永磁轨道不同组合方式的磁场分布研究

王 妙，杨 旭，王 凡，郭 靖，王 轩，刘 帅，郝大鹏

(西安航空学院 a.理学院；b.电子工程学院；c.材料工程学院，西安 710077)

0 引言

自高温超导体(HTS)被发现30年以来，单畴(REBCO，其中RE为稀土元素，即Y、Gd、Sm、Nd等元素)高温超导块材，因为其具有较为独特的抗磁性能[1-2]以及良好的自稳定磁悬浮性能[3-4]，使得其在微形强磁体、超导磁悬浮列车、超导体磁分离系统、超导磁悬浮轴承、超导电机、超导储能飞轮等领域具有广泛的应用前景和巨大的应用潜力[5-9]。高温超导磁悬浮列车轨道系统的设计、研制以及应用主要依赖于高温超导体与永久磁体间的相互作用力(本文尤指磁悬浮力)特性，该特性也是人们研究的重点内容之一。

近年来，很多人致力于磁悬浮列车的研制和应用，尤其是高温超导磁悬浮列车的研制，其作为现代高科技交通轨道运输工具，具有能耗低、噪声小、安全性高等优良特性，引起各国专家们的研究兴趣[10-11]。以REBCO超导体系中的GdBCO超导体为例，NdFeB永磁体和GdBCO超导块之间的磁悬浮力主要受永久磁体磁场分布、磁场强度大小以及高温超导体的超导性能影响，所以在高温超导磁悬浮列车应用系统的设计中，永久磁体轨道的组态形式及其磁场分布就显得尤为重要。陕西师范大学杨万民等人研究了不同小坯块超导体与永磁体之间的相互作用力[11]；西南交通大学超导研究小组任仲友等人研究了单块及多块组合超导体与永磁轨道之间磁悬浮作用力的关系[12]；青海师范大学马俊等人研究了永磁体辅助下超导体和永磁体之间的相互作用力[13]，同时，他们还研究了条形永久磁体不同的组合形式以及磁体间不同间距对超导磁悬浮力的影响[14]，这些研究结果揭示了在磁悬浮体系设计中影响超导磁悬浮力的主要因素和产生机理。

然而，超导体在永磁轨道上方是否可以稳定悬浮与永磁轨道磁场的分布密切相关，不同的永磁轨道组合方式对应着不同的磁场分布，因此，本文主要研究了永磁轨道不同的组态形式对其磁场分布的影响，该研究可为磁悬浮应用系统的设计提供实验依据。

1 高温超导体磁悬浮原理

高温超导体磁悬浮满足两个条件[15]后可以在没有任何外部制控的情况下自稳定悬浮于永磁轨道上，一是进入超导态后的超导体沿重力方向有磁场梯度的变化；二是高温超导体必须俘获一定的磁场。高温超导体作为非理想第二类超导体，其内部存在着大量的晶格缺陷，如位错、杂质、空位以及气泡等，这类晶格缺陷被称为钉扎中心。高温超导体中存在的钉扎中心是高温超导磁悬浮系统能够自稳定悬浮的主要原因。

当超导体场冷(Field Cooling，FC)至超导态后，由于其内部晶体缺陷的存在，处于超导体内部的磁场将以磁通量子的形式被冻结在其中。因为超导体的零电阻特性而使超导体一直处于超导态，若超导体相对于永磁轨道运动时，超导体内部会一直产生感应电流，而且不会衰减。同时根据楞次定律可知，感应电流产生的感应磁场与外磁场方向相反，所以超导体与永磁轨道之间产生相互作用力，而这个力就是高温超导体磁悬浮原理所在。

2 实验方案

为了能够有效地分析不同排列的永磁轨道的磁场分布情况，分别设计了6种永磁轨道不同磁体组合的实验方案，方形永磁轨道的6种不同组合方式示意图如图1所示。实验所采用的永磁体为10×10×10mm3方形NdFdB永久磁体，表面中心的最大磁场约为0.5T。图中1(a)、1(b)、1(c)、1(d)、1(e)、1(f)分别为超导磁悬列车模型轨道的方形磁路块组态，为了精确测量各组态的永磁体轨道上方的磁场分布，采用陕西师范大学超导研究小组杨万民教授自主研制的三维磁力&磁场测试装置[16-17]进行测试，在测试前，首先将待测磁体固定于测试平台上，并保持待测磁体组合处于水平状态，之后用霍尔探头(Lakeshore Company，LC)在磁体上方0.5mm处对轨道磁路进行50×50mm2的平面扫描测试，得到不同的组合磁体表面的磁场分布。

图1方形永磁轨道的6种不同组合方式示意图

3 实验结果与讨论

图1(a)组合永磁轨道磁路的磁场分布图如图2所示，图2(g)是(a)组合永磁轨道的三维磁场分布图，图2(h)是该轨道磁场分布的等高图。

当超导列车被悬浮起来之后，给超导列车提供很小的推动力，超导列车此时就会在永磁轨道的上方进行无阻运动，磁悬浮列车模型在图1(a)组合永磁轨道磁路上方平稳运行如图3所示。从图中可以看到，处于超导态的高温超导列车模型悬浮于永磁轨道的上方(背景图中出现的雾气是由于高温超导列车中装载着液氮，使得周围空气里的水蒸气发生液化现象所导致)。

图2图1(a)组合永磁轨道磁路的磁场分布图

图3磁悬浮列车模型在图1(a)组合永磁轨道磁路上方平稳运行

同样，我们将一装有GdBCO超导块材的列车模型在液氮温度(77K)下进行场冷，使样品进入超导状态后，在永磁轨道磁体的磁场作用下，高温超导块的体内会产生感应电流环，并且会形成与永磁轨道磁体磁场方向相反的感应磁场，同时对永磁轨道会产生推斥作用，从而实现了超导列车在永磁轨道上方的悬浮。

由于图4(i)和图4(j)所示的磁场并不是对称分布，导致超导体在轨道上方并不能平稳运行，易发生倾斜而偏离永磁轨道；图4(k)所示的磁场分布与图1(a)组态的永磁轨道磁路的磁场分布相同(N极和S极反置)，若超导列车在该磁路上方进行场冷，则在超导体内会产生与磁体方向相反的感应磁场，而该感应磁场是由超导体内感应电流环所引起，同样超导列车模型可以稳定地悬浮在轨道上方并且平稳运行；图4(m)和图4(n)所示均是磁场N极和S极相互交替的组合永磁轨道磁路磁场分布图，当超导列车在该磁路上方进行场冷后，由于磁路中的磁场交替分布，从而导致超导列车在该方形磁路块构成的轨道段易处于减速或停止状态。

图4其它5种方形永磁轨道不同组合磁路的磁场分布图

4 磁悬浮列车轨道演示模型的建立

为了更加形象深入地理解高温超导体的悬浮特性，设计了一种多功能永磁轨道，多功能超导磁悬浮永磁轨道设计示意图如图5所示。

图5多功能超导磁悬浮永磁轨道设计示意图

该轨道综合了上述几种不同的磁体排列，可实现倾斜、震荡、停止等多种物理功能。当超导列车模型在主轨道上进行场冷后，可以沿轨道进行平稳运行，不会脱离轨道，超导列车继续前行，当永磁轨道的磁路排布发生变化，即与主轨道磁体的N极和S极排列方式不同时，就会导致高温超导列车在运行过程中出现重心不稳，容易发生倾斜、震荡或停止运动等一系列运动模式，这与永磁轨道中磁体的排列方式密不可分。

该高温超导磁悬浮列车系统的模型设计有助于学生、教师以及科研工作者们对高温超导列车在磁场中运行规律进行深入理解和掌握，同时该套模型也可以广泛应用于各个学校及科技馆的科普活动中。

5 结语

通过对不同组态的方形永磁轨道磁路的磁场进行测试，研究了其对磁场分布的影响。结果表明，永磁轨道的不同组态形式对其磁场分布有着非常重要的影响，由于磁场分布的不同，导致超导列车模型在永磁轨道上出现了不同的运行模式，如平稳运行、倾斜、震荡、停止运行等不同的物理功能。基于此，我们设计了一种多功能超导磁悬浮永磁轨道，为推动高温超导磁悬浮列车的实用化提供了科学依据，为磁悬浮轨道交通这一新兴技术注入了新的活力。

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