预磁化高温超导块材磁体在应用外磁场中的电磁和悬浮特性

From the point-view of the interaction mechanism between high temperature superconductor (HTSC) and the applied magnetic field (AMF), this project will break through the traditional field-cooling magnetization way in the AMF and carry out the research on electromagnetic and levitation characteristics of pre-magnetized bulk HTSC in the AMF in order to find a new way to solve the problem of the heavy traffic demand in high temperature superconducting (HTS) Maglev applications. This study focuses on their scientific descriptions and explores the relationships among the levitation characteristics, stable levitation mechanism and magnetization history et al. Moreover, the research method combining experiments and simulations will be adopted to obtain the magnetization performance of bulk HTSC by different magnetization ways and the relationships of trapped flux distribution with AMF and magnetization history. Further, the range of stable levitation, the gain of levitation characteristics, the anti-disturbance capability, the stability assessment and the way to reduce the levitation relaxation decay will be studied in this project. It is expected that the research results will not only deepen the physical mechanism of self-stable HTS magnetic levitation (maglev), enrich the optimization design of HTS Maglev system, but also provide new scientific evidences and core technology improvements for HTS maglev applications (transportations, bearings, flywheel energy storage systems, motors, etc.).

从高温超导体与外磁场相互作用机理出发，课题将突破传统的应用外磁场场冷磁化方式，开展预磁化高温超导块材磁体在应用外磁场中电磁和悬浮性能研究，探索解决车应用中载重运量需求的新途径。研究重点是对预磁化高温超导块材磁体在应用外磁场中电磁特性和悬浮行为的科学描述，探讨其悬浮特性、稳定悬浮机制与磁化历史等因素的关系。课题采取实验和建模仿真相结合的方法，得到高温超导块材在不同充磁方式下的磁化特性及在不同的应用外磁场下俘获磁通分布与外磁场、磁化历史的关系，完成其俘获磁通、悬浮力、导向力、力弛豫及稳定性的实验和仿真工作，探讨块材磁体在应用外磁场下稳定悬浮区间、增益程度、抗干扰能力、稳定性评估及减小悬浮弛豫衰减的方法。预计研究结果将不仅较大地深化高温超导自稳定悬浮的物理机制，丰富高温超导磁悬浮车系统的优化设计，而且为高温超导磁悬浮应用（车、轴承、飞轮储能、电动机等）提供新的科学依据和核心技术的改进。

面对磁浮大载重运量需求，基于现有的应用外磁场场冷磁化方式和现有的永磁及轨道优化技术，车载高温超导块材即使充分利用永磁轨道磁场，也难以满足要求。因此，寻求更好的磁化方式提高高温超导体利用率成为了一种新的研究思路。从高温超导体与应用外磁场相互作用机理出发，本课题突破传统的场冷磁化方式，对预磁化高温超导块材磁体在应用外磁场中电磁和悬浮性能展开研究。课题较为系统地研究了不同磁化模式下，块材磁体在永磁轨道上方，由悬浮力弛豫、水平位移等磁化历史所导致的悬浮电磁特性变化以及不同永磁轨道应用外磁场结构和强度对预磁化高温超导块材磁体悬浮电磁特性的影响，结果显示S-N模式下块材磁体的内部电流结构有益于其获得稳定的悬浮电磁特性，更有利于实际应用；同时，得到了应用磁场强度对悬浮力的增加存在饱和关系，而悬浮性能提升速率要低于其俘获场的提升速率。此外，通过钻孔（提高有效作用面积）、加铁（增加磁场）、加铜（改善导热）、改变超导块材厚度及几何外形等改善方式，进行了超导块材磁体外部因素的影响规律研究，发现该种方式能够不同程度地提升超导块材磁体的捕获磁通和悬浮力。继而针对超导体顶端籽晶生长带来的Jc各项异性问题，本小组利用自制多点式磁场测试平台对超导块材表面关键位置进行研究，发现磁化电流大于40A后，块材俘获磁场将趋于饱和。进一步实验发现了在块材表面增加铁磁性材料能有效地减小块材磁体的俘获磁场衰减。为了将实验、模拟与理论紧密结合，课题还通过多物理场耦合分析软件Comsol Multiphysics构建完成3D高温超导块材磁化模型，对预磁化块材的磁化特性以及在应用外磁场下的电磁特性进行了仿真分析。本课题较好地探索和解决提出的科学关键问题，较大地深化理解了高温超导自稳定悬浮的物理机制，为高温超导块材磁体应用（车、轴承、飞轮储能、电动机等）提供科学依据和可能的技术途径。. 课题期间，研究内容整理发表学术论文16篇，其中SCI录论文12篇，EI收录论文13篇，Topical Review国际邀请综述1篇；撰写英文学术专著1部；受理发明专利1项。参与国内外学术会议7人·次，正在培养硕士生5人，毕业博士1名，硕士3人，转硕博连读生1人。在课题研究工作的支持下，负责人获得了澳大利亚政府研究学者奖学金（Endeavour Fellowship）及国家公派访问学者项目各1项。