超导磁通钉扎连接作用的数值模拟分析

【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。