高温超导块材磁体与直线三相绕组间电磁力关系

• 作 者: 荆海莲
• 机 构: 西南交通大学
• 出 处: 西南交通大学
• 发表日期: 2013年期
• 关键词: 高温超导块材磁体 直线三相绕组 电磁力 力学性能 工艺参数

高温超导块材由于其高俘获磁通特性，磁化后形成块材磁体，可作为高性能的准永久磁体应用于旋转或直线同步电机。其技术优势在于减小电机的体积和重量，提高电机的效率和力密度。若进一步将高温超导块材式直线电机应用在超导磁悬浮车系统中，有望帮助实现未来悬浮、导向及推进超导一体化目标。结合当前研究背景，针对推进和法向力，本论文开展了高温超导块材式直线电机电磁力特性研究工作。　　
论文首先从超导直线电机次级角度，探索在现有的充磁条件下如何获得更高磁性的超导块材磁体。设计了三种不同磁化方式，对比不同磁化方式下高温超导块材磁体的俘获磁通峰值;在择优选取较优的磁化方式的基础上，通过仿真优化和实验验证，通过增设2 mm厚的高导磁率铁板改进了充磁实验装置，最终获得更高的俘获磁通、磁化方法及实验平台，操作过程省时、高效。　　
随后在此磁场平台的支撑下，研究了高温超导块材磁体与单边扁平型直线三相绕组的作用力情况。实验发现具有更高临界电流密度特性的GdBCO块材作为直线电机次级时，相比YBCO块材，表现出更大的推进力。更多不同定子电流、不同临界电流密度、块材尺寸与极距的关系、不同次级磁性分布条件下，块材式高温超导直线电机力学性能测试数据显示，一个极距内初次级间作用力随着块材磁体尺寸的增加而增大，但当块材尺寸接近或超过一个极距时，整个块材磁体跨越超过一个极距，处于不同极距区域的块材磁体受到方向相反的作用力，造成推进力和法向力波形畸变。因此在块材式高温超导直线电机设计时，考虑块材尺寸与极距的关系对初次级间作用力的重要影响，选择尺寸接近定子极距的高温超导块材充当电机的次级，并采用可行的优化磁化方法，将有效地提高初次级间的电磁力作用。进一步的三籽晶块材磁体次级与直线三相绕组的作用力实验，发现三籽晶块材磁体纵向放置产生的推进力要远远大于其横向放置产生的推进力。这一现象更加说明极距是高温超导块材初级直线电机的重要参数，无论超导块材生长制备形式，尽量在同一极距范围内纵向摆放长度较大的多籽晶块材磁体或多块块材磁体组合，将有利于提高初次级间的推进力。　　
论文最后通过多物理应用软件Multiphysic Comsol仿真计算了块材尺寸与极距的关系，验证了实验结论。并进一步计算了块材磁体俘获磁通、初级定子电流与推进力的关系，预测了一些关于未来样机超导块材次级、三相绕组初级及全超导化设计建议及其可能的应用范围的结论。　　
论文的研究工作为高温超导块材式直线电机动态性能的研究及未来面对高温超导磁悬浮车推进系统样机的研制提供了一定的实验数据和设计依据。