永磁體輔助下單疇GdBCO超導(dǎo)體和永磁體之間的磁懸浮力研究*

馬 俊 楊萬(wàn)民 李國(guó)政 程曉芳 郭曉丹

1)(陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，西安 710062)

2)(青海師范大學(xué)物理系，西寧 810008)

(2010年5月11日收到;2010年6月4日收到修改稿)

永磁體輔助下單疇GdBCO超導(dǎo)體和永磁體之間的磁懸浮力研究*

馬 俊1)2)楊萬(wàn)民1)?李國(guó)政1)程曉芳1)郭曉丹1)

1)(陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，西安 710062)

2)(青海師范大學(xué)物理系，西寧 810008)

(2010年5月11日收到;2010年6月4日收到修改稿)

通過(guò)對(duì)永磁體輔助下單疇GdBCO超導(dǎo)體和圓柱形永磁體在液氮溫度、零場(chǎng)冷、軸對(duì)稱情況下磁懸浮力的測(cè)量，研究了兩種不同組態(tài)下輔助永磁體對(duì)超導(dǎo)體磁懸浮力特性的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)長(zhǎng)方體輔助永磁體水平磁化、且磁極N指向超導(dǎo)體時(shí)，超導(dǎo)體的最大磁懸浮力從沒(méi)有引入輔助永磁體的29.8 N增加到61.5 N，增加為沒(méi)有引入輔助永磁體時(shí)的206%.當(dāng)長(zhǎng)方體輔助永磁體的N極與圓柱形永磁體的N極反平行時(shí)，超導(dǎo)體的最大磁懸浮力從沒(méi)有引入輔助永磁體的29.8 N減小到19.6 N，減小為無(wú)輔助永磁體時(shí)的65.8%.這些研究結(jié)果說(shuō)明，通過(guò)科學(xué)合理地設(shè)計(jì)超導(dǎo)體和永磁體的組合方式，能有效地提高超導(dǎo)體的磁懸浮力.該研究結(jié)果對(duì)促進(jìn)超導(dǎo)體的應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義.

單疇GdBCO，永磁體，磁懸浮力

PACS:74.25.－ q，74.72.－ h，74.25.Ha

1.引 言

高溫超導(dǎo)體因具有高的磁懸浮力和良好自穩(wěn)定磁懸浮特性，使得其在超導(dǎo)磁懸浮軸承［1，2］、儲(chǔ)能飛輪［3，4］和磁懸浮運(yùn)輸系統(tǒng)［5，6］等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景.超導(dǎo)體和永磁體之間的磁懸浮力主要依賴于超導(dǎo)材料的性能［7—9］和永磁體磁場(chǎng)分布，超導(dǎo)體磁懸浮力與其臨界電流密度、超導(dǎo)塊材的半徑、晶粒取向［10］、厚度［11］、冷卻方式、磁化程度［12—14］、所用永磁體的磁場(chǎng)分布［15—19］、以及永磁體的運(yùn)動(dòng)速度［20］等參數(shù)密切相關(guān).文獻(xiàn)［21］研究了單塊和多塊組合超導(dǎo)樣品與永磁軌道之間的相互作用力關(guān)系，文獻(xiàn)［22，23］通過(guò)將一塊樣品切成不同小塊研究單塊樣品和多塊樣品之間的磁懸浮力關(guān)系，同時(shí)也研究了不同永磁體組態(tài)對(duì)超導(dǎo)體磁懸浮力的影響.現(xiàn)有的超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)表明［24—26］，超導(dǎo)體的磁懸浮力會(huì)隨著時(shí)間的增加而衰減，懸浮高度會(huì)隨著外加荷載的增加而降低，但當(dāng)外加荷載移除后，磁懸浮系統(tǒng)并不能恢復(fù)到原來(lái)的高度，這些問(wèn)題嚴(yán)重地阻礙了超導(dǎo)體的應(yīng)用進(jìn)程.眾所周知，永磁體之間的相互作用力強(qiáng)、剛度好［27］，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的磁懸浮;超導(dǎo)體與永磁體之間的磁懸浮力較大，磁懸浮穩(wěn)定性好［5，17］，但磁懸浮剛度較差.為了有效利用永磁體間較大的磁懸浮力、良好的剛性、以及超導(dǎo)體良好的自穩(wěn)定磁懸浮特性，本文通過(guò)對(duì)永磁體輔助下單疇GdBCO超導(dǎo)體和圓柱形永磁體在液氮溫度、零場(chǎng)冷、軸對(duì)稱情況下磁懸浮力的測(cè)量，研究了兩種不同組態(tài)下輔助永磁體對(duì)超導(dǎo)體磁懸浮力特性的影響，并取得了明顯的效果.這些結(jié)果對(duì)促進(jìn)超導(dǎo)體的應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義.

2.實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用的單疇GdBCO超導(dǎo)塊材是通過(guò)頂部籽晶熔融織構(gòu)方法(MTG)制備的［28］，樣品直徑為20 mm，厚度為10 mm.所用永磁體有兩種，包括一個(gè)是圓柱形永磁體，直徑為20 mm，厚度為30 mm，表面中心最大磁場(chǎng)約為0.5 T;兩個(gè)長(zhǎng)方體永磁體的尺寸均為20 mm×10 mm×10 mm，表面中心最大磁場(chǎng)約為0.5 T，永磁體沿短邊方向磁化.為了能夠有效地研究輔助永磁體對(duì)單疇GdBCO超導(dǎo)體和圓柱形永磁體在液氮溫度、零場(chǎng)冷、軸對(duì)稱情況下磁懸浮力的影響，我們用該超導(dǎo)體和這些永磁體設(shè)計(jì)了5種實(shí)驗(yàn)方案，如圖1所示.其中兩個(gè)長(zhǎng)方體輔助永磁體與超導(dǎo)體處于同一平面，且沿長(zhǎng)邊一側(cè)與超導(dǎo)體緊密地固定在一起.圖1(a)—(e)分別表示圓柱形永磁體和超導(dǎo)體呈軸對(duì)稱(PM↓ －HTS)，在圖1(a)的基礎(chǔ)上超導(dǎo)體兩側(cè)引入極化方向N指向超導(dǎo)體的長(zhǎng)方體永磁體在圖1(b)的基礎(chǔ)上去掉超導(dǎo)體 (PM↓ －，在圖1(a)的基礎(chǔ)上超導(dǎo)體兩側(cè)引入極化方向N反平行與圓柱形永磁體磁極N的長(zhǎng)方體永磁體(PM↓ －(PM↑ －HTS－PM↑))，在圖1(d)的基礎(chǔ)上去掉超導(dǎo)體 (PM↓ －(PM↑ －PM↑))的5種實(shí)驗(yàn)方案，箭頭表示永磁體的磁化方向.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，輔助永磁體是和超導(dǎo)體一起冷卻的.我們采用三維空間磁場(chǎng)及磁力測(cè)試系統(tǒng)［29］，對(duì)這幾種情況下的磁懸浮力進(jìn)行了測(cè)量.每次測(cè)量前，圓柱形永磁體與超導(dǎo)體一直處于軸對(duì)稱狀態(tài)，且它們之間的距離 Z=52 mm，待超導(dǎo)體被冷卻(無(wú)超導(dǎo)體時(shí)不需要冷卻過(guò)程)至液氮溫度(77 K)后，讓圓柱形永磁體從 Z=52 mm的位置開始垂直接近超導(dǎo)體(或輔助永磁體)上表面，當(dāng)兩者間距達(dá)到Z=2 mm時(shí)，讓圓柱形永磁體沿原路返回，完成一次測(cè)量.

3.結(jié)果與討論

圖2為圖1中(a)組合、(b)組合和(c)組合情況下圓柱形永磁體所受的磁懸浮力隨其與超導(dǎo)體(或輔助永磁體)上表面垂直距離(F-Z)變化曲線.從圖中可看到，上述三種情況下，圓柱形永磁體所受的磁懸浮力都隨著兩者之間距離的減小逐漸增加，但增加的幅度不同.其中(a)組合的磁懸浮力曲線反映了超導(dǎo)體和圓柱形永磁體之間的相互作用力，最大磁懸浮力為29.8 N;(c)組合的磁懸浮力曲線表明，圓柱形永磁體和兩個(gè)輔助永磁體之間的相互作用力，在圓柱形永磁體接近和離開輔助永磁體上表平面時(shí)磁相互作用力曲線幾乎是完全重合的，無(wú)磁滯現(xiàn)象，表明永磁體之間的相互作用力具有很好的重復(fù)性和剛度，最大磁懸浮力為31.7 N;(b)組合的磁懸浮力曲線與(a)組合的磁懸浮力曲線類似，但整體向右上方向移動(dòng)，最大磁懸浮力為61.5 N，是(a)組合最大磁懸浮力29.8 N的206%.同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Z≤40 mm時(shí)，(b)組合的磁懸浮力不但比(a)組合有明顯提高，而且其懸浮系統(tǒng)的剛度也明顯提高.譬如在下降至Z=10 mm時(shí)，(a)組合和(b)組合的磁懸浮力分別為5.2和22.0 N，剛度分別為1.3×103和3.5×103N/m，顯然(b)組合中磁懸浮力有了較大的提高，增加的部分來(lái)自輔助永磁體的貢獻(xiàn).在有超導(dǎo)體的(a)組合和(b)組合中，磁懸浮力曲線均存在著明顯的磁滯現(xiàn)象，但在有輔助永磁體作用下的磁懸浮力卻有了成倍的增加，磁懸浮系統(tǒng)的剛度也明顯提高.這說(shuō)明在這種情況下超導(dǎo)體和永磁體間的組合明顯地提高了系統(tǒng)的磁懸浮力特性，對(duì)超導(dǎo)磁懸浮的應(yīng)用具有積極的促進(jìn)作用.

圖3為(a)組合、(d)組合和(e)組合情況下圓柱形永磁體所受的磁懸浮力隨其與超導(dǎo)體(或輔助永磁體)上表面垂直距離(F-Z)的變化曲線.從圖中可清楚看到，在(a)組合和(d)組合情況下，圓柱形永磁體所受的磁懸浮力都隨著兩者之間距離的減小逐漸增加.但(e)組合的情況則大不相同，圓柱形永磁體和輔助永磁體之間的磁懸浮力在Z≥8.5 mm時(shí)，隨著兩者之間距離的減小逐漸增加，Z≤8.5 mm時(shí)，則隨著兩者之間距離的減小而逐漸減小.與(d)組合情況不同，(d)組合的磁懸浮力曲線并不是都在(a)組合磁懸浮力曲線的右上側(cè)，當(dāng)Z≥8.5 mm時(shí)，曲線整體向右上方向移動(dòng)，(d)組合的磁懸浮力比(a)組合的明顯偏高，如Z=10 mm時(shí)，(a)組合和(d)組合的磁懸浮力分別為5.2和13.4 N;但當(dāng) Z≤4.7 mm時(shí)，曲線相對(duì)于(a)組合則向左下方向偏移，導(dǎo)致(d)組合的磁懸浮力比(a)組合的明顯偏低，如 Z=3.7 mm時(shí)，(a)組合和(d)組合的磁懸浮力分別為23.4和19.0 N;當(dāng) Z=2 mm時(shí)，(d)組合的最大磁懸浮力只有19.6 N，僅為(a)組合最大磁懸浮力29.8 N的65.8%.這些結(jié)果表明，(d)組合情況下圓柱形永磁體所受的磁懸浮力只有無(wú)輔助永磁體時(shí)最大磁懸浮力的65.8%，(b)組合情況下磁懸浮力的31.9%，這些變化與輔助永磁體的磁場(chǎng)分布及其對(duì)超導(dǎo)體的磁化方式密切相關(guān).

為了弄清為什么(b)組合情況下的最大磁懸浮力能達(dá)到(d)組合情況的3倍多，我們采用有限元分析方法，計(jì)算并繪制出了這兩種組合情況下系統(tǒng)的磁場(chǎng)分布，如圖4所示.從圖中可清楚看出，(b)組合情況下，在圓柱形永磁體移動(dòng)的范圍內(nèi)，輔助永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)和超導(dǎo)體凍結(jié)的磁場(chǎng)方向都是豎直向上的，剛好與圓柱形永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，所以，使得在該組合形態(tài)下，圓柱形永磁體所受的最大磁懸浮力比無(wú)輔助永磁體時(shí)的最大磁懸浮力大得多.(d)組合情況下，在圓柱形永磁體移動(dòng)的范圍內(nèi)，輔助永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向部分與圓柱形永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相同，部分相反，而超導(dǎo)體凍結(jié)的磁場(chǎng)方向則與圓柱形永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相同.由于與圓柱形永磁體磁場(chǎng)方向相反的部分對(duì)其產(chǎn)生具有排斥性的懸浮力，相同的部分則產(chǎn)生吸引力，因此在這兩種作用力的共同作用下，使得(d)組合情況下圓柱形永磁體所受的總磁懸浮力為19.6 N，在兩者間距很小的情況下，小于無(wú)輔助永磁體時(shí)的最大磁懸浮力29.8 N，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于(b)組合情況下圓柱形永磁體所受的最大磁懸浮力61.5 N.

圖4 (b)組合和(d)組合情況下磁懸浮系統(tǒng)初始狀態(tài)下的磁場(chǎng)分布 (a)為 (b)組合情況，(b)為 (d)組合情況

4.結(jié) 論

通過(guò)對(duì)永磁體輔助下單疇GdBCO超導(dǎo)體和圓柱形永磁體磁懸浮力特性的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)長(zhǎng)方體輔助永磁體的磁極N指向超導(dǎo)體時(shí)，超導(dǎo)體的最大磁懸浮力從沒(méi)有引入輔助永磁體時(shí)的29.8 N增加到61.5 N，輔助永磁體的引入使其最大磁懸浮力提高了206%，同時(shí)，超導(dǎo)體與圓柱形永磁體間的剛度明顯提高.當(dāng)長(zhǎng)方體輔助永磁體的N極與圓柱形永磁體的N極反平行時(shí)，輔助永磁體的引入?yún)s使其最大磁懸浮力從29.8 N減小到19.6 N，只有無(wú)輔助永磁體時(shí)的65.8%;超導(dǎo)體與圓柱形永磁體間的剛度在兩者之間距離大于12 mm時(shí)明顯提高，但小于12 mm之后卻明顯下降.此外還發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)體和圓柱形永磁體之間的最大磁懸浮力與輔助永磁體和圓柱形永磁體之間的最大磁懸浮力之和，并不等于永磁體輔助下單疇 GdBCO超導(dǎo)體和圓柱形永磁體之間的最大磁懸浮力.這些結(jié)果說(shuō)明，輔助永磁體的引入對(duì)超導(dǎo)體的磁懸浮力具有顯著的影響，只有通過(guò)合理設(shè)計(jì)超導(dǎo)體和永磁體的組合方式，才能有效地提高超導(dǎo)體的磁懸浮力，研究結(jié)果對(duì)促進(jìn)超導(dǎo)體的應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義.

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PACS:74.25.－ q，74.72.－ h，74.25.Ha

Effects of additional permanent magnet on the levitation force of single domain GdBCO bulk superconductor*

Ma Jun1)2)Yang Wan-Min1)?Li Guo-Zheng1)Cheng Xiao-Fang1)Guo Xiao-Dan1)
1)(College of Physics and Information Technology，Shaanxi Normal University，Xi’an 710062，China)
2)(Department of Physics，Qinghai Normal University，Xining 810008，China)
(Received 11 May 2010;revised manuscript received 4 June 2010)

Effects of additional permanent magnet on the levitation force of a single domain GdBCO bulk superconductor have been investigated with a cylindrical permanent magnet in their coaxial configuration under zero field cooled state at liquid nitrogen temperature.The magnetic polarity N of cylindrical permanent magnet is pointed to the GdBCO bulk superconductor，and the two additional permanent magnet of rectangular parallelepiped shape are fixed on two sides of the GdBCO bulk superconductor in different arrangments.It was found that the levitation force can be improved to about 61.5 N，which is more than 2 times higher than that(29.8 N)of the system without the additional permanent magnet，when the magnetic polarity N of two additional permanent magnets points to the GdBCO bulk superconductor in horizontal direction.The levitation force is reduced to 19.6N，which is about 65.8% of the levitation force 29.8N of the system without the additional permanent magnets，when the magnetic polarity N of two additional permanent magnet are antiparallel to the magnetic polarity N of the cylindrical permanent magnet.The results indicate that the levitation force of high temperature bulk superconductors can be effectively improved by introducing additional permanent magnet based on reasonably designing the system configuration，which is very important during the practical design and applications of superconducting magnetic levitation systems.

single domain GdBCO，permanent magnet，levitation force

*國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):50872079)、國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):2007AA03Z241)和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(批準(zhǔn)號(hào):GK200901017)資助的課題.

?通訊聯(lián)系人.E-mail:yangwm@snnu.edu.cn

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.50872079)，the National High Technology Research and Development Program of China(Grant No.2007AA03Z241)and the Fundamental Research Funds for the Central Universities of China(Grant No.GK200901017).

?Corresponding author.E-mail:yangwm@snnu.edu.cn