高温超导悬浮体的静、动力特性分析研究

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1、兰州大学博士学位论文高温超导悬浮体的静、动力特性分析姓名：苟晓凡申请学位级别：博士专业：力学·固体力学指导教师：郑晓静20040501兰州大学博士学位论文摘要超导悬浮作为超导体的重要应用之一，与其它传统的物理悬浮相比较，具有十分突出的优点。因此，使得其广泛应用于超导磁悬浮列车和超导飞轮储能等工业领域。目前，有关研究的总体状况为：实验探索多于理论分析，静态研究多于动态研究，尤其是有关超导悬浮动态特性方面的理论研究，由于问题本身的强非线性和多场耦合特征，进展就更为缓慢。本文针对典型的超导悬浮形式一超导／永磁悬浮系统，较为全面地研

2、究，尤其是定量研究了系统的静态悬浮和动态响应特性，得到了一些有意义的结果。本文首先从一般意义上给出了超导悬浮动力系统的基本方程，包括电磁场方程、动力运动方程和超导电磁本构关系。作为特殊情形，也给出了退化到轴对称情形下超导悬浮动力系统的基本方程。在此基础上，建立了分析超导电磁场分布、静态悬浮特性以及超导悬浮动力运动特性的数值计算方法，给出了具体的计算步骤，并通过与实验结果相比较验证了这些计算方法的可靠准确性。利用这些计算方法，编制了一系列定量分析程序，在对超导电磁场定量分析的基础上，围绕系统悬浮力分别研究了准静态悬浮力、静磁刚

3、度、悬浮力一距离磁滞关东、非准静态悬浮力以及系统动态响应过程中恢复力的特性及其影响规律。数值结果表明：悬浮力一距离关系是高度磁滞的；内部因素如超导材料参数、磁通运动等和外部因素如永磁体表磁强度、初始冷却条件等对悬浮力有十分明显的影响。在此基础上，本文迸一步展开了对超导悬浮系统动力运动特性如超导内部磁通蠕动的影响、频率特性以及动态响应过程中的能量损耗及阻尼特·胜的研究，给出了磁通蠕动对系统动态响应的影响规律，系统主共振频率随外加激励等因素的变化规律以及系统能量损耗及阻尼随外加激励等因素的变化规律。数值结果进一步显示：磁通蠕动效

4、应对系统动态响应的影响是十分明显的，在理论预测其动力运动特·J生时，采用能正确反映超导磁通运动的电磁本构关系一磁通流动与蠕动模型一是必要的。最后，围绕系统动态响应过程中悬浮体漂移现象，从定量上研究了悬浮蒜移规律，初步探讨了悬浮漂移的物理根源．数值结果表明：悬浮体振动漂移的具体规律与悬浮空间点在悬浮力一距离曲线上的具体位置密切相关；其漂移速度的大小在很大程度上受超导材料参数、外加激励等的影响；并且发现，超导内部磁通运动是导致超导悬浮系统动态响应过程中悬浮体发生漂移的本质因素。在此基础上，提出了如何减小或避免悬浮体漂移，提高系统

5、稳定·

6、生的可能途径。关键词：超导悬浮系统；基本方程；动力运动方程；电磁本构关系；数值计算方法：电磁场分布；悬浮力一距离磁滞关系；准静态悬浮力；静磁刚度；非准静态悬浮力；动力运动；磁通蠕动；响应频率；能量损耗；阻尼；悬浮体漂移兰州大学博士学位硷文AbstractSuperconductinglevitation，asoneofimportantapplicationsofsuperconductors，hassomedistinctmeritscomparingwithotherconvenflonallevitations

7、tyles，andCanbeusedinmanyindustryfieldssuchasllightemperaturesuperconductors(HTS)Mag—levvehicle，flywheelsstoringenergyandSOon．Now,inthestudyofsuperconductinglevitation，theexperimentalresearchesaremorethanthetheoreticalones，andalsotheresearchesonstaticcharacteristics

8、aremorethanthese01"1dynamicones，Especially，becauseofnonlinearandmulti—fieldcoupledcharacteristics，thetheoreticalresearchesonthedynamicsofsuperconductinglevitationareveryfew．111thispaper,foratypicalsuperconductinglevitationstyle--superconductors／permanentmagnet(PM)l

9、evitationsystem(SMLS)，thestaticanddynamiccharacteristicsofthesystemareconsidered，andthenthesomeveryusefulrestiltsareobtained．Firstly,thebasicequa