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超导磁悬浮有着广阔的应用前景,而决定悬浮系统应用价值的关键因素是悬浮力。目前,有关悬浮力探索大致可分为实验和理论两个领域。有关实验研究已经取得了丰富的成果,基本澄清了超导磁悬浮力的一些表现特征,但实验上仅是对观测数据的统计总结,缺乏明确的理论模型给予指导。尽管目前在理论研究方面已提出不少模型,但多数边界设置与实际应用的超导磁悬浮特征相去甚远,理论研究明显滞后,同时也凸现了理论研究之迫切。
本文通过详细分析超导磁悬浮特征,论述了各理论模型与实际应用情况存在的偏离。这种偏离主要体现在两方面:第一,将超导体视为一个整体与外磁场相互作用,忽略了超导体内部涡旋电流的微观特征;第二,边界设置问题。由于应用于磁悬浮的均为第二类超导体,其对外磁场的响应呈现动态变化,设置边界却严重抑制了超导体对外磁场的动态响应。为了避免以上缺陷,文中取自然边界,并将涡旋电流作为独立的微磁场源,每个涡旋电流元产生一个磁矩元与永磁体相互作用,运用基本电磁场关系确定每个微涡旋产生的悬浮力,经过严格推导,在整个超导体内进行叠加可求解总悬浮力Fz。
为了验证VC理论模型的可靠性,我们运用Fortran语言对Fz进行理论计算,与实验结果进行比较。在计算过程中,各参数设置严格按照实验中给定的相应数值,通过GL方程修正后的计算结果与实验符合甚佳,从而验证了VC模型能恰当反映出超导磁悬浮特征。
从悬浮力的计算结果可以看出,VC理论计算曲线总是和磁滞回线的第二条线相吻合,这是磁滞现象造成的。根据计算结果,我们对磁滞的来源提出了新观点,即超导磁悬浮磁滞可能来源于超导体内的“电磁感应”成份。由于“电磁感应”总是阻碍磁通量发生变化,超导磁悬浮力第一条曲线中包含着这种电磁感应产生的阻碍力,而第二条曲线的反向相对运动所产生的感应电流抵消了第一条曲线的影响,仅仅留下VC产生的悬浮力。在后续的工作中,我们将通过进一步分析建立磁滞解析公式,以期从理论上圆满解决超导磁悬浮及其磁滞问题。