1绪论
1.1磁悬浮技术的发展现状
磁悬浮技术是现代高科技发展的产物，集成了自动控制、电力电子、直线电机、机械制造、空气动力学等技术。早在1922年德国人赫尔曼?肯佩尔（HermannKemper)就提出了电磁悬浮原理，并在1934年获得世界上第一项有关磁浮技术的专利⑴。限于当时的技术水平，磁悬浮技术未发挥应有的作用。至20世纪60年代，随着电子计算机、电力电子以及材料等科学技术的进步，磁悬浮技术才得以实现，并在世界范围内得到广泛关注。德国、日本、美国、中国等多个国家相继投入大量人力、物力进行深入研究。磁悬浮技术作为一种新型轨道交通技术，在短短几十年内得到了突飞猛进的发展，逐渐形成各具特色的磁浮技术。参照悬浮力产生原理可分为：麦斯纳效应悬浮(Messina suspension)% 电磁悬浮(Electromagnetic suspension, EMS)和电动悬浮(Electrodynamic suspension, EDS)。
1)麦斯纳效应悬浮
利用超导体特有的麦斯纳效应原理，我国的西南交通大学于1986年研制了磁悬浮列车[3-5]。其基本结构是，在车体底部安装有超导磁体，在轨道上铺设钱铁硼永久磁体。超导磁体在超导状态下靠近钱铁硼永久磁体时，可在超导磁体内部产生润流磁场并趋向于阻止超导表面的磁通变化，产生阻止磁体运动的钉扎效应，可将车体与轨道牢牢的“固定”在一定气隙范围内实现悬浮。该方案的优点是悬浮能耗小，仅为保持超导低温环境所需的能耗、无大气污染、运行噪声低，运行控制简单等。
2)电磁式磁悬浮
1969年德国Krauss-Maffei公司制造了一个重80 kg的磁浮列车模型，它是世界上最早的电磁式磁悬浮模型车。德国TR型磁悬浮列车釆用电磁悬浮，见图1-1，利用安装在车辆底部直线同步电机的定子与动子间的法相吸引力实现悬浮。当布置于轨道上的定子中通入三相对称交流电时，产生沿轨道方向行进的行波磁场，带动车载电磁铁以行波磁场的同步速度向前行进。改变定子电流频率可调节列车的运行速度。理论上可以达到很高的运行速度(>500 km/h)，适合于较高速度的磁浮列车牵引。
3)电动式磁悬浮
电动式磁悬浮方案比较灵活，基本原理是利用时变磁场在导体表面感应出方向相反的祸流磁场，祸流磁场与原磁场相互作用，产生斥力作为系统的悬浮力。目前应用该原理的磁悬浮方案有日本MLX方案、永磁磁轮悬浮等。
1.2高温超导电动式磁悬浮装置的提出
基于现有磁悬浮技术方案的原理及特点，为实现静止状态下固有稳定的电动式磁悬浮，北京交通大学的朱熙博士于2011年提出常导旋转磁场电动式磁悬浮系统，见图1-5。该系统由悬浮装置和驱动控制系统构成。悬浮装置初级为盘式结构的感应电机，次级为锅板。该悬浮装置输出的悬浮力可实现招板的悬浮。常导型旋转磁场电动式磁悬浮系统由于其次级锅板为非磁性材料，磁路发散，工作时需要较大的励磁电流。以常导体(铜）作为绕组材料时，输出悬浮力有限，电机很难实现初级部分的悬浮。
本文针对常导型旋转磁场电动式磁悬浮系统通流能力有限、产生悬浮力小的缺陷，提出高温超导旋转磁场电动式磁悬浮系统，见图1-6。该系统由四台高温超导悬浮电机和非磁性次级感应板(锡板)组成。高温超导悬浮电机的绕组由第二代高温超导带材(YBCO)制成，允许通入较大的励磁电流。当绕组通入电流后，电机可以输出悬浮力和转矩。四台高温超导悬浮电机通过一定的控制策略协同工作，
高温超导电动式磁悬浮系统继承了常导型旋转磁场电动式磁悬浮系统的所有优点，又具有体积小、重量轻、通流能力强等优点。与德国TR系列磁悬浮系统相比，不需要复杂控制条件下实现悬浮；与日本MLX磁悬浮系统相比，可实现静止状态下的悬浮；与永磁磁轮方案相比，不需要机械旋转机构，无机械摩擦、无机械振动、无陀螺仪效应等。为磁悬浮技术应用与超导应用提供了新的结合点，使四台电机的转矩相互抵消，仅对外输出悬浮力，进而实现电机初级部分的悬浮。
1.3本文主要研究内容与方法
高温超导旋转磁场电动式悬浮系统由四台相同的高温超悬浮电机组成。本文围绕高温超悬浮电机的电磁机理、力特性、交流损耗，设计方法等进行研究。
(1)对高温超导悬浮电机的电磁机理进行研究：建立高温超导悬浮电机气隙磁场二维解析模型。该模型可计算电机内部任意位置的磁场分布。利用该模型，分析转差率、电流幅值、频率等参数对气隙磁场的影响。
(2)对高温超导悬浮电机的力特性进行研究：建立高温超导悬浮电机悬浮力和水平力的解析模型。分析输入电流幅值、频率、转差率、次级厚度等参数对电机力特性的影响；分析次级导体板移出时、中部有缝隙时、初级与次级不平行时电机的输出力特性。
2高温超导悬浮电机的气隙磁场分析
本章主要从电机学基本知识出发，介绍高温超导旋转磁场电动式磁悬浮装置的工作原理；基于麦克斯韦方程，建立高温超导悬浮电机气隙磁场的一维解析模型及二维解析模型；利用解析方法分析高温超导悬浮电机的电磁特性，分析气隙磁场的分布特点，讨论电流幅值、频率、极对数等气隙磁场的影响。
2.1高温超导悬浮电机的工作原理
高温超导旋转磁场电动式磁悬浮装置主要由盘式电机定子铁心、高温超导绕组和非磁性次级(结板或铜板等)组成，如图2-1所示。盘式电机定子铁心与传统柱状异步电机有很大不同，如电机幵槽方向不同、线圈结构不同等。传统柱状异步电机开槽向方为轴向，而盘式电机幵槽方向为径向方向。开槽方向的不同，主磁通方向亦不同。传统柱状异步电机运行时主磁通方向为径向，而盘式电机运行时主磁通方向为轴向。由于这种结构、磁通方向的不同，使得盘式电机的使用方式更加灵活。当三相对称电流通入嵌入在电机定子铁心中的三相对称绕组后，电机可产生沿径向方向旋转的磁场。该磁场可在非磁性次级(如锅板、铜板等)表面产生祸流磁场，润流磁场与定子旋转磁场相互作用可产生切向力(即转矩)和法向力(即悬浮力)，如图2-2所示。这种切向力与法向力在传统柱状异步电机中同样存在，即转矩和单边磁拉力。由于柱状电机的对称性，径向截面的法向力往往被对称面对法向力平衡掉，一般情况下对外不显现力特性。因为盘式电机结构上的不对称性，法向力可对外表现。此外，由于采用了非磁性材料作为电机的次级，当磁场作用时，产生的法向力是洛企兹力，表现为斥力。利用斥力，可实现电机初级部分的悬浮。
2.2高温超导悬浮电机的气隙磁场分析
经过分环处理后，该电机可等效为多台直线电机。由于直线电机中三相初级绕组嵌入铁心中，分环处理使得铁心非连续，还需要进一步处理。可假设电机每槽导体数相同的等效串联绕组填充满槽。引入电流层的概念，在绕组通入电流后，可产生相同基波磁势的前提下，将电流等效为连续分布。结合第六章表6-1(B模型)给出的电机基本尺寸，可求解电机气隙磁场分布。为了减少计算量，又可以比较清晰的说明问题，在此将电机径向方向分为4个环，分别为/=1~4，最内侧环定义为1。输入电流为35 A，50 Hz正弦电流，转差率为1(堵转状态)条件下，电机气隙磁场不同时刻的分布见图2-5。图2-5、2-6、2-7分别为不同时刻，不同转差率、不同电机极对数条件下，电机气隙磁场的分布。从图中可知，随着时间的增加，气隙磁场以正弦波形式向右侧移动，即气隙磁场为旋转磁场；当转差率S减小时，气隙磁场的幅值会增大；电机极对数增加时，气隙磁场的幅值同样会增大.
此外，分别考察不同环的磁场会发现，电机内环的磁场幅值明显大于电机外环的磁场幅值。图2-5-图2-7中，黑色线为平均直径法计算的磁场分布，可以对比分环计算的结果发现，平均直径法计算的结果是磁场的平均分布值，在某些要求不严格的场合可以反映电机磁场的分布。但是基于平均直径法计算得出的磁场分布不够精准，不能反映出电机内环磁场幅值大于外环磁场的真实情况。图2-8将电机分为20环，并绘制出各环的最大磁场分布。从图中可知，电机磁场由内环向外环近似线性衰减，在靠近外环时，衰减幅度略放缓。
2.2.2 基于二维理论电机气隙磁场分析
图2-14为电机除铁心部分外，电机各部分磁场等高分布图。从图中可知，x方向磁场在次级内部完成闭合，在次级背部有较少的漏磁存在。方向磁场在次级背部漏磁明显。合成磁场在次级背部为零，没有明显的漏磁场存在。此外，合成磁场在次级表面分布较为集中，有一定的肌肤效应存在。
3 髙温超导悬浮电机的力特性分析...............27
3.1 髙温超导悬浮电机端部效应分析...............27
3.2 高温超导悬浮电机的力特性分析...............32
3.3 高温超导悬浮电机的侧向力...............37
4 结构参数对高温超导悬浮电机性能的影响...............43
4.1 高温超导材料的各向异性...............43
4.2 高温超导悬浮电机槽内磁场分布...............44
4.3 槽内磁场分布的影响因素...............49
4.3.1高温超导线圈位置对磁场的影响...............49
5 高温超导材料的建模与特性分析...............55
5.1 高温超导材料一维模型...............55
5.1.1基于Brandt方法的交流损耗计算模型...............55
5.1.2交流损耗中的标度定律Scaling law...............60
7高温超导悬浮电机的实验研究
高温超导带材价格昂贵，为降低实验风险，首先设计并加工了铜绕组悬浮电机及其实验平台。针对铜绕组电机进行了悬浮力测试，得出了铜绕组条件下，悬浮力与工作条件之间的关系曲线。搭建了高温超导带材和线圏的临界电流测试系统和交流损耗测试系统，对高温超导带材和线圈进行临界电流测试和交流损耗测试。改进铜绕组电机悬浮力测试平台，搭建了高温超导悬浮电机测试平台，并进行了高温超导悬浮电机的悬浮力测试。
7.1常导悬浮电机及实验平台
高温超导带材价格昂贵，为降低研发风险，采用铜绕组设计了一台悬浮电机及其实验平台。铜绕组选择时，选用了与BSCCO高温超导带材尺寸(4mrn><0.3 mm)相近的铜皮作为绕组，铜皮采用聚醋薄膜包裹作为绝缘层。铜皮按照设计要求被绕制成“双饼扇形”线圈。电机及绕组参数见图7-1和表7-1。
电机初级被固定托盘上，托盘与摇杆相连。通过摇杆可以调整电机初级与次级之间的距离(即气隙)。定位杆与机械滑扣相互配合，可以防止电机初级铁心在改变高度时发生的自身旋转。四个压力传感器被安装在次级锅板的下方，其型号为CFBLSM型，量程为20 Kg。四个传感器联合使用，量程可达80 Kg，精度0.3%。当电机通入三相对称交流电后，在非磁性次级板会产生斥力并通过压力传感器测量力的大小，并由示波器读取。由于电机初级铁心被固定在托盘上，电机初级无法旋转。电机的相关测试只能在转差率为1的条件下展开。如图7-2所示，输入电流与悬浮力的影响。悬浮力随着输入电流的增大以平方关系增大。测试结果略高于计算值，误差在5%以内。在供电频率50Hz的条件下，考察机械气隙对悬浮力的关系。图7-3可知，悬浮力随气隙的增大而下降。在lOmm气隙以内，悬浮力降幅在16%~27%之间。随着电流的提高，悬浮力的降幅将趋缓，计算结果小于测试结果。
7.2高温超导带材和线圈的临界电流测试
图7-4为临界电流电测法原理图。图7-5为临界电流测试现场。高温超导带材或线圈作为被测样品被浸泡在液筑中，保持温度77 K。样品两端连接有电流引线，高精度直流电源通过电流引线向被测超导样品供电。同时，样品表面烤有电压引线，与纳伏表相连，用于检测样品电压。被测超导样品实际通入电流由200 A/75 mV分流器间接测量。电压和电流测量结果汇总至上位机进行统一处理。对AMSC生产的YBCO高温超导带材进行了测试，带材标定参数见表6-3。经测试，高温超导带材标称临界电流为90A，实测值为105.9 A。测试曲线见图7-6。
8结论与展望
8.1全文结论
旋转磁场电动式磁悬浮具有可以静止悬浮、不需要反馈控制的优点，但永磁旋转磁场电动式磁悬浮重量大、具有机械损耗和噪声，常导旋转磁场电动式磁悬浮也存在通流能力差、产生悬浮力有限的问题。针对这些问题，本文提出了一种高温超导旋转磁场电动式磁悬浮系统方案。方案中采用高温超导绕组代替常导旋转磁场电动式磁悬浮方案中的常导线圈，使其可以通入更大的励磁电流，进而产生较大的悬浮力，实现悬浮。
高温超导旋转磁场电动式磁悬浮方案与德国磁悬浮技术相比，不需要复杂的定位控制技术即可实现悬浮；与日本磁悬浮技术相比，可实现原地悬浮；与永久磁轮悬浮技术相比，没有机械运动，无陀螺仪效应，噪音小等优点；与常导旋转磁场电动式磁悬浮技术相比，可通入更大的励磁电流，可实现电机初级部分的悬浮。高温超导旋转磁场电动式磁悬浮方案系统结构简单、控制简单、可靠性高等优点，具有广泛的应用前景。本文围绕高温超导悬浮电机的电磁机理、力特性、交流损耗，设计方法等进行研究，主要成果如下：
建立了高温超导悬浮电机气隙磁场二维解析模型。该模型可计算电机内部任意位置的磁场分布。利用该模型，分析了转差率、电流幅值、频率等参数对气隙磁场的影响。研究表明，增大电流幅值、频率可有效增大电机气隙磁场。建立了高温超导悬浮电机悬浮力和水平力的解析模型。分析了输入电流幅值、频率、转差率、次级厚度等参数对电机力特性的影响；分析了次级导体板移出时、中部有缝隙时、初级与次级不平行时电机的输出力特性。分析结果表明，提髙电流幅值、频率、转差率等参数可以有效提高电机悬浮力。同时，高温超导电机在平行布置的感应扳上悬浮，具有水平方向的稳定性。
针对高温超导材料存在显著的磁场依赖性和各向异性的问题，建立了高温超导悬浮电机初级铁心槽内部磁场分布解析模型。利用有限元法和解析法计算了槽尺寸、线圈尺寸对高温超导线圈内部磁场的影响并总结出一些规律。计算结果表明，增大槽宽可有效降低线圈受到的垂直磁场进而可提高线圈的临界电流。
参考文献（略）
参考文献（略）