YBCO在磁悬浮列车中的应用改 - 图文

YBCO在磁悬浮列车中的应用

一、综述

磁悬浮列车具有速度高、能耗少、噪音小和乘坐安全舒适等优点，是二十一世纪陆上理想的交通工具。目前，以日本的低温超导磁悬浮列车和德国的常导磁悬浮列车代表着世界磁悬浮列车发展水平。但总的说来，这两种磁悬浮列车都存在一定的缺点，例如，低温超导磁浮列车低速不能起浮，常导磁浮列车起浮控制系统十分复杂、悬浮高度小，而且，这两种磁悬浮列车造价都十分昂贵。为了探索磁悬浮列车发展新途径，高温超导磁悬浮试验模型车成为现在主要的研究方向。尽管研究时间才有20年，但高温超导磁悬浮技术以其自身独特的优势显示出很好的应用前景，备受世界各国的关注。

二、磁悬浮车中YBCO的应用

1986年高温超导陶瓷Ba-La-Cu被发现，临界转变温度达到35K，是超导技术及磁悬浮技术跨入新的阶段。目前，中国、德国和俄罗斯等国家已研制出可载人的高温超导磁悬浮实验车。

我国西南交通大学超导技术研究所于2000年12月31日下午2点26分研制成功了世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车可载5人，图1为该车实物照片。

图1 中国西南交通大学研制的世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车

该车全部采用国产高温超导YBCO块材，用液氮浸泡式制冷，永磁轨道长15.5米，采用直线电机驱动。车载5人、悬浮总重量 530kg时，悬浮高度 23mm，运行十分平稳。

2004年，德国德雷斯顿(Dresden)固体材料研究所IFW也研制成功了高温超导磁悬浮试验车，如图2所示，其最大载重为 350kg，工作悬浮高度约为13-18mm。

图2 德国IFW研究所研制的高温超导磁悬浮试验车

同年，俄罗斯国立莫斯科航空学院也成功研制出了载人高温超导磁悬浮试验车，如图3所示，可乘坐两人。

图3 俄罗斯国立莫斯科航空学院研制的高温超导磁悬浮实验车

三、高温超导磁悬浮机理

1、迈斯纳效应

高温超导磁悬浮车利用了超导体特有的迈斯纳效应，即当金属冷却进入超导态时，体内的磁力线一下被排出，磁力线不能穿过它的体内，体内的磁场恒等于零。产生迈斯纳效应的原因是:当超导体处于超导态时，在磁场作用下，表面产生一个无损耗感应电流。这个电流产生的磁场恰恰与外加磁场大小相等、方向相反，因而总合成磁场为零。这个无损耗感应电流对外加磁场起着屏蔽作用，因此称它为抗磁性屏蔽电流。

由迈斯纳效应可知当一个磁体和一个处于超导态的超导体相互靠近时，超导体与磁体会表现出相互排斥现象。图4为迈斯纳效应的示意图。

（a）正常态时，超导体内部磁场分布 （b）超导态势，超导体内部磁场分布

图4 迈斯纳效应示意图

2、第二类超导体

超导体按其磁化特性可分为两类。第一类超导体只有一个临界磁场，超导态时具有完全抗磁性；第二类超导体，有两个临界磁场，下临界磁场Hc1和上临界磁场Hc2。当外磁场H0小于Hc1时，与第一类超导体性质相同，处于迈斯纳状态（即完全抗磁性），超导体内没有磁感应线穿过；当外磁场H0介于Hc1和Hc2之间时，第二类超导体处于混合态，这时超导体内有磁感应线穿过，形成许多半径很小的圆柱形正常区，正常区周围是连通的超导区，整个样品的周围仍有屏蔽电流。这样第二类超导体处于混合态，既具有抗磁性（但B不等于0）又仍然没有电阻，高温超导磁悬浮列车所用的YBCO块材属于第二类超导体。

图5（a） 超导体的磁化曲线

图5（b） 非理想第二类超导体磁化曲线

由于晶阵缺陷的存在，阻碍着磁通线的运动，因此可以把它们看作是一些对磁通线运动产生钉扎运动的钉扎体，也成为磁通钉扎中心。存在钉扎中心的第二类超导体称为非理想第二类超导体。其由于体内存在钉扎中心而呈现不可逆性。当外磁场开始从零增大但小于Hc1时，超导体处于迈斯纳态；当H> Hc1时，磁场以磁通线的形式穿入超导体内，但钉扎中心的存在对磁通线的穿透造成阻力，因此超过Hc1时，磁化强度继续增大，当H>Hp时，则随磁场

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