CN101620799A - 高温超导磁悬浮列车实验装置 - Google Patents

Abstract

一种高温超导磁悬浮列车实验装置，在底座上设置有支柱，支柱的上端设置有永久磁体轨道，永久磁体轨道上方悬浮有超导磁悬浮小车，本发明的永久磁体轨道为至少开1个口的环形永久磁体轨道，在底座上还设置有位于每一个环形永久磁体轨道开口处的磁路调制器。磁路调制器的永久磁体的排列组合形式，可通过旋转固定有磁路单元的磁体安装板改变。给悬浮在环形永久磁体轨道上的超导磁悬浮小车一个很小的推动力，超导磁悬浮小车沿轨道方向平稳运动，在经过磁路调制器上方时，小车的运动状态与磁路调制器上嵌入环形永久磁体轨道开口处的磁路单元的磁体排列方式密切相关。

Description

高温超导磁悬浮列车实验装置

技术领域

本发明属于磁场与磁力演示装置技术领域，具体涉及到高温超导磁悬浮列车轨道的磁场分布对磁悬浮力、导向力影响的实验和演示装置。

背景技术

传统的铁路列车都是依靠蒸汽、燃油、电力等各类机车作为牵引动力，车轮和钢轨之间的相互作用作为运行导向，由铁路线路承受压力，借助于车轮沿着钢轨滚动前进。磁悬浮列车则是一种依靠电磁场特有的“同性相斥、异性相吸”的特性将车辆托起，使整个列车悬浮在轨道上，利用电磁力进行导向，并利用直线电机将电能直接转换成推进力来推动列车前进的交通运输工具。磁悬浮列车的突出优点是速度快、噪声污染轻、能源消耗小以及安静舒适等。世界许多工业发达国家为占领技术制高点，争夺未来的国际市场，在这一技术领域投入很多人力和经费进行研究和开发，并取得了重大发展。

磁悬浮列车可分为以下两种。一种是常导电磁吸引式磁悬浮列车，它是利用装在车身下的电磁铁和轨道上的电磁铁产生的异性磁极相互吸引力的原理将列车悬起，悬空运行，悬浮的气隙较小，一般在10毫米左右，再由直线电动机驱动前进，这种结构又称电磁式悬浮。其技术特点是常导电磁铁比较容易控制，通常由蓄电池或发电设备给电磁铁和直线电机提供电力，实现列车的悬浮和驱动。但由于这种常导系统的电磁吸引力相对较小，列车悬浮的高度约10毫米，故控制精度要求很高，这种列车以德国的TR型磁悬浮列车为代表。另一种是超导推斥型磁悬浮列车，超导磁悬浮列车由车上的超导磁体产生极强的磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电动斥力将列车悬起，将列车悬浮在空中，悬浮气隙较大，一般为100毫米左右，速度可达每小时580公里以上。但超导技术相当复杂，并需屏蔽发散的强磁场。这种车以日本山梨线的MLU型车为代表。

利用高温超导磁悬浮原理制作的磁悬浮列车模型已有报道，其中我国西南交通大学研制的列车是世界上第一辆载人高温超导磁悬浮实验车系统。此高温超导磁悬浮实验车采用高温超导块材，在液氮温度条件下(77K)，底部3毫米厚的车载薄底液氮低温容器可以连续工作超过6小时，悬浮总重量530公斤，可载5人，悬浮净高度23毫米，稳定性较好，悬浮刚度较高。该“车”的永磁导轨长15.5米，用直线电机推进，加速度1米/秒²，它是迄今为止世界上悬浮重量最大的载人“高温超导磁悬浮实验车”。但是这辆高温超导磁悬浮实验车制造工艺复杂，耗资大，而且形体巨大，不能普及到一般的高校实验室和展览馆，因此无法让更多的人亲眼看到列车运行和演示。目前，已有的小型高温超导磁悬浮实验车模型只能让人们有一个感性的认识，远不能满足高等学校、重点中学老师和同学对该系统的详细了解，特别是超导磁悬浮小车1与永磁轨道磁体的排列组合形式之间的相互作用规律，所以非常需要有一套技术含量高的多功能高温超导磁悬浮列车实验和演示装置，让老师、学生和广大群众能够了解轨道的磁场分布对超导磁悬浮列车的磁悬浮力和导向力的影响等关键技术。

形体较小的超导磁悬浮列车演示装置目前国内也有报道，发明人所在的课题组已授权的专利号为ZL200610104563.0、发明名称为《高温超导磁悬浮列车实验和演示装置》，北京同方辰源科技发展中心研制的THP-1型超导磁悬浮演示装置，北京英纳研制的超导磁悬浮车演示模型等。这些实验装置都是利用超导体的抗磁性使高温超导体悬浮在永磁轨道上。THP-1型超导磁悬浮演示装置是一台高临界温度超导体磁悬浮列车物理课堂演示装置，该装置为一个盛放高温度超导体的模型列车，在具有磁束缚的封闭磁轨道上方悬浮，或在磁轨道下方倒挂“悬挂”，并可在旋转磁场加速装置作用下，沿着长度约为1.7m的封闭磁轨道，以悬浮或倒挂状态无摩擦地连续运转。高温超导磁悬浮演示装置是一种适用于大、中、科技馆、少年宫等单位的展示和教学等用超导教学仪器。

专利号为ZL200610104563.0、发明名称为《高温超导磁悬浮列车实验和演示装置》，采用直线电机为动力装置，并采用控制器控制直线电机以及磁悬浮小车的运转，能较好地演示磁悬浮列车磁悬浮原理以及直线电机驱动磁悬浮列车的运行状态。实验和演示装置的主要缺点是结构复杂，只能演示磁悬浮列车的沿轨道匀速或加速运动，不能演示倾斜、跳跃、颠簸、减速或停止等运动情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述超导磁悬浮车试验和演示装置的缺点，提供一种设计合理、结构简单、体积小、演示直观、演示效果好的的高温超导磁悬浮列车实验装置。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在底座上设置有支柱，支柱的上端设置有永久磁体轨道，永久磁体轨道上方悬浮有超导磁悬浮小车，本发明的永久磁体轨道为至少开1个口的环形永久磁体轨道，在底座上还设置有位于每一个环形永久磁体轨道开口处的磁路调制器。

本发明的磁路调制器为：磁路调制器支架设置在底座上，磁路调制器支架上至少设置有1片磁体安装板，每片磁体安装板的轴向加工有定为孔Φ，定为孔Φ内设置有安装在磁路调制器支架上的定位销，在每片磁体安装板外侧面上设置有控制磁体吸附板，控制磁体吸附板上至少设置有1个外部安装有控制磁体护板的磁路单元。

本发明的磁路单元由与永久磁体轨道排数相同的永久磁体数目排列构成，永久磁体的极性沿径向排列，一块永久磁体外端的极性与相邻一块永久磁体外端的极性相同或相反。

本发明的磁体安装板为正多边形非导磁材料板。

本发明采用了开口的环形永久磁体轨道，在环形永久磁体轨道开口处设置至少1个磁路调制器，磁路调制器的永久磁体的排列组合形式，可通过旋转固定有磁路单元的磁体安装板改变。给悬浮在环形永久磁体轨道上的超导磁悬浮小车一个很小的推动力，超导磁悬浮小车就会沿轨道方向平稳运动，在经过磁路调制器上方时，小车的运动状态与磁路调制器上嵌入环形永久磁体轨道开口处的磁路单元的磁体排列方式密切相关。磁路调制器中各磁路单元内永久磁体排列形式的变化，会使超导磁悬浮小车出现沿轨道稳定悬浮运行或失稳或倾斜或跳跃或震荡或减速或停止等多种运动形式。本发明具有设计合理、结构简单、体积小、演示直观、演示效果好等优点，可作为大学、中学、科技馆磁悬浮列车的实验和演示仪器。

附图说明

图1是本发明一个实施例的主视图。

图2是图1的左视图。

图3是图1的俯视图。

图4是图1中磁路调制器2的结构示意图。

图5是图4的左视图。

图6是磁路单元2-1与磁体安装板2-7的联结示意图。

图7是实施例1磁路单元2-1的永久磁体磁极排列图。

图8是实施例2磁路单元2-1的永久磁体磁极排列图。

图9是实施例3磁路单元2-1的永久磁体磁极排列图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1～3中，本实施例的高温超导磁悬浮列车实验装置由超导磁悬浮小车1、磁路调制器2、轨道磁体护板3、轨道磁体附着板4、轨道垫板5、支柱6、底座7、外圈磁体8、中圈磁体9、内圈磁体10联接构成。

在底座7上用螺纹紧固联接件固定联接有支柱6，支柱6的上端用螺纹紧固联接件固定联接有轨道垫板5，轨道垫板5为椭圆环形板，轨道垫板5上用螺纹紧固联接件固定联接有轨道磁体附着板4，轨道磁体附着板4的形状与轨道垫板5的形状完全相同，轨道磁体附着板4用铁磁材料或钢材料制成，轨道磁体附着板4上吸附有内圈磁体10、中圈磁体9、外圈磁体8，内圈磁体10、中圈磁体9、外圈磁体8在轨道磁体附着板4上的排列次序与专利号为ZL200610104563.0发明名称为《高温超导磁悬浮列车实验和演示装置》的磁性轨道完全相同，内圈磁体10、外圈磁体8的两侧吸附有轨道磁体护板3，轨道磁体护板3、轨道磁体附着板4、轨道垫板5、内圈磁体10、中圈磁体9、外圈磁体8联接构成本实施例开口的椭圆环形永久磁轨道。在底座7上用螺纹紧固联接件固定联接有磁路调制器2，磁路调制器2的上端正好位于椭圆环形永久磁轨道的开口处、且上表面与椭圆环形永久磁轨道上表面在同一平面内。在开口的椭圆环形永久磁轨道上方悬浮有超导磁悬浮小车1，超导磁悬浮小车1的结构与专利号为ZL200610104563.0、发明名称为《高温超导磁悬浮列车实验和演示装置》的超导磁悬浮小车的结构完全相同。

图4、5、6给出了本实施例磁路调制器2的结构示意图。在图4、5、6中，本实施例的磁路调制器2由磁路单元2-1、控制磁体护板2-2、控制磁体吸附板2-3、转轴2-4、定位销2-5、磁路调制器支架2-6、磁体安装板2-7联接构成。磁路调制器支架2-6用螺纹紧固联接件固定联接在底座7上，磁体安装板2-7的形状为正八边形，磁体安装板2-7用非导磁材料制成，本实施例的磁体安装板2-7用胶木非导磁材料制成，磁体安装板2-7的中心位置安装有转轴2-4，转轴2-4上安装有6片磁体安装板2-7，转轴2-4安装在磁路调制器支架2-6上，将6片磁体安装板2-7安装在磁路调制器支架2-6，每片磁体安装板2-7可在磁路调制器支架2-6上转动，在每片磁体安装板2-7的轴向均部加工有8个定为孔Φ，6片磁体安装板2-7在磁路调制器支架2-6上随机变化的位置确定之后，在定为孔Φ内穿插定位销2-5，定位销2-5安装在磁路调制器支架2-6上，将磁体安装板2-7固定在磁路调制器支架2-6上。在每片磁体安装板2-7外侧面上用螺纹紧固联接件固定联接有控制磁体吸附板2-3，控制磁体吸附板2-3上吸附有1个磁路单元2-1，磁路单元2-1的外部安装有控制磁体护板2-2，控制磁体护板2-2用螺纹紧固联接件固定联接在磁体安装板2-7外侧面上，控制磁体护板2-2用于防止磁路单元2-1掉落，本实施例的磁路单元2-1由3块永久磁体随机排列组成，永久磁体的极性沿径向排列。磁体安装板2-7每个外侧面的控制磁体吸附板2-3上固定的磁路单元2-1的磁体排列方式不同。将磁路调制器2用螺纹紧固联接件固定联接在底座7上，使其上部位于椭圆环形永久磁轨道的开口处，磁路调制器2的外表面形成的新组合磁体与开口的椭圆环形永久磁轨道形成一个闭合的椭圆环形永久磁轨道，通过旋转、选择每个磁路单元2-1永久磁体外表面排列方式，可改变该段的磁体排列组合形式，超导磁悬浮小车1的运动状态发生变化。

图7给出了本实施例磁路调制器2安装在开口的椭圆环形永久磁轨道的开口处磁路单元2-1永久磁体的磁极排列图。在图7中，磁路调制器2的6片磁体安装板2-7外侧面上磁路单元2-1中间一排永久磁体的磁极相同、内圈一排永久磁体磁极相同、外圈一排永久磁体磁极相同，中间一排永久磁体磁极与内圈一排永久磁体磁极相同或相反，中间一排永久磁体磁极与外圈一排永久磁体磁极相同或相反。

在图7a中，开口的椭圆环形永久磁轨道的内圈磁体10的上端为N极、中圈磁体9的上端为S极、外圈磁体8的上端为N极，磁路调制器2的6片磁体安装板2-7上设置的永久磁体的磁极与开口的椭圆环形永久磁轨道的磁极相同；超导磁悬浮小车1可以在磁路调制器2构成的永磁轨道段稳定悬浮并沿轨道无阻运行。在图7b中，磁路调制器2的6片磁体安装板2-7一侧面上设置的内排永久磁体的磁极与内圈磁体10的磁极相反、中排永久磁体的磁极与中圈磁体9的磁极相同、外排永久磁体的磁极与外圈磁体8的磁极相同；超导磁悬浮小车1将在磁路调制器2构成的永磁轨道段出现较慢的减速并内侧倾斜情况。在图7c中，磁路调制器2的6片磁体安装板2-7一侧面上设置的内排永久磁体的磁极与内圈磁体10的磁极相同、中排永久磁体的磁极与中圈磁体9的磁极相同、外排永久磁体的磁极与外圈磁体8的磁极相反；超导磁悬浮小车1将在磁路调制器2构成的永磁轨道段出现较慢的减速并外侧倾斜情况。在图7d中，磁路调制器2的6片磁体安装板2-7一侧面上设置的内排永久磁体的磁极与内圈磁体10的磁极相反、中排永久磁体的磁极与中圈磁体9的磁极相反、外排永久磁体的磁极与外圈磁体8的磁极相同；超导磁悬浮小车1将在磁路调制器2构成的永磁轨道段出现较快的减速并内侧倾斜情况。在图7e中，磁路调制器2的6片磁体安装板2-7一侧面上设置的内排永久磁体的磁极与内圈磁体10的磁极相同、中排永久磁体的磁极与中圈磁体9的磁极相反、外排永久磁体的磁极与外圈磁体8的磁极相反；超导磁悬浮小车1将在磁路调制器2构成的永磁轨道段出现较快的减速并外侧倾斜情况。在图7f中，磁路调制器2的6片磁体安装板2-7一侧面上设置的内排永久磁体的磁极与内圈磁体10的磁极相反、中排永久磁体的磁极与中圈磁体9的磁极相反、外排永久磁体的磁极与外圈磁体8的磁极相反；超导磁悬浮小车1将在磁路调制器2构成的永磁轨道段出现更快的减速并降低悬浮高度。在图7g中，磁路调制器2的6片磁体安装板2-7一侧面上设置的内排永久磁体的磁极与内圈磁体10的磁极相同、中排永久磁体的磁极与中圈磁体9的磁极相反、外排永久磁体的磁极与外圈磁体8的磁极相同；超导磁悬浮小车1将在磁路调制器2构成的永磁轨道段出现较快的减速和不稳定状态。在图7h中，磁路调制器2的6片磁体安装板2-7一侧面上设置的内排永久磁体的磁极与内圈磁体10的磁极相反、中排永久磁体的磁极与中圈磁体9的磁极相同、外排永久磁体的磁极与外圈磁体8的磁极相反；超导磁悬浮小车1将在磁路调制器2构成的永磁轨道段出现快速的减速和不稳定状态。

实施例2

图8给出了本实施例磁路调制器2安装在开口的椭圆环形永久磁轨道的开口处磁路单元2-1永久磁体的磁极排列图。在图8中，磁路调制器2的6片磁体安装板2-7外表面上磁路单元2-1每一列永久磁体的磁极相同，一列永久磁体磁极与相邻一列永久磁体磁极相同或相反。

在图8a中，磁路调制器2的6片磁体安装板2-7一侧面上设置的左侧一列永久磁体的磁极为N极，相邻一列永久磁体的磁极为S极，其余4列N极S交错排列。在图8b中，磁路调制器2的6片磁体安装板2-7一侧面上设置的左侧一列永久磁体的磁极为S极，相邻两列永久磁体的磁极为N极，后三列永久磁体的磁极与前三列永久磁体的磁极相同。在图8c中，磁路调制器2的6片磁体安装板2-7一侧面上设置的左侧两列永久磁体的磁极为N极，相邻一列永久磁体的磁极为S极，后三列永久磁体的磁极与前三列永久磁体的磁极相同。在图8d中，磁路调制器2的6片磁体安装板2-7一侧面上设置的左侧第二列永久磁体的磁极为N极，相邻两列永久磁体的磁极为S极，后三列永久磁体的磁极与前三列永久磁体的磁极相同。在图8e中，磁路调制器2的6片磁体安装板2-7一侧面上设置的左侧两列永久磁体的磁极为S极，左侧第三列永久磁体的磁极为N极，后三列永久磁体的磁极与前三列永久磁体的磁极相同。在图8f中，磁路调制器2的6片磁体安装板2-7一侧面上设置的左侧一列永久磁体的磁极为N极，左侧第二、三列永久磁体的磁极为S极，后三列永久磁体的磁极与前三列永久磁体的磁极相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。在图8a～8f中，超导磁悬浮小车1将在磁路调制器2构成的相应永磁轨道段分别出现不同程度的减速和震荡颠簸运动。

实施例3

图9给出了本实施例磁路调制器2安装在开口的椭圆环形永久磁轨道的开口处磁路单元2-1永久磁体的磁极排列图。在图9中，磁路调制器2的6片磁体安装板2-7外表面上磁路单元2-1每一个永久磁体的磁极与相邻一个永久磁体磁极相反。磁路单元2-1每一个永久磁体的磁极与相邻一个永久磁体磁极也可相反。磁路单元2-1每一个永久磁体的磁极与相邻一个永久磁体磁极相同或相反随意排列。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。在图9的情况下，超导磁悬浮小车1将在磁路调制器2构成的永磁轨道段出现最快的减速和震荡颠簸运动。

实施例4

在以上的实施例1～3中，磁路调制器2的磁体安装板2-7的形状为正三边形，在磁路调制器支架2-6上用转轴2-4安装6片磁体安装板2-7，磁体安装板2-7的外侧的每1个侧面上设置1个磁路单元2-1，6片磁体安装板2-7外侧面上磁路单元2-1的永久磁体排列次序与相应的实施例相同，磁路调制器2的其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例5

在以上的实施例1～4中，磁路调制器2的磁路调制器支架2-6上用转轴2-4安装1片磁体安装板2-7，磁体安装板2-7外侧面上设置的磁路单元2-1与相应的实施例相同，1片磁体安装板2-7外侧面上磁路单元2-1的永久磁体排列次序与相应的实施例相同，磁路调制器2的其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例6

在以上的实施例1～5中，环形永久磁体轨道上开有2个口，在每一个口上设置1个磁路调制器2，磁路调制器2的结构与相应的实施例相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例7

在以上的实施例1～6中，环形永久磁体轨道是由4排永久磁体排列构成，每排永久磁体向上的磁极相同，一排永久磁体与相邻一排永久磁体的磁极相反。磁路调制器2的磁体安装板2-7外侧面上设置的磁路单元2-1与相应的实施例相同，本实施例的磁路单元2-1由4块永久磁体随机排列组成，永久磁体的极性沿径向排列。磁路调制器2的其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

根据上述原理，对环形永久磁体轨道的永久磁体排列改变，磁路调制器的组成以及磁路单元永久磁体排列次序的任意改变，所设计的高温超导磁悬浮列车实验装置均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1、一种高温超导磁悬浮列车实验装置，在底座(7)上设置有支柱(6)，支柱(6)的上端设置有永久磁体轨道，永久磁体轨道上方悬浮有超导磁悬浮小车(1)，其特征在于：所说的永久磁体轨道为至少开1个口的环形永久磁体轨道，在底座(7)上还设置有位于每一个环形永久磁体轨道开口处的磁路调制器(2)。

2、按照权利要求1所述的高温超导磁悬浮列车实验装置，其特征在于所说的磁路调制器(2)为：磁路调制器支架(2-6)设置在底座(7)上，磁路调制器支架(2-6)上至少设置有1片磁体安装板(2-7)，每片磁体安装板(2-7)的轴向加工有定为孔(Φ)，定为孔(Φ)内设置有安装在磁路调制器支架(2-6)上的定位销(2-5)，在每片磁体安装板(2-7)外侧面上设置有控制磁体吸附板(2-3)，控制磁体吸附板(2-3)上至少设置有1个外部安装有控制磁体护板(2-2)的磁路单元(2-1)。

3、按照权利要求2所述的高温超导磁悬浮列车实验装置，其特征在于：所说的磁路单元(2-1)由与永久磁体轨道排数相同的永久磁体数目排列构成，永久磁体的极性沿径向排列，一块永久磁体外端的极性与相邻一块永久磁体外端的极性相同或相反。

4、按照权利要求2所述的高温超导磁悬浮列车实验装置，其特征在于：所说的磁体安装板(2-7)为正多边形非导磁材料板。

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