高温超导永磁悬浮磁浮轨道的结构参数优化设计_郭芳

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1、第37卷增刊4稀有金属材料与工程Vol.37,Suppl.42008年10月RAREMETALMATERIALSANDENGINEERINGOctober2008高温超导永磁悬浮磁浮轨道的结构参数优化设计郭芳，唐跃进，任丽，李敬东(华中科技大学，湖北武汉430074)摘要：为了提高钕铁硼材料利用率，降低高温超导永磁悬浮磁浮轨道的成本，利用有限元仿真软件ansoft分析了一种常用的永磁悬浮磁浮轨道的结构参数对悬浮力和钕铁硼利用率的影响，得出了各结构参数的最优选择范围。最后还探讨了各参数最优值间的相互影响，提出了各结构参数的优化选择方法。关键词：高温超导磁悬浮；磁浮轨道；参数优化中图法分类号：TM

2、273文献标识码：A文章编号：1002-185X(2008)S4-385-04场相互作用产生悬浮力，使高温超导体浮起，因此轨道1引言表面的磁场分布及大小是影响悬浮力的关键因素。相同从日本的低温超导磁悬浮列车和德国的常导磁悬性能的钕铁硼材料做成的永磁体其表面磁场只与其尺浮列车的研制结果来看，磁浮轨道的制造费用要占到寸大小有关。对于确定的永磁材料，永磁体的尺寸因子整个磁浮列车系统投资费用的60%~80%。因此，降低b/h则决定了其表面磁场的大小，从而影响到永磁轨道磁浮轨道的制造成本是磁浮列车发展关键问题之一。的表面磁场及其提供悬浮力和导向力的能力。当目前使用的高温超导磁浮轨道有电磁悬浮和永磁悬浮a

3、1=b=h=2a2=20mm时，磁浮轨道表面10mm高处的磁2种。由于电磁悬浮沿线必须有两套供电系统，一套场分布如图2所示。可以发现轨道表面磁场的y方向分直流供电系统，为磁浮系统供电；一套非直流（交流量在永磁体中心处有最大值；x方向分量在轨道中心有或脉冲等）供电系统，为驱动发射体，供电系统复杂，最大值。因此轨道高度（h）主要影响轨道表面磁场的投资大，而且线路存在供电损耗，这些都限制了电磁大小，而永磁体以及软铁的宽度（b、a1、a2）则主要[1]悬浮方案的应用。而新一代的钕铁硼（NdFeB）永影响轨道表面磁场的分布情况。下面将重点讨论当永磁磁材料具有高剩磁、高矫顽力和高磁能积的特点，用体宽度b一

4、定时，a1、a2、h如何选择才能最大限度的较少的永磁材料得到较强的磁场，产生较大的悬浮力，提高永磁材料利用率，降低轨道成本。[2]这些优点使得永磁悬浮越来越受到人们的重视。然xHTS而由于钕铁硼永磁材料价格高昂，使得永磁轨道造价较高，因此减少钕铁硼的用量是降低永磁轨道成本的hRailway有效途径。本研究以提高钕铁硼利用率、减少钕铁硼y用量为研究目标，利用有限元软件ansoft，仿真计算aba2ba1了在轨道表面10mm高处，与轨道同宽的一米长高温超导板零场冷却下受到的悬浮力，通过比较永磁轨道图1磁浮轨道横截面图的各个结构参数对悬浮力和钕铁硼利用率的影响，提Fig.1Crosssectiono

5、fmaglevorbit出了各结构参数的优化选择范围和方法。2磁浮轨道基本结构及其表面磁场分布3磁浮轨道各结构参数的优化目标[1,3,4]图1给出了一种悬浮系统的结构示意图，上面记轨道上方10mm高处，5mm厚、1m长、与是高温超导体，下面是磁浮轨道，其中阴影部分表示软轨道同宽度的超导板零场冷却下受到的悬浮力为F铁，箭头表示钕铁硼的充磁方向。高温超导体与轨道磁（即为单位长度上的悬浮力）,那么单位面积上的悬浮收稿日期：2008-08-10基金项目：国家985项目资助作者简介：郭芳，女，1983年生，博士生，华中科技大学超导中心，湖北武汉430074，E-mail：guofang19830019@

6、163.com·386·稀有金属材料与工程第37卷（3）在保证达到气隙磁场值的条件下，使b/h尽0.2可能小。由于稳定性与b/h有关，一般情况下为b/hBx0.15ByBz越大，稳定性越好，故b/h的取值应照顾到永磁体在/T0.1bB各种特殊环境下的稳定性。0.050考虑以上3个选择原则，由于本文中考虑的悬浮a1-0.05a1b高度为10mm，即工作气隙长度Lg=10mm，属于大气-0.1a2隙磁路，因此可以选择b=2Lg=20mm，而轨道高度hMagneticField,-0.15则在20mm附近调节。利用ansoft建模仿真，先固定-0.2-0.25a1=a2=b/2，可以得到轨道上方10

7、mm高处，Fh与h020406080间的关系如图3所示。可见随着轨道高度h的增加，Position,y/mmFh先增大，后减小，h取值15~20mm时，Fh值较大，图2磁浮轨道表面10mm高处磁场分布当h≈17.5mm时，Fh值最大。Fig.2Magneticfielddistributionoverthemaglevorbitat10mm4.2中间软铁厚度的优化选择height根据上节中的结论：