提升超导磁浮密封输运系统悬浮间距的方法.pdf 7页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn提升超导磁浮密封输运系统悬浮间距的方#法*刘伟，刘明哲，康东，杨小峰5（成都理工大学核技术与自动化工程学院，成都610059）摘要：基于高温超导磁悬浮技术的非接触式密封输运系统，具有载重能力高、悬浮间距大等特点，非常适合放射性元素、危险化工原料、无菌生物制剂等物质悬浮密封运输应用。由于悬浮密封运输需要在悬浮运载平台与基础磁性轨道间设置保护屏蔽层，悬浮间距远大，可以10设置的保护层越厚，屏蔽保护效果越好。常规的超导磁悬浮系统在液氮温区下的悬浮效率尚未充分发挥，因此，本论文提出了采用预磁化磁体提升密封输运系统悬浮间距的方法，通过实验及分析验证了相关方法的可行性。论文相关实验数据、分析及结论可为超导磁浮密封输运系统工程应用提供参考。关键词：高温超导块材;密封;悬浮;屏蔽;输运15中图分类号：7460E，7400AmethodtoimprovethelevitationgapofHTSMaglevTransportationSystemLIUWei,LIUMingzhe,KANGDong,YANGXiaofeng20(CollegeofNuclearTechnologyandAutomationEngineering,ChengduUniversityofTechnology,610059)Abstract:Thecontact-lessMaglevsystembasedonhightemperaturesuperconductive(HTS)Maglevsystemhastheadvantageousaboutlargelevitationforceandlevitationgap,whichisverysuitableforthetransportationofspecialmaterials,suchastheradioactivematerials,thehazardouschemical25materialsandtheSterilebiologicalagents.TheshieldinglayershouldbesetbetweentheHTSMaglevplantformandthepermanentmagnetguideway(PMG).LargerlevitationgapofHTSMaglevsystemmeansthickershieldinglayerandbetterprotectiveeffect.BecausetheworkingefficiencyofHTSMaglevisnotveryhighatliquidnitrogentemperarure,thisarticlepurposesamethodtoimprovethelevitationgapofHTSMaglevsystem,basedonmagnetizedbulkhightemperaturesuperconductor.The30effectivenessofthismethodwasverifiedbeenbyexperimentsandanalyses.Thetesteddata,analysesandconclusionsinthisarticlecansupplyusefulreferencesfortheengineeringapplicationofHTSMaglevsealedtransportationsystem.Keywords:bulkhightemperaturesuperconductor;seal;levitation;shield;transportation350引言现代工业领域应用中，常常面临一些特殊物质的输运需求，例如放射性元素、危险化工原料或无菌生物制剂。这些物质具有较高危险性、容易泄露或易被污染，因此希望能够在密封状态下输运或放置，以提高输运安全性。高温超导磁悬浮技术是一种新型的被动悬浮技术，其主要通过块状二类非理想高温超导材料与外部磁激励源的特殊设计和配合来实现稳定悬40浮。高温超导块材在外部磁激励源的磁场中发生位移时，由于磁场梯度的存在可以感应产生电流，阻止其位移扩大，并且由于在超导态下没有电阻，该感应电流可以永久维持，因此可[1-3]以实现稳定悬浮。由于高温超导块材具备磁通钉扎特性，因此其内部可以在超导态下维基金项目：教育部博士点基金（20135122120016）；国家自然科学基金（51407015）作者简介：刘伟（生于1983年），男，副教授，硕导，主要从事超导技术及工程应用研究.E-mail:652165724@qq.com-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn[4,5]持高密度的临界电流，以熔融织构法制备的钇钡铜氧（YBCO）块状高温超导材料（以下82简称超导块材）为例，其在77K下的临界电流密度Jc可达3×10A/m，因此可以产生高悬45浮力。此外，由于超导块材内部磁通钉扎势能具有一定弹性空间，因此高温超导磁悬浮系统在一定扰动范围内具有自恢复能力，不要主动控制技术配合予以校正。正是得益于这样的稳定被动悬浮特性，高温超导磁悬浮技术在交通、能源、国防等领域具有极高的应用价值和广[6-8]阔的市场前景。用于特殊物质悬浮密封式输运的高温超导磁悬浮系统应当具有较大的悬浮间距，以满足50不同的屏蔽保护层设置需求。尽管目前高温超导磁悬浮系统中使用的永磁导轨表面磁场可以达到1.2T，但在高温超导块材的工作高度（通常为永磁导轨上表面10～20mm处）则衰减到0.3～0.5T，因此对于较大间距的输运系统，超导块材可以利用的空间磁场能量并不多，需要寻找新的工作模式以提升悬浮系统效率和悬浮间距。以放射性物质输运为例，本论文提出了一种密封悬浮输运系统，其结构截面如图1所示。55图1中，搭载物质（LoadingMaterials）放置于悬浮平台上，该平台底部为YBCO超导块材安置区域。YBCO块材采用液氮（LiquidNitrogen，LN2）进行冷却。YBCO块材在永磁导轨（PermanentMagnentGuideway,PMG）上方的净悬浮高度为图1中Gap所示。图1悬浮密封危险物质输运系统60Fig.1.TheSchematicdiagramofMaglevandsealedsystemforhazardousmaterials实验结果表明，单个YBCO块材在有10mm厚度铅板存在的场合下，在永磁导轨表面Gap=17mm处最大可以产生约63N的悬浮力，即可以承载6.3kg的危险物质，表明其可以实现危险物质的有效承载。然而，如果要想屏蔽高能量的γ射线，或增大衰减倍数k，需要进一步增大铅板厚度。例如要使4.0MeV的γ射线衰减倍数k=1.5，则需要11.5mm厚的铅[9]65板，如果要使衰减倍数k=2.0，则需要19.5mm厚的铅板。对于常规超导磁悬浮系统而言，悬浮间距大于15mm后，其悬浮力会出现较大幅度下降。因此，本论文还提出了采用预磁化高温超导磁体以增加悬浮间距的方法，以满足更大屏蔽保护层的设置需求，通过对磁化后超导块材悬浮性能提升的原理分析验证了相关可行性。论文的实验数据、分析和结论可为特殊物质的悬浮密封输运提供参考。701超导块材磁化性能测试E.Ito与T.Suzuki等人在2006年的研究中，利用一块直径46mm，厚15mm的YBCO块材，在Nb-Ti超导线材磁体产生的0～2T磁场中测试悬浮力并发现，在77K下，当磁场强度达到2T时，YBCO块材可以产生230N的悬浮力，而在0.5T的磁场中仅能产生50N左右的悬浮力，这也就意味着YBCO块材在0.5T的外磁场中性能并未得到充分发挥，还有-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn[10]75很大的提升空间。由于铁磁材料的磁饱和特性以及永磁材料性能的制约，很难通过永磁导轨的形式为高温超导块材在工作高度处提供超过2T的恒定磁场，而普通电磁线圈由于发热、绝缘等问题，也同样难以维持超过2T的恒定磁场，比较可行的实施途径为超导线材或[11]带材绕制的磁体，但在使用超导线材或带材磁体进行输运系统设计的造价是极其昂贵的，在工程上几乎不存在可行性，因此可以逆向思考，即在PMG磁能密度一定的基础上，提高80YBCO块材的磁能密度，来达到增大悬浮间距的目的。本论文采用EM4-CV型电磁铁产生初始激励磁场Ha0对YBCO块材进行磁化。M.647型电源提供电磁铁所需励磁电流。实验采用场冷磁化方式，即在YBCO块材进入超导态之前先产生初始激励磁场Ha0，然后加入液氮使YBCO块材进入超导状态。磁化过程完成后将YBCO磁体放置于专用测试平台上进行相关测试。整个磁化及测试过程中YBCO块材始终85处于液氮环境中，其流程如图2所示。下文中，用YBCO块材磁体表示已经磁化后的YBCO块材。图2磁化YBCO块材性能测试流程Fig.2.ThetestofmagnetizedbulkYBCO90EM4-CV型电磁铁励磁电流与励磁场密度关系如表1所示：表1EM4-CV型电磁铁电流与励磁密度关系示意Tab.1.TherelationshipbetweenexcitingcurrentandmagneticfluxdensityofEM4-CV输入电流/(A)51015203040506070励磁密度/(T)0.120.220.340.430.650.840.991.071.14在YBCO块材磁体在进行电磁力特性测试前，首先采用霍尔探头及高斯计对YBCO块材磁体的捕获磁通进行了测试，其结果如图3所示。从图3可以看到，随着励磁电流，即激95励磁场Ha0增大，YBCO块材磁体的捕获磁通明显增加，但会逐渐趋于饱和。这是由于在液氮温度下，YBCO块材的钉扎势能较低，其在激励磁场Ha0达到1T以上后，捕获磁通的能力趋于饱和。图3YBCO块材磁体捕获磁通测试值100Fig.3.ThetrappedfluxofmagnetizedbulkYBCO-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cnYBCO块材磁体的悬浮性能测试如图4所示。在此测试过程中，YBCO块材磁体在外力驱动下，沿Z方向移动，以完成悬浮力测试。测试过程中，YBCO块材始终处于液氮环境下，液氮容器在图4中未示出。105图4YBCO块材磁体悬浮性能测试示意Fig.4.ThelevitationperformancetestofmagnetizedbulkYBCO2磁化超导块材悬浮性能对比与分析图5给出了几个典型激励磁场Ha0下励磁后，YBCO块材磁体的悬浮力测试曲线。可以看到，随着激励磁场Ha0增大，YBCO块材磁体的悬浮力明显提升。在激励磁场Ha0=1.14110T（输入电流70A）时，其最大悬浮力相较于未磁化状态几乎提升了一倍，这说明以磁化的方式提升YBCO块材的悬浮力，即悬浮密封输运系统承载力密度的方法是可行的。图5不同励磁条件下悬浮力测试结果Fig.5.LevitationforcesofmagnetizedbulkYBCO,atdifferentexcitingcurrent.115图6不同励磁条件下悬浮力局部放大Fig.6.Enlargeshowoflevitationforcesatdifferentexcitingcurrent.-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图6则给出了励磁电流从5A到70A变化过程中，YBCO块材磁体的悬浮力局部放大。可以较为清晰的看到，随着励磁电流，即励磁磁场的增加，YBCO块材磁体的悬浮力也会出120现增长饱和现象。当外部励磁磁场较小时，YBCO块材磁体的悬浮力随着励磁磁场的增加而增大的趋势表现出较为明显，如励磁电流从5增大至30A时对应的悬浮力变化情况。当外部励磁电流或磁场增大到一定程度时，YBCO块材磁体的悬浮力增加出现明显饱和，尤其是在励磁电流大于40A以后。图6所示的YBCO块材磁体悬浮力的变化情况与图3所示的YBCO块材磁体捕获磁通的变化趋势有相似之处，即当外部励磁磁场达到一定程度后，悬浮125力和捕获磁通均出现饱和。磁化后的YBCO块材悬浮性能显著增加的原理可以通过块材内部电流结构来解释。在YBCO块材磁化的起始阶段，由于没有外磁场的梯度，YBCO块材磁体内部没有感应电流产生，如图7（a）所示；当外磁场撤去，外部磁感应强度由BFC减小至B10时，由外磁场的梯度变化感应产生超导电流I1，如图7（b）所示，此过程与图2-4所示的FCM过程相同（此130处不考虑磁化饱和）；当YBCO块材磁体在PMG上方由起始点向下运动至工作高度时，外部磁感应强度由B10增大至B20（针对图3-3所示YBCO块材磁体悬浮力产生情况），且YBCO块材磁体内部感应产生超导电流I2，如图7（c）所示；由图7（a）-（c）可以看到，在YBCO块材磁体励磁和悬浮过程结束后，YBCO块材磁体内部将会感应产生两部分超导电流，这两部分电流具有相同的流动方向，且与PMG所提供的外部磁场相互作用，共同提供维持YBCO135块材磁体稳定悬浮所需的电磁力。图7YBCO块材磁体励磁与悬浮工况电流结构示意Fig.7.ConfigurationsofinducedcurrentwithinbulkYBCO,atthemagnetized/levitationmodes.而对于未充磁的YBCO块材而言，当其在PMG上方由初始高度向下运动至工作位置140时，零场冷工况下，外部磁感应强度由初始状态的0变化至B20，并在YBCO块材内部产生感应电流，此过程与YBCO块材磁体在PMG上方的运动过程相同，故此时YBCO块材内部产生的感应电流等于图7（c）所示的I2（此处暂不考虑来自YBCO块材磁体捕获磁通对I2的影响）。可见，与未磁化的YBCO块材相比，YBCO块材磁体由于内部多出了磁化过程产生的感应电流I1，且I1与I2均产生悬浮力，因而可以获得悬浮力的提升；同理，更多145的捕获磁通代表着更强的I1，也就意味着YBCO块材磁体可以获得更大幅度的悬浮力提升。需要说明的是，图7所示的YBCO块材磁体励磁与悬浮工况是基于YBCO块材磁体不饱和磁化的基础上的，当YBCO块材磁体已经达到磁化饱和时，I1占据整个YBCO块材磁体内部，此时当YBCO块材磁体在永磁导轨上方下降时，所产生的I2不会产生悬浮力的增-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn加（假设临界电流密度Jc恒定），即悬浮力亦已达到饱和。150图8YBCO块材磁体弛豫特性对比Fig.8.LevitationforcerelaxationofmagnetizedbulksYBCO图8则给出了磁化YBCO块材的悬浮力弛豫特性对比，其是将YBCO块材降至Gap=15mm处后，记录悬浮力随时间增加变化而所得到的曲线。由于YBCO捕获磁通和悬浮力在磁155化电流Im>40A后已趋于饱和，因此悬浮力弛豫测试只进行了Im在0-40A的对比。从图8所示测试结果来看，随Im增大，悬浮力弛豫所导致的力衰减现象逐渐加重，表现为初始时刻（t=0s）与终止时刻（t=300s）的悬浮力之间的差值逐渐增大。随着Im进一步增大，悬浮力弛豫曲线出现重叠的现象，即Im=40A时，尽管初始时刻（t=0s）悬浮力大于Im=30A对应值，但经过300秒时间弛豫之后，两者的悬浮力几乎完全一致。悬浮力弛豫对比说明，随着YBCO160块材捕获磁通的增强，其钉扎势能会出现一定衰减，因此更强的捕获磁通并不意味着YBCO块材最终能够获得更强的悬浮力。综上所述，YBCO块材经过磁化后，其悬浮性能可获得较大幅度的增加，这对于悬浮密封输运系统而言是较为有利的，可以有效增加屏蔽保护层的设置厚度。然而，YBCO块材磁体随外部励磁强度增加而产生的悬浮力和捕获磁通的饱和情况均来自于其内部感应电流的165饱和，并且捕获磁通的增加会造成YBCO块材内部钉扎势能的下降，导致YBCO块材磁体经过弛豫后的悬浮力更快进入饱和，因此要进一步增大YBCO块材磁体的悬浮性能，必须要提高其内部感应电流密度，即降低块材工作温度才能实现。3结论本文针对常规超导磁悬浮系统悬浮间距较小、YBCO块材利用效率较低的问题，提出170了磁化YBCO块材以提高其悬浮性能的方法。相关实验结果表明，磁化后的YBCO块材相较于未磁化状态，悬浮力最大可以提升1倍左右，这意味着悬浮系统的承载力密度和悬浮间距可大幅提升，为屏蔽保护层留出更大安装空间，并可满足更大载重需求的输运系统使用需要。需要注意的是，在液氮温度下，YBCO块材的捕获磁通及悬浮力的提升，在磁化外场大于0.9T以后，均会出现明显的饱和现象，并且更高的捕获磁通意味着更大的悬浮力弛豫衰175减，其原因主要是有液氮温度下的YBCO块材的磁通钉扎性能尚未充分发挥所致。因此，要想进一步提高YBCO块材磁体的捕获磁通和悬浮性能，可采取降低YBCO块材工作温度的方式予以实现，从而为悬浮密封输运系统提供更大的屏蔽保护层设置空间。-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn4致谢本论文相关实验测试工作得到西南交通大学超导技术研究所刘峰、王志涛等同学的帮180助，在此深表谢意。[参考文献](References)[1]E.Brandt.Frictioninlevitatedsuperonductors[J].Appl.Phys.Lett.1988,53:1554[2]Y.Shapira,C.Huang,etal.MagnetizationandmagneticsuspensionofYBa2Cu3Ox-AgOceramicsuperconductors[J].J.Magn.Magn.Mater.1989,78:19-30185[3]F.Hellman,etal.LevitationofamagnetoverflattypeIIsuperconductors[J].J.Appl.Phys.1988,63:447[4]W.Yang,L.Zhou,Y.Feng,etal.Identificationoftheeffectofgrainsizeonlevitationforceofwell-texturedYBCObulksuperconductors[J].Cryogenics.2002,42:589-592[5]J.Wang,S.Wang,etal.LevitationforceofaYBaCuObulkhightemperaturesuperconductoroveraNdFeBguideway[J]．IEEETrans.Appl.Supercond.2001,11(1):1801190[6]J.Wang,S.Wang,Y.Zeng,etal.Thefirstman-loadinghightemperaturesuperconductingmaglevtestvehicleintheworld[J].PhysicaC.2002,378-381:809-814[7]F.Werfel,etal.ACompactHTS5kWh/250kWFlywheelEnergyStorageSystem[J].IEEETrans.Appl.Supercond.2007,17:2138-2141[8]H.Fujimoto,H.Kamijo,etal.PreliminarystudyofasuperconductingbulkmagnetfortheMaglevtrain[J].195IEEETrans.Appl.Supercond.1999,9(2):301-304[9]王建龙,何仕均．辐射防护基础教程[M]．北京：清华大学出版社，2012[10]E.Ito,T.Suzuki,etal.LevitationforcesofbulkRE-Ba-Cu-Oinhighmagneticfields[J].PhysicaC.2006,445-448:412-416[11]Y.IwasaandH.Lee.‘Electromaglev’-MagneticlevitationofasuperconductingdiscwithaDCfield200generatedbyelectromagnets:Part1.Theoreticalandexperimentalresultsonoperatingmodes,lift-to-weightratio,andsuspensionstiffness[J].Cryogenics.1997,37:807-816-7-'