以使其發(fā)展受到一定的限制。高溫超導(dǎo)體(HTS) 工作溫度高(例如77K) , 在應(yīng)用中省掉了復(fù)雜的液氦(4. 2K) 制冷系統(tǒng), 降低了造價(jià)和運(yùn)行成本, 系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便, 便于維護(hù), 也更加穩(wěn)定。但要充分發(fā)揮這些優(yōu)勢(shì)還必須進(jìn)行大量深入細(xì)致的研究工作。高溫超導(dǎo)磁懸浮列車的核心是車載高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng), 這個(gè)系統(tǒng)要求較大尺寸的液氮低溫容器, 并且要求高溫超導(dǎo)體塊材與導(dǎo)軌之間的間隙(即磁懸浮凈高度) 越大越好[ 2, 3 ]。為了保證高溫超導(dǎo)磁浮列車具有更大的有效懸浮高度, 要求高溫超導(dǎo)磁浮列車用的液氮低溫容器與軌道相對(duì)應(yīng)的該容器的壁厚越薄越好。因?yàn)檫@種液氮低溫容器在磁場(chǎng)下工作, 為保證磁懸浮系統(tǒng)的正常工作, 這種薄壁液氮低溫容器液應(yīng)該是無磁或弱磁的。此外, 本文將討論如何選擇高溫超導(dǎo)體塊材, 確定高溫超導(dǎo)體塊材的最佳組合, 以及整個(gè)車載高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮。
2　YBaCuO 塊材的懸浮力
在設(shè)計(jì)車載高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)之前, 必須在我們自行研制的“高溫超導(dǎo)磁懸浮測(cè)試系統(tǒng)[ 4 ]”上測(cè)量每塊YBaCuO 高溫超導(dǎo)體塊材在永磁導(dǎo)軌上的懸浮力。這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)采用了能放置高溫超導(dǎo)體塊材的薄底(3. 5mm ) 液氮低溫容器, 將它置于永磁導(dǎo)軌之上, 永磁導(dǎo)軌表面磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)1. 2T。該測(cè)量系統(tǒng)能測(cè)量多塊或單塊高溫超導(dǎo)體塊材的總體磁懸浮力。一個(gè)典型的單塊YBaCuO 高溫超導(dǎo)體在永磁導(dǎo)軌上的懸浮力如圖1 所示。通過計(jì)算和綜合各方面的因素考慮, 我們提出適合高溫超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)車(永磁導(dǎo)軌表面磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)1. 2T ) 用的YBaCuO 高溫超導(dǎo)體在永磁導(dǎo)軌與HTS 之間為5mm 間隔時(shí)的懸浮力應(yīng)大于9N. cm 2。這個(gè)數(shù)字也是我國自己研制的熔融織構(gòu)法YBaCuO 高溫超導(dǎo)體塊材可能達(dá)到的水平。
3　YBaCuO 塊材的形狀和大小

為了充分利用永磁導(dǎo)軌的磁塊而不產(chǎn)生漏磁, 一般認(rèn)為高溫超導(dǎo)體塊材應(yīng)做到無間隙的排列。開始我們考慮了正六方形和正方形, 但在永磁導(dǎo)軌上的懸浮力不僅不會(huì)增大, 甚至?xí)?。其原因? HTS 在永磁導(dǎo)軌懸浮系統(tǒng)中, 高溫超導(dǎo)材料本身的物性(例如臨界電流密度) 對(duì)懸浮力的影響因子大于對(duì)外磁場(chǎng)的利用因子。對(duì)角30mm 對(duì)邊26mm 的正六方形, 屏蔽電流路徑的直徑為26mm , 其宏觀效果可能近似于直徑為26mm 的圓形樣品。所以我們選擇了圓形樣品。
YBaCuO 高溫超導(dǎo)體塊材當(dāng)然是尺寸越大越好, 但大尺寸批量生產(chǎn)是較困難的。我們直徑30mm 和26mm 樣品的懸浮力測(cè)試結(jié)果比較從直徑30mm 和26mm 測(cè)試結(jié)果(見圖1) 可以看出, 直徑30mm 的懸浮力大得多。介于大于直徑30mm 的樣品目前批量制備困難, 所以我們選取直徑30mm 的樣品。
4　YBaCuO 塊材的組合對(duì)于我們的特定的永磁導(dǎo)軌, 我們研究了多塊高溫超導(dǎo)體塊材沿永磁導(dǎo)軌中心不同陣列的單位長(zhǎng)度懸浮力[ 5 ]。圖2表示高溫超導(dǎo)體塊材樣品不同陣列的組合圖。懸浮力的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果見表I。測(cè)試條件: YBCO 高溫超導(dǎo)體塊材, 永磁導(dǎo)軌表面磁場(chǎng)1. 2T , 薄底液氮低溫容器底壁厚3. 5mm。表內(nèi)所列懸浮力是YBCO 與永磁導(dǎo)軌相距20mm 時(shí)的測(cè)量值。
表I　組合樣品懸浮力實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較樣品組合序號(hào)1 2 3 4 5 6 7 8 總懸浮力(N ) 145 193 177 163 105 123 136 118
單位長(zhǎng)度懸浮力(N.mm ) 1. 20 1. 44 1. 68 2. 32 1. 75 1. 50 2. 27 1. 97 單位長(zhǎng)度懸浮力排序8 7 5 1 4 6 2 3 　由表I 可以看出, 樣品組合方式4 單位長(zhǎng)度懸浮力最大。因此, 我們以組合方式4 為基本單元來設(shè)計(jì)車載高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)。
5　液氮低溫容器高溫超導(dǎo)磁懸浮列車用的液氮低溫容器尺寸較大, 為了保證高溫超導(dǎo)磁懸浮列車具有更大的有效懸浮高度, 提出了液氮低溫容器底部?jī)?nèi)外壁總尺寸小的要求。實(shí)驗(yàn)研究證明[ 6 ] ,

此文曾發(fā)表于：《低溫與超導(dǎo)》2001年1期

原作者：王素玉 唐啟雪 任仲友 朱敏 江河 王家素