一种超导重力仪磁悬浮力的等效计算

发布时间：2021-08-24 22:20

　　为实现超导重力仪磁悬浮力的精确计算,以GWR型超导重力仪为模型基础,采用有限元的思想,将超导球表面电流理想化为多个等高共轴电流环,计算出各个电流环与超导线圈的作用力,求和得到线圈与超导球间的磁悬浮力。利用MATLAB完成计算程序实现,通过改变下线圈电流和上、下线圈电流比,获得满足一定条件的磁悬浮力及其梯度。选取合适的模型参数,计算出线圈对质量为m=4.069 g超导球的磁悬浮力大小为:F_total=3.988×10^-2N,磁悬浮力梯度为:-9.699×10^-3N/m,此时悬浮力梯度合适,满足系统稳定性和灵敏度的要求。 

【文章来源】：低温与超导. 2020,48(03)北大核心

【文章页数】：5 页

【部分图文】：

超导重力仪磁悬浮系统结构示意图

图1 超导重力仪磁悬浮系统结构示意图本文利用有限元思想,沿超导球轴线方向等间隔的将超导球表面电流划分为共轴紧密排列的电流环,这些电流环关于球中心平面上下对称。为了简化计算过程,暂不考虑线圈之间的互感导致的能量损耗对磁悬浮力大小的影响。首先计算出各电流环上的电流,再计算线圈与各个电流环间的作用力,并将其叠加得到上下线圈对超导球的磁悬浮力。该模型求解流程如图2所示。

依据超导体迈斯纳效应,电流环与线圈间是相互排斥的作用力,规定竖直向上为正方向,当超导球中心在线圈中心的上方时,H为正值;当超导球中心在线圈中心的下方时,H为负值。取合适的模型参数得到磁悬浮力与悬浮高度、线圈电流变化关系曲线如图3所示。当超导球中心与线圈中心间距不断增大时,超导球所受到的磁悬浮力先增大后减小;仅改变线圈电流的大小,磁悬浮力随着电流的增大而增大。在理想状态下只有当超导球的位置处于悬浮力梯度为负的范围内时,超导球才能够稳定悬浮,即此时超导球应处于H轴正半轴峰值点右侧。仅考虑一个线圈的作用,不能同时满足超导球悬浮所需的磁悬浮力和为磁悬浮系统提供理想的悬浮力梯度的条件,达不到系统高稳定性和高灵敏度的要求。因此,需要增加上线圈来调节悬浮力梯度,使得系统既可以提供足够的磁悬浮力,又可以产生理想的磁悬浮力梯度。

【参考文献】：
期刊论文
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硕士论文
[1]超导重力仪器中超导线圈有效电感与间距关系的研究[D]. 任小龙.华中科技大学 2016
[2]载流线圈与迈斯纳超导体相互作用的有限元计算[D]. 赵坤雷.华中科技大学 2016



本文编号：3360819