车载高温超导磁悬浮系统的设计
1 引言
二十几年来对超导磁悬浮列车的研究证明, 它不仅速度高, 而且能耗低、运输容量大、噪声低、环境污染轻、安全可靠[ 1 ]。由于低温超导磁悬浮列车必须工作在液氦(4. 2K) 温区, 所以使其发展受到一定的限制。高温超导体(HTS) 工作温度高(例如77K) , 在应用中省掉了复杂的液氦(4. 2K) 制冷系统, 降低了造价和运行成本, 系统操作简便, 便于维护, 也更加稳定。但要充分发挥这些优势还必须进行大量深入细致的研究工作。高温超导磁悬浮列车的核心是车载高温超导磁悬浮系统, 这个系统要求较大尺寸的液氮低温容器, 并且要求高温超导体块材与导轨之间的间隙(即磁悬浮净高度) 越大越好[ 2, 3 ]。为了保证高温超导磁浮列车具有更大的有效悬浮高度, 要求高温超导磁浮列车用的液氮低温容器与轨道相对应的该容器的壁厚越薄越好。因为这种液氮低温容器在磁场下工作, 为保证磁悬浮系统的正常工作, 这种薄壁液氮低温容器液应该是无磁或弱磁的。此外, 本文将讨论如何选择高温超导体块材, 确定高温超导体块材的最佳组合, 以及整个车载高温超导磁悬浮系统的设计考虑。
2 YBaCuO 块材的悬浮力
在设计车载高温超导磁悬浮系统之前, 必须在我们自行研制的“高温超导磁悬浮测试系统[ 4 ]”上测量每块YBaCuO 高温超导体块材在永磁导轨上的悬浮力。这个测试系统采用了能放置高温超导体块材的薄底(3. 5mm ) 液氮低温容器, 将它置于永磁导轨之上, 永磁导轨表面磁感应强度达1. 2T。该测量系统能测量多块或单块高温超导体块材的总体磁悬浮力。一个典型的单块YBaCuO 高温超导体在永磁导轨上的悬浮力如图1 所示。通过计算和综合各方面的因素考虑, 我们提出适合高温超导磁悬浮实验车(永磁导轨表面磁感应强度达1. 2T ) 用的YBaCuO 高温超导体在永磁导轨与HTS 之间为5mm 间隔时的悬浮力应大于9N. cm 2。这个数字也是我国自己研制的熔融织构法YBaCuO 高温超导体块材可能达到的水平。
3 YBaCuO 块材的形状和大小
为了充分利用永磁导轨的磁块而不产生漏磁, 一般认为高温超导体块材应做到无间隙的排列。开始我们考虑了正六方形和正方形, 但在永磁导轨上的悬浮力不仅不会增大, 甚至会更小。其原因是, HTS 在永磁导轨悬浮系统中, 高温超导材料本身的物性(例如临界电流密度) 对悬浮力的影响因子大于对外磁场的利用因子。对角30mm 对边26mm 的正六方形, 屏蔽电流路径的直径为26mm , 其宏观效果可能近似于直径为26mm 的圆形样品。所以我们选择了圆形样品。
YBaCuO 高温超导体块材当然是尺寸越大越好, 但大尺寸批量生产是较困难的。我们直径30mm 和26mm 样品的悬浮力测试结果比较从直径30mm 和26mm 测试结果(见图1) 可以看出, 直径30mm 的悬浮力大得多。介于大于直径30mm 的样品目前批量制备困难, 所以我们选取直径30mm 的样品。
4 YBaCuO 块材的组合对于我们的特定的永磁导轨, 我们研究了多块高温超导体块材沿永磁导轨中心不同阵列的单位长度悬浮力[ 5 ]。图2表示高温超导体块材样品不同阵列的组合图。悬浮力的实验研究结果见表I。测试条件: YBCO 高温超导体块材, 永磁导轨表面磁场1. 2T , 薄底液氮低温容器底壁厚3. 5mm。表内所列悬浮力是YBCO 与永磁导轨相距20mm 时的测量值。
表I 组合样品悬浮力实验结果比较样品组合序号1 2 3 4 5 6 7 8 总悬浮力(N ) 145 193 177 163 105 123 136 118
单位长度悬浮力(N.mm ) 1. 20 1. 44 1. 68 2. 32 1. 75 1. 50 2. 27 1. 97 单位长度悬浮力排序8 7 5 1 4 6 2 3 由表I 可以看出, 样品组合方式4 单位长度悬浮力最大。因此, 我们以组合方式4 为基本单元来设计车载高温超导磁悬浮系统。
5 液氮低温容器高温超导磁悬浮列车用的液氮低温容器尺寸较大, 为了保证高温超导磁悬浮列车具有更大的有效悬浮高度, 提出了液氮低温容器底部内外壁总尺寸小的要求。实验研究证明[ 6 ] ,
此文曾发表于：《低温与超导》2001年1期
原作者：王素玉 唐启雪 任仲友 朱敏 江河 王家素
