磁悬浮发射技术课件.ppt

1、磁悬浮推进技术研究宇航学院403教研室刘宇 杨文将 温正 段毅 陈晓东主要内容一航天运载器磁悬浮发射技术概念二磁悬浮列车技术三各种磁悬浮系统的综合比较四高温超导磁悬浮技术基础理论及方案五高温超导磁悬浮技术基础实验研究六未来发展展望七思考题一、航天运载器磁悬浮发射技术概念 应用对象：水平起飞可重复使用运载器或空天飞机；意义及作用：达到较高的运载器地面起飞速度，如0.8Ma，这一速度利于提高运载器总体（燃料消耗、推重比、翼型质量）性能，降低发射成本；技术特点：采用无摩擦高效的电磁作用的磁悬浮技术和直线电机技术。磁悬浮发射二、磁悬浮列车技术(1)传统轮轨式机车特点：机械接触，高速运行稳定性差，速度极

2、限400km/h左右。(2)磁悬浮技术特点及目的：实现低阻力高速稳定运行。磁悬浮技术原理：采用电磁感应作用原理实现悬浮和推进；低阻力：磁悬浮，磁场不均匀造成的磁摩擦相对于机械摩擦小几个量级；高稳定：磁悬浮系统大大简化机械机构，使系统高速动态运行稳定性提高。磁悬浮技术特点磁悬浮列车发展简史 1922年，赫尔曼肯佩尔构思应用电磁悬浮原理使火车浮离地面，并于1934年8月14获得专利；德国在1971年-1999年，先后研究发展了TR01-TR08八个型号的载人磁悬浮列车，最高运行速度500公里/小时；日本在1970年-1999年，先后研究发展了ML，MLU，MLX三个系列的超导磁悬浮列车，最高运行速

3、度达到550公里/小时。2003年，世界第一条商业运行线在我国上海投入运行，运行时速达到430km/h，从而磁悬浮列车技术的新篇章。德国常导吸浮EMS型磁悬浮列车 利用导磁材料与电磁铁间的吸引力实现悬浮倒挂式悬浮；电磁吸引力为不稳定力，需要复杂控制系统调节电磁力使悬浮气隙维持在一定数值上；高速情况下，EMS系统需要独立的水平导向系统；系统静止悬浮，但悬浮高度仅10mm 左右，对于控制系统的要求很高，因此较适用于低速运行环境。目前上海磁悬浮列车运营线采用此种系统，运行速度430km/h左右。常导吸浮EMS系统日本超导斥浮EDS系统磁悬浮列车 低温超导磁体（NbTi）与短路线圈间的排斥力实现悬浮，

4、“8”字型零磁通线圈实现悬浮导向一体化；自稳定悬浮系统，控制系统要求低，但乘坐舒适性差；悬浮高度100mm以上，对轨道加工精度和安装要求低；超导磁体工作在液氦温度(4.2K)，需要复杂高成本的车载低温冷却系统技术瓶颈；非静止悬浮，低速需轮轨支撑；时速达550km/h，适合于高速运行，受成本和舒适性限制，目前无商业运营线。超导斥浮EDS系统三、各种磁悬浮系统的综合比较由于德国常导吸浮EMS系统存在悬浮气隙小、控制系统复杂，日本超导斥浮EDS系统存在低速下无法悬浮、需要高成本液氦低温系统维持等缺点，近几年又发展了新型的磁悬浮系统型式，主要为：高温超导EMS系统和高温超导块材EDS系统。其技术发展趋

5、向为高温超导磁体、低成本运行和维护。高温超导EMS系统优点：采用液氮温区（77K）实现超导的高温超导电磁铁，产生强磁场；相比于常导EMS系统，结构简化，质量减轻，能耗降低，此外相对低温EDS系统，低温系统设计难度大大降低；悬浮能力提高，悬浮气隙达到20mm以上，对悬浮可靠和控制有利；缺点：高温超导线圈电流变化频率低，线圈容易失超，控制系统依然复杂。高温超导EMS系统高温超导块材EDS系统优点：采用在液氮温区（77K）实现超导的高温超导块材与梯度磁场作用产生稳定悬浮；静止悬浮，固有的二维悬浮稳定性，无需控制系统和电能消耗；结构简单，悬浮气隙可以达到20mm以上；缺点：永磁导轨造价高，永磁性造成安

6、装和维护有一定困难。高温超导块材EDS系统永磁悬浮系统（传统形式）优点：依靠永磁体之间的同极相斥异极相吸产生悬浮和导向力；结构简单，水平移动产生导向力，垂直移动产生悬浮力；无需控制，无需消耗电能；无需低温环境。缺点：悬浮气隙小，扩展能力差；悬浮稳定性差。永磁悬浮系统磁悬浮系统综合比较系统类型常导EMS系统低温EDS系统高温EMS系统高温EDS系统永磁PM系统悬浮高度10mm100mm10-30mm10-30mmTc TTc TTc撤去外磁场排磁通现象 混合态，在下临界场Hc1与上临界场Hc2之间；在Hc1Hc2范围内，理想第类超导体的临界电流Ic几乎等于零，没有实用价值，而非理想第类超导体具有

7、很高的临界电流；理想第类超导体磁化曲线可逆，而非理想第类超导体的磁化曲线呈现不可逆性，磁通钉扎表现俘获磁通行为。（a）ICH特性曲线（b）可逆磁化曲线（c）不可逆磁化曲线 第类超导体基本性质：高温超导块材YBaCuO 非理想第类超导体；单籽晶生长；制备大尺寸、高性能YBaCuO块材难度大，常用尺寸为30mm，多块组合形成整体超导作用面；悬浮力FJcddBz/dZ，与超导块临界电流密度，块材尺寸和外磁场梯度三个量成正比，目前主要通过增加外磁场梯度来实现悬浮力要求。YBCO块材NdFeB（铷铁硼）永磁导轨 参考超导体悬浮力公式，外磁场梯度值越大越好；NdFeB，目前世界上剩磁和矫顽力最高的永磁体，

8、利于创建强磁场；永磁体与软铁组成的永磁导轨方案，可以使外磁场达到1.5T；超导磁悬浮方案与永磁导轨磁场如右图所示。NdFeB永磁导轨薄底液氮绝热低温容器 高温超导体在上，永磁导轨在下的作用方案；有效悬浮高度要求低温容器底部厚度要薄，平整度要求高，无磁或弱磁；避免外壁结霜和液氮挥发过快，低温容器绝热效果要好，而且具有一定的结构强度；因此，采用薄底绝热真空杜瓦式低温容器，设计底部厚度为5mm，可持续工作 1h以上。薄底液氮低温容器五、高温超导磁悬浮技术基础实验研究为了研究高温超导磁悬浮系统基本悬浮特性，采用先建立高温超导磁悬浮单元静态测试系统和动态测试系统，然后建立磁悬浮发射缩比研究试验平台的研究

9、思路，对超导磁悬浮系统的静、动态悬浮特性都有了深入的了解。1.永磁导轨表面磁场测量表面磁场测试仪构成：测试系统驱动滑台及被测件台面；二轴坐标方向调节机构；高斯计探头及表箱；电机控制及数据显示系统；测试程序用于设定采样频率、采样时间间隔、空间间隔等参数。测试步骤：被测件定位；确定测试长度和空间间隔；测试程序中进行合理设置；实时观察数据曲线及分析。表面磁场测试仪采集程序典型测试结果2.磁悬浮单元静态测试系统构成：高温超导磁悬浮单元；永磁导轨单元；步进电机及控制系统；力传感器及采集系统。测试目的：超导单元中超导块材排列的优化方式；超导单元对应不同场冷高度、悬浮位置、移动路径的悬浮特性。静态测试系统永

10、磁导轨设计单峰永磁导轨双峰永磁导轨单峰永磁导轨典型方案双峰永磁导轨典型方案永磁导轨采用Ansys有限元设计，目标为实现高磁场强度；分别测试单磁场峰和双磁场峰导轨上的超导组合优化排列方案；悬浮力特性（初始值为零，与悬浮间距成指数变化关系）；导向力特性（初始值为零、与水平位移成一定线性关系）；悬浮力和导向力存在明显的磁滞效应（即往复位移的力曲线不重合）。典型悬浮力测试结果（零场冷）典型导向力测试结果（15mm场冷）不同排列的悬浮导向力不同场冷位置的悬浮导向力3.磁悬浮单元动态测试系统构成：高温超导磁悬浮单元；永磁导轨单元；激振系统；加速度计及数据采集处理系统。测试目的：不同振动幅度和振动频率下单元

11、的幅频特性；不同场冷方案的共振频率和幅频特性的比较。动态测试系统定频时域分析（加速度信号）扫频时域分析（加速度信号）频率影响振幅影响 基于磁悬浮单元测试结果，建立可以综合展示磁悬浮系统整体性能的试验平台装置，具体为，磁悬浮系统：7m双排对称永磁导轨，有很高的加工和安装精度；高温超导磁悬浮超导单元，对称放置6个在磁悬浮橇体模型下；磁悬浮橇体模型：低温容器、加速装置、飞行器模型和测试系统等的连接部件；电机抬升机构：调节超导单元场冷位置。加速、制动系统：加速方式，双边直线感应电机；3.磁悬浮发射缩比研究试验平台 制动方式，弹性阻尼体缓冲器。静态测试系统：等载荷砝码，100kg；差动变压器式位移传感器

12、；导向力测试系统，采用销接机构和拉压式传感器。动态测试系统：3个加速计，9自由度采集；数据采集分析系统。试验平台系统图片1（磁悬浮系统）图片2（加速制动系统）图片3（静态测试系统）图片4（悬浮状态）静态测试目的：不同场冷条件对应的系统悬浮力和导向力综合结果；不同载荷条件下对应的悬浮力和导向力特性。动态测试目的：磁悬浮平台加速和制动稳定性；不同场冷条件对应的磁悬浮系统悬浮稳定性比较。静态测试结果不同场冷位置悬浮力比较不同场冷位置导向力比较100kg加载对悬浮力影响（场冷35mm）不同加载对导向力影响（场冷35mm）结论：场冷位置对系统悬浮力和导向力性能影响严重，设计时需依据不同的悬浮气隙和导向力

13、要求，合理选择场冷位置，实现最大载荷；载荷变化会使系统悬浮力减小，导向力增大，经过一定载荷变化后，悬浮力和导向力趋于稳定，适合做为磁悬浮系统的设计参考依据。加速测试结果场冷45mm的前进、水平、垂直加速度两次场冷（45mm和25mm）的前进、水平、垂直加速度场冷25mm的前进、水平、垂直加速度结论：右图所示，低场冷位置有利于减小系统高速运行的水平、垂直振动加速度，即有利于实现系统稳定；该试验平台系统采用直线电机加速，加速度达到1.2g，速度达到5m/s。六、未来发展展望磁悬浮发射电磁炮电磁发射器直接入轨磁悬浮火箭橇七、思考题1.航天运载器采用磁悬浮地面助推发射技术有哪些优越性和特点？2.目前磁悬浮系统的主要类型及技术特点？3.永磁-超导EDS系统的基本组成，其应用于磁悬浮发射环境的优越性？4.第类超导材料基本性质？5.影响永磁-超导EDS系统静态悬浮性能（悬浮力和导向力）的几个主要因素？