超導(dǎo)-磁懸浮

**1.**超導(dǎo)現(xiàn)象

超導(dǎo)現(xiàn)象是指材料在低于某一溫度時，電阻變?yōu)榱愕默F(xiàn)象，如圖1所示，而這一溫度稱為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(Tc)。超導(dǎo)現(xiàn)象的特征是零電阻和完全抗磁性，因此超導(dǎo)現(xiàn)象在生活中應(yīng)用廣泛。

圖1超導(dǎo)懸浮

超導(dǎo)態(tài)有兩個基本特征，電阻效應(yīng)是超導(dǎo)態(tài)的基本特征之一。由正常導(dǎo)體組成的回路是有電阻的，而電阻意味著電能的損耗，即電能轉(zhuǎn)化為熱。這樣，如果沒有電源不斷地向回路補充能量，回路中的電能在極短時間(例如微秒)里全部消耗完，電流衰減到零。如果回路沒有電阻，自然就沒有電能的損耗。一旦在回路中激勵起電流，不需要任何電源向回路補充能量，電流可以持續(xù)地存在下去。

抗磁性是超導(dǎo)態(tài)的另一個基本特征，又稱邁斯納（Meissner）效應(yīng)。即在磁場中一個超導(dǎo)體只要處于超導(dǎo)態(tài)，則它內(nèi)部產(chǎn)生的磁化強度與外磁場就會完全抵消，從而內(nèi)部的磁感應(yīng)強度為零。也就是說，磁力線完全被排斥在超導(dǎo)體外面。

超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體稱之為“超導(dǎo)體”。超導(dǎo)體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱作零電阻效應(yīng)。導(dǎo)體沒有了電阻，電流流經(jīng)超導(dǎo)體時就不發(fā)生熱損耗，電流可以毫無阻力地在導(dǎo)線中形成強大的電流，從而產(chǎn)生超強磁場。

2、 高溫超導(dǎo)磁懸浮

高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)利用非理想第二類高溫超導(dǎo)體在混合態(tài)中的磁通釘扎效應(yīng)特性及抗磁性而實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮。高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)主要由超導(dǎo)體和永磁體組成，如圖2所示。其中超導(dǎo)體進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，而永磁體提供外磁場。超導(dǎo)體在永磁體的非均勻外場中位移產(chǎn)生阻礙相對運動的回復(fù)力帶來懸浮現(xiàn)象。

目前工程項目中，超導(dǎo)體主要采用釔鋇銅氧材料（YBa2Cu3O7-x，簡稱YBCO），由灌注在低溫容器中的液氮進(jìn)行冷卻；而外磁場主要由釹鐵硼（NdFeB）永磁體依據(jù)Halbach陣列排列而成的永磁軌道（Permanent magnetic guideway, PMG）提供。

圖2高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)

3、 高溫超導(dǎo)磁懸浮應(yīng)用

1） 高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承

超導(dǎo)磁懸浮軸承通常由定轉(zhuǎn)子、冷卻系統(tǒng)和絕熱部分等組成，由于塊材需要進(jìn)行冷卻，所以一般將超導(dǎo)塊材或需要電源供電部分作為軸承定子，將永磁體或結(jié)構(gòu)簡單不需單獨供電部分作為轉(zhuǎn)子，如圖3所示。

高溫超導(dǎo)磁浮軸承較其它軸承有更多的優(yōu)點：沒有機(jī)械接觸，轉(zhuǎn)子運行的轉(zhuǎn)速很高，最高可達(dá)520000rpm，磨損小、噪聲低、無需潤滑、沒有油污染、使用壽命長、無需外在控制，特別適用于高速、真空、航天等特殊的應(yīng)用環(huán)境中

圖3高溫軸向超導(dǎo)磁懸浮軸承原理磁懸浮現(xiàn)象

軸向型SMB結(jié)構(gòu)較為簡單，懸浮力方向與旋轉(zhuǎn)軸方向平行，該型軸承易于設(shè)計與制造，如圖4所示（a），（b）

（a）超導(dǎo)定子 (b)永磁轉(zhuǎn)子

圖4軸向超導(dǎo)軸承

徑向型高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承主要分為內(nèi)置永磁轉(zhuǎn)子式與外置永磁轉(zhuǎn)子式，懸浮力方向與旋轉(zhuǎn)軸方向垂直，轉(zhuǎn)子由若干對極軸向充磁的永磁環(huán)和聚磁鐵環(huán)組成，通常轉(zhuǎn)子永磁環(huán)與定子為圓筒狀結(jié)構(gòu)，所以要將塊材表面打磨成圓弧面后拼接成圓環(huán)，而超導(dǎo)塊材為陶瓷材料，加工較為困難，所以徑向型超導(dǎo)軸承的研制難度要大于軸向型超導(dǎo)軸承如圖5所示。

圖5徑向超導(dǎo)軸承

2**）高溫超導(dǎo)磁懸浮列車**

高溫超導(dǎo)釘扎磁懸浮列車的懸浮是通過放置在車體底部的高溫超導(dǎo)體與永磁軌道相互作用實現(xiàn)的，這種現(xiàn)象稱為磁通釘扎效應(yīng)，如圖6所示，永磁軌道為高溫超導(dǎo)體提供磁源，將高溫超導(dǎo)體固定于永磁體之上，兩者之間留有一段距離，然后加液氮冷卻。低溫處理高溫超導(dǎo)體之前外磁場可自由通過高溫超導(dǎo)體，而低溫處理高溫超導(dǎo)體之后永磁體的磁場被高溫超導(dǎo)體的釘扎點捕獲固定，使兩者呈現(xiàn)一種非接觸穩(wěn)定的連接，即能夠使高溫超導(dǎo)體穩(wěn)定懸浮在永磁體之上，關(guān)于外磁場在正常態(tài)高溫超導(dǎo)體中的分布，如圖7所示。

圖6高溫超導(dǎo)體釘扎效應(yīng)

圖7外磁場在正常態(tài)高溫超導(dǎo)體中的分布

高溫超導(dǎo)體在生長過程中內(nèi)部含有晶體缺陷和人為添加的雜質(zhì)，使得高溫超導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生可以束縛磁場的釘扎點，即能夠捕獲磁軌的部分磁場，同時另一部分磁場又被阻止在高溫超導(dǎo)體的外部而無法滲入內(nèi)部，此時高溫超導(dǎo)體與磁軌在初始的場冷高度下保持非接觸連接狀態(tài)（無重力影響）。

一旦釋放高溫超導(dǎo)體，受其重力的影響會向下輕微移動，由于外磁場具有梯度，高溫超導(dǎo)體因外磁場的變化而感生出強電流，進(jìn)而形成磁場，此時永磁軌道的磁場與其相反，兩者相互作用產(chǎn)生的斥力即可認(rèn)定為懸浮力。當(dāng)這種斥力與自身的重力相等時，高溫超導(dǎo)體可以無任何支撐地懸浮于磁軌上方，同時高溫超導(dǎo)體捕獲磁通的能力使其具備導(dǎo)向力，因此可以使車載高溫超導(dǎo)體的磁懸浮列車沿軌道縱向無摩擦地運行，如圖8所示。

圖8超懸浮列車