CN105300567A - 一种高梯度强磁场磁悬浮特性测试技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高梯度强磁场磁悬浮特性测试技术，在高梯度强磁场对超导块的多方面悬浮特性提供测试的平台。测试装置主要由超导磁体(10)构成的外磁场和置于超导磁体上方的测试支架构成；超导磁体(10)内置有两个结构完全相同的同轴超导磁体励磁线圈A(12)和超导磁体励磁线圈B(13),在两个超导励磁线圈中通以不同大小和方向的励磁电流时产生低磁场、强磁场以及梯度和强度可变的磁场位形。本发明可以在同一台装置上实现高梯度磁场、强磁场和变化磁场中高温超导块材的悬浮力和悬浮力弛豫测试，并且可以对高温超导块在交流磁扰动下的交流损耗进行测试，结构相对简单、操作方便，避免了现有某有技术中的测试内容单一、结构复杂、操作繁琐的缺陷。

Description

一种高梯度强磁场磁悬浮特性测试技术

技术领域

本发明涉及磁悬浮领域，具体来讲是一种高梯度强磁场磁悬浮特性测试装置。

背景技术

高温超导块材独特的零电阻、迈斯纳效应和磁通钉扎特性，使它能够在外磁场中实现无需能量输入的自稳定悬浮。因此，高温超导块材被广泛的应用于飞轮储能、航天助推发射和磁浮车系统等。高温超导磁悬浮系统的悬浮特性不仅与高温超导材料的磁通钉扎特性有关，还取决于外磁场的强度及分布。在现有的制备技术条件下，高温超导块材的钉扎性能已基本趋于稳定，难已有大幅度提升。为了满足磁悬浮系统更高悬浮性能的要求，增加外磁场的磁场强度和梯度，优化磁场位形，是当前工程化应用普遍采用的方法。目前，国内外在永磁体或永磁导轨产生的磁场中，对高温超导块材的静态、动态悬浮特性开展了大量的实验和理论研究，在一定程度上揭示了超导磁悬浮系统主要的力学特征和动态响应规律。但是，由于永磁体材料自身性能的限制，目前，对磁悬浮系统悬浮特性的研究受到永磁体或永磁导轨磁场梯度、强度、可控性差的制约。另外，磁场也是研究物理现象和机理的重要工具，在目前高温超导体的超导机制还不甚清晰的前提下，运用超导磁体磁场进行磁悬浮系统悬浮特性及机理的研究，可以揭示出一些在常规永磁体磁场中无法观察到的新物理现象及特征，有助于加深对高温超导体的超导机制及高温超导块材与外磁场相互作用机理的理解，为未来高温超导磁悬浮系统走向更广泛的应用提供一定的依据。目前，在超导磁体磁场中对磁悬浮系统的悬浮特性开展了为数不多的研究，但基本都是在超导磁体低磁场中对高温超导块材的悬浮特性进行测试，还尚未充分利用到超导磁体磁场可变、可控、强磁场、高梯度的特性，对高温超导块材在超导磁体高梯度磁场和强磁场中交流损耗的研究较少。而且，现有的大多数装置测试内容单一、结构复杂。

发明内容

本发明的目的在于在此提供了一种高梯度强磁场磁悬浮特性测试装置，该装置具有结构简单、操作方便、测试内容多样等优点。装置中作为磁源的超导磁体产生的高梯度、强磁场的磁场位形，能充分地发挥高温超导块材的悬浮特性，有效地对磁悬浮系统在强磁场及变化磁场中的悬浮力、悬浮力弛豫以及交流损耗等特性进行测试，有助于揭示出一些新的物理现象及特征。

本发明的目的是通过如下的手段实现的：

一种高梯度强磁场磁悬浮特性测试装置，为在高梯度强磁场对超导块的悬浮特性提供多维度的测试平台。测试装置主要由超导磁体10构成的外磁场和置于超导磁体上方的测试支架构成；其中:

所述测试支架具有三只支撑杆6，支撑杆的上端与顶板2固联,支撑杆的下端与超导磁体10上法兰9连接，构成一个固定的支架；呈三角形外形的顶板2中心置有伺服电机1，伺服电机驱动与其输出轴相联的移动杆3实现垂直于顶板平面的上下移动；移动杆上设置有位移传感器4；被测超导块14置于力传感器7下部的连接杆8上。

所述超导磁体10内置有两个结构完全相同的同轴超导磁体励磁线圈A12和超导磁体励磁线圈B13,在超导磁体励磁线圈A12和超导磁体励磁线圈B13中通大小相等、方向相反的励磁电流时，会产生比传统的以相同大小电流励磁的单个励磁线圈更高的磁场梯度。当在两个励磁线圈中通以不同大小和方向的励磁电流时，会产生低磁场、强磁场以及梯度和强度可变的变化磁场位形。

液氮低温容器11置于超导磁体10的室温通孔16内，置有被测超导块14的连接杆8伸入液氮低温容器11内，连接杆8的轴线与室温通孔的轴线重合；测试悬浮特性的力传感器7通过连接件5设置在位移传感器4的下方，被测超导块14由连接杆8与力传感器7相连。

伺服电机的速度可调，以便于测试运动速度对超导块悬浮特性的影响。为了防止超导磁体磁场对测试结果的影响，连接件和连接杆全部采用尼龙棒加工而成。

液氮低温容器不与力传感器连接，而直接放置在超导磁体室温通孔内，防止由于液氮挥发对测试结果的影响。

交流电磁线圈直接嵌套在超导块外部，用于测试不同幅值和频率的交流扰动磁场作用下，超导块的交流损耗。

本发明的另一目的是获得高梯度强磁场磁悬浮特性测试方法，采用如上的装置，通过调整被测超导块14与超导磁体10相对位置、改变超导磁体10内同轴的超导磁体励磁线圈A12和超导磁体励磁线圈B13的励磁电流大小和方向、向交流电磁线圈15中通入不同的交流信号，实现磁悬浮系统多方面悬浮特性的综合测试，其中包括并不限于：1)高梯度磁场中的悬浮特性测试、2)强磁场中的悬浮特性测试、3)交流磁扰动下的交流损耗测试。

采用本发明实现高梯度强磁场磁悬浮特性的测试，包括高温超导块材在高梯度磁场中的悬浮特性测试，在强磁场中的悬浮特性测试及高温超导块材在交流磁扰动下的交流损耗测试；(1)高梯度磁场中的悬浮特性测试由顶板和支撑杆构成一个测试支架，该支架直接与超导磁体上法兰固定连接。移动杆通过顶板中间的圆孔由伺服电机带动上下移动，从而改变超导块的运动位置，让超导块在超导磁体高梯度变化的磁场中运动，运动的位移由位移传感器测得，悬浮力的变化由力传感器测得。(2)强磁场中的悬浮特性测试仍然由顶板和支撑杆构成一个固定的测试支架，伺服电机带动移动杆将超导块材移动并保持在一定的位置高度，从低到高改变超导磁体的磁场，测试超导块材在低磁场到强磁场的变化磁场过程中的悬浮特性。(3)交流损耗测试中，当伺服电机带动移动杆将超导块材移动并保持在一定的位置高度后，在一定的超导磁体磁场中，改变与超导块直接相连的交流电磁线圈的幅值和频率，对超导块材的交流损耗进行测试。

本发明的有益效果在于：本发明与现有技术相比，可以在同一台装置上实现高梯度磁场、强磁场和变化磁场中高温超导块材的悬浮力和悬浮力弛豫测试，并且可以对高温超导块在交流磁扰动下的交流损耗进行测试，该装置结构测试内容多样、结构相对简单、操作方便，避免了现有某有技术中的测试内容单一、结构复杂、操作繁琐的缺陷。在实验中，利用本装置能有效地对高梯度磁场、强磁场和变化磁场中高温超导块材的悬浮特性以及交流损耗进行测试，有助于揭示一些新的物理现象和特征。

附图说明

图1为本发明的一种高梯度强磁场磁悬浮特性测试装置的截面示意图；

图2为本发明的一种高梯度强磁场磁悬浮特性测试装置的立体示意图；

图3为本发明所采用的双励磁线圈与传统单励磁线圈在相同励磁电流作用下的磁力线分布图；

图4为本发明所采用的双励磁线圈与传统单励磁线圈在相同励磁电流作用下的磁场与磁场梯度对比图。

图中：1、伺服电机，2、顶板，3、移动杆，4、位移传感器，5、连接件，6、支撑杆，7、力传感器，8、连接杆，9、超导磁体上法兰，10、超导磁体，11、液氮低温容器，12、超导磁体励磁线圈A，13、超导磁体励磁线圈B，14、高温超导块材，15、交流电磁线圈，16、超导磁体室温通孔，17、超导磁体支撑脚。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

本发明在此提供一种高梯度强磁场磁悬浮特性测试装置，能有效地对系统在高梯度磁场、强磁场及变化磁场中的悬浮特性，以及在交流磁扰动下的交流损耗进行测试；如图1所示：本发明所述测试装置包括有由顶板2和支撑杆6构成一个测试支架，该支架与超导磁体上法兰9固定连接，构成一个用于测试超导块材悬浮特性的固定支架；如图1所示所述的固定支架顶板2为三角形不锈钢板，支撑杆6为三根相互平行的设置在顶板与超导磁体上法兰9之间，在顶板2中间有一个圆孔，移动杆3穿过该圆孔，移动杆3一端与伺服电机1相连，通过伺服电机1驱动移动杆3上下移动，从而改变超导块14的运动位置，移动杆3的另一端设置位移传感器4，移动的具体位移由位移传感器4测得，测试悬浮特性的力传感器7通过连接件5设置在位移传感器4的下方，超导块14由连接杆8与力传感器7相连，该测试装置的磁源由超导磁体10提供，液氮低温容器11直接放置在超导磁体室温通孔16内，测试交流损耗的交流电磁线圈15直接与超导块14相连。

如图1所示：当超导块14在伺服电机1的驱动下，在液氮低温容器中上下运动时，我们可以测试超导块14在超导磁体10的高梯度磁场中的悬浮特性。

如图1所示：当超导块14在伺服电机1的驱动下移动并固定在一定的位置高度时，我们可以测试超导块14在超导磁体10的强磁场、变化磁场中的悬浮特性。

如图1所示：当超导块14在伺服电机1的驱动下移动并固定在一定的位置高度时，改变交流电磁线圈15的幅值及频率，可以测试超导块14在交流磁扰动下的交流损耗。

如图4所示：当在超导磁体10的同轴励磁线圈A12和励磁线圈B13中通以大小相等、方向相反的励磁电流时，会产生比传统的单个励磁线圈更高的磁场梯度。

液氮低温容器11直接放置于超导磁体室温通孔16内，不直接与力传感器7相连，可以避免液氮挥发对测试结果的影响。

交流电磁线圈15直接与超导块14相连，电磁线圈15是幅值和频率都可调的空心电磁线圈。

本发明的实施结合附图说明如下，在所有的测试中，我们先将超导磁体上法兰平面设为测试的参考零坐标点位置，当超导块14的位置位于零点以下，我们称其所在坐标位置为负值。参见附图本高梯度强磁场磁悬浮特性测试技术，包括高温超导块材在高梯度磁场中的悬浮特性测试，在强磁场中的悬浮特性测试及高温超导块材在交流磁扰动下的交流损耗测试。测试方法如下：

1)在高梯度磁场中的悬浮特性测试

在高梯度磁场中对超导块材14的悬浮力进行测试时，首先将超导块14放置于超导磁体室温通孔16内的一定高度位置，然后，分别在没有和有外磁场(零场冷和场冷)的条件下冷却超导块14使其完全进入超导态。接着，将超导磁体10以指定大小的电流励磁。然后，将超导块14按一定的速度，在液氮低温容器11中的某一初始高度下降至另一最终高度后，再以同样的速度让超导块14返回初始高度，如此往返，为一个完整的测试过程。在超导块14的整个下降和上升的过程中，对超导块14的悬浮力进行测试；

在高梯度磁场中对超导块的悬浮力弛豫进行测试时，同样先让超导块14在没有和有外磁场(零场冷和场冷)的条件下充分冷却至超导态，接着，将超导磁体10以指定大小的电流励磁，然后，让超导块14以设定的速度运动至超导磁体9的不同磁场梯度的位置，并在该位置停留一定的时间，在停留的这段时间内，我们对超导块14的悬浮力弛豫特性进行测试。

2)在强磁场中的悬浮特性测试

在强磁场中对高温超导块材14的悬浮特性进行测试时，首先由伺服电机1带动超导块14运动并保持在液氮低温容器11内的一定高度位置，然后，让超导块14分别在没有和有外磁场(零场冷和场冷)的条件下充分冷却至超导态，接着，让超导磁体10以指定的升场和降场速率，将超导磁体10的励磁电流从0A升至最大值再降回到0A。与此同时，我们测试在整个升场和降场过程中，在超导磁体10的磁场由低到强的变化过程中超导块14悬浮力的变化。此外，在超导磁体升场和降场的过程中，可以将磁场保持在磁体磁场范围内的任意磁场强度，对超导块的悬浮力弛豫特性进行测试。

3)在交流磁扰动下的交流损耗测试

在交流磁扰动下对超导块材14的交流损耗进行测试时，首先由伺服电机1带动超导块14运动并保持在液氮低温容器11内的一定高度位置，同样让超导块14分别在没有和有外磁场(零场冷和场冷)的条件下充分冷却至超导态，然后，在超导磁体10产生的低磁场、强磁场和变化磁场中，向交流电磁线圈15中通入交流信号，此时，高温超导块材14所处的磁场为超导磁体10的磁场与交流电磁线圈15磁场的叠加，改变交流信号的幅值和频率，可以对超导块材14在不同外磁场条件下的交流损耗进行测试。

Claims (8)

1.一种高梯度强磁场磁悬浮特性测试装置，为在高梯度强磁场中对超导块的多方面悬浮特性提供测试的平台,其特征在于,测试装置主要由超导磁体(10)构成的外磁场和置于超导磁体上方的测试支架构成；其中:

所述测试支架具有三只支撑杆(6)，支撑杆的上端与顶板(2)固联,支撑杆(6)的下端与超导磁体(10)上法兰(9)连接，构成一个固定的支架；呈三角形外形的顶板(2)中心置有伺服电机(1)，伺服电机(1)驱动与其输出轴相联的移动杆(3)实现垂直于顶板平面的上下移动；移动杆(3)上设置有位移传感器(4)；被测超导块(14)置于力传感器(7)下部的连接杆(8)上；

所述超导磁体(10)内置有两个结构完全相同的同轴超导磁体励磁线圈A(12)和超导磁体励磁线圈B(13),在超导励磁线圈A(12)和超导励磁线圈B(13)中通大小相等、方向相反的励磁电流时，产生比传统的以相同大小电流励磁的单个励磁线圈更高的磁场梯度；在两个励磁线圈中通以不同大小和方向的励磁电流时，产生低磁场、强磁场以及梯度和强度可变的变化磁场位形；

液氮低温容器(11)置于超导磁体(10)的室温通孔(16)内，置有被测超导块(14)的连接杆(8)伸入液氮低温容器(11)内，连接杆(8)的轴线与室温通孔(16)的轴线重合；测试悬浮特性的力传感器(7)通过连接件(5)设置在位移传感器(4)的下方，被测超导块(14)由连接杆(8)与力传感器(7)相连。

2.根据权利要求1所述的高梯度强磁场磁悬浮特性测试装置，其特征在于，交流电磁线圈(15)直接嵌套在被测超导块(14)外部，用于测试不同幅值和频率的交流扰动磁场作用下，被测超导块(14)的交流损耗。

3.根据权利要求1所述的高梯度强磁场磁悬浮特性测试装置，其特征在于，所述连接件(5)和连接杆(8)全部采用尼龙棒加工而成。

4.根据权利要求1所述的高梯度强磁场磁悬浮特性测试装置，其特征在于，所述超导磁体(10)由3个超导磁体支撑脚(17)支撑放置于地面。

5.采用如上装置的高梯度强磁场磁悬浮特性测试方法，通过调整被测超导块(14)与超导磁体(10)相对位置、改变超导磁体(10)内同轴超导磁体励磁线圈A(12)和超导磁体励磁线圈B(13)的励磁电流大小和方向、向交流电磁线圈15中通入不同的交流信号，实现磁悬浮系统多方面悬浮特性的综合测试，其中包括并不限于：1)高梯度磁场中的悬浮特性测试、2)强磁场中的悬浮特性测试、3)交流磁扰动下的交流损耗测试。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述高梯度磁场中的悬浮特性测试的具体步骤是：

首先将超导块(14)放置于超导磁体室温通孔(16)内的一定高度位置，然后，分别在没有和有外磁场的条件下冷却超导块使其完全进入超导态，接着，将超导磁体(10)以指定大小的电流励磁；并将超导块按一定的速度在液氮低温容器(11)中的某一初始高度下降至另一最终高度后，再以同样的速度让超导块返回初始高度，如此往返，为一个完整的测试过程；在超导块的整个下降和上升的过程中，对超导块的悬浮力进行测试；

同样地，在高梯度磁场中对超导块材的悬浮力弛豫进行测试时，先让超导块(14)在没有和有外磁场的条件下充分冷却至超导态，接着，将超导磁体(10)以指定大小的电流励磁，然后，让超导块以设定的速度运动至超导磁体的不同磁场梯度的位置，并在该位置停留一定的时间，在停留的这段时间内，对超导块14的悬浮力弛豫特性进行测试。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在强磁场中的悬浮特性测试的具体步骤是：

由伺服电机(1)带动超导块(14)运动并保持在液氮低温容器(11)内的一定高度位置，然后，让超导块分别在没有和有外磁场的条件下充分冷却至超导态，接着，让超导磁体(10)以指定的升场和降场速率，将超导磁体的励磁电流从0A升至最大值再降回到0A；测试在整个升场和降场过程中超导块悬浮力的变化；此外，在超导磁体升场和降场的过程中，可以将磁场保持在磁体磁场范围内的任意磁场强度，对超导块的悬浮力弛豫特性进行测试。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在交流磁扰动下的交流损耗测试的具体步骤是：

由伺服电机(1)带动超导块(14)运动并保持在液氮低温容器(11)内的一定高度位置，同样让超导块分别在没有和有外磁场的条件下充分冷却至超导态，然后，在超导磁体产生的低磁场、强磁场和变化磁场中，向交流电磁线圈(15)中通入交流信号，此时，高温超导块所处的磁场为超导磁体(10)的磁场与交流电磁线圈(15)磁场的叠加，改变交流信号的幅值和频率，对超导块材在不同外磁场条件下的交流损耗进行测试。