高温超导磁悬浮车导向力测试装置

中图分类号：,F"C$ 文献标识码：% 文章编号："##$;$#B= （!##$） #";##BB;#<
! 引言
在高温超导磁悬浮应用中， 超导体在外磁场中 的悬浮力和导向力是两个重要的设计参数。目前， 对于高温超导体的悬浮力已经进行了许多实验研究 和数值分析计算
［";A］
位移的关系。
"
设计考虑
高温超导磁悬浮实验车长 $GC 米、 宽 "G! 米、 高
［"#， ""］ 向力研究相对较少 ， 张永等人对高温超导磁悬
浮模型车的导向力作了初步研究
， 针对高温超
导磁悬浮车整车导向力的研究还未见报道。正是由 于高温超导体在外磁场中的横向导向力才使得它能 够稳定地悬浮在外磁场中， 这也是它区别于永磁体 不稳定悬浮的根本所在。导向力的研究对高温超导 磁悬浮车系统的设计有着重要的意义， 它直接影响 高温超导磁悬浮车的侧向稳定性、 曲线通过性能及 曲率半径设计。 !### 年 "! 月 $" 日世界首辆载人高温超导磁悬 浮实验车的研制成功， 进一步证明了高温超导体应 用于磁悬浮车的可行性。对于进一步的研究， 特别 是研究该车的侧向稳定性及它能通过的最小曲率半 径， 需要知道该车横向导向力与横向位移的定量关 系。为此， 针对第一辆载人高温超导磁悬浮实验车 设计制作了一套整车导向力测试装置。实验证明， 利用该装置能方便地测量整车在不同悬浮高度的导 向力， 并初步研究了整车导向力与悬浮高度及横向
然后再回退到初始位置， 当回退 次， 一直到 !" 22， 到 ’" 22 时， 力传感器与推进系统分离。图 < 为实 验测试结果。
图<
最大横向位移 !" 22 时的导向力实验结果 *+$, < >?:37+23804@ 7356@0 /1 $6+A48B3 1/7B3 68A37 24?+262 @40374@ A+5048B3 !"22
收稿日期： !##!;#<;!= 基金项目： 国家 >=$ 计划资助项目 （>=$;?@#>####）
" 8 水平推进机构 < 8 力传感器 C 8 车体
! 8 垂向运动机构
$ 8 调零螺栓 > 8 直线电机
= 8 高温超导体
B 8 永磁轨道
" 8 H.56I.)4(/ J5.JK/L6.) L1L4+D $ 8 M*5+N .2 I+5. (&OKL46)0
-./0/ /1 234567+8$ 396+:2380
! 实验结果和讨论
为了检验该导向力测试装置的可行性， 分别对 高温超导磁悬浮实验车空载和载人两种情况进行了 横向导向力测试。实验时， 先通过液压举升机构使 车上升到永磁轨道上方 ;! 22 处进行场冷， 等待 ;% 分钟， 让超导体充分冷却。接着， 使液压举升机构下 降， 实验车处于自然悬浮状态。空车重 <’" #$， 净悬 浮高度 （液氮低温容器底部距永磁轨道表面的距离） 超导体俘获磁通较 为 != 22。由于场冷高度较高， 小， 本实验采用量程为 !"" #$ 的力传感器。分别调 节两套水平推进系统的垂直位置使其顶端的调零螺 栓中心与力传感器上的球形受力点在同一直线上。 调节调零螺栓使与力传感器上的球形受力点处于有 接触而无挤压的状态。转动手柄， 记下车的横向位 移及与之相对应的力传感器的读数， 每 ’ 22 读一
图;
不同最大横向位移时整车导向力实验结果 >?:37+23804@ 7356@05 /1 $6+A48B3 1/7B3
*+$, ;
/1 0.3 C./@3 D3.+B@3 68A37 A+1137380 24?+262 @40374@ A+5048B3
第#期
任仲友， 等：高温超导磁悬浮车导向力测试装置 致谢
。然而， 对高温超导体的横向导
［"!;"$］
永磁轨道长 "CGC 米、 轨心距 #GAC 米、 单轨宽 #G> 米、 整个测试装置采 #G">B 米。由于轨道为永磁轨道， 用不导磁材料， 即 #?5">96A,6 不锈钢和环氧树脂板。 因车体较长， 为了防止车在横向移动过程中发生转 动， 测试装置采用两套水平推进系统， 两个系统用链 条齿轮连接。整个测试装置的示意图如图 " 所示。
高温超导磁悬浮车导向力测试装置
任仲友，王家素，王素玉，王晓融，宋宏海，王兴志
（西南交通大学超导技术研究所，四川 成都 ="##$"） 摘要：介绍了一套基于高温超导磁悬浮实验车的整车导向力测试装置。该装置由两套推进系统和 两套力传感器组成， 传感器固定在车上。每套推进系统可在水平和垂直两个方向运动， 可完成实 验车在不同悬浮高度的横向导向力测试。两套推进系统通过链条齿轮连接， 同步精度 # 8 CDD， 水平 运动范围 # E !#*D， 水平位移精度 "DD； 垂向运动范围 # E "#*D， 垂直位移精度 "DD。利用该装置测 量了整车在不同悬浮高度的导向力， 并初步研究了整车导向力与悬浮高度及横向位移的关系。 关键词：磁悬浮车；导向力；高温超导；测试装置
由图 < 可以看出， 横向导向力表现出了很大的 滞后效应， 在刚刚偏离中心位置时， 横向导向力随横 向位移的增加迅速增大， 随着横向位移的进一步增 加， 导向力的增加减慢， 回退过程中， 导向力迅速减 小， 到 ’" 22 时， 导向力已经减小为零， 这正是实验 中观察到力传感器与推进系统分离的位置。此结果 表明， 车受横向外力作用偏移 !" 22 后， 撤去外力， 车并不能回到初始位置。这证明空载时车的有效横
感谢国家 B’$ 计划对本课题的资助。同时也感 谢唐启雪老师在装置的设计、 加工和调试过程中的 帮助及江河、 朱敏同学在导向力测试过程中的帮助。 参考文献：
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%A
外力 后， 车 能 回 到 初 始 位 置。当 最 大 偏 移 为 !"" 时， 撤去横向外力后， 横向位移为 # "" 时， 力传感 器与推进系统分离， 车不能回到初始位置。即车在 此工作状态下的有效横向位移不超过 ! ""。车横 向位移 !"" 时的导向力为 $%% &。当最大偏移为 ’ 撤去横向外加力后， 车偏离初始中心位置 ( "" 时， ""。车横向位移 ’ "" 时的导向力为 )(! &。由此 可以看出， 随着横向位移的增大， 导向力增大， 但是， 撤去外力后， 车偏离初始中心位置的距离也增加。 图 ) 为载 $ 人时的整车导向力实验结果， 此时车总 重 )** +,， 净悬浮高度 (* ""。
电工电能新技术 第 !! 卷 第 " 期 7./ 8 !!， 9. 8 " !##$ 年 " 月 :()Байду номын сангаас8 !##$ %&’()*+& ,+*-)./.01 .2 3/+*456*(/ 3)06)++56)0 ()& 3)+501 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
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电工电能新技术
第 !! 卷
为了实现整车在永磁轨道上方不同悬浮高度的 导向力测试， 每套水平推进系统同时设计有水平运 动机构和垂向运动机构， 以保证水平推进系统总是 与车上的力传感器保持对心。力传感器为应变片式 压力传感器， 采用不导磁材料做成。力传感器固定 在实验车的侧梁上， 测试过程中传感器与车体始终 保持相对静止， 这样能增加数据的可靠性。为了测 量整车在不同悬浮高度的导向力并保证测量的准确 性， 订购了四套力传感器 （每套两个） ， 量程分别为 精度 "(%) 。图 ! 为 !"" #$、 %"" #$、 &"" #$、 ’""" #$， 整车导向力测试装置的实物照片。
图! *+$, ! 测试装置照片
向位移 （车偏离初始位置后能回到初始位置的最大 偏移距离） 小于 !" 22。为了研究车空载时的有效 横向位移， 采取逐步增加最大偏移距离的方法进行 实验研究。图 ; 为逐渐增大最大偏移时得到的实验 结果。 由 图;可 知 ， 当 最 大 偏 移 为 !22 时 ， 撤去横向
整车导向力测试装置示意图 .2 4-+ N-./+ ’+-6*/+
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作者简介： 任仲友 （"ABC;） ， 男， 四川籍， 博士生， 主要从事高温超导体的电磁特性及磁悬浮方面的研究； 王家素 （"A<<;） ， 男， 重庆籍， 教授， 博导， 主要从事微波、 低温及超导技术应用等方面的研究。
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图" P608 "