高溫超導(dǎo)磁懸浮智能優(yōu)化算法及其應(yīng)用.pdf

1、高溫超導(dǎo)磁懸浮由于其自穩(wěn)定、低能耗等優(yōu)點，在磁懸浮軸承、飛輪儲能、軌道交通等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。載人高溫超導(dǎo)磁懸浮車的懸浮系統(tǒng)主要由平移對稱式永磁軌道和懸浮在其上方的高溫超導(dǎo)塊材組成。懸浮系統(tǒng)的成本是阻礙載人高溫超導(dǎo)磁懸浮車進入工程應(yīng)用的重要因素之一，因此對懸浮系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計是一項非常重要的工作。過去的優(yōu)化工作主要分為實驗測試和數(shù)值計算兩個方面。數(shù)值計算可以進行大規(guī)模定量的仿真分析，具有實驗測試所不具備的優(yōu)點。已有的數(shù)值優(yōu)化工作很

2、少采用全局的智能優(yōu)化算法，或者只采用磁懸浮簡化的解析模型結(jié)合智能優(yōu)化算法，本論文首次將高溫超導(dǎo)磁懸浮二維模型和智能優(yōu)化算法結(jié)合一起對高溫超導(dǎo)磁懸浮優(yōu)化設(shè)計進行研究。
　　本論文首先推導(dǎo)基于矢量磁位法的高溫超導(dǎo)磁懸浮二維模型，然后詳細介紹該模型的電磁控制方程的空間域離散和時間域離散的過程，并且簡要介紹了JFNK法求解非線性有限元方程組的方法，實驗測試驗證了該模型的有效性和準確性。
　　在分析比較幾種常用的隨機全局智能優(yōu)化算法的

3、基礎(chǔ)上，決定采用遺傳算法對高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)進行智能優(yōu)化設(shè)計?？紤]遺傳算法內(nèi)在的并行性和主從式并行計算模型，采用OpenMP并行編程模型對串行優(yōu)化程序進行了改進。對一種簡單的單超導(dǎo)塊材的磁懸浮系統(tǒng)優(yōu)化后結(jié)果分析，表明懸浮力和垂向穩(wěn)定性都得到了大幅度的提高，同時并行程序的計算時間比原串行程序計算時間減少四分之三。
　　利用上述優(yōu)化算法，分別對由單塊和多塊的高溫超導(dǎo)塊材與兩種不同的Halbach型永磁軌道組成的懸浮系統(tǒng)進行了優(yōu)化研究。

4、結(jié)果表明，有限元的計算參數(shù)（包括超導(dǎo)體的剖分密度和時步法的時間步長）和超導(dǎo)塊材的臨界電流密度只影響最后優(yōu)化的懸浮力的大小，并不影響優(yōu)化得到的永磁軌道的尺寸。超導(dǎo)體的工作高度和幾何尺寸對優(yōu)化后的永磁軌道的尺寸參數(shù)有決定性的影響。綜合結(jié)果說明隨著永磁軌道體積的增大，超導(dǎo)塊材工作區(qū)域下方的永磁的尺寸幾乎保持穩(wěn)定，而區(qū)域外的永磁塊和永磁軌道的厚度才會隨之增大。在尋求系統(tǒng)最高性價比的條件下，存在一個最佳厚度，同時應(yīng)盡量增大超導(dǎo)塊材的寬度。永磁軌道

5、的體積應(yīng)和超導(dǎo)塊材有一個合理的搭配。對于多塊超導(dǎo)塊材的情況，在以最大化系統(tǒng)的懸浮力為目標函數(shù)時，系統(tǒng)的導(dǎo)向力在一定情況下也會隨之提高。
　　高溫超導(dǎo)磁懸浮需要大尺寸的高溫超導(dǎo)塊材，因此多籽晶高溫超導(dǎo)塊材成為目前首選。針對多籽晶超導(dǎo)塊材存在的晶間電流和晶內(nèi)電流在仿真計算中的的困難，本文采用考慮籽晶間的磁耦合的方法仿真晶間電流，計算和測試結(jié)果對比表明在場冷的條件下與實驗測試結(jié)果比較吻合。針對下一步大載重的載人高溫超導(dǎo)磁懸浮車的設(shè)計，提