永磁體輔助下單疇GdBCO超導體和永磁體之間的磁懸浮力研究*

馬 俊 楊萬民 李國政 程曉芳 郭曉丹

1)(陜西師范大學物理學與信息技術學院，西安 710062)

2)(青海師范大學物理系，西寧 810008)

(2010年5月11日收到;2010年6月4日收到修改稿)

永磁體輔助下單疇GdBCO超導體和永磁體之間的磁懸浮力研究*

馬 俊1)2)楊萬民1)?李國政1)程曉芳1)郭曉丹1)

1)(陜西師范大學物理學與信息技術學院，西安 710062)

2)(青海師范大學物理系，西寧 810008)

(2010年5月11日收到;2010年6月4日收到修改稿)

通過對永磁體輔助下單疇GdBCO超導體和圓柱形永磁體在液氮溫度、零場冷、軸對稱情況下磁懸浮力的測量，研究了兩種不同組態下輔助永磁體對超導體磁懸浮力特性的影響.實驗結果表明，當長方體輔助永磁體水平磁化、且磁極N指向超導體時，超導體的最大磁懸浮力從沒有引入輔助永磁體的29.8 N增加到61.5 N，增加為沒有引入輔助永磁體時的206%.當長方體輔助永磁體的N極與圓柱形永磁體的N極反平行時，超導體的最大磁懸浮力從沒有引入輔助永磁體的29.8 N減小到19.6 N，減小為無輔助永磁體時的65.8%.這些研究結果說明，通過科學合理地設計超導體和永磁體的組合方式，能有效地提高超導體的磁懸浮力.該研究結果對促進超導體的應用具有重要的指導意義.

單疇GdBCO，永磁體，磁懸浮力

PACS:74.25.－ q，74.72.－ h，74.25.Ha

1.引 言

高溫超導體因具有高的磁懸浮力和良好自穩定磁懸浮特性，使得其在超導磁懸浮軸承［1，2］、儲能飛輪［3，4］和磁懸浮運輸系統［5，6］等領域具有廣泛的應用前景.超導體和永磁體之間的磁懸浮力主要依賴于超導材料的性能［7—9］和永磁體磁場分布，超導體磁懸浮力與其臨界電流密度、超導塊材的半徑、晶粒取向［10］、厚度［11］、冷卻方式、磁化程度［12—14］、所用永磁體的磁場分布［15—19］、以及永磁體的運動速度［20］等參數密切相關.文獻［21］研究了單塊和多塊組合超導樣品與永磁軌道之間的相互作用力關系，文獻［22，23］通過將一塊樣品切成不同小塊研究單塊樣品和多塊樣品之間的磁懸浮力關系，同時也研究了不同永磁體組態對超導體磁懸浮力的影響.現有的超導磁懸浮實驗表明［24—26］，超導體的磁懸浮力會隨著時間的增加而衰減，懸浮高度會隨著外加荷載的增加而降低，但當外加荷載移除后，磁懸浮系統并不能恢復到原來的高度，這些問題嚴重地阻礙了超導體的應用進程.眾所周知，永磁體之間的相互作用力強、剛度好［27］，但無法實現穩定的磁懸浮;超導體與永磁體之間的磁懸浮力較大，磁懸浮穩定性好［5，17］，但磁懸浮剛度較差.為了有效利用永磁體間較大的磁懸浮力、良好的剛性、以及超導體良好的自穩定磁懸浮特性，本文通過對永磁體輔助下單疇GdBCO超導體和圓柱形永磁體在液氮溫度、零場冷、軸對稱情況下磁懸浮力的測量，研究了兩種不同組態下輔助永磁體對超導體磁懸浮力特性的影響，并取得了明顯的效果.這些結果對促進超導體的應用具有重要的指導意義.

2.實 驗

實驗所用的單疇GdBCO超導塊材是通過頂部籽晶熔融織構方法(MTG)制備的［28］，樣品直徑為20 mm，厚度為10 mm.所用永磁體有兩種，包括一個是圓柱形永磁體，直徑為20 mm，厚度為30 mm，表面中心最大磁場約為0.5 T;兩個長方體永磁體的尺寸均為20 mm×10 mm×10 mm，表面中心最大磁場約為0.5 T，永磁體沿短邊方向磁化.為了能夠有效地研究輔助永磁體對單疇GdBCO超導體和圓柱形永磁體在液氮溫度、零場冷、軸對稱情況下磁懸浮力的影響，我們用該超導體和這些永磁體設計了5種實驗方案，如圖1所示.其中兩個長方體輔助永磁體與超導體處于同一平面，且沿長邊一側與超導體緊密地固定在一起.圖1(a)—(e)分別表示圓柱形永磁體和超導體呈軸對稱(PM↓ －HTS)，在圖1(a)的基礎上超導體兩側引入極化方向N指向超導體的長方體永磁體在圖1(b)的基礎上去掉超導體 (PM↓ －，在圖1(a)的基礎上超導體兩側引入極化方向N反平行與圓柱形永磁體磁極N的長方體永磁體(PM↓ －(PM↑ －HTS－PM↑))，在圖1(d)的基礎上去掉超導體 (PM↓ －(PM↑ －PM↑))的5種實驗方案，箭頭表示永磁體的磁化方向.在實驗過程中，輔助永磁體是和超導體一起冷卻的.我們采用三維空間磁場及磁力測試系統［29］，對這幾種情況下的磁懸浮力進行了測量.每次測量前，圓柱形永磁體與超導體一直處于軸對稱狀態，且它們之間的距離 Z=52 mm，待超導體被冷卻(無超導體時不需要冷卻過程)至液氮溫度(77 K)后，讓圓柱形永磁體從 Z=52 mm的位置開始垂直接近超導體(或輔助永磁體)上表面，當兩者間距達到Z=2 mm時，讓圓柱形永磁體沿原路返回，完成一次測量.

3.結果與討論

圖2為圖1中(a)組合、(b)組合和(c)組合情況下圓柱形永磁體所受的磁懸浮力隨其與超導體(或輔助永磁體)上表面垂直距離(F-Z)變化曲線.從圖中可看到，上述三種情況下，圓柱形永磁體所受的磁懸浮力都隨著兩者之間距離的減小逐漸增加，但增加的幅度不同.其中(a)組合的磁懸浮力曲線反映了超導體和圓柱形永磁體之間的相互作用力，最大磁懸浮力為29.8 N;(c)組合的磁懸浮力曲線表明，圓柱形永磁體和兩個輔助永磁體之間的相互作用力，在圓柱形永磁體接近和離開輔助永磁體上表平面時磁相互作用力曲線幾乎是完全重合的，無磁滯現象，表明永磁體之間的相互作用力具有很好的重復性和剛度，最大磁懸浮力為31.7 N;(b)組合的磁懸浮力曲線與(a)組合的磁懸浮力曲線類似，但整體向右上方向移動，最大磁懸浮力為61.5 N，是(a)組合最大磁懸浮力29.8 N的206%.同時還發現，當Z≤40 mm時，(b)組合的磁懸浮力不但比(a)組合有明顯提高，而且其懸浮系統的剛度也明顯提高.譬如在下降至Z=10 mm時，(a)組合和(b)組合的磁懸浮力分別為5.2和22.0 N，剛度分別為1.3×103和3.5×103N/m，顯然(b)組合中磁懸浮力有了較大的提高，增加的部分來自輔助永磁體的貢獻.在有超導體的(a)組合和(b)組合中，磁懸浮力曲線均存在著明顯的磁滯現象，但在有輔助永磁體作用下的磁懸浮力卻有了成倍的增加，磁懸浮系統的剛度也明顯提高.這說明在這種情況下超導體和永磁體間的組合明顯地提高了系統的磁懸浮力特性，對超導磁懸浮的應用具有積極的促進作用.

圖3為(a)組合、(d)組合和(e)組合情況下圓柱形永磁體所受的磁懸浮力隨其與超導體(或輔助永磁體)上表面垂直距離(F-Z)的變化曲線.從圖中可清楚看到，在(a)組合和(d)組合情況下，圓柱形永磁體所受的磁懸浮力都隨著兩者之間距離的減小逐漸增加.但(e)組合的情況則大不相同，圓柱形永磁體和輔助永磁體之間的磁懸浮力在Z≥8.5 mm時，隨著兩者之間距離的減小逐漸增加，Z≤8.5 mm時，則隨著兩者之間距離的減小而逐漸減小.與(d)組合情況不同，(d)組合的磁懸浮力曲線并不是都在(a)組合磁懸浮力曲線的右上側，當Z≥8.5 mm時，曲線整體向右上方向移動，(d)組合的磁懸浮力比(a)組合的明顯偏高，如Z=10 mm時，(a)組合和(d)組合的磁懸浮力分別為5.2和13.4 N;但當 Z≤4.7 mm時，曲線相對于(a)組合則向左下方向偏移，導致(d)組合的磁懸浮力比(a)組合的明顯偏低，如 Z=3.7 mm時，(a)組合和(d)組合的磁懸浮力分別為23.4和19.0 N;當 Z=2 mm時，(d)組合的最大磁懸浮力只有19.6 N，僅為(a)組合最大磁懸浮力29.8 N的65.8%.這些結果表明，(d)組合情況下圓柱形永磁體所受的磁懸浮力只有無輔助永磁體時最大磁懸浮力的65.8%，(b)組合情況下磁懸浮力的31.9%，這些變化與輔助永磁體的磁場分布及其對超導體的磁化方式密切相關.

為了弄清為什么(b)組合情況下的最大磁懸浮力能達到(d)組合情況的3倍多，我們采用有限元分析方法，計算并繪制出了這兩種組合情況下系統的磁場分布，如圖4所示.從圖中可清楚看出，(b)組合情況下，在圓柱形永磁體移動的范圍內，輔助永磁體產生的磁場和超導體凍結的磁場方向都是豎直向上的，剛好與圓柱形永磁體產生的磁場方向相反，所以，使得在該組合形態下，圓柱形永磁體所受的最大磁懸浮力比無輔助永磁體時的最大磁懸浮力大得多.(d)組合情況下，在圓柱形永磁體移動的范圍內，輔助永磁體產生的磁場方向部分與圓柱形永磁體產生的磁場方向相同，部分相反，而超導體凍結的磁場方向則與圓柱形永磁體產生的磁場方向相同.由于與圓柱形永磁體磁場方向相反的部分對其產生具有排斥性的懸浮力，相同的部分則產生吸引力，因此在這兩種作用力的共同作用下，使得(d)組合情況下圓柱形永磁體所受的總磁懸浮力為19.6 N，在兩者間距很小的情況下，小于無輔助永磁體時的最大磁懸浮力29.8 N，遠遠小于(b)組合情況下圓柱形永磁體所受的最大磁懸浮力61.5 N.

圖4 (b)組合和(d)組合情況下磁懸浮系統初始狀態下的磁場分布 (a)為 (b)組合情況，(b)為 (d)組合情況

4.結 論

通過對永磁體輔助下單疇GdBCO超導體和圓柱形永磁體磁懸浮力特性的研究發現，當長方體輔助永磁體的磁極N指向超導體時，超導體的最大磁懸浮力從沒有引入輔助永磁體時的29.8 N增加到61.5 N，輔助永磁體的引入使其最大磁懸浮力提高了206%，同時，超導體與圓柱形永磁體間的剛度明顯提高.當長方體輔助永磁體的N極與圓柱形永磁體的N極反平行時，輔助永磁體的引入卻使其最大磁懸浮力從29.8 N減小到19.6 N，只有無輔助永磁體時的65.8%;超導體與圓柱形永磁體間的剛度在兩者之間距離大于12 mm時明顯提高，但小于12 mm之后卻明顯下降.此外還發現，超導體和圓柱形永磁體之間的最大磁懸浮力與輔助永磁體和圓柱形永磁體之間的最大磁懸浮力之和，并不等于永磁體輔助下單疇 GdBCO超導體和圓柱形永磁體之間的最大磁懸浮力.這些結果說明，輔助永磁體的引入對超導體的磁懸浮力具有顯著的影響，只有通過合理設計超導體和永磁體的組合方式，才能有效地提高超導體的磁懸浮力，研究結果對促進超導體的應用具有重要的指導意義.

［1］John R H，Shaul H，Tomotake M 2005Supercond Sci.Tech.18 S1

［2］Werfel F N，Floegel-Delor U，Rothfeld R 2005Supercond Sci.Tech.18 S19

［3］Miyagawa Y，Kameno H，Takahata R 1999IEEE Trans.Appl.Supercond.9 996

［4］Ohashi S，Tamura S， Hirane Y 1999IEEE Trans.Appl.Supercond.9 988

［5］Nuria D V，Alvaro S，Carles N 2008Appl.Phys.Lett.92 042505

［6］Wang J S，Wang S Y 2002PhysicaC 378—381 809

［7］Sha J J，Yao Z W 2000Acta Phys.Sin.49 1356(in Chinese)［沙建軍、姚仲文 2000物理學報 49 1356］

［8］Feng Y，Zhou L，Yang W M，Zhang C P 2000Acta Phys.Sin.49 146(in Chinese)［馮 勇、周 廉、楊萬民、張翠萍 2000物理學報 49 146］

［9］Li G Z，Yang W M 2010Acta Phys.Sin.59 5028(in Chinese)［李國政、楊萬民2010物理學報 59 5028］

［10］Yang W M，Zhou L，Feng Y 1999Chin.Phys.8 533

［11］Zhu M，Ren Z Y，Wang S Y 2002Chin.J.Low Temp.Phys.24 213［朱 敏、任仲友、王素玉 2002低溫物理學報24 213］

［12］Hu L F，Zhou L，Zhang P X 2001Acta Phys.Sin.50 1359(in Chinese)［胡立發、周 廉、張平祥 2001物理學報 50 1359］

［13］He G L，He Y W，Zhao Z G，Liu M 2006Acta Phys.Sin.55 839(in Chinese)［何國良、賀延文、趙志剛、劉 楣 2006物理學報 55 839］

［14］Liu M X 2011Acta Phys.Sin.60 017401(in Chinese)［劉敏霞2011物理學報60 017401］

［15］Carles N，Alvaro S 2001Phys.Rev.B 64 214507

［16］Zhang F Y，Huang S L，Cao X W 1989Acta Phys.Sin.38 830(in Chinese)［張鳳英、黃孫利、曹效文 1989物理學報 38 830］

［17］Nuria D V，Alvaro S，Enric P 2007Appl.Phys.Lett.90 042503

［18］Alvaro S，Carles N 2001Phys.Rev.B 64 214506

［19］Wang F，Sun G Q，Kong X M 2001Acta Phys.Sin.50 1590(in Chinese)［王 峰、孫國慶、孔祥木 2001物理學報50 1590］

［20］Yang W M，Zhu S H，Wu X L 2009Cryogenics49 299

［21］Ren Z Y，Oliver de Hass，Wang X R 2003Chin.J.Low Temp.Phys.25(suppl)182［任仲友、Oliver de Hass、王曉融 2003低溫物理學報25(增)182］

［22］Yang W M，Zhou L，Feng Y 2002Brazilian Journal of Physics32 763

［23］Yang W M，Zhou L，Feng Y 2001PhysicsC 354 5

［24］Zhang X Y，Zhou J，Zhou Y H 2009Supercond Sci Tech.22 1

［25］Deng Z，Zheng J，Song H 2007IEEE Trans.Appl.Supercond.17 2071

［26］He Q Y，Wang J S，Wang S Y 2009PhysicaC 469 91

［27］Tsuda M，Kawasaki T，Yagai T 2008J.Phys.97 1

［28］Cheng X F，Yang W M，Li G Z 2010Chin.J.Low Temp.Phys.32 150［程曉芳、楊萬民、李國政2010低溫物理學報32 150］

［29］Yang W M，Chao X X，Shu Z B 2006PhysicaC 445—448 347

PACS:74.25.－ q，74.72.－ h，74.25.Ha

Effects of additional permanent magnet on the levitation force of single domain GdBCO bulk superconductor*

Ma Jun1)2)Yang Wan-Min1)?Li Guo-Zheng1)Cheng Xiao-Fang1)Guo Xiao-Dan1)
1)(College of Physics and Information Technology，Shaanxi Normal University，Xi’an 710062，China)
2)(Department of Physics，Qinghai Normal University，Xining 810008，China)
(Received 11 May 2010;revised manuscript received 4 June 2010)

Effects of additional permanent magnet on the levitation force of a single domain GdBCO bulk superconductor have been investigated with a cylindrical permanent magnet in their coaxial configuration under zero field cooled state at liquid nitrogen temperature.The magnetic polarity N of cylindrical permanent magnet is pointed to the GdBCO bulk superconductor，and the two additional permanent magnet of rectangular parallelepiped shape are fixed on two sides of the GdBCO bulk superconductor in different arrangments.It was found that the levitation force can be improved to about 61.5 N，which is more than 2 times higher than that(29.8 N)of the system without the additional permanent magnet，when the magnetic polarity N of two additional permanent magnets points to the GdBCO bulk superconductor in horizontal direction.The levitation force is reduced to 19.6N，which is about 65.8% of the levitation force 29.8N of the system without the additional permanent magnets，when the magnetic polarity N of two additional permanent magnet are antiparallel to the magnetic polarity N of the cylindrical permanent magnet.The results indicate that the levitation force of high temperature bulk superconductors can be effectively improved by introducing additional permanent magnet based on reasonably designing the system configuration，which is very important during the practical design and applications of superconducting magnetic levitation systems.

single domain GdBCO，permanent magnet，levitation force

*國家自然科學基金(批準號:50872079)、國家高技術研究發展計劃(批準號:2007AA03Z241)和中央高校基本科研業務費專項資金(批準號:GK200901017)資助的課題.

?通訊聯系人.E-mail:yangwm@snnu.edu.cn

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.50872079)，the National High Technology Research and Development Program of China(Grant No.2007AA03Z241)and the Fundamental Research Funds for the Central Universities of China(Grant No.GK200901017).

?Corresponding author.E-mail:yangwm@snnu.edu.cn