真空管道中高溫超導磁懸浮車振動能耗特性

　　當真空管道中的氣壓降到一定值時，其中運行的高溫超導磁浮車所受到的空氣阻力近似省略。那么磁浮車的運動方向上的動能會因為磁軌道上有接頭或其它原因導致軌道上表面磁場的分布不平衡而轉移到與運行垂直方向上的振動而損耗掉。對一個已設計好的軌道，其缺陷是不可避免的，文中討論磁浮車在這種軌道上的動能損耗與磁浮車運行速度的關系。將一定真空環(huán)境中運行著的高溫超導磁浮車的這種振動近似為彈簧的阻尼振動，然后根據高溫超導體的特性及相應測量值來確定其剛度系數與阻尼系數，從而考慮其阻尼振動的動能損耗情況。模擬了三種振動產生方式的耗能情況，與實驗結果相符合，表明了能耗規(guī)律及其在真空管道運輸設計與應用中的參考價值。
　　
　　輪軌列車因為與地面上的軌道有接觸而產生與車體質量有關的摩擦力而使車體的部分動能轉變?yōu)闊崮軗p耗掉。輪軌列車無論如何也不可能避免這種摩擦力，而磁懸浮技術使得車體懸浮在軌道上，沒有了與軌道的摩擦，這種接觸損耗在一定意義上可以說是能避免的。真空管道磁懸浮將懸浮技術與真空技術結合起來同時克服了輪軌的摩擦力與空氣阻力。真空環(huán)境因為其優(yōu)點而在各行各業(yè)得到應用，如太陽能應用、電化學工藝等，而真空管道交通中運用了因真空環(huán)境空氣密度小而動摩擦阻力小的特性。
　　
　　理論上說，當真空管道中達到絕對的真空時，在其中運行的物體就沒有了空氣阻力，然而要達到這個條件是不現實的，未來的真空管道究竟在何真空度下運行z*理想，這需要足夠多的理論依據與實驗數據來確定。于是，有研究人員對這方面作了一定的研究。
　　
　　高溫超導磁懸浮技術是磁懸浮技術中的一種，因其獨特的優(yōu)點而受到越來越多的重視，高溫超導塊在永磁軌道上場冷后因為磁通釘扎作用而懸浮在永磁軌道正上方，如果永磁軌道上沿軌道方向的磁場分布是恒定的話，給其以沿磁軌方向的初速度后磁浮車將會穩(wěn)定的沿著磁軌運行而沒有振動。但是因為永磁軌道不可能做到完全的在沿軌道方向的磁場分布是恒定的。當超導塊運行到磁場不平的地方時，就會產生一定的振動，那么運動方向上的動能就會一部分轉化為與運行方向上垂直的振動而損耗掉。本文的目的就是研究軌道的這種不平衡與動能損耗的關系，為設計磁浮系統的驅動及控制系統提供技術參數，參數包括驅動電機的功率大小，驅動力大小，z*大速度和選用什么控制策略等。為了簡化研究，懸浮力近似為彈簧力(車體底面與軌道上表面中存在一空氣彈簧)，推導出簡化的數學模型，在其基礎上討論其耗能狀況，z*后在西南交通大學超導與新能源研究開發(fā)中心自主研發(fā)的真空管道高溫超導磁懸浮實驗系統(圖1)上驗證。該系統運行環(huán)境可以達到2000Pa，實驗在氣壓為3000Pa時進行，在如此稀薄的大氣下運行速度不大的情況下所受空氣阻力可以省略，可認為高溫超導磁浮車在系統中運行時其動能損耗全是由于軌道磁不平衡而引起的振動而耗掉的。
　　 　　
　　1、軌道拼接方式與磁浮車結構
　　
　　整個軌道由18截用大接頭拼接，每一節(jié)又由10小截加三塊純鐵擠壓而成，每一截節(jié)由2小塊N30材料按N-N對頂的方式擠壓，z*終組裝成周長10m的圓形永磁軌道。為了方便起見，將其中一部分畫示意圖如圖2(近似為直軌道)。
　　 　　
　　圖中x，y方向已標出，z方向為垂直向紙里(指向軌道)。當給磁浮車在x方向以驅動力時，磁浮車只在x方向向前運動。以場冷方式將磁浮車懸浮在永磁軌道上后，如果軌道的接頭在y方向沒對齊時，車體會因有y方向的磁場分布錯位而有此方向上的擺動，為了簡略在此省掉這種擺動。
　　
　　該系統為一圓形軌道系統，圖1所示位置加有一驅動直線感應電機(LIM)及速度檢測裝置，車體每次所獲能量與每周所耗量由相應的速度算得。當車體轉到相應位置時，電機啟動給車體加速，其它位置為車體的自由運行狀態(tài)。每圈給車體加一次速，到時間約28s時不再啟動電機。方框線表示速度隨時間變化，帶星線表示車體從電機獲得的動能，帶圈線表示車體每圈在軌道上的耗能。由圖可知：
　　
　　(1)當有電機驅動的時候，速度在增加，關掉電機后，速度在減小，表示車體在運行過程中運行方向上的動能在減小，忽略了空氣阻力，車體與軌道沒有接觸，所以能耗由振動引起，實驗中明顯能看到車體的振動。
　　
　　(2)速度越大，耗能越快。
　　
　　(3)當速度約為318m/s的時候，每圈耗能與電機提供的能接近相等，車體速度不再上升，電機繼續(xù)運行時速度保持，關掉電機時，速度下降。因為技術原因，系統目前的z*大速度只約為4m/s，由系統的相關參數算得直線感應電機從初級傳到次級上的功率約為011kW，從而設計符合要求的驅動電機來驅動該系統。
　　
　　4、結論
　　
　　由前面分析及實驗，得出以下結論：
　　
　　(1)高溫超導磁懸浮的懸浮力是一個非線性力，其情況可以近似為阻尼彈簧受力，剛度與阻尼系數確定是一個復雜的過程，因為其非線性，按本文中的方法計算也只是一個不準確的值。
　　
　　(2)在真空管道中的磁懸浮系統，如果軌道做的不均衡或是連接工藝粗糙，那么車體在運行過程中，其運動方向上的動能就是逐漸轉化為與運行方向垂直方向上的振動能損耗掉。
　　
　　(3)軌道不平衡產生的振動機制可有不同的模擬方法，所得結果有所不同，但是無論哪種方法，它本身都是一個耗能系統，這與實驗的現象與所測數據顯示的結果一致。