CN101771327A - 采用高温超导块材磁体的直线悬浮推进系统 - Google Patents

Abstract

该发明属于一种采用高温超导块材磁体的直线悬浮推进系统，包括初级作定子、次级采用高温超导块材磁体作动子的直线电机推进机构及由永磁轨道和高温超导块材磁体组成的磁悬浮机构，滑架及其滑槽；该发明作动子的块材磁体采用倾斜设置以减小其法向力，而永磁轨道中的永磁体则采用嵌入式或卡入式与聚磁用铁磁体连接。从而具有直线悬浮推进系统推力大、速度及效率高、能耗低，不需导向控制装置、运行可靠性高，可实现悬浮稳定及无摩擦悬浮推进，控制简单；以及电动机动子不需带拖链式电缆、永磁轨道安装简便、可靠，轨道上方磁场的强度高、聚磁效果好等特点；克服了背景技术直线电机推力小、法向力强及永磁轨道安装工艺性及运行的稳定性差等弊病。

Description

采用高温超导块材磁体的直线悬浮推进系统

技术领域

本发明属于高温超导磁体应用技术领域，特别是一种采用高温超导块材磁体的直线悬浮推进系统；该悬浮推进系统可广泛作为运输机械、磁悬浮列车的磁悬浮和推进系统用。

背景技术

目前已采用的应用高温超导磁悬浮机构的直线磁悬浮推进系统包括由动子和定子组成的直线电机推进机构及由永磁导轨和高温超导块材磁体组成的磁悬浮机构，以及设于直线电机与两侧磁悬浮机构之间的支承杆。其中：

在直线电机中直线感应电机应用较为广泛，因为它的次级结构简单，安装、维修和除屑容易，次级可以是整块均匀的金属材料，适宜于做得较长，但直线感应电动机采用电激磁，因此效率低，发热大，次级也需要冷却，气隙公差严格，通常只有0.1mm，工艺性差，且需要复杂的矢量变换技术，生产成本高。而直线同步电机分为电磁式、永磁式和磁阻式，其中永磁式直线同步电动机具有较好的发展空间，在速度、定位精度、效率等方面与直线感应电机相比有一定优势。但在实际应用中，大多永磁直线同步电动机都将初级作为动子，次级作为定子，一方面可降低电机的制造成本，减少电机的运行损耗；但另一方面，由于初级三相绕组处于运动当中，为此动子必须带拖链式电缆一起运动，既不方便、又易发生故障；且常规永磁直线同步电动机的初级与次级之间有很强的法向力，为了克服法向力的影响、保持直线电机初级与次级之间稳定的气隙，直线电机两侧需要安装直线导轨，使动子保持滑动推进状态，这又加大了系统的静摩擦力和滑动摩擦力，增加了能耗；此外，目前所用的永久磁体(如钕铁硼磁体)，磁场强度远不能达到1T(特斯拉)，一般在0.5T左右，这也就制约了永磁直线同步电动机的推力的进一步提高，因而、永磁直线同步电动机又难以满足需要大推力的直线悬浮推进系统的要求。

而磁悬浮列车的磁悬浮机构按其悬浮原理分：主要有电磁型(电磁吸力型)和电动型(电动斥力型)两种；前者在车体内装有电磁铁，轨道为一导磁体，电磁铁绕组中电流的大小根据间隙传感器的信号进行调节，使车体与轨道间保持一定距离，但由于车体较重，悬浮气隙较小，出于安全考虑，还需设有应急备用车轮；而后者则在车体内安装超导线圈，轨道上分布有按一定规则排列的短路铝(铜)环，当超导线圈内通电时就产生强磁场，在列车以一定速度前进时，该强磁场就在路轨的铝环内产生感应电流，两者相互排斥而产生上浮力，速度愈大这个排斥力就愈大，当速度超过一定值(时速80km以上)时，列车就脱离轨道表面；这种结构产生的磁场，一是若不加屏蔽，则会增加环境的电磁污染，二是在低速行驶时，列车还需轮轨系统支撑，且侧向稳定性问题也需另加控制设备给予保证。目前国内外已有将高温超导块材和常规永磁体轨道组成的磁悬浮系统应用到磁悬浮列车中，这种磁悬浮系统具有自悬浮、自导向功能，在静止条件下，也能实现稳定的悬浮，且无需导向控制等特点。但到目前为止，此类磁悬浮列车都还只是采用常规直线感应电动机实现推进，因此仍旧难以摆脱前面阐述的常规直线电动机自身的缺点。悬浮系统对永磁轨道的要求是希望永磁轨道提供尽可能强的按一定规律分布的磁场，而现有技术为：永磁轨道主要由永磁体、铁磁物体两部分组成，永磁体产生的磁场在铁磁物体中得到聚集，从而在永磁轨道上方产生较强磁场；但目前由于永磁体和铁磁体组成的永磁轨道安装复杂、难度大，为了使永磁体和铁磁体能稳定固定，需要用螺栓将永磁体和铁磁体横向贯穿后栓紧，这既增加了永磁体的加工难度、又破坏了磁路结构，且安装精度要求高；在运行中由于永磁体和螺栓的长期相互摩擦，亦将损伤磁体性能及其稳定性。

因而，上述背景技术存在：直线电机采用初级作为动子、次级作为定子，其动子必须连带拖链式电缆一起运动，既不方便、行程受限，又易发生故障；且常规永磁直线同步电动机的初级与次级之间有很强的法向力，电机两侧需要安装直线导轨来保持直线电机初级与次级之间稳定的气隙、维持动子的滑动推进状态，从而增加了能耗，以及难以满足需大推力的直线悬浮推进系统的要求；而磁悬浮机构需采用横向螺栓贯穿永磁体和铁磁体来进行固定、既增加了永磁体的加工及安装难度、又破坏了磁路结构，且在运行中亦将对磁体性能及稳定性造不利影响等缺陷。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种采用高温超导块材磁体的直线悬浮推进系统，以提高直线悬浮推进系统的推力、速度、效率及运行的可靠性等综合性能，降低能耗、减小直线同步电动机的体积和重量；提高永磁导轨的聚磁效果、轨道上方磁场的强度，降低永磁轨道的安装难度；实现悬浮稳定、无摩擦悬浮推进，控制简单，不需导向控制及推力大等目的。

本发明的解决方案是采用直线同步电动机的初级作为定子，设于底座平台上，次级作为动子、设于定子的上方，以克服背景技术动子必须带拖链式电缆一起运动所带来的弊端，同时采用高温超导块材磁体作为次级、铁心或空心三相绕组作初级，以提高直线同步电动机的推力、速度、效率等综合性能，降低能耗、减小其体积和重量；高温超导磁悬浮机构仍采用永磁轨道和高温超导块材磁体组成的磁悬浮机构，但永磁轨道中的永磁体和聚磁用铁磁体之间则采用嵌入式卡入式固定，而铁磁体则通过地脚螺栓与非导磁体支座紧固成一体，以限制永磁体的轴向位移并降低永磁导轨的安装难度，提高永磁导轨运行的可靠性、聚磁效果及轨道上方的磁场强度。因此，本发明直线悬浮推进系统包括由动子和定子组成的直线电机推进机构及由永磁轨道和高温超导块材磁体组成的磁悬浮机构，设于直线电机与两侧磁悬浮机构之间的支承杆，关键在于直线同步电动机的次级含低温恒温器、沿运动方向相对定子顶部平行或倾斜设置的高温超导块材磁体及高导磁性背铁、并将其作为动子，初级采用铁心或空心三相绕组作为定子；高温超导块材磁体设于低温恒温器内腔底部并与低温恒温器紧固成一体、背铁则置于高温超导块材磁体上部并通过磁力紧贴于其上表面，而永磁轨道中的聚磁用铁磁体通过螺栓与轨道支座紧固、永磁体则采用嵌入式或卡入式与聚磁用铁磁体固定连接。

上述沿运动方向相对定子顶部平行或倾斜设置的高温超导块材磁体；其倾斜设置时，当高温超导块材磁体沿运动方向的长度l为0.42τ≤l≤0.96τ(τ为极矩)时，倾斜角为15°-65°，同时在与之配套的低温恒温器底部对应于各块材磁体设置相对独立的倾斜式卡槽、各卡槽底部倾斜角亦为15°-65°、并在各卡槽上部两侧各设一与槽底平行的限位条及一自锁装置用于限制块材磁体垂向及沿斜槽倾斜方向的自由度、而侧向自由度则由其中部带液氮槽两侧边限定。所述永磁轨道中永磁体采用嵌入式或卡入式与聚磁用铁磁体固定连接，其连接方式为各永磁体轴向(顺轨道方向)两侧面采用正梯形斜面、与之配合的聚磁用铁磁体则采用倒梯形斜面，或永磁体两轴向侧面与聚磁用铁磁体配合面互为凸、凹形圆弧面，或永磁体两轴向侧面为正阶梯形、而聚磁用铁磁体配合面为倒阶梯形。而所述设于直线电机与两侧磁悬浮机构之间的支承杆为滑杆或带轮滑杆及增设于底部的滑槽。

本发明因高温超导块材磁体直线同步电动机采用初级作定子、次级作动子，既提高了直线同步电动机的推力、速度、效率等综合性能，降低了能耗、减小了体积和重量，而且克服了以初级作为动子必须带拖链式电缆一起运动所带来的弊端，将电动机中的高温超导块材磁体沿运动方向倾斜设置又可将直线电动机的法向吸引力降低至水平设置时的23.5％-55％；永磁轨道中永磁体与聚磁用铁磁体采用嵌入式或卡入式连接，既降低了永磁轨道的安装难度，又不会破坏永磁体的磁路结构、提高了永磁轨道运行的可靠性、聚磁效果及轨道上方的磁场强度。因而本发明具有直线悬浮推进系统推力大、速度及效率高、能耗低，不需导向控制装置、运行可靠性高，可实现悬浮稳定及无摩擦悬浮推进，控制简单；以及电动机动子不需带拖链式电缆；永磁轨道安装简便、可靠，轨道上方磁场的强度高、聚磁效果好等特点。

附图说明

图1为本发明高温超导块材磁体直线悬浮推进系统总体结构示意图；

图2为本发明实施例1电动机动子横截面结构示意图(A-A剖视图)；

图3为图2的侧视图(B-B剖视图)；

图4为实施例1永磁轨道横截面结构及永磁体与聚磁用铁磁体连接配合示意图；

图5为实施例2电动机动子横截面结构示意图(C-C剖视图)；

图6为图5的侧视图(D-D剖视图)；

图7为实施例2永磁轨道横截面结构及永磁体与聚磁用铁磁体连接配合示意图；

图8为实施例3永磁轨道横截面结构及永磁体与聚磁用铁磁体连接配合示意图。

图中：1.电动机定子，2.电动机动子、2-1.低温恒温器、2-2.高温超导块材磁体、2-3.限位条、2-4.高导磁性背铁、2-5.液氮腔、2-6.液氮槽，3.永磁轨道、3-1.非导磁体支座、3-2.聚磁用铁磁体、3-3.永磁体、3-4.螺栓、3-5/3-6.卡条/卡槽，4.悬浮体、4-1.低温恒温器、4-2.高温超导块材磁体，5.底座，6.联接固定板、6-1.液氮加入孔，7.滑杆，7-1.滑槽。

具体实施方式

实施例1：直线同步电动机定子(初级)1为带铁心的三相绕组，铁心(高×宽)100×100mm、极距45mm，气隙长度6mm；动子(次级)2中的低温恒温器2-1为(长×宽×高)250×100×82mm上部敞口的箱体、箱体底部对应于各块材磁体2-2设置8个倾斜式卡槽(横向4排、纵向2列)、各卡槽底部倾斜角36.9°、卡槽上部两侧各设一与槽底平行的限位条2-3以限制块材磁体垂向自由度、两侧边中部各设一液氮槽2-6，高温超导块材磁体2-2例采用倾斜设置、各磁体(长×宽×高)36×33×24mm、磁体度倾斜角亦为36.9°，横向设4排、纵向设2列，各磁体通过脉冲充磁至场强1.2T、分别置于箱体底部各卡槽内固定，其上高导磁性背铁2-4(长×宽×高)180×70×29.6mm、与各磁体2-2的两上表面卡入式紧贴，整套动子2通过螺栓与联接固定板6密封固定；永磁轨道3顺轨道方向采用两列上、下底宽分别为20mm、24mm、高20mm的正梯形永磁体3-3，轨道上表面宽76mm、有效面宽64mm、高26mm，左右两侧聚磁用铁磁体3-2顶部及底部宽分别为8mm及6mm、中部聚磁铁磁体顶部及底部宽分别为8mm及4mm，永磁轨道3与悬浮体4之间气隙长度亦为3mm；悬浮体低温恒温器4-1(长×宽×高)250×121×68mm、高温超导块材磁体4-2(长×宽×高)36×33×24mm两者之间的装配与背景技术同，滑杆7带轮滑杆、滑槽7-1其槽口为缩口以将滑轮限制在滑槽内，从而进一步保证直线同步电动机运行的稳定性和安全性。

本实施例工作频率为10Hz、电压幅值为50V时，直线电动机推力达到1618N，法向力为6813N，较之水平放置时，法向力可较水平放置时的17450N降低61.0％。

实施例2：直线同步电动机定子(初级)1采用空心三相铜导线绕组，动子(次级)2中的低温恒温器2-1(长×宽×高)250×100×82mm、箱体底部设两条(长×宽×高)180×33×30mm用于嵌入各高温超导块材磁体2-2及高导磁性背铁2-4的槽体、槽体两侧壁中部亦各设一横截面为(高×宽)12×5mm液氮槽，高温超导块材磁体2-2本实施例采用常规水平设置、各磁体(长×宽×高)45×33×24mm、横向亦设4排、纵向设2列、各磁体2-2采用高场直流电磁体场冷充磁至1.2T、各磁体与低温恒温器之间采用常规自锁装置固定，高导磁性背铁2-4为(长×宽×高)180×70×10mm矩形板体；而永磁轨道3中的轨道面宽76mm、有效面宽64mm，永磁体3-3、聚磁用铁磁体3-2高均为20mm、两者之间的配合面采用弧形结构，即永磁体3-3左右两侧为凸弧形结构、各聚磁用铁磁体3-2内侧(与永磁体配合面)均为凸弧形、圆弧半径均为R40mm，永磁体3-3上、下表面宽亦均为20mm。其余磁悬浮机构的悬浮体4、滑杆7及其滑槽7-1等均与实施例1相同。

本实施例工作频率为10Hz时、电压幅值为50V时，直线电动机推力达到425.4N，而采用同规格场强为0.4T的常规永磁体时，直线电动机推力仅45N；本实施例电机的推力可较之提高8倍。

实施例3：本实施例直线同步电动机的定子1、动子2及磁悬浮机构的悬浮体4、滑杆7及其滑槽7-1均与实施例1相同；永磁轨道3中的轨道面宽76mm、有效面宽64mm，永磁体3-3、上表面宽20mm，下表面宽24mm、两(轴向)侧面与上表面交汇聚处各开一条横截面为(高×宽)2×2mm的槽3-6，聚磁用铁磁体3-2高均为20mm，左右两侧聚磁用铁磁体上表面宽8mm，下表面宽6mm、上部卡条的横截面亦为(高×宽)2×2mm，中部聚磁用铁磁体的横截面采用“T”字形结构、两侧卡条的横截面亦为(高×宽)2×2mm。

Claims (4)

1.一种采用高温超导块材磁体的直线悬浮推进系统，包括由动子和定子组成的直线电机推进机构及由永磁轨道和高温超导块材磁体组成的磁悬浮机构，设于直线电机与两侧磁悬浮机构之间的支承杆，其特征在于直线同步电动机的次级含低温恒温器、沿运动方向相对定子顶部平行或倾斜设置的高温超导块材磁体及高导磁性背铁、并将其作为动子，初级采用铁心或空心三相绕组作为定子；高温超导块材磁体设于低温恒温器内腔底部并与低温恒温器紧固成一体、背铁则置于高温超导块材磁体上部并通过磁力紧贴于其上表面，而永磁轨道中的聚磁用铁磁体通过螺栓与轨道支座紧固、永磁体则采用嵌入式或卡入式与聚磁用铁磁体固定连接。

2.按权利要求1所述采用高温超导块材磁体的直线悬浮推进系统，其特征在于所述沿运动方向相对定子顶部平行或倾斜设置的高温超导块材磁体，当倾斜设置时、高温超导块材磁体沿运动方向的长度l为0.42τ≤l≤0.96τ时，倾斜角为15°-65°，同时在与之配套的低温恒温器底部对应于各块材磁体设置相对独立的倾斜式卡槽、各卡槽底部倾斜角亦为15°-65°、并在各卡槽上部两侧各设一与槽底平行的限位条及一自锁装置用于限制块材磁体垂向及沿斜槽倾斜方向的自由度、而侧向自由度则由其中部带液氮槽两侧边限定。

3.按权利要求1所述采用高温超导块材磁体的直线悬浮推进系统，其特征在于所述永磁轨道中永磁体采用嵌入式或卡入式与聚磁用铁磁体固定连接，其连接方式为各永磁体轴向两侧面采用正梯形斜面、与之配合的聚磁用铁磁体则采用倒梯形斜面，或永磁体两轴向侧面与聚磁用铁磁体配合面互为凸、凹形圆弧面，或永磁体两轴向侧面为正阶梯形、而聚磁用铁磁体配合面为倒阶梯形。

4.按权利要求1所述采用高温超导块材磁体的直线悬浮推进系统，其特征在于所述设于直线电机与两侧磁悬浮机构之间的支承杆为滑杆或带轮滑杆及增设于底部的滑槽。

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