CN100360337C - 磁浮车辆悬浮磁铁的冷却方法和其装置 - Google Patents

Abstract

一种磁浮车辆悬浮磁铁的冷却方法，利用低温易蒸发的流体吸热气化和冷凝放热的循环，其特征在于：由铜质冷却套直接将悬浮磁铁线圈产生的热量加热该铜质冷却套内的低温易蒸发流体，经管道传输至悬浮磁铁外部的冷凝器，形成一个对悬浮磁铁的热源—线圈进行直接冷却的封闭循环。本发明解决了为提高悬浮能力，在增加悬浮线圈的浮磁电流工况下，确实有效地冷却线圈的技术问题。

Description

磁浮车辆悬浮磁铁的冷却方法和其装置

技术领域：

本发明是关于电磁铁的冷却方法和装置，特别是关于应用于磁浮列车的悬浮磁铁的冷却方法和装置。

背景技术：

城轨磁浮列车依靠安装在转向架上的悬浮磁铁产生悬浮力，来满足载客需求。车辆由直线感应电机与铝感应板相互作用产生的磁推力驱动，达到100～200km/h运行速度。它以低运行噪声、无污染与节能、爬坡能力强、转弯半径小、运行速度高于现有城轨车辆的特点，应用于城市轨道交通。

德国Transrapid的TR04磁浮列车和US005152227A的HSST磁浮列车，其轨道梁的两侧为F形铁磁性轨道，固定在磁浮列车体上的悬浮(兼导向)电磁铁正好置于F形铁磁性轨道下方，且铁芯呈正U形，与F形铁磁性轨道相对。车载电网通电时，电磁铁与轨道之间的电磁吸引力产生足够的车辆载客能力，同时安装在相邻电磁铁之间的间隙传感器连续探测电磁铁与轨道的间距。通过调节电磁铁的励磁电流调整电磁铁与轨道之间的引力，以保持电磁铁与轨道之间的间隙稳定在8.0mm左右，保证列车具有良好的乘坐舒适度。当列车偏离中心线时，U形电磁铁的铁芯与F形轨道错位，两者之间的引力倾斜，此时磁铁产生一个与偏离方向相反的横向分量，迫使列车返回中心线。也就是说，HSST磁浮列车的导向是自动的，不需要导向电磁铁的主动控制。

自1972年日本参考了德国TR04磁浮列车技术，开发研究了HSST中低速(100～250km/h)磁浮列车，由于当时还没有速度达400-500Km/h的TR08高速磁浮列车出现，所以称之为中低速磁浮技术。日本经过长期的研究与论证，确认该技术的可行性与先进性，具有商业应用的价值，可以在城市轨道交通中实用。但是该城轨磁浮车辆的悬浮能力却受到限制，不能满足高峰时较大客运需求。如要通过提高悬浮磁铁的悬浮能力，来提高列车的载客量，将面临一个因磁铁磁密饱和引起悬浮磁铁线圈过热的技术问题。悬浮磁铁线圈的结构决定了限定电流和匝数，从而限定了悬浮能力。如要求在线圈内通过较大电流以满足瞬间的悬浮能力提高，势必会带来线圈过热。如何有效的将悬浮线圈过热产生的热量传导散发到外界大气，成为城轨磁浮车辆的关键技术之一。

经过近30多年的研究，都未能解决悬浮磁铁过热问题。日本JP62-210807专利，提出了在悬浮磁铁的磁极上开设许多几何孔洞，利用列车运行的空气流动冷却悬浮磁铁线圈的技术方案。可是根据日本爱知世博会线的车辆技术资料来看，其现有的磁浮车辆HSST-100L还是没有解决这一问题，其悬浮能力达不到所预期的要求。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种磁浮车辆悬浮磁铁的冷却方法和其装置，解决为提高悬浮能力，在增加悬浮线圈的浮磁电流工况下，确实有效地冷却线圈的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种磁浮车辆悬浮磁铁的冷却方法，利用低温易蒸发的流体吸热气化和冷凝放热的循环，其特征在于：由铜质冷却套直接将悬浮磁铁线圈产生的热量加热该铜质冷却套内的低温易蒸发流体，经管道传输至悬浮磁铁外部的冷凝器，形成一个对悬浮磁铁的热源一线圈进行直接冷却的封闭循环。

进一步，上述的冷却方法还可以包含利用磁浮车辆运行时的气流对悬浮磁铁的铁芯进行直接冷却。

一种使用上述冷却方法的冷却装置是设置在线圈两侧与线圈密切贴合的铜质冷却套、设置在车辆转向架外侧的冷凝器、连接上述的冷却套和冷凝器的传输管构成的密封冷却系统，以及灌注在该密封冷却系统中的流体导热工质。

进一步，该冷却套内部设置有曲折盘绕的流通槽，该流通槽两端分别设置有与传输管相连的管接头。

再进一步，该线圈为双线圈，在该双线圈中间设置有密切贴合的铜质冷却套。

更进一步，在铁芯内侧面设置有翅状的散热器。

又进一步，该散热器是铝质或铜质的。

本发明具有下列特点和有益效果：

1)针对悬浮磁铁加大励磁电流后，线圈发热占主导地位的特点，直接对该发热源进行冷却，极大地提高了冷却效果。

2)由于现有悬浮磁铁线圈的设计与制造决定了在线圈的热量集中在其2/3的高度的范围内，很难将其散发。本发明则巧妙地将冷却套设置其间，直接将线圈所发热量及时输出至冷凝器。

3)对于铁芯因磁涡流产生的热量，采用另加与铁芯内侧面紧密贴合的翅状的散热器，与日本JP62-210807专利在磁板上开设许多孔洞以达风冷的技术方案相比，具有既不影响磁铁结构强度，又大大增加了风冷面积，提高冷却效果的优点。

4)可以极大地提高悬浮能力，提供满足客流高峰时，对悬浮车辆承载能力的要求。

5)本发明不改变现有城轨磁浮列车的原有结构，有利于对现有城轨磁浮列车的升级改造。

6)可采用纯净蒸溜水、酒精、煤油、氟利昴等多种流体作导热工质，具有来源广泛、方便易得的优点。

附图说明：

图1是本发明的冷却工作原理示意图。

图2-3是本发明的冷却装置在磁浮列车上的安装示意图。

图4是图2中标记A的局部放大示意图。

图5是本发明冷却套的结构示意图。

具体实施方式：

请参阅图1所示，本发明利用在主要由冷却套和冷凝器构成的一个封闭系统中流动的导热工质，通过与悬浮磁铁线圈紧密接触的冷却套将悬浮磁铁线圈因励磁电流产生的热量吸收汽化，使该线圈温度下降，而汽化后的导热工质流至冷凝器与外界冷空气进行热交换，将其吸收的汽化潜热放出，又呈液态返流回冷却套重新吸热汽化，如此流体的导热工质不断地在上述封闭系统中进行吸热、放热的循环，将线圈工作中所产生的热量源源不断地输出，使线圈保持低温，允许使用大的励磁电流，从电磁铁的电磁力公式：

$F_L=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\left(\mathrm{NI}\right)}^{2}A}{{\left(2s\right)}^2}(1-\frac{r}{2p})---\left(N\right)$

可见电磁力F_L与线圈匝数N和励磁电流I的平方成正比，而线圈匝数N受车辆整体结构的限制，变动范围有限；如果能有效地克服电磁铁线圈的温升，使励磁电流I加大一倍，在其它条件如磁路间隙S、磁极面积A、磁极宽度P、磁极中心偏差R等相同的情况下则电磁力可以提高3倍。而本发明除了上述线圈的冷却外，还辅以对悬浮磁铁铁芯的风冷冷却，采用附加扩大散热面积冷却器，使其与铁芯密切结合，并用优良的导热材料如铜、铝质金属制造，这样就能将铁芯涡流引起的发热充分的散发到外围的大气中，如此就可进一步的许可悬浮磁铁使用更大的励磁电流I。本发明这种冷却的实际效果，可以使线圈中的励磁电流比无冷却的高2倍。其悬浮能力的增加是十分巨大的，足以克服现有城规磁浮车辆悬浮力不足的缺点，完全能满足客流高峰时，车辆对承载能力的要求。

图2、图3和图4显示了使用本发明冷却方法的冷却装置，它设置在车箱12底部的转向架托臂7上，该转向架托臂7则通过其顶部的空气弹簧10、横向移动装置11与车厢12两侧底部连接。两端设置有F形磁性轨道8的横向轨枕8-1架设在混凝土复合轨道梁8-2上，该两F形铁磁性轨道8顶部平面的铝感应板分别与处于两侧的转向架托臂7下端面上设置的直线感应电机相对。设置在该转向架托臂7内侧下部的悬浮磁铁5则与F形铁磁性轨道8的凸面相对。每个悬浮磁铁单元有四个悬浮磁铁5。该悬浮磁铁5由铁芯1和线圈2构成，铁芯1呈ㄩ形。冷却装置的冷却套3固定在铁芯1上，它与线圈2的两个侧面紧密相贴。该冷却套3(请参阅图5)由具有良好导热性能的铜质材料制造，其内部设置有曲折盘绕的流通槽3-1，该流通槽3-1首尾两端分别设置有管接头3-3；并以其中部的安装孔3-2套设固定在铁芯1的磁厄部分上，然后再绕制线圈2。冷却装置的冷凝器6设置在转向架托臂7外侧，并用管道与冷却套3的两个管接头3-3密封连接，形成一个封闭的冷却系统，在该冷却系统中灌注有低温易蒸发的流体，如纯净蒸溜水、酒精、煤油、氟里昂等作导热工质。当线圈2因励磁电流而发热时，与线圈2侧面紧密相贴的冷却套3有效地吸收该热量，使其中的液态导热工质受热汽化，通过管道流至冷凝器6。由于冷凝器6具有巨大的冷却面积，足以迅速地将热量传输至外界大气，使导热工质放出汽化潜热而冷凝成液态，从管道返流至冷却套3，形成了一个不断循环冷却过程。此外，车辆在行进过程中的气流，加速了冷凝器6的冷却过程。

除了上述的主要由冷却套3和冷凝器6构成的封闭冷却系统外，本发明还在铁芯1的内侧设置有冷却散热器4。该冷却散热器4用具有优良导热性能的铜、铝质材料制造，它有与铁芯1内侧面良好贴合的基体，并在该基体上设置大量的翅片，以扩大散热面积。冷却散热器4能有效及时地将铁芯1中因涡流引起的热量散发至外界大气，加强了整个悬浮磁铁5的冷却效果。

为了更进一步深化本发明降低线圈2工作温度的特点所带来的有益效果，本发明将现有每个悬浮磁铁5上的单一线圈一分为二，改为两个并列的线圈，即所谓的双线圈，除了在该双线圈的两个外侧面分别设置有冷却套3外，在双线圈的中间再设置一个冷却套3，这样就可将原来单一线圈中心部位难以向外传导的热量也能迅速外传，更优化了本发明的冷却方法，冷却的效果更佳。

Claims (8)

1、一种磁浮车辆悬浮磁铁的冷却方法，利用低温易蒸发的流体吸热气化和冷凝放热的循环，其特征在于：由铜质冷却套直接将悬浮磁铁线圈产生的热量加热该铜质冷却套内的低温易蒸发流体，经管道传输至悬浮磁铁外部的冷凝器，形成一个对悬浮磁铁的热源-线圈进行直接冷却的封闭循环。

2、根据权利要求1所述的冷却方法，其特征在于：上述的冷却方法还可以包含利用磁浮车辆运行时的气流对悬浮磁铁的铁芯进行直接冷却。

3、一种使用权利要求1或2所述的冷却方法的城轨磁浮车辆悬浮磁铁的冷却装置，其特征在于：上述冷却方法的冷却装置是设置在线圈两侧与线圈密切贴合的铜质冷却套、设置在车辆转向架外侧的冷凝器、连接上述的冷却套和冷凝器的传输管构成的密封冷却系统，以及灌注在该密封冷却系统中的流体导热工质。

4、根据权利要求3所述的冷却装置，其特征在于：该冷却套内部设置有曲折盘绕的流通槽，该流通槽两端分别设置有与传输管相连的管接头。

5、根据权利要求3所述的冷却装置，其特征在于：该线圈为双线圈，在该双线圈中间设置有密切贴合的铜质冷却套。

6、根据权利要求4所述的冷却装置，其特征在于：该线圈为双线圈，在该双线圈中间设置有密切贴合的铜质冷却套。

7、根据权利要求4、5或6所述的冷却装置，其特征在于：在铁芯内侧面设置有翅状的散热器。

8、根据权利要求7所述的冷却装置，其特征在于：该散热器是铝质或铜质的。

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