CN102231614B - 复合在轨充磁功能的高温超导磁悬浮直线推进系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合在轨充磁功能的高温超导磁悬浮直线推进系统，由采用高温超导块材磁体阵列作为次级的双边型高温超导直线同步电动机实现推进，高温超导磁悬浮子系统实现稳定悬浮；双边型高温超导直线同步电动机的次级动子与高温超导磁悬浮子系统的悬浮动子连为一体，因而可实现在静止，或运动状态下的稳定悬浮推进。本系统复合了安装在直线电机双边初级定子上的分体式脉冲线圈在轨充磁装置，可以容易地获得极性交替的高温超导块材磁体阵列，有效解决了极性交替高温超导块材磁体阵列充磁的关键技术问题。

Description

复合在轨充磁功能的高温超导磁悬浮直线推进系统
技术领域
本发明属于高温超导技术的应用领域,特别是一种高温超导磁悬浮运载工具，如磁悬浮列车。
背景技术
目前，高温超导材料在磁悬浮运载工具中的应用主要有两种形式，一是用高温超导线圈磁体产生强磁场，置于动子或列车车体上，在列车运动过程中，轨道上的闭合线圈切割高温线圈磁体产生的强磁场，产生与之反向的磁场，两磁场相互作用，产生排斥力，当列车运动速度超过一定值，该排斥力将大于列车重力而实现悬浮；同时将该高温超导线圈磁体作为直线电机次级，实现列车的推进，其缺点是在列车处于静止或低速行驶时，列车无悬浮导向力或悬浮力小于车体重力而不足以悬浮起车体，因此需要辅助的滑轨系统用于列车的支撑与低速行驶，要实现悬浮，一般需要列车速度在大于100公里/小时的条件下才能实现。这增加了磁悬浮列车系统和轨道系统设计的复杂度，降低了实际运行的稳定性。
另一形式主要是基于高温超导块材与永磁轨道产生的对称、不均匀磁场相互作用而产生悬浮力和导向力原理，将高温超导块材-永磁轨道磁悬浮系统（以下简称高温超导磁悬浮系统）用于磁悬浮车的悬浮和导向，而磁悬浮动子的推进采用常规直线感应电动机和永磁直线同步电动机实现，其推力受次级材料性能的影响。
除了高温超导线圈磁体可用于磁悬浮运载工具的推进，高温超导块材磁体在直线电机中的应用，还可作为直线电机的次级，有单边型结构，也有双边型结构，但一般都结合常规的滑轨装置，来控制电机初级和次级之间的距离，因此滑块或滑轮与滑轨之间相互作用产生摩擦损耗不可避免。
目前还未有一种能避免上述缺陷的高效磁悬浮推进系统。而且尚未有用于直线电机的高温块材磁体阵列的交替磁极在轨充磁的便捷有效技术方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够使高温超导材料可同时用于磁悬浮运载工具悬浮和推进，且结构简单，任何状态下都能保持稳定的悬浮，并且极性交替磁体阵列获得容易的高温超导磁悬浮直线推进系统。
本发明的主要技术方案是：一种复合在轨充磁功能的高温超导磁悬浮直线推进系统，包括双边型高温超导直线同步电动机、高温超导磁悬浮子系统和分体式脉冲线圈充磁装置，其特征在于，双边型高温超导直线同步电动机位于系统的中间，高温超导磁悬浮子系统由两个高温超导磁悬浮装置组成，分别位于高温超导直线同步电动机的两侧，高温超导直线同步电动机的次级动子与两个高温超导磁悬浮装置的悬浮动子连为一体；其中，双边型高温超导直线同步电动机由充磁后极性交替的高温超导块材磁体阵列次级动子和铜绕组初级定子组成；高温超导磁悬浮装置由高温超导块材及用于容纳高温超导块材的低温恒温器构成的悬浮动子和地面的永磁轨道组成；分体式脉冲线圈充磁装置安装于双边型高温超导直线同步电动机的双边初级中。
本发明的有益效果是：该系统可以有效解决高温超导块材在磁悬浮运载工具，尤其在磁悬浮列车中应用的主要关键技术问题，包括推进，悬浮和充磁三个方面，并进行了有效的复合，最后得到的高温超导磁悬浮直线推进系统具有推力大、无摩擦损耗、无法向力影响、系统稳定性好、负载能力强、充磁手段先进便捷且效率高、整体性能好等明显优点。
当分体式脉冲线圈充磁装置采用一对线圈磁体，脉冲线圈采用高温超导YBCO或BSCCO或MgB2材料的带材时，可通过增加高温超导线圈磁体模块，并通过调整磁极顺序，实现多磁极的同时充磁。
当分体式脉冲线圈充磁装置采用相邻2对、且极性交替的高温超导线圈磁体时，可通过增加高温超导线圈磁体模块数量来增加一次充磁极数。
当分体式脉冲线圈充磁装置采用相隔一个磁极长度的2对极性相同的高温超导线圈磁体时，可通过增加高温超导线圈磁体模块数量来增加一次充磁极数。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1本发明的具体实施例一种复合在轨充磁装置的高温超导磁悬浮直线推进系统模型示意图。
图2本发明的具体实施例一种复合在轨充磁装置的高温超导磁悬浮直线推进系统模型。
图3本发明的具体实施例一种复合在轨充磁装置的高温超导磁悬浮直线推进系统模型示意图。
图4本发明的具体实施例一种复合在轨充磁装置的高温超导磁悬浮直线推进系统模型示意图。
图5采用高温超导线圈的分体式脉冲线圈充磁装置，图示为含一对YBCO高温超导线圈的分体式脉冲线圈充磁装置。
图6采用高温超导线圈的分体式脉冲线圈充磁装置，图示为含两对BSCCO高温超导线圈，极性交替的分体式脉冲线圈充磁装置，两个线圈相对位移等于一倍极距长度（一个磁极长度）。
图7采用高温超导线圈的分体式脉冲线圈充磁装置，图示为含两对MgbB 2 超导线圈，极性相同的分体式脉冲线圈充磁装置,两个线圈相对位移2倍极距长度（两个磁极长度）。
图8采用铜导线的实现极性交替充磁的分体式脉冲充磁线圈的示意图。
图9模块化初级线圈绕组的示意图。
附图标记含义如下：1：双边型高温超导直线同步电动机；2：由低温恒温器和高温块材磁体阵列组成的次级动子；3：模块化无铁心结构初级线圈绕组；4：实现极性交替充磁的分体式脉冲线圈充磁装置；5（a）：高温超导磁悬浮子系统；6（a）：由高温超导块材和低温恒温器组成的悬浮动子；7（a）：永磁轨道。8：连接双边型高温直线同步电动机次级动子和高温超导磁悬浮子系统悬浮动子的连接模块；9：用于双边型高温超导直线同步电动机的矩形高温超导块材磁体阵列；10：用于高温超导磁悬浮子系统的圆柱形高温超导块材阵列；11：用于矩形高温超导块材磁体致冷的含真空、绝热及防辐射层的低温恒温器；12：用于高温超导磁悬浮子系统的高温超导块材致冷的低温恒温器；14：采用高温超导线圈磁体的分体式脉冲线圈充磁装置；5（b）：安装于（1）的底部模式的高温超导磁悬浮子系统；6（b）：安装于（1）的底部模式的高温超导磁悬浮子系统中的悬浮动子；7（b）: 安装于（1）的底部模式的高温超导磁悬浮子系统中的永磁轨道；14：高温超导线圈磁体；15：用于高温超导线圈致冷的低温恒温器。16：用于高温超导磁悬浮子系统中的高温超导块材致冷的低温恒温器；14（a）：YBCO高温超导线圈磁体；14（b）：BSCCO高温超导线圈磁体；14（c）:MgB 2 高温超导线圈磁体；17：含三个齿的非磁性线圈支撑模块。
具体实施方式
本发明的具体实施例一，如图1、2所示，一种复合在轨充磁装置的高温超导磁悬浮直线推进系统，由双边型高温超导直线同步电动机1、高温超导磁悬浮子系统5(a)和采用YBCO高温超导线圈磁体的分体式脉冲线圈充磁装置13(a)组成。双边型高温超导直线同步电动机1位于系统的中部，高温超导磁悬浮子系统5(a)安装于双边型高温超导直线同步电动机1的两侧。双边型高温超导直线同步电动机1由模块化无铁心结构初级线圈绕组3构成的初级定子和包含矩形高温超导块材磁体阵列9的次级动子2组成，矩形高温超导块材磁体阵列9安装于低温恒温器11中，低温恒温器11的外壁由真空，绝热及防辐射层组成。初级线圈绕组3的每个模块由一个含三个齿的非磁性线圈支撑模块17和三个线圈绕组3组成，该结构尤其适合匹配初级三相电源的驱动，如图9所示。高温超导磁悬浮子系统5(a)由含高温超导块材阵列10的悬浮动子6(a)和永磁轨道7组成，高温超导块材阵列10安装于低温恒温容器12中。高温超导磁悬浮子系统5(a)的两个悬浮动子6（a）通过连接模块8连为一体，连接模块8同时与双边型高温超导直线同步电动机1的次级动子2相连。将由双边型高温超导直线同步电动机1的次级动子2和高温超导磁悬浮子系统5(a)的两个悬浮动子6(a)构成的运动模块称为悬浮推进模块。
如图5所示的，将含有一对YBCO高温线圈磁体14（a）的分体式脉冲线圈充磁装置13(a)复合安装于双边型高温超导直线同步电动机1中的双边型初级绕组两侧。在系统工作前，将悬浮推进模块置于由分体式脉冲线圈充磁装置13和永磁轨道7构成的充磁平台中，首先对高温超导磁悬浮子系统5(a)的悬浮动子6（a）中的高温超导块材阵列10进行场冷充磁（先将高温超导块材置于由永磁轨道产生的外场中，然后再加液氮冷却超导块材至超导态）；然后对双边型高温超导直线同步电动机1的次级动子2中的高温超导块材磁体阵列9进行零场冷（先冷却高温超导块材至超导态，再加场充磁）脉冲充磁。充磁时，先将高温超导块材磁体阵列9的第一排对准分体式脉冲线圈充磁装置13(a)的轴心，给脉冲线圈施加脉冲电流，在两个充磁线圈之间产生瞬间的脉冲磁场，来给一个高温超导阵列充磁，在完成一次充磁后，将次级动子2向前运动一个极距的距离（一个磁极所占长度），给脉冲线圈施加反向的脉冲电流，来实现对一个高温超导阵列的反向充磁。重复上述操作，从而得到了极性交替的高温超导块材磁体阵列9。
充完磁后，给双边型高温超导直线同步电动机1的双边初级线圈绕组3加三相交流电源，悬浮推进模块即可以实现稳定地无摩擦悬浮推进。
实施例二：
本实施例二的总体结构与实施例1基本相同，如图3、4和图6所示，由双边型高温超导直线同步电动机1、高温超导磁悬浮子系统5(b)和采用YBCO高温超导线圈磁体的分体式脉冲线圈充磁装置13(b)组成，不同的仅是：双边型高温超导直线同步电动机1位于系统中间的上部，高温超导磁悬浮子系统5(b)位于系统的下部，高温超导磁悬浮子系统5(b)的悬浮动子6(b)与双边型高温超导直线同步电动机1的次级动子2连为一体；采用两对可实现极性交替充磁、采用BSCCO高温线圈磁体14（b）的分体式脉冲线圈充磁装置13(b)。充磁过程与实施例1基本相同，所不同的仅是：完成一次充磁，可同时实现对次级动子2中的高温超导块材磁体阵列9两个磁极的充磁，且两个充磁后的磁极极性相反。
实施例三：
本实施例三的总体结构与实施例2基本相同，不同的仅是：采用两对可实现跨极充磁、充磁后极性相同、采用MgB2的超导线圈磁体14（c）的分体式脉冲线圈充磁装置13(c)，如图7所示。充磁过程与实施例2基本相同，不同的仅是：完成一次充磁，可同时实现对（2）中的高温超导块材磁体阵列（9）两个不相邻、相隔一个磁极的两个高温超导块材阵列的充磁，且充磁后两磁极极性相同，完成一次充磁后，将（2）中紧接着的两个未充磁的高温超导块材阵列移动至分体式脉冲线圈充磁装置（13(c)），以极性相反的方式完成对高温超导块材阵列的充磁。从而在完成两次充磁后，即可得到两对极、且极性交替的高温超导块材磁体阵列（9）。
实施例四：
本实施例的总体结构与实施例1基本相同，由双边型高温超导直线同步电动机（1）、高温超导磁悬浮子系统（5(a)）和采用YBCO高温超导线圈磁体的分体式脉冲线圈充磁装置（4）组成，不同的仅是：分体式脉冲线圈充磁装置（4）由两个采用YBCO带材的并联S型绕法的脉冲线圈组组成。每一个S型长度的脉充线圈可产生一对极、且极性相反的脉冲磁场，每一个S型脉充线圈的跨度等于（1）中的高温超导块材磁体阵列（9）的一对磁极的长度。
在充磁时，将（1）中安装有高温超导块材磁体阵列（9）的次级动子（2）移动至分体式脉冲线圈充磁装置（4）中，使（9）的磁极与（4）中的脉冲线圈轴心一一对应。在高温超导块材磁体阵列（9）冷却至超导态后，给分体式脉冲线圈施加脉冲电流，即可产生极性交替的脉冲磁场，完成对高温超导块材磁体阵列（9）的整体充磁，且充磁完成后，得到的高温超导块材磁体阵列的极性沿运动方向是交替变化的。
实施例五：
本实施例的总体结构与实施例4基本相同，不同的仅是：S型绕法的脉冲线圈采用铜导线。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (12)

1.一种复合在轨充磁功能的高温超导磁悬浮直线推进系统，包括双边型高温超导直线同步电动机、高温超导磁悬浮子系统和分体式脉冲线圈充磁装置，其特征在于，双边型高温超导直线同步电动机位于系统的中间，高温超导磁悬浮子系统由两个高温超导磁悬浮装置组成，分别位于高温超导直线同步电动机的两侧，高温超导直线同步电动机的次级动子与两个高温超导磁悬浮装置的悬浮动子连为一体；其中，双边型高温超导直线同步电动机由充磁后极性交替的高温超导块材磁体阵列次级动子和铜绕组初级定子组成；高温超导磁悬浮装置由高温超导块材及用于容纳高温超导块材的低温恒温器构成的悬浮动子和地面的永磁轨道组成；分体式脉冲线圈充磁装置安装于双边型高温超导直线同步电动机的双边初级中。
2.根据权利要求1所述的复合在轨充磁功能的高温超导磁悬浮直线推进系统，其特征在于：双边型高温超导直线同步电动机的初级定子为模块化结构，每一个模块由一个含三个齿的非磁性线圈支撑模块和三个分别套装在非磁性齿上的初级线圈绕组组成。
3.根据权利要求1所述的复合在轨充磁功能的高温超导磁悬浮直线推进系统，其特征在于：分体式脉冲线圈充磁装置采用一对线圈磁体，脉冲线圈采用高温超导YBCO或BSCCO或MgB2材料的带材。
4.根据权利要求1所述的复合在轨充磁功能的高温超导磁悬浮直线推进系统，其特征在于：分体式脉冲线圈充磁装置采用相邻2对、且极性交替的高温超导线圈磁体。
5.根据权利要求1所述的复合在轨充磁功能的高温超导磁悬浮直线推进系统，其特征在于：分体式脉冲线圈充磁装置采用相隔一个磁极长度的2对极性相同的高温超导线圈磁体。
6.根据权利要求1所述的复合在轨充磁功能的高温超导磁悬浮直线推进系统，其特征在于：分体式脉冲线圈充磁装置采用具有复合冷却装置的多对极性交替的铜线圈磁体。
7.根据权利要求1所述的复合在轨充磁功能的高温超导磁悬浮直线推进系统，其特征在于：分体式脉冲线圈充磁装置中线圈是采用S型绕法的，利用YBCO或BSCCO或MgB2带材的分体式脉冲线圈，每一个S型的脉充线圈的跨度等于高温超导块材磁体阵列的一对磁极长度，每个半弧型长度等一个极距，一个S型脉充线圈可产生一对磁极、且极性相反的脉冲磁场。
8.根据权利要求7所述的复合在轨充磁功能的高温超导磁悬浮直线推进系统，其特征在于：所含S型脉充线圈单元的数量是多个。
9.一种复合在轨充磁功能的高温超导磁悬浮直线推进系统，包括双边型高温超导直线同步电动机、高温超导磁悬浮子系统和分体式脉冲线圈充磁装置，其特征在于，所述的双边型高温超导直线同步电动机位于系统的中间的上部，高温超导磁悬浮子系统位于双边型高温超导直线同步电动机底部，双边型高温超导直线同步电动机的次级动子与高温超导磁悬浮系统的悬浮动子连为一体；其中，双边型高温超导直线同步电动机由充磁后极性交替的高温超导块材磁体阵列次级动子和铜绕组初级定子组成；高温超导磁悬浮装置由高温超导块材及用于容纳高温超导块材的低温恒温器构成的悬浮动子和地面的永磁轨道组成；分体式脉冲线圈充磁装置安装于双边型高温超导直线同步电动机的双边初级中。
10.根据权利要求9所述的复合在轨充磁功能的高温超导磁悬浮直线推进系统，其特征在于：双边型高温超导直线同步电动机的初级定子为模块化结构，每一个模块由一个含三个齿的非磁性线圈支撑模块和三个分别套装在非磁性齿上的初级线圈绕组组成。
11.根据权利要求9所述的复合在轨充磁功能的高温超导磁悬浮直线推进系统，其特征在于：分体式脉冲线圈充磁装置采用相邻2对、且极性交替的高温超导线圈磁体。
12.根据权利要求9所述的复合在轨充磁功能的高温超导磁悬浮直线推进系统，其特征在于：分体式脉冲线圈充磁装置采用相隔一个磁极长度的2对极性相同的高温超导线圈磁体。
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