車載高溫超導磁懸浮系統的設計

1　引言
二十幾年來對超導磁懸浮列車的研究證明, 它不僅速度高, 而且能耗低、運輸容量大、噪聲低、環境污染輕、安全可靠[ 1 ]。由于低溫超導磁懸浮列車必須工作在液氦(4. 2K) 溫區, 所以使其發展受到一定的限制。高溫超導體(HTS) 工作溫度高(例如77K) , 在應用中省掉了復雜的液氦(4. 2K) 制冷系統, 降低了造價和運行成本, 系統操作簡便, 便于維護, 也更加穩定。但要充分發揮這些優勢還必須進行大量深入細致的研究工作。高溫超導磁懸浮列車的核心是車載高溫超導磁懸浮系統, 這個系統要求較大尺寸的液氮低溫容器, 并且要求高溫超導體塊材與導軌之間的間隙(即磁懸浮凈高度) 越大越好[ 2, 3 ]。為了保證高溫超導磁浮列車具有更大的有效懸浮高度, 要求高溫超導磁浮列車用的液氮低溫容器與軌道相對應的該容器的壁厚越薄越好。因為這種液氮低溫容器在磁場下工作, 為保證磁懸浮系統的正常工作, 這種薄壁液氮低溫容器液應該是無磁或弱磁的。此外, 本文將討論如何選擇高溫超導體塊材, 確定高溫超導體塊材的最佳組合, 以及整個車載高溫超導磁懸浮系統的設計考慮。
2　YBaCuO 塊材的懸浮力
在設計車載高溫超導磁懸浮系統之前, 必須在我們自行研制的“高溫超導磁懸浮測試系統[ 4 ]”上測量每塊YBaCuO 高溫超導體塊材在永磁導軌上的懸浮力。這個測試系統采用了能放置高溫超導體塊材的薄底(3. 5mm ) 液氮低溫容器, 將它置于永磁導軌之上, 永磁導軌表面磁感應強度達1. 2T。該測量系統能測量多塊或單塊高溫超導體塊材的總體磁懸浮力。一個典型的單塊YBaCuO 高溫超導體在永磁導軌上的懸浮力如圖1 所示。通過計算和綜合各方面的因素考慮, 我們提出適合高溫超導磁懸浮實驗車(永磁導軌表面磁感應強度達1. 2T ) 用的YBaCuO 高溫超導體在永磁導軌與HTS 之間為5mm 間隔時的懸浮力應大于9N. cm 2。這個數字也是我國自己研制的熔融織構法YBaCuO 高溫超導體塊材可能達到的水平。
3　YBaCuO 塊材的形狀和大小

為了充分利用永磁導軌的磁塊而不產生漏磁, 一般認為高溫超導體塊材應做到無間隙的排列。開始我們考慮了正六方形和正方形, 但在永磁導軌上的懸浮力不僅不會增大, 甚至會更小。其原因是, HTS 在永磁導軌懸浮系統中, 高溫超導材料本身的物性(例如臨界電流密度) 對懸浮力的影響因子大于對外磁場的利用因子。對角30mm 對邊26mm 的正六方形, 屏蔽電流路徑的直徑為26mm , 其宏觀效果可能近似于直徑為26mm 的圓形樣品。所以我們選擇了圓形樣品。
YBaCuO 高溫超導體塊材當然是尺寸越大越好, 但大尺寸批量生產是較困難的。我們直徑30mm 和26mm 樣品的懸浮力測試結果比較從直徑30mm 和26mm 測試結果(見圖1) 可以看出, 直徑30mm 的懸浮力大得多。介于大于直徑30mm 的樣品目前批量制備困難, 所以我們選取直徑30mm 的樣品。
4　YBaCuO 塊材的組合對于我們的特定的永磁導軌, 我們研究了多塊高溫超導體塊材沿永磁導軌中心不同陣列的單位長度懸浮力[ 5 ]。圖2表示高溫超導體塊材樣品不同陣列的組合圖。懸浮力的實驗研究結果見表I。測試條件: YBCO 高溫超導體塊材, 永磁導軌表面磁場1. 2T , 薄底液氮低溫容器底壁厚3. 5mm。表內所列懸浮力是YBCO 與永磁導軌相距20mm 時的測量值。
表I　組合樣品懸浮力實驗結果比較樣品組合序號1 2 3 4 5 6 7 8 總懸浮力(N ) 145 193 177 163 105 123 136 118
單位長度懸浮力(N.mm ) 1. 20 1. 44 1. 68 2. 32 1. 75 1. 50 2. 27 1. 97 單位長度懸浮力排序8 7 5 1 4 6 2 3 　由表I 可以看出, 樣品組合方式4 單位長度懸浮力最大。因此, 我們以組合方式4 為基本單元來設計車載高溫超導磁懸浮系統。
5　液氮低溫容器高溫超導磁懸浮列車用的液氮低溫容器尺寸較大, 為了保證高溫超導磁懸浮列車具有更大的有效懸浮高度, 提出了液氮低溫容器底部內外壁總尺寸小的要求。實驗研究證明[ 6 ] ,

此文曾發表于：《低溫與超導》2001年1期

原作者：王素玉 唐啟雪 任仲友 朱敏 江河 王家素