永磁軌道不同組合方式的磁場分布研究

王 妙，楊 旭，王 凡，郭 靖，王 軒，劉 帥，郝大鵬

(西安航空學(xué)院 a.理學(xué)院；b.電子工程學(xué)院；c.材料工程學(xué)院，西安 710077)

0 引言

自高溫超導(dǎo)體(HTS)被發(fā)現(xiàn)30年以來，單疇(REBCO，其中RE為稀土元素，即Y、Gd、Sm、Nd等元素)高溫超導(dǎo)塊材，因為其具有較為獨特的抗磁性能[1-2]以及良好的自穩(wěn)定磁懸浮性能[3-4]，使得其在微形強磁體、超導(dǎo)磁懸浮列車、超導(dǎo)體磁分離系統(tǒng)、超導(dǎo)磁懸浮軸承、超導(dǎo)電機、超導(dǎo)儲能飛輪等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和巨大的應(yīng)用潛力[5-9]。高溫超導(dǎo)磁懸浮列車軌道系統(tǒng)的設(shè)計、研制以及應(yīng)用主要依賴于高溫超導(dǎo)體與永久磁體間的相互作用力(本文尤指磁懸浮力)特性，該特性也是人們研究的重點內(nèi)容之一。

近年來，很多人致力于磁懸浮列車的研制和應(yīng)用，尤其是高溫超導(dǎo)磁懸浮列車的研制，其作為現(xiàn)代高科技交通軌道運輸工具，具有能耗低、噪聲小、安全性高等優(yōu)良特性，引起各國專家們的研究興趣[10-11]。以REBCO超導(dǎo)體系中的GdBCO超導(dǎo)體為例，NdFeB永磁體和GdBCO超導(dǎo)塊之間的磁懸浮力主要受永久磁體磁場分布、磁場強度大小以及高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)性能影響，所以在高溫超導(dǎo)磁懸浮列車應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計中，永久磁體軌道的組態(tài)形式及其磁場分布就顯得尤為重要。陜西師范大學(xué)楊萬民等人研究了不同小坯塊超導(dǎo)體與永磁體之間的相互作用力[11]；西南交通大學(xué)超導(dǎo)研究小組任仲友等人研究了單塊及多塊組合超導(dǎo)體與永磁軌道之間磁懸浮作用力的關(guān)系[12]；青海師范大學(xué)馬俊等人研究了永磁體輔助下超導(dǎo)體和永磁體之間的相互作用力[13]，同時，他們還研究了條形永久磁體不同的組合形式以及磁體間不同間距對超導(dǎo)磁懸浮力的影響[14]，這些研究結(jié)果揭示了在磁懸浮體系設(shè)計中影響超導(dǎo)磁懸浮力的主要因素和產(chǎn)生機理。

然而，超導(dǎo)體在永磁軌道上方是否可以穩(wěn)定懸浮與永磁軌道磁場的分布密切相關(guān)，不同的永磁軌道組合方式對應(yīng)著不同的磁場分布，因此，本文主要研究了永磁軌道不同的組態(tài)形式對其磁場分布的影響，該研究可為磁懸浮應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計提供實驗依據(jù)。

1 高溫超導(dǎo)體磁懸浮原理

高溫超導(dǎo)體磁懸浮滿足兩個條件[15]后可以在沒有任何外部制控的情況下自穩(wěn)定懸浮于永磁軌道上，一是進入超導(dǎo)態(tài)后的超導(dǎo)體沿重力方向有磁場梯度的變化；二是高溫超導(dǎo)體必須俘獲一定的磁場。高溫超導(dǎo)體作為非理想第二類超導(dǎo)體，其內(nèi)部存在著大量的晶格缺陷，如位錯、雜質(zhì)、空位以及氣泡等，這類晶格缺陷被稱為釘扎中心。高溫超導(dǎo)體中存在的釘扎中心是高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)能夠自穩(wěn)定懸浮的主要原因。

當超導(dǎo)體場冷(Field Cooling，F(xiàn)C)至超導(dǎo)態(tài)后，由于其內(nèi)部晶體缺陷的存在，處于超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場將以磁通量子的形式被凍結(jié)在其中。因為超導(dǎo)體的零電阻特性而使超導(dǎo)體一直處于超導(dǎo)態(tài)，若超導(dǎo)體相對于永磁軌道運動時，超導(dǎo)體內(nèi)部會一直產(chǎn)生感應(yīng)電流，而且不會衰減。同時根據(jù)楞次定律可知，感應(yīng)電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場與外磁場方向相反，所以超導(dǎo)體與永磁軌道之間產(chǎn)生相互作用力，而這個力就是高溫超導(dǎo)體磁懸浮原理所在。

2 實驗方案

為了能夠有效地分析不同排列的永磁軌道的磁場分布情況，分別設(shè)計了6種永磁軌道不同磁體組合的實驗方案，方形永磁軌道的6種不同組合方式示意圖如圖1所示。實驗所采用的永磁體為10×10×10mm3方形NdFdB永久磁體，表面中心的最大磁場約為0.5T。圖中1(a)、1(b)、1(c)、1(d)、1(e)、1(f)分別為超導(dǎo)磁懸列車模型軌道的方形磁路塊組態(tài)，為了精確測量各組態(tài)的永磁體軌道上方的磁場分布，采用陜西師范大學(xué)超導(dǎo)研究小組楊萬民教授自主研制的三維磁力&磁場測試裝置[16-17]進行測試，在測試前，首先將待測磁體固定于測試平臺上，并保持待測磁體組合處于水平狀態(tài)，之后用霍爾探頭(Lakeshore Company，LC)在磁體上方0.5mm處對軌道磁路進行50×50mm2的平面掃描測試，得到不同的組合磁體表面的磁場分布。

圖1方形永磁軌道的6種不同組合方式示意圖

3 實驗結(jié)果與討論

圖1(a)組合永磁軌道磁路的磁場分布圖如圖2所示，圖2(g)是(a)組合永磁軌道的三維磁場分布圖，圖2(h)是該軌道磁場分布的等高圖。

當超導(dǎo)列車被懸浮起來之后，給超導(dǎo)列車提供很小的推動力，超導(dǎo)列車此時就會在永磁軌道的上方進行無阻運動，磁懸浮列車模型在圖1(a)組合永磁軌道磁路上方平穩(wěn)運行如圖3所示。從圖中可以看到，處于超導(dǎo)態(tài)的高溫超導(dǎo)列車模型懸浮于永磁軌道的上方(背景圖中出現(xiàn)的霧氣是由于高溫超導(dǎo)列車中裝載著液氮，使得周圍空氣里的水蒸氣發(fā)生液化現(xiàn)象所導(dǎo)致)。

圖2圖1(a)組合永磁軌道磁路的磁場分布圖

圖3磁懸浮列車模型在圖1(a)組合永磁軌道磁路上方平穩(wěn)運行

同樣，我們將一裝有GdBCO超導(dǎo)塊材的列車模型在液氮溫度(77K)下進行場冷，使樣品進入超導(dǎo)狀態(tài)后，在永磁軌道磁體的磁場作用下，高溫超導(dǎo)塊的體內(nèi)會產(chǎn)生感應(yīng)電流環(huán)，并且會形成與永磁軌道磁體磁場方向相反的感應(yīng)磁場，同時對永磁軌道會產(chǎn)生推斥作用，從而實現(xiàn)了超導(dǎo)列車在永磁軌道上方的懸浮。

由于圖4(i)和圖4(j)所示的磁場并不是對稱分布，導(dǎo)致超導(dǎo)體在軌道上方并不能平穩(wěn)運行，易發(fā)生傾斜而偏離永磁軌道；圖4(k)所示的磁場分布與圖1(a)組態(tài)的永磁軌道磁路的磁場分布相同(N極和S極反置)，若超導(dǎo)列車在該磁路上方進行場冷，則在超導(dǎo)體內(nèi)會產(chǎn)生與磁體方向相反的感應(yīng)磁場，而該感應(yīng)磁場是由超導(dǎo)體內(nèi)感應(yīng)電流環(huán)所引起，同樣超導(dǎo)列車模型可以穩(wěn)定地懸浮在軌道上方并且平穩(wěn)運行；圖4(m)和圖4(n)所示均是磁場N極和S極相互交替的組合永磁軌道磁路磁場分布圖，當超導(dǎo)列車在該磁路上方進行場冷后，由于磁路中的磁場交替分布，從而導(dǎo)致超導(dǎo)列車在該方形磁路塊構(gòu)成的軌道段易處于減速或停止狀態(tài)。

圖4其它5種方形永磁軌道不同組合磁路的磁場分布圖

4 磁懸浮列車軌道演示模型的建立

為了更加形象深入地理解高溫超導(dǎo)體的懸浮特性，設(shè)計了一種多功能永磁軌道，多功能超導(dǎo)磁懸浮永磁軌道設(shè)計示意圖如圖5所示。

圖5多功能超導(dǎo)磁懸浮永磁軌道設(shè)計示意圖

該軌道綜合了上述幾種不同的磁體排列，可實現(xiàn)傾斜、震蕩、停止等多種物理功能。當超導(dǎo)列車模型在主軌道上進行場冷后，可以沿軌道進行平穩(wěn)運行，不會脫離軌道，超導(dǎo)列車繼續(xù)前行，當永磁軌道的磁路排布發(fā)生變化，即與主軌道磁體的N極和S極排列方式不同時，就會導(dǎo)致高溫超導(dǎo)列車在運行過程中出現(xiàn)重心不穩(wěn)，容易發(fā)生傾斜、震蕩或停止運動等一系列運動模式，這與永磁軌道中磁體的排列方式密不可分。

該高溫超導(dǎo)磁懸浮列車系統(tǒng)的模型設(shè)計有助于學(xué)生、教師以及科研工作者們對高溫超導(dǎo)列車在磁場中運行規(guī)律進行深入理解和掌握，同時該套模型也可以廣泛應(yīng)用于各個學(xué)校及科技館的科普活動中。

5 結(jié)語

通過對不同組態(tài)的方形永磁軌道磁路的磁場進行測試，研究了其對磁場分布的影響。結(jié)果表明，永磁軌道的不同組態(tài)形式對其磁場分布有著非常重要的影響，由于磁場分布的不同，導(dǎo)致超導(dǎo)列車模型在永磁軌道上出現(xiàn)了不同的運行模式，如平穩(wěn)運行、傾斜、震蕩、停止運行等不同的物理功能?；诖?，我們設(shè)計了一種多功能超導(dǎo)磁懸浮永磁軌道，為推動高溫超導(dǎo)磁懸浮列車的實用化提供了科學(xué)依據(jù)，為磁懸浮軌道交通這一新興技術(shù)注入了新的活力。

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