CN101314329A - 一种提高高温超导磁悬浮系统稳定性的方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高高温超导磁悬浮系统稳定性的方法，其作法为：A、场冷通过支撑系统，将高温超导磁悬浮系统的悬浮体支撑在设定位置，其后启动制冷设备，使超导块材进入超导状态；B、释放支撑，支撑系统释放对悬浮体的支撑，使悬浮体处于空载下的稳定状态；C、加载对悬浮体施加外力，使其处于外力负载下的稳定悬浮状态；D、释放负载，释放所加外力，再次使处于稳定悬浮状态，并以此状态作为高温超导磁悬浮系统运行的初始状态。该方法不需要改变高温超导磁悬浮系统的组成，结构、操作简单，节约成本，可以明显提高高温超导磁悬浮系统的稳定性，并且适用于任何高温超导块材式磁悬浮原理的高温超导磁悬浮系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种高温超导磁悬浮系统性能的改进，尤其涉及一种高温超导磁悬浮系统稳定性的改进方法。
背景技术
高温超导磁悬浮系统主要分为两大应用方向：倘若轴对称式的旋转运动，将应用于轴承或飞轮等领域；倘若平移对称式的线形运动，则将作为并进运动的磁悬浮(磁浮)装置，如线性电机传送装置和磁悬浮车。目前，这两大方面的技术研究已经处于大规模实际应用的前夜，各式各样的高温超导磁悬浮样机纷纷研制并试运行成功，2000年以来中国、德国、俄国等已研制出载人型高温超导磁悬浮实验车。
由于高温超导块材具备的磁通钉扎效应，例如常用的是钇钡铜氧超导体(YBaCuO)或钆系氧化物超导体(GdBaCuO)等稀土类REBaCuO超导体，所以高温超导磁悬浮系统是非控制非接触的自稳定悬浮功能。高温超导磁悬浮系统在工作时，首先通过外力的作用将高温超导块材在一定的位置上固定，然后高温超导块材在应用外磁场中冷却并达到超导态，此时高温超导块材被固定冷却的位置称为场冷位置，这一过程称为场冷。随后释放高温超导块材的固定位置后，由于超导体是在应用外磁场中冷却，超导体俘获了来自应用磁场的磁通而被钉扎，因此在超导块材的作用下，高温超导磁悬浮系统将稳定在某一悬浮点上，相应的悬浮位置称为钉扎位置，这一过程称为释放。当系统因某种因素偏离了稳定点时，超导体内俘获的磁通将可能被迫偏离原来钉扎位置。这时，一方面由于超导体中产生的感应电流的作用，另一方面由于超导体的钉扎中心的阻力，都将抑制磁通的偏离，表现为整个超导系统的回复力，这样的回复能力在一定范围内为弹性系统，使得系统在偏移量不大时，可以回到初始工作位置，达到新的平衡点，即高温超导磁悬浮系统具有一定的稳定自调节能力。在此过程中，不需要外部能量的支持或控制，称为被动式的稳定悬浮系统。在现有的高温磁悬浮系统中通常只需要完成了上述的场冷→释放过程后，形成的稳定悬浮点就被直接用作系统的运行点或工作点。
但是，在实际工作过程中，尽管大多数情况下高温超导磁悬浮系统偏离工作位置后仍可以在新的平衡点继续工作，然而却不能回复到初始的工作位置，而这一工作位置是设计时预定的磁悬浮系统的最佳工作位置。由于系统的稳定性有限，在极端情况下，系统运行受到外界干扰而远离平衡位置，甚至发生崩塌，使得整个系统无法工作。如何避免这一情况的发生，在最大程度上提高系统稳定性和承载能力，是高温超导磁悬浮系统工程化商业化过程中的重要课题。
现有提高高温超导磁悬浮系统稳定性的方法有三种：一、励磁方式的改进，即场冷方式的选择及场冷位置的选择。二、高温超导块材俘获磁场能力的提高，即超导材料性能的提高。三、应用外磁场强度和梯度的提高，即优化应用外磁场。
然而，受到当前高温超导块材制备技术和磁性材料工艺的限制，方法二、三中高温超导磁悬浮系统稳定性提升的空间不大；同时由于受到成本、空间及能耗的限制，方法三对稳定性的提升空间也有限。并且，以上方法在实施过程中，通常需要改变高温超导磁悬浮系统的组成构件，其实施过程较复杂，耗资较大，且效果不理想。
发明内容
本发明的目的就是提供一种提高高温超导磁悬浮系统稳定性的方法，该方法不需要改变高温超导磁悬浮系统的组成、结构，操作简单，节约成本，可以明显提高高温超导磁悬浮系统的稳定性，并且适用于任何高温超导块材式磁悬浮原理的高温超导磁悬浮系统。
本发明实现其发明目的，所采用的技术方案为：一种提高高温超导磁悬浮系统稳定性的方法，其具体作法为：
A、场冷通过支撑系统，将高温超导磁悬浮系统的悬浮体支撑在设定位置，其后启动制冷设备，使超导块材进入超导状态。
B、释放支撑，支撑系统释放对悬浮体的支撑，使悬浮体处于空载下的稳定悬浮状态。
C、加载对悬浮体施加外力，使其处于外力负载下的稳定状态。
D、释放负载，释放所加外力，悬浮体再次使处于稳定悬浮状态，并以此状态作为高温超导磁悬浮系统运行的初始状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
通过场冷后增加的加载和释放负载，使高温超导磁悬浮系统中超导块材和应用外磁场相互位置被迫改变。加载使高温超导块材的空间位置更接近于应用外磁场源，有利于超导块材俘获更多磁通，使超导块材“磁性”增强，与应用外磁场作用力增强，承载能力将增强；同时，由于俘获了更多的磁通，将导致超导体内部钉扎作用增强，释放负载后，俘获的磁通也更多地得到保持，使整个系统在运行或工作时，回复能力变强，稳定性增强，动态性能更好。
实验验证也证明，同样的高温超导磁悬浮系统通过一次加载后及释放负载后再开始运行或工作，较之场冷后直接运行或工作，其动态刚度增加62％，阻尼系数提高49％。
本发明方法不需要改变高温超导磁悬浮系统的组成、结构，操作简单、方便，对平移对称式(如磁悬浮车)或轴对称式(如飞轮)两种高温超导磁悬浮系统均适用，适用面广。
上述的C步和D步重复1-3次。这样2-4次加载和释放负载，高温超导磁悬浮系统的超导块材可以俘获更多的磁通，其回复能力及稳定性得到进一步增强，实验证明，通过两次加载及释放负载，高温超导磁悬浮系统的动态刚度增加了230％，阻尼系数提高了107％。
上述的施加的外力为垂直方向。这样，可增加高温超导磁悬浮系统的垂向稳定性，尤其适用于磁悬浮车系统。
上述的施加的外力为水平方向。这样，可增加高温超导磁悬浮系统的横向稳定性，尤其适用于飞轮或轴承等作旋转运动的磁悬浮系统。
下面结合附图和具体实施方式对本发明方法作进一步详细的说明。
附图说明
图1是本发明实施例一的方法在场冷时的工作状态图。
图2是本发明实施例一的方法在场冷结束后的悬浮状态图。
图3是本发明实施例一的方法在加载时的工作状态图。
图4是本发明实施例一的方法在释放负载后的悬浮状态图。
图5是本发明实施例二的方法在加载时的工作状态图。
具体实施方式
实施例一
本发明的一种具体实施方式为：一种提高高温超导磁悬浮系统稳定性的方法，其具体作法为：A、场冷通过支撑系统8，将高温超导磁悬浮系统的悬浮体支撑在设定位置，然后启动制冷设备，使超导块材进入超导状态；B、释放支撑，支撑系统释放对悬浮体的支撑，使悬浮体处于空载下的稳定悬浮状态；C、加载对悬浮体施加外力，使其处于外力负载下的稳定悬浮状态；D、释放负载，释放所加外力，悬浮体再次使处于稳定悬浮状态，并以此状态作为高温超导磁悬浮系统运行的初始状态。
更具体而言，本实施例的方法针对的高温超导磁悬浮系统为高温超导磁悬浮车。如图1所示，高温超导磁悬浮车的悬浮体即车体1底部安装有制冷设备2，其中制冷设备2中装载着高温超导块材3。车体下方的永磁轨道及支架5，支架5之间放置有液压泵8或其它其他类型的升降装置作为外加的支撑系统，通过支撑系统即液压泵8的升降柱实现支撑和调节高温超导磁悬浮车体高度。液压泵8通常安装在高温超导磁悬浮列车线的起始站处，并根据车系统的结构和重量而改变或增设。
图1示出，进行A步的场冷时，液压泵8推送其支柱将车体1支撑在初始场冷位置，此时车体1的高度称为初始场冷高度。启动制冷设备2冷却高温超导块材3直至达到超导态，此时来自永磁轨道4磁场部分穿透进入高温超导块材3并被之俘获产生磁通钉扎效应，完成场冷，使高温超导块材3可以在永磁轨道外场中稳定悬浮。
图2示出，进行B步的释放支撑时，液压泵8收回其支柱即完成支撑系统支撑的释放，由于高温超导块材3的磁通钉扎效应，车体1在永磁轨道4上方稳定地悬浮起来，此时车体1处于空载下的稳定悬浮状态，空载悬浮高度小于初始场冷高度。
图3示出，进行C步的加载时，在空载悬浮的车体1中装入重物9对车体施加外加的重力。重物9可以逐渐添加而成，也可一次性地整体添加。这时，由于车体1总重量增加其悬浮高度下降，高温超导块材3更接近永磁轨道4。由于越靠近永磁轨道4区域的磁场强度越高，高温超导块材3产生的向上电磁力(悬浮力)越大；当下降到增大的悬浮力部分等于增加负载9的重量，高温超导磁悬浮车体1实现了在永磁轨道4上方施加负载情况下的稳定悬浮状态，显然此时的加载悬浮高度小于B步的空载悬浮高度。
图4示出，进行D步的释放负载时，也即将重物9从车体1上卸除后，车体1“反弹”恢复到稳定悬浮状态。此时高温超导磁悬浮车的悬浮高度大于C步的加载悬浮高度但低于B步的空载悬浮高度，为初始运行高度。
以本例方法进行的一次130kg重力加载及释放后的高温超导磁悬浮车系统的与直接场冷的同样高温超导磁悬浮车系统的动态刚度、阻尼系数的测试结果如下表：
以上实验得出，采用本例方法进行一次130kg加载后，高温超导磁悬浮系统的动态刚度和阻尼系数提升了61.98％，48.53％，说明本例方法能够使高温超导磁悬浮车的稳定性大大提高。
实施例二
本例与实施例一基本相同，所不同的仅仅是：重复一次加载和释放负载(重物)的操作。下表为经过本例的二次加载和释放负载后后，及实施例一仅加载及释放负载一次的高温超导磁悬浮系统的动态刚度和阻尼系数，由下表可见，经过二次加载后，比仅仅加载一次其动态刚度和阻尼系数有进一步的提高，分别比一次加载又提高了100.3％，39.77％。
实施例三
图5示出，本例与实施例一基本相同，所不同的仅仅是：加载的方式采用液压加载，其具体作法为：使用支撑系统中的液压泵8升起支柱，并通过螺栓，也可以是插销等一类固定器件，将高温超导磁悬浮车体1与液压泵8支柱连为一体。液压泵8施力强行将车体1下降至更低的位置，达到以液压方式向车体施加外力的目的，并使其处于外力负载下的稳定状态。释放负载时，将螺栓或插销等固定器件卸除即可。
本发明实施时，其C步的加载和D步的释放加载一般重复1-3次效果较好。当然也可重复更多次数，但四次以上重复的效果不再明显，相反增加操作的难度，浪费人力物力。
Claims (4)
1、一种提高高温超导磁悬浮系统稳定性的方法，其具体作法为：
A、场冷 通过支撑系统，将高温超导磁悬浮系统的悬浮体支撑在设定位置，然后启动制冷设备，使超导块材进入超导状态；
B、释放支撑，支撑系统释放对悬浮体的支撑，使悬浮体处于空载下的稳定悬浮状态；
C、加载 对悬浮体施加外力，使其处于外力负载下的稳定状态；
D、释放负载，释放所加外力，悬浮体再次使处于稳定悬浮状态，并以此状态作为高温超导磁悬浮系统运行的初始状态。
2、根据权利要求1所述的一种提高高温超导磁悬浮系统稳定性的方法，其特征在于：所述的C步和D步重复1-3次。
3、根据权利要求1所述的一种提高高温超导磁悬浮系统稳定性的方法，其特征在于：所述的施加的外力为垂直方向。
4、根据权利要求1所述的一种提高高温超导磁悬浮系统稳定性的方法，其特征在于：所述的施加的外力为水平方向。
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