超导磁通钉扎连接作用的数值模拟分析

论文摘要

由于第Ⅱ类高温超导体和永磁体之间磁通钉扎效应的存在,会在两者之间产生磁通钉扎力,该力具有回复力的性质,能够使超导磁通钉扎对实现自稳定,且该力不受恩绍定理的限制,能够实现被动稳定。近年来关于磁通钉扎效应的研究主要关注于其在地面上的应用,但超导磁通钉扎力的这一特性非常适用于航天器的在轨装配,且具有广阔的应用前景,因此具有重大的研究价值。磁通冻结—镜像模型虽然能够很好的解释磁通钉扎效应,但在数值分析过程中却有很多的局限性。本文从麦克斯韦方程组出发,建立了基于矢量磁位的超导磁通钉扎对的微分控制方程,并结合有限元分析软件COMSOL Multiphysics,运用有限元方法模拟了永磁体的磁场分布和圆柱形永磁体和圆柱形超导体之间的磁通钉扎效应,分析了超导态下超导体内的磁场和屏蔽电流的分布,绘制了钉扎力随位移的变化曲线并与实验结果进行了比较,仿真结果和实验结果比较一致。超导体的磁通钉扎能力、永磁体的表磁强度、超导体的临界电流密度、场冷高度、钉扎对轴向间隙、永磁体及超导体的尺寸等因素都会对超导磁通钉扎对的钉扎力造成影响,本文分析了不同条件下的垂直钉扎力和水平钉扎力随位移的变化曲线,得出了各个因素对垂直钉扎力,水平钉扎力及相应刚度的影响规律,证明了磁通钉扎力具有回复力的特性,讨论了超导磁通钉扎对的刚度和稳定性,并对超导磁通钉扎效应应用于航天器在轨对接过程中的时间响应和抗干扰能力做了初步的模拟分析,证明了磁通钉扎效应在航天在轨装配中的适用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.3 国内外研究现状及分析
• 1.3.1 在轨装配方法的研究现状
• 1.3.2 超导磁通钉扎作用模拟分析的研究现状
• 1.4 论文的主要工作与内容安排
• 第2章 超导磁通钉扎作用的有限元分析
• 2.1 有限元法简介
• 2.2 电磁理论基础
• 2.2.1 电磁场的基本方程
• 2.2.2 矢量磁位??A 与电流矢势?T?
• 2.3 超导磁通钉扎对的钉扎作用分析
• 2.3.1 永磁体的表磁强度
• 2.3.2 超导体的磁化
• 2.4 超导磁通钉扎对的控制方程
• 2.4.1 超导电磁本构关系
• 2.4.2 超导体的电导率
• 2.4.3 控制方程的建立
• 2.5 建模与仿真分析
• 2.5.1 永磁体的磁场
• 2.5.2 超导磁通钉扎对的磁场
• 2.6 本章小结
• 第3章 超导磁通钉扎对轴向运动时的钉扎作用分析
• 3.1 钉扎力的计算及钉扎刚度的概念
• 3.2 仿真结果与实验结果的比较
• 3.3 轴向相对运动时的钉扎力和力矩
• 3.4 磁通钉扎作用的影响因素分析
• 3.4.1 场冷高度的影响
• 3.4.2 超导体性能参数的影响
• 3.4.3 永磁体表磁强度的影响
• 3.4.4 超导磁通钉扎对的几何尺寸的影响
• 3.5 超导磁通钉扎对在航天在轨对接中的运用
• 3.6 本章小结
• 第4章 超导磁通钉扎对水平运动时的钉扎作用分析
• 4.1 水平相对运动时的钉扎力和力矩
• 4.2 磁通钉扎作用的影响因素分析
• 4.2.1 场冷高度的影响
• 4.2.2 超导体性能参数的影响
• 4.2.3 永磁体表磁强度的影响
• 4.2.4 钉扎对轴向间隙的影响
• 4.2.5 超导磁通钉扎对几何尺寸的影响
• 4.3 超导磁通钉扎对的抗干扰能力
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢