超导-磁悬浮

**1.**超导现象

超导现象是指材料在低于某一温度时，电阻变为零的现象，如图1所示，而这一温度称为超导转变温度(Tc)。超导现象的特征是零电阻和完全抗磁性，因此超导现象在生活中应用广泛。

图1超导悬浮

超导态有两个基本特征，电阻效应是超导态的基本特征之一。由正常导体组成的回路是有电阻的，而电阻意味着电能的损耗，即电能转化为热。这样，如果没有电源不断地向回路补充能量，回路中的电能在极短时间(例如微秒)里全部消耗完，电流衰减到零。如果回路没有电阻，自然就没有电能的损耗。一旦在回路中激励起电流，不需要任何电源向回路补充能量，电流可以持续地存在下去。

抗磁性是超导态的另一个基本特征，又称迈斯纳（Meissner）效应。即在磁场中一个超导体只要处于超导态，则它内部产生的磁化强度与外磁场就会完全抵消，从而内部的磁感应强度为零。也就是说，磁力线完全被排斥在超导体外面。

超导状态的导体称之为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应。导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流，从而产生超强磁场。

2、 高温超导磁悬浮

高温超导磁悬浮系统利用非理想第二类高温超导体在混合态中的磁通钉扎效应特性及抗磁性而实现稳定悬浮。高温超导磁悬浮系统主要由超导体和永磁体组成，如图2所示。其中超导体进入超导态，而永磁体提供外磁场。超导体在永磁体的非均匀外场中位移产生阻碍相对运动的回复力带来悬浮现象。

目前工程项目中，超导体主要采用钇钡铜氧材料（YBa2Cu3O7-x，简称YBCO），由灌注在低温容器中的液氮进行冷却；而外磁场主要由钕铁硼（NdFeB）永磁体依据Halbach阵列排列而成的永磁轨道（Permanent magnetic guideway, PMG）提供。

图2高温超导磁悬浮系统

3、 高温超导磁悬浮应用

1） 高温超导磁悬浮轴承

超导磁悬浮轴承通常由定转子、冷却系统和绝热部分等组成，由于块材需要进行冷却，所以一般将超导块材或需要电源供电部分作为轴承定子，将永磁体或结构简单不需单独供电部分作为转子，如图3所示。

高温超导磁浮轴承较其它轴承有更多的优点：没有机械接触，转子运行的转速很高，最高可达520000rpm，磨损小、噪声低、无需润滑、没有油污染、使用寿命长、无需外在控制，特别适用于高速、真空、航天等特殊的应用环境中

图3高温轴向超导磁悬浮轴承原理磁悬浮现象

轴向型SMB结构较为简单，悬浮力方向与旋转轴方向平行，该型轴承易于设计与制造，如图4所示（a），（b）

（a）超导定子 (b)永磁转子

图4轴向超导轴承

径向型高温超导磁悬浮轴承主要分为内置永磁转子式与外置永磁转子式，悬浮力方向与旋转轴方向垂直，转子由若干对极轴向充磁的永磁环和聚磁铁环组成，通常转子永磁环与定子为圆筒状结构，所以要将块材表面打磨成圆弧面后拼接成圆环，而超导块材为陶瓷材料，加工较为困难，所以径向型超导轴承的研制难度要大于轴向型超导轴承如图5所示。

图5径向超导轴承

2**）高温超导磁悬浮列车**

高温超导钉扎磁悬浮列车的悬浮是通过放置在车体底部的高温超导体与永磁轨道相互作用实现的，这种现象称为磁通钉扎效应，如图6所示，永磁轨道为高温超导体提供磁源，将高温超导体固定于永磁体之上，两者之间留有一段距离，然后加液氮冷却。低温处理高温超导体之前外磁场可自由通过高温超导体，而低温处理高温超导体之后永磁体的磁场被高温超导体的钉扎点捕获固定，使两者呈现一种非接触稳定的连接，即能够使高温超导体稳定悬浮在永磁体之上，关于外磁场在正常态高温超导体中的分布，如图7所示。

图6高温超导体钉扎效应

图7外磁场在正常态高温超导体中的分布

高温超导体在生长过程中内部含有晶体缺陷和人为添加的杂质，使得高温超导体内部产生可以束缚磁场的钉扎点，即能够捕获磁轨的部分磁场，同时另一部分磁场又被阻止在高温超导体的外部而无法渗入内部，此时高温超导体与磁轨在初始的场冷高度下保持非接触连接状态（无重力影响）。

一旦释放高温超导体，受其重力的影响会向下轻微移动，由于外磁场具有梯度，高温超导体因外磁场的变化而感生出强电流，进而形成磁场，此时永磁轨道的磁场与其相反，两者相互作用产生的斥力即可认定为悬浮力。当这种斥力与自身的重力相等时，高温超导体可以无任何支撑地悬浮于磁轨上方，同时高温超导体捕获磁通的能力使其具备导向力，因此可以使车载高温超导体的磁悬浮列车沿轨道纵向无摩擦地运行，如图8所示。

图8超悬浮列车