永磁軌道不同組合方式的磁場(chǎng)分布研究

王 妙，楊 旭，王 凡，郭 靖，王 軒，劉 帥，郝大鵬

(西安航空學(xué)院 a.理學(xué)院；b.電子工程學(xué)院；c.材料工程學(xué)院，西安 710077)

0 引言

自高溫超導(dǎo)體(HTS)被發(fā)現(xiàn)30年以來，單疇(REBCO，其中RE為稀土元素，即Y、Gd、Sm、Nd等元素)高溫超導(dǎo)塊材，因?yàn)槠渚哂休^為獨(dú)特的抗磁性能[1-2]以及良好的自穩(wěn)定磁懸浮性能[3-4]，使得其在微形強(qiáng)磁體、超導(dǎo)磁懸浮列車、超導(dǎo)體磁分離系統(tǒng)、超導(dǎo)磁懸浮軸承、超導(dǎo)電機(jī)、超導(dǎo)儲(chǔ)能飛輪等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和巨大的應(yīng)用潛力[5-9]。高溫超導(dǎo)磁懸浮列車軌道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研制以及應(yīng)用主要依賴于高溫超導(dǎo)體與永久磁體間的相互作用力(本文尤指磁懸浮力)特性，該特性也是人們研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

近年來，很多人致力于磁懸浮列車的研制和應(yīng)用，尤其是高溫超導(dǎo)磁懸浮列車的研制，其作為現(xiàn)代高科技交通軌道運(yùn)輸工具，具有能耗低、噪聲小、安全性高等優(yōu)良特性，引起各國(guó)專家們的研究興趣[10-11]。以REBCO超導(dǎo)體系中的GdBCO超導(dǎo)體為例，NdFeB永磁體和GdBCO超導(dǎo)塊之間的磁懸浮力主要受永久磁體磁場(chǎng)分布、磁場(chǎng)強(qiáng)度大小以及高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)性能影響，所以在高溫超導(dǎo)磁懸浮列車應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，永久磁體軌道的組態(tài)形式及其磁場(chǎng)分布就顯得尤為重要。陜西師范大學(xué)楊萬民等人研究了不同小坯塊超導(dǎo)體與永磁體之間的相互作用力[11]；西南交通大學(xué)超導(dǎo)研究小組任仲友等人研究了單塊及多塊組合超導(dǎo)體與永磁軌道之間磁懸浮作用力的關(guān)系[12]；青海師范大學(xué)馬俊等人研究了永磁體輔助下超導(dǎo)體和永磁體之間的相互作用力[13]，同時(shí)，他們還研究了條形永久磁體不同的組合形式以及磁體間不同間距對(duì)超導(dǎo)磁懸浮力的影響[14]，這些研究結(jié)果揭示了在磁懸浮體系設(shè)計(jì)中影響超導(dǎo)磁懸浮力的主要因素和產(chǎn)生機(jī)理。

然而，超導(dǎo)體在永磁軌道上方是否可以穩(wěn)定懸浮與永磁軌道磁場(chǎng)的分布密切相關(guān)，不同的永磁軌道組合方式對(duì)應(yīng)著不同的磁場(chǎng)分布，因此，本文主要研究了永磁軌道不同的組態(tài)形式對(duì)其磁場(chǎng)分布的影響，該研究可為磁懸浮應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 高溫超導(dǎo)體磁懸浮原理

高溫超導(dǎo)體磁懸浮滿足兩個(gè)條件[15]后可以在沒有任何外部制控的情況下自穩(wěn)定懸浮于永磁軌道上，一是進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)后的超導(dǎo)體沿重力方向有磁場(chǎng)梯度的變化；二是高溫超導(dǎo)體必須俘獲一定的磁場(chǎng)。高溫超導(dǎo)體作為非理想第二類超導(dǎo)體，其內(nèi)部存在著大量的晶格缺陷，如位錯(cuò)、雜質(zhì)、空位以及氣泡等，這類晶格缺陷被稱為釘扎中心。高溫超導(dǎo)體中存在的釘扎中心是高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)能夠自穩(wěn)定懸浮的主要原因。

當(dāng)超導(dǎo)體場(chǎng)冷(Field Cooling，F(xiàn)C)至超導(dǎo)態(tài)后，由于其內(nèi)部晶體缺陷的存在，處于超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場(chǎng)將以磁通量子的形式被凍結(jié)在其中。因?yàn)槌瑢?dǎo)體的零電阻特性而使超導(dǎo)體一直處于超導(dǎo)態(tài)，若超導(dǎo)體相對(duì)于永磁軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)一直產(chǎn)生感應(yīng)電流，而且不會(huì)衰減。同時(shí)根據(jù)楞次定律可知，感應(yīng)電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)與外磁場(chǎng)方向相反，所以超導(dǎo)體與永磁軌道之間產(chǎn)生相互作用力，而這個(gè)力就是高溫超導(dǎo)體磁懸浮原理所在。

2 實(shí)驗(yàn)方案

為了能夠有效地分析不同排列的永磁軌道的磁場(chǎng)分布情況，分別設(shè)計(jì)了6種永磁軌道不同磁體組合的實(shí)驗(yàn)方案，方形永磁軌道的6種不同組合方式示意圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)所采用的永磁體為10×10×10mm3方形NdFdB永久磁體，表面中心的最大磁場(chǎng)約為0.5T。圖中1(a)、1(b)、1(c)、1(d)、1(e)、1(f)分別為超導(dǎo)磁懸列車模型軌道的方形磁路塊組態(tài)，為了精確測(cè)量各組態(tài)的永磁體軌道上方的磁場(chǎng)分布，采用陜西師范大學(xué)超導(dǎo)研究小組楊萬民教授自主研制的三維磁力&磁場(chǎng)測(cè)試裝置[16-17]進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試前，首先將待測(cè)磁體固定于測(cè)試平臺(tái)上，并保持待測(cè)磁體組合處于水平狀態(tài)，之后用霍爾探頭(Lakeshore Company，LC)在磁體上方0.5mm處對(duì)軌道磁路進(jìn)行50×50mm2的平面掃描測(cè)試，得到不同的組合磁體表面的磁場(chǎng)分布。

圖1方形永磁軌道的6種不同組合方式示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖1(a)組合永磁軌道磁路的磁場(chǎng)分布圖如圖2所示，圖2(g)是(a)組合永磁軌道的三維磁場(chǎng)分布圖，圖2(h)是該軌道磁場(chǎng)分布的等高圖。

當(dāng)超導(dǎo)列車被懸浮起來之后，給超導(dǎo)列車提供很小的推動(dòng)力，超導(dǎo)列車此時(shí)就會(huì)在永磁軌道的上方進(jìn)行無阻運(yùn)動(dòng)，磁懸浮列車模型在圖1(a)組合永磁軌道磁路上方平穩(wěn)運(yùn)行如圖3所示。從圖中可以看到，處于超導(dǎo)態(tài)的高溫超導(dǎo)列車模型懸浮于永磁軌道的上方(背景圖中出現(xiàn)的霧氣是由于高溫超導(dǎo)列車中裝載著液氮，使得周圍空氣里的水蒸氣發(fā)生液化現(xiàn)象所導(dǎo)致)。

圖2圖1(a)組合永磁軌道磁路的磁場(chǎng)分布圖

圖3磁懸浮列車模型在圖1(a)組合永磁軌道磁路上方平穩(wěn)運(yùn)行

同樣，我們將一裝有GdBCO超導(dǎo)塊材的列車模型在液氮溫度(77K)下進(jìn)行場(chǎng)冷，使樣品進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)后，在永磁軌道磁體的磁場(chǎng)作用下，高溫超導(dǎo)塊的體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流環(huán)，并且會(huì)形成與永磁軌道磁體磁場(chǎng)方向相反的感應(yīng)磁場(chǎng)，同時(shí)對(duì)永磁軌道會(huì)產(chǎn)生推斥作用，從而實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)列車在永磁軌道上方的懸浮。

由于圖4(i)和圖4(j)所示的磁場(chǎng)并不是對(duì)稱分布，導(dǎo)致超導(dǎo)體在軌道上方并不能平穩(wěn)運(yùn)行，易發(fā)生傾斜而偏離永磁軌道；圖4(k)所示的磁場(chǎng)分布與圖1(a)組態(tài)的永磁軌道磁路的磁場(chǎng)分布相同(N極和S極反置)，若超導(dǎo)列車在該磁路上方進(jìn)行場(chǎng)冷，則在超導(dǎo)體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生與磁體方向相反的感應(yīng)磁場(chǎng)，而該感應(yīng)磁場(chǎng)是由超導(dǎo)體內(nèi)感應(yīng)電流環(huán)所引起，同樣超導(dǎo)列車模型可以穩(wěn)定地懸浮在軌道上方并且平穩(wěn)運(yùn)行；圖4(m)和圖4(n)所示均是磁場(chǎng)N極和S極相互交替的組合永磁軌道磁路磁場(chǎng)分布圖，當(dāng)超導(dǎo)列車在該磁路上方進(jìn)行場(chǎng)冷后，由于磁路中的磁場(chǎng)交替分布，從而導(dǎo)致超導(dǎo)列車在該方形磁路塊構(gòu)成的軌道段易處于減速或停止?fàn)顟B(tài)。

圖4其它5種方形永磁軌道不同組合磁路的磁場(chǎng)分布圖

4 磁懸浮列車軌道演示模型的建立

為了更加形象深入地理解高溫超導(dǎo)體的懸浮特性，設(shè)計(jì)了一種多功能永磁軌道，多功能超導(dǎo)磁懸浮永磁軌道設(shè)計(jì)示意圖如圖5所示。

圖5多功能超導(dǎo)磁懸浮永磁軌道設(shè)計(jì)示意圖

該軌道綜合了上述幾種不同的磁體排列，可實(shí)現(xiàn)傾斜、震蕩、停止等多種物理功能。當(dāng)超導(dǎo)列車模型在主軌道上進(jìn)行場(chǎng)冷后，可以沿軌道進(jìn)行平穩(wěn)運(yùn)行，不會(huì)脫離軌道，超導(dǎo)列車?yán)^續(xù)前行，當(dāng)永磁軌道的磁路排布發(fā)生變化，即與主軌道磁體的N極和S極排列方式不同時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致高溫超導(dǎo)列車在運(yùn)行過程中出現(xiàn)重心不穩(wěn)，容易發(fā)生傾斜、震蕩或停止運(yùn)動(dòng)等一系列運(yùn)動(dòng)模式，這與永磁軌道中磁體的排列方式密不可分。

該高溫超導(dǎo)磁懸浮列車系統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)有助于學(xué)生、教師以及科研工作者們對(duì)高溫超導(dǎo)列車在磁場(chǎng)中運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行深入理解和掌握，同時(shí)該套模型也可以廣泛應(yīng)用于各個(gè)學(xué)校及科技館的科普活動(dòng)中。

5 結(jié)語

通過對(duì)不同組態(tài)的方形永磁軌道磁路的磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，研究了其對(duì)磁場(chǎng)分布的影響。結(jié)果表明，永磁軌道的不同組態(tài)形式對(duì)其磁場(chǎng)分布有著非常重要的影響，由于磁場(chǎng)分布的不同，導(dǎo)致超導(dǎo)列車模型在永磁軌道上出現(xiàn)了不同的運(yùn)行模式，如平穩(wěn)運(yùn)行、傾斜、震蕩、停止運(yùn)行等不同的物理功能。基于此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種多功能超導(dǎo)磁懸浮永磁軌道，為推動(dòng)高溫超導(dǎo)磁懸浮列車的實(shí)用化提供了科學(xué)依據(jù)，為磁懸浮軌道交通這一新興技術(shù)注入了新的活力。

[1] DURRELL J H,DENNIS A R,JAROSZYNSKI J,et al.A Trapped Field of 17.6 T in Melt-Processed,Bulk Gd-Ba-Cu-O Reinforced with Shrink-Fit Steel[J].Superconductor Science &Technology,2014,27(8):082001.

[2] TOMITA M,MURAKAMI M.High-Temperature Superconductor Bulk Magnets That Can Trap Magnetic Fields of Over 17 Tesla at 29 K[J].Nature,2003,421(6922):517-520.

[3] YANG P T,YANG W M,ABULA Y,et al.Effect of Li Doping On The Superconducting Properties of Single Domain GdBCO Bulks Fabricated By The Top-Seeded Infiltration and Growth Process[J].Ceramic International,2016,43(3):3010-3014.

[4] YANG W M,WANG M.New Method for Introducing Nanometer Flux Pinning Centers into Single Domain YBCO Bulk Superconductors[J].Physica C Superconductivity,2013,493(10):128-131.

[5] AINSLIE M,FUJISHIRO H,UJIIE T,et al.Modelling and Comparison of Trapped Fields in(Re)BCO Bulk Superconductors for Activation Using Pulsed Field Magnetization[J].Superconductor Science & Technology,2014,27(6):065008.

[6] JIN J X,GUO Y G,ZHU J G.Principle and Analysis of A Linear Motor Driving System for HTS Levitation Applications[J].Physica C Superconductivity,2007,460:1445-1446.

[7] DENG Z,HE D,ZhENG J.Levitation Performance of Rectangular Bulk Superconductor Arrays Above Applied Permanent Magnet Guide Ways[J].IEEE Transaction on Applied Superconductivity,2015,25(1):1-6.

[8] TOMITA M,FUKUMOTO Y,SUZUKI K,et al.Development of A Compact,Lightweight, Mobile Permanent Magnet System Based on High Tc Gd-123 Superconductors[J].Journal of Applied Physics,2011,109(2):023912-023916.

[9] SOTELO G G.DIAS D H,MACHADO O J,et al.Experiments in A Real Scale Maglev Vehicle Prototype[J].Journal of Physics Conference Series,2010,234(3):032054.

[10] FUKASAWA Y,OHSAKI H.Three-Dimensional Structure of Magnetic Field in the Mixed-μ Levitation System Using Bulk Superconductor[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,1999,9(2):980-983.

[11] YANG WM,ZHOU L,FENG Y,et al.The Effect of Grain-Domain-Size on Levitation Force of Melt Growth Processing YBCO Bulk Superconductors[J].Brazilian Journal of Physics,2002,32(3):763-766.

[12] 任仲友,Oliverde H,王曉融,等.永磁導(dǎo)軌上組合與單塊YBCO的懸浮力關(guān)系研究[J].低溫物理學(xué)報(bào),2003,25(1):182-185.

[13] 馬俊,楊萬民.條狀永磁體的組合形式及間距對(duì)單疇GdBCO超導(dǎo)體磁懸浮力的影響[J].物理學(xué)報(bào),2011,60(7)：680-685.

[14] 馬俊,楊萬民,李佳偉,等.輔助永磁體的引入方式對(duì)單疇GdBCO超導(dǎo)塊材磁場(chǎng)分布及其磁懸浮力的影響[J].物理學(xué)報(bào),2012,61(13):137401.

[15] 金建勛.高溫超導(dǎo)體及其強(qiáng)電應(yīng)用技術(shù)[M].冶金工業(yè)出版社,2009.

[16] YANG W M,CHAO X X,SHU Z B,et al.A Levitation Force and Magnetic Field Distribution Measurement System in Three Dimensions[J].Physica C Superconductivity,2006,445(1):347-352.

[17] CHEN S L,YANG W M,LI J W,et al.A 3D Levitation Force Measuring Device for REBCO Bulk Superconductors[J].Physica C Superconductivity,2014,496(1):39-43.