CN102717725A - 一种引入铁磁性物质的高温超导磁悬浮系统 - Google Patents

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邓自刚
王家素
郑珺
王素玉
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Abstract

本发明公开了一种引入铁磁性物质的高温超导磁悬浮系统，其特征在于：包括由永磁体及聚磁材料等构成的轨道、固定于车体架子中的低温容器，低温容器内固定有由超导块材构成的高温超导块材层，在高温超导块材层中对应于水平磁场主导区域的超导块材上设置铁磁性物质。本发明在车载高温超导体上方引入铁磁性物质，可显著提高原有高温超导磁悬浮系统的稳定悬浮性能，具有结构简单、加工容易、便于推广等优点，可满足实际应用中对高温超导磁悬浮车导向性能要求比较高的地方，如在曲线运行的场合等。

Description

一种引入铁磁性物质的高温超导磁悬浮系统
技术领域
本发明涉及高温超导磁悬浮技术领域，尤其是一种引入铁磁性物质的高温超导磁悬浮系统。
背景技术
高温超导磁悬浮技术，由于高温超导体独特的磁通钉扎特性，具有无源自稳定的悬浮优势，在无摩擦轴承、飞轮储能、轨道交通等领域展现出良好的应用前景。其中，2000年我国世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车的诞生展示了高温超导磁悬浮技术在未来新型（高速、环保、舒适等特点）轨道交通工具的巨大吸引力，引起了国际社会的广泛关注。目前，德国、俄罗斯、巴西、日本等国均研制出高温超导磁悬浮车实验室样机，各国都在努力推进高温超导磁悬浮车的实用化进程。如何进一步提高现有高温超导磁悬浮车系统的承载能力和稳定性能从而减少其成本造价，成为一个技术重点。
在高温超导磁悬浮车系统中，针对永磁轨道设计，人们通常采用铁磁性材料作为轨道的聚磁极来增强其表面的磁场强度及其梯度，例如世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车“世纪号”采用此种设计思想，在载5人整车悬浮重量635kg情况下，悬浮高度仍大于20mm。而对于车载高温超导体块材而言，可借鉴类似的设计思想，利用高导磁率的铁磁材料，如铁板等，引导磁力线的分布，努力提高车载高温超导体工作位置处的磁场，进而达到提高其磁悬浮性能的目的。然而在目前的高温超导磁悬浮车系统中，车载悬浮部分仅为高温超导块材，未引入其它辅助材料，系统的悬浮能力和导向力能力取决于车载超导块材和永磁轨道的相互作用。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有技术的不足，在此提供一种引入铁磁性物质的高温超导磁悬浮系统，与原超导磁悬浮系统相比，可提高其导向稳定性。
本发明是这样实现的，构造一种引入铁磁性物质的高温超导磁悬浮系统，其特征在于：包括由永磁体及聚磁材料等构成的轨道、固定于车体架子中的低温容器，低温容器内固定有由超导块材构成的高温超导块材层，在高温超导块材层中对应于水平磁场主导区域的超导块材上设置铁磁性物质。
根据本发明所述的一种引入铁磁性物质的高温超导磁悬浮系统，其特征在于：所述铁磁性物质为高导磁率材料。
根据本发明所述的一种引入铁磁性物质的高温超导磁悬浮系统，其特征在于：高温超导块材层由多块超导块材构成。
根据本发明所述的铁磁性物质为高导磁率材料，其特征在于：所述高导磁率材料可选为铁板。
由于超导块材获得的洛仑兹力（悬浮力或导向力）与其所在位置处的磁场密切相关，若有办法提高其所处位置的磁场，则有可能带来块材磁悬浮性能的提高。本发明通过在车载高温超导体中引入铁磁材料来提高现有高温超导磁悬浮系统的性能。其基本原理为：利用高导磁率的铁磁材料，如铁板等，引导磁力线的分布，努力提高车载高温超导体工作位置处的磁场，进而达到提高其磁悬浮性能的目的。在此处，将高导磁率的铁磁材料引入到车载高温超导体中，引导永磁轨道磁场到超导块材工作位置处。
本发明的优点在于：通过提供一种引入铁磁性物质的高温超导磁悬浮系统，与原磁悬浮系统相比，可显著提高导向稳定性，结构简单，制备加工容易，是一种便于推广的高温超导磁悬浮车系统。
附图说明
图1为本发明结构示意图，其中轨道中的粗箭头表示永磁体的磁化方向。
图2a为车载高温超导体上方未引入铁磁材料时的永磁轨道磁场分布示意图。
图2b为车载高温超导体上方引入铁磁材料后的永磁轨道磁场分布示意图。
图3a为永磁轨道中间位置处引入铁磁材料后对永磁轨道磁场分布的影响。
图3b为永磁轨道中间位置处处引入铁磁材料后轨道表面15 mm处法向和切向磁场分量分布。
图4a为永磁轨道中间位置处引入和未引入铁磁材料下单块超导块材的悬浮力曲线。
图4b为永磁轨道中间位置处引入和未引入铁磁材料下单块超导块材的导向力曲线。
图中：101、轨道，102、低温容器，103、高温超导块材层，104、铁磁性物质。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做出详细说明：本发明对所实施的铁磁性物质的尺寸、形状及材质不做限制，可实施于使用任何材质的超导块材。
本发明在此提供一种引入铁磁性物质的高温超导磁悬浮系统，包括由永磁体及聚磁材料等构成的轨道101、固定于车体架子中的低温容器102，低温容器内固定有由超导块材构成的高温超导块材层103。永磁轨道101要求为多级永磁轨道，存在明显的垂直磁场和水平磁场峰值。在高温超导块材层103中对应于水平磁场主导区域的超导块材上添加高导磁率的铁磁性物质104。所述铁磁性物质104为铁板。高温超导块材层103由多块超导块材构成。由于超导块材获得的洛仑兹力（悬浮力或导向力）与其所在位置处的磁场密切相关，若能提高其所处位置的磁场，则可能带来块材磁悬浮性能的提高。本发明通过在车载高温超导体中引入铁磁材料来提高现有高温超导磁悬浮系统的性能。其基本原理为：利用高导磁率的铁磁材料，如所述铁板等，引导磁力线的分布，努力提高车载高温超导体工作位置处的磁场，进而达到提高其磁悬浮性能的目的。图2a 为车载高温超导体上方未引入铁磁材料时的永磁轨道磁场分布情况，图2b为车载高温超导体上方引入铁磁材料后的永磁轨道磁场分布情况。
实施中选用一普通铁板作为铁磁材料，为达到提高块材位置处磁场的目的，将添加的铁板直接固定在块材的上表面。同时考虑到引入的铁板将会和永磁轨道产生明显的吸引力，对悬浮不利，铁板的厚度不宜太厚，经过仿真计算后，选择了1mm厚的铁板。
实施结果发现，在车载超导块材悬浮单元（多块组合）上方引入铁板后，由于块材上方的铁板和永磁轨道产生较大的吸引力所致，系统悬浮力将会下降，且铁板尺寸越大，悬浮下降越多；同时导向力有一定提高。经过优化后，得到本专利所述的优化添加位置，即在轨道水平磁场分量磁场主导区域添加铁板可以获得稳定的导向力，将对实际应用有帮助。
图3a和图3b分别给出了永磁轨道中间位置处引入铁磁材料后对永磁轨道磁场分布的影响及其表面15mm法向和切向磁场分量的分布，对应场冷高度30mm情况下块材的悬浮力和测试高度15mm的导向力曲线如图4a和图4b所示。从图4a中可以看出，铁磁材料的引入带来了悬浮力一定程度的减小。在最低测试距离10mm处，引入铁磁材料后，最大悬浮力从92.1N下降到78.7N，下降了14%。而在图4b的导向力曲线中，铁磁材料的引入带来了导向性能的大幅提高，在最大横向偏移5mm处，最大导向力从-20.3N增大到-30.4N，提高了50%。由此可见，铁磁材料的引入对导向力带来的正面影响比对悬浮力带来的负面影响更加显著。这种引入方法对需要提高导向力的特定应用场合具有一定的优势。故本发明所述引入铁磁性物质的高温超导磁悬浮系统具有提高导向力性能的显著效果。
本专利除实施例所示案例外，还包括对各类高温超导磁悬浮车系统等应用场合。

Claims (4)

1.一种引入铁磁性物质的高温超导磁悬浮系统，其特征在于：包括由永磁体及聚磁材料等构成的轨道（101）、固定于车体架子中的低温容器（102），低温容器内固定有由超导块材构成的高温超导块材层（103），在高温超导块材层（103）中对应于水平磁场主导区域的超导块材上设置铁磁性物质（104）。
2.根据权利要求1所述的一种引入铁磁性物质的高温超导磁悬浮系统，其特征在于：所述铁磁性物质（104）为高导磁率材料。
3.根据权利要求1所述的一种引入铁磁性物质的高温超导磁悬浮系统，其特征在于：高温超导块材层（103）由多块超导块材构成。
4.根据权利要求2所述的铁磁性物质（104）为高导磁率材料，其特征在于：所述高导磁率材料选为铁板。
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