王 妙，楊 旭，王 凡，郭 靖，王 軒，劉 帥，郝大鵬

(西安航空學院 a.理學院；b.電子工程學院；c.材料工程學院，西安 710077)

0 引言

自高溫超導體(HTS)被發(fā)現(xiàn)30年以來，單疇(REBCO，其中RE為稀土元素，即Y、Gd、Sm、Nd等元素)高溫超導塊材，因為其具有較為獨特的抗磁性能[1-2]以及良好的自穩(wěn)定磁懸浮性能[3-4]，使得其在微形強磁體、超導磁懸浮列車、超導體磁分離系統(tǒng)、超導磁懸浮軸承、超導電機、超導儲能飛輪等領域具有廣泛的應用前景和巨大的應用潛力[5-9]。高溫超導磁懸浮列車軌道系統(tǒng)的設計、研制以及應用主要依賴于高溫超導體與永久磁體間的相互作用力(本文尤指磁懸浮力)特性，該特性也是人們研究的重點內(nèi)容之一。

近年來，很多人致力于磁懸浮列車的研制和應用，尤其是高溫超導磁懸浮列車的研制，其作為現(xiàn)代高科技交通軌道運輸工具，具有能耗低、噪聲小、安全性高等優(yōu)良特性，引起各國專家們的研究興趣[10-11]。以REBCO超導體系中的GdBCO超導體為例，NdFeB永磁體和GdBCO超導塊之間的磁懸浮力主要受永久磁體磁場分布、磁場強度大小以及高溫超導體的超導性能影響，所以在高溫超導磁懸浮列車應用系統(tǒng)的設計中，永久磁體軌道的組態(tài)形式及其磁場分布就顯得尤為重要。陜西師范大學楊萬民等人研究了不同小坯塊超導體與永磁體之間的相互作用力[11]；西南交通大學超導研究小組任仲友等人研究了單塊及多塊組合超導體與永磁軌道之間磁懸浮作用力的關系[12]；青海師范大學馬俊等人研究了永磁體輔助下超導體和永磁體之間的相互作用力[13]，同時，他們還研究了條形永久磁體不同的組合形式以及磁體間不同間距對超導磁懸浮力的影響[14]，這些研究結果揭示了在磁懸浮體系設計中影響超導磁懸浮力的主要因素和產(chǎn)生機理。

然而，超導體在永磁軌道上方是否可以穩(wěn)定懸浮與永磁軌道磁場的分布密切相關，不同的永磁軌道組合方式對應著不同的磁場分布，因此，本文主要研究了永磁軌道不同的組態(tài)形式對其磁場分布的影響，該研究可為磁懸浮應用系統(tǒng)的設計提供實驗依據(jù)。

1 高溫超導體磁懸浮原理

高溫超導體磁懸浮滿足兩個條件[15]后可以在沒有任何外部制控的情況下自穩(wěn)定懸浮于永磁軌道上，一是進入超導態(tài)后的超導體沿重力方向有磁場梯度的變化；二是高溫超導體必須俘獲一定的磁場。高溫超導體作為非理想第二類超導體，其內(nèi)部存在著大量的晶格缺陷，如位錯、雜質、空位以及氣泡等，這類晶格缺陷被稱為釘扎中心。高溫超導體中存在的釘扎中心是高溫超導磁懸浮系統(tǒng)能夠自穩(wěn)定懸浮的主要原因。

當超導體場冷(Field Cooling，F(xiàn)C)至超導態(tài)后，由于其內(nèi)部晶體缺陷的存在，處于超導體內(nèi)部的磁場將以磁通量子的形式被凍結在其中。因為超導體的零電阻特性而使超導體一直處于超導態(tài)，若超導體相對于永磁軌道運動時，超導體內(nèi)部會一直產(chǎn)生感應電流，而且不會衰減。同時根據(jù)楞次定律可知，感應電流產(chǎn)生的感應磁場與外磁場方向相反，所以超導體與永磁軌道之間產(chǎn)生相互作用力，而這個力就是高溫超導體磁懸浮原理所在。

2 實驗方案

為了能夠有效地分析不同排列的永磁軌道的磁場分布情況，分別設計了6種永磁軌道不同磁體組合的實驗方案，方形永磁軌道的6種不同組合方式示意圖如圖1所示。實驗所采用的永磁體為10×10×10mm3方形NdFdB永久磁體，表面中心的最大磁場約為0.5T。圖中1(a)、1(b)、1(c)、1(d)、1(e)、1(f)分別為超導磁懸列車模型軌道的方形磁路塊組態(tài)，為了精確測量各組態(tài)的永磁體軌道上方的磁場分布，采用陜西師范大學超導研究小組楊萬民教授自主研制的三維磁力&磁場測試裝置[16-17]進行測試，在測試前，首先將待測磁體固定于測試平臺上，并保持待測磁體組合處于水平狀態(tài)，之后用霍爾探頭(Lakeshore Company，LC)在磁體上方0.5mm處對軌道磁路進行50×50mm2的平面掃描測試，得到不同的組合磁體表面的磁場分布。

圖1方形永磁軌道的6種不同組合方式示意圖

3 實驗結果與討論

圖1(a)組合永磁軌道磁路的磁場分布圖如圖2所示，圖2(g)是(a)組合永磁軌道的三維磁場分布圖，圖2(h)是該軌道磁場分布的等高圖。

當超導列車被懸浮起來之后，給超導列車提供很小的推動力，超導列車此時就會在永磁軌道的上方進行無阻運動，磁懸浮列車模型在圖1(a)組合永磁軌道磁路上方平穩(wěn)運行如圖3所示。從圖中可以看到，處于超導態(tài)的高溫超導列車模型懸浮于永磁軌道的上方(背景圖中出現(xiàn)的霧氣是由于高溫超導列車中裝載著液氮，使得周圍空氣里的水蒸氣發(fā)生液化現(xiàn)象所導致)。

圖2圖1(a)組合永磁軌道磁路的磁場分布圖

圖3磁懸浮列車模型在圖1(a)組合永磁軌道磁路上方平穩(wěn)運行

同樣，我們將一裝有GdBCO超導塊材的列車模型在液氮溫度(77K)下進行場冷，使樣品進入超導狀態(tài)后，在永磁軌道磁體的磁場作用下，高溫超導塊的體內(nèi)會產(chǎn)生感應電流環(huán)，并且會形成與永磁軌道磁體磁場方向相反的感應磁場，同時對永磁軌道會產(chǎn)生推斥作用，從而實現(xiàn)了超導列車在永磁軌道上方的懸浮。

由于圖4(i)和圖4(j)所示的磁場并不是對稱分布，導致超導體在軌道上方并不能平穩(wěn)運行，易發(fā)生傾斜而偏離永磁軌道；圖4(k)所示的磁場分布與圖1(a)組態(tài)的永磁軌道磁路的磁場分布相同(N極和S極反置)，若超導列車在該磁路上方進行場冷，則在超導體內(nèi)會產(chǎn)生與磁體方向相反的感應磁場，而該感應磁場是由超導體內(nèi)感應電流環(huán)所引起，同樣超導列車模型可以穩(wěn)定地懸浮在軌道上方并且平穩(wěn)運行；圖4(m)和圖4(n)所示均是磁場N極和S極相互交替的組合永磁軌道磁路磁場分布圖，當超導列車在該磁路上方進行場冷后，由于磁路中的磁場交替分布，從而導致超導列車在該方形磁路塊構成的軌道段易處于減速或停止狀態(tài)。

圖4其它5種方形永磁軌道不同組合磁路的磁場分布圖

4 磁懸浮列車軌道演示模型的建立

為了更加形象深入地理解高溫超導體的懸浮特性，設計了一種多功能永磁軌道，多功能超導磁懸浮永磁軌道設計示意圖如圖5所示。

圖5多功能超導磁懸浮永磁軌道設計示意圖

該軌道綜合了上述幾種不同的磁體排列，可實現(xiàn)傾斜、震蕩、停止等多種物理功能。當超導列車模型在主軌道上進行場冷后，可以沿軌道進行平穩(wěn)運行，不會脫離軌道，超導列車繼續(xù)前行，當永磁軌道的磁路排布發(fā)生變化，即與主軌道磁體的N極和S極排列方式不同時，就會導致高溫超導列車在運行過程中出現(xiàn)重心不穩(wěn)，容易發(fā)生傾斜、震蕩或停止運動等一系列運動模式，這與永磁軌道中磁體的排列方式密不可分。

該高溫超導磁懸浮列車系統(tǒng)的模型設計有助于學生、教師以及科研工作者們對高溫超導列車在磁場中運行規(guī)律進行深入理解和掌握，同時該套模型也可以廣泛應用于各個學校及科技館的科普活動中。

5 結語

通過對不同組態(tài)的方形永磁軌道磁路的磁場進行測試，研究了其對磁場分布的影響。結果表明，永磁軌道的不同組態(tài)形式對其磁場分布有著非常重要的影響，由于磁場分布的不同，導致超導列車模型在永磁軌道上出現(xiàn)了不同的運行模式，如平穩(wěn)運行、傾斜、震蕩、停止運行等不同的物理功能。基于此，我們設計了一種多功能超導磁懸浮永磁軌道，為推動高溫超導磁懸浮列車的實用化提供了科學依據(jù)，為磁懸浮軌道交通這一新興技術注入了新的活力。

[1] DURRELL J H,DENNIS A R,JAROSZYNSKI J,et al.A Trapped Field of 17.6 T in Melt-Processed,Bulk Gd-Ba-Cu-O Reinforced with Shrink-Fit Steel[J].Superconductor Science &Technology,2014,27(8):082001.

[2] TOMITA M,MURAKAMI M.High-Temperature Superconductor Bulk Magnets That Can Trap Magnetic Fields of Over 17 Tesla at 29 K[J].Nature,2003,421(6922):517-520.

[3] YANG P T,YANG W M,ABULA Y,et al.Effect of Li Doping On The Superconducting Properties of Single Domain GdBCO Bulks Fabricated By The Top-Seeded Infiltration and Growth Process[J].Ceramic International,2016,43(3):3010-3014.

[4] YANG W M,WANG M.New Method for Introducing Nanometer Flux Pinning Centers into Single Domain YBCO Bulk Superconductors[J].Physica C Superconductivity,2013,493(10):128-131.

[5] AINSLIE M,FUJISHIRO H,UJIIE T,et al.Modelling and Comparison of Trapped Fields in(Re)BCO Bulk Superconductors for Activation Using Pulsed Field Magnetization[J].Superconductor Science & Technology,2014,27(6):065008.

[6] JIN J X,GUO Y G,ZHU J G.Principle and Analysis of A Linear Motor Driving System for HTS Levitation Applications[J].Physica C Superconductivity,2007,460:1445-1446.

[7] DENG Z,HE D,ZhENG J.Levitation Performance of Rectangular Bulk Superconductor Arrays Above Applied Permanent Magnet Guide Ways[J].IEEE Transaction on Applied Superconductivity,2015,25(1):1-6.

[8] TOMITA M,FUKUMOTO Y,SUZUKI K,et al.Development of A Compact,Lightweight, Mobile Permanent Magnet System Based on High Tc Gd-123 Superconductors[J].Journal of Applied Physics,2011,109(2):023912-023916.

[9] SOTELO G G.DIAS D H,MACHADO O J,et al.Experiments in A Real Scale Maglev Vehicle Prototype[J].Journal of Physics Conference Series,2010,234(3):032054.

[10] FUKASAWA Y,OHSAKI H.Three-Dimensional Structure of Magnetic Field in the Mixed-μ Levitation System Using Bulk Superconductor[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivity,1999,9(2):980-983.

[11] YANG WM,ZHOU L,FENG Y,et al.The Effect of Grain-Domain-Size on Levitation Force of Melt Growth Processing YBCO Bulk Superconductors[J].Brazilian Journal of Physics,2002,32(3):763-766.

[12] 任仲友,Oliverde H,王曉融,等.永磁導軌上組合與單塊YBCO的懸浮力關系研究[J].低溫物理學報,2003,25(1):182-185.

[13] 馬俊,楊萬民.條狀永磁體的組合形式及間距對單疇GdBCO超導體磁懸浮力的影響[J].物理學報,2011,60(7)：680-685.

[14] 馬俊,楊萬民,李佳偉,等.輔助永磁體的引入方式對單疇GdBCO超導塊材磁場分布及其磁懸浮力的影響[J].物理學報,2012,61(13):137401.

[15] 金建勛.高溫超導體及其強電應用技術[M].冶金工業(yè)出版社,2009.

[16] YANG W M,CHAO X X,SHU Z B,et al.A Levitation Force and Magnetic Field Distribution Measurement System in Three Dimensions[J].Physica C Superconductivity,2006,445(1):347-352.

[17] CHEN S L,YANG W M,LI J W,et al.A 3D Levitation Force Measuring Device for REBCO Bulk Superconductors[J].Physica C Superconductivity,2014,496(1):39-43.