CN103129563A - 一种适用于高温超导磁悬浮系统的高效永磁聚磁型导轨机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高温超导磁悬浮系统的高效永磁聚磁型导轨机构，包括由数块永磁体形成的永磁对置组合，以及由数块永磁体形成的永磁导向组合，其特征在于，所述永磁对置组合利用其中各永磁体的磁极之间的互斥作用产生强的磁压力，所述永磁导向组合利用其中永磁体自身所具备的磁化方向性，将所述永磁对置组合及永磁导向组合的磁能引导发散到永磁导轨上表面及上部区域，以供高温超导块材利用。本发明改变了现有高温超导磁悬浮系统用永磁导轨机构采用铁磁性材料引导磁路而造成的磁能利用效率较低的缺点，在保证满足磁悬浮系统要求的磁场指标的基础上，可有效提高永磁导轨磁储能的利用效率，同时从磁场构型、磁能分布的角度，本发明有助于高温超导磁悬浮系统整体性能的提升。

Description

一种适用于高温超导磁悬浮系统的高效永磁聚磁型导轨机构

技术领域

本发明属于高温超导磁悬浮技术，涉及一种可有效提高高温超导磁悬浮系统磁能利用效率的永磁聚磁型导轨机构。

背景技术

基于具备磁通钉扎能力的高温超导块材的高温超导（HTS）磁悬浮技术因其所特有的被动悬浮特性，无需主动控制即可实现稳定悬浮，既消除了传统机械结构中的摩擦损耗，也避免了主动悬浮系统中控制技术和设备的研发与投入。高温超导磁悬浮技术以其结构简单、原理可靠、性能优越的特性，成为实用磁悬浮技术的理想选择之一，在高速轨道交通、大规模电磁储能技术、电磁弹射与发射、磁悬浮轴承等诸多应用领域具有广阔的应用前景，其所具备的低能耗、高可靠性、无污染等诸多优势也使其成为发展绿色能源产业的理想选择之一。

高温超导磁悬浮列车是高温超导磁悬浮技术在轨道交通领域应用的代表，由于其克服了轮轨系统的粘滞摩擦力，且无需主动控制或外部能源供给即可实现稳定悬浮与导向，消除了采用主动控制技术的磁悬浮轨道交通系统在高速或超高速运行状态下可能存在的控制响应时滞问题，因而是高速或超高速轨道交通系统的理想选择。2000年底，载人高温超导磁悬浮实验车“世纪号”在中国成都实验成功，标志着高温超导磁悬浮技术在轨道交通应用领域的重大突破。

与采用主动控制技术，分别利用电磁吸力和电磁感应排斥力实现悬浮的电磁悬浮（EMS）列车与电动悬浮（EDS）列车相比，高温超导磁悬浮列车依靠高温超导块材与外部磁场激励之间的电磁感应作用产生的永久电流实现稳定的自悬浮。在高温超导磁悬浮系统中，除需要该外部磁场激励感应产生高温超导块材内部永久电流外，还需要其能稳定持续存在一定时间，以维持高温超导磁浮列车的稳定悬浮状态和高速运行。

与电磁铁相比，具有高磁能积和强矫顽力的永磁体是现有技术条件下产生该外部磁场激励的更优选择，其不仅具有更高的能量密度，在提供相同外部磁场激励能量的前提下所需体积更小，重量更轻，能有效减少系统占用空间和重量，而且无需引入能源供给装置和通风散热装置，节省了大量相关设备投入，降低了系统的复杂性，提高了系统的安全和运行可靠性。

由于高温超导磁悬浮系统的特殊要求，永磁体所提供的外部磁场激励需要满足在某个特定方向具有高磁场强度和磁场梯度，而在另一特定方向则需要满足无磁场梯度以及具备高磁场均匀度的特殊要求，因而不能仅依靠单块永磁体提供该磁场激励，而需要引入特殊的永磁组合结构，将多块永磁体拼接组装起来，构成一个完成的永磁机构，当应用于超导磁悬浮列车时，通常称之为永磁导轨。

目前广泛采用的高温超导磁悬浮列车用永磁导轨为铁聚磁型结构，即利用磁化方向相反的永磁体对置组合产生强的磁压力，以铁磁性材料聚集磁场并将永磁体对置组合的磁力线引导发散至高温超导块材的工作区域，其典型结构和磁场分布如图1所示。永磁导轨所提供的磁场不仅需要具有高的磁场梯度，以便高温超导块材产生较大的竖直悬浮力，同时也需要具有高的磁场强度，以便高温超导块材发生侧向位移时能够产生较大的水平恢复力。载人高温超导磁悬浮实验车“世纪号”所使用的该永磁机构为导轨形式，且目前在全世界同类系统中得到了广泛的应用。需要注意的是，图1所示永磁导轨有三个聚磁铁，其中中间聚磁铁为主聚磁极，其所承担的作用是将磁力线聚集并发散到较高的空间区域，左右两侧聚磁铁为辅助聚磁极，其主要对主聚磁极所发散的磁力线起到聚集、回收的作用，以便于磁力线更快、更集中的进入图1所示两块水平对置的永磁体磁路中，减小磁能的无效发散空间。在某些非必要的情况下，可以省略左右两侧的辅助聚磁铁，其并不会对永磁导轨的主磁路造成明显影响。

现有铁聚磁型永磁导轨存在的一个不利因素是其磁场能量可利用率较低。由于使用铁磁性材料聚集磁场，而永磁体对置组合本身没有磁路导向功能，因此其磁场分布具有上下对称的特点，即其上表面和下表面的发散磁场完全一致，如图1中磁场分布计算值所示。由于永磁导轨不仅要为高温超导块材提供外部磁场激励，同时其也要起到类似传统轮轨交通中钢轨的承重功能，即需要承载高温超导磁悬浮列车和乘客的全部重量，而永磁材料本身是一种功能性材料，其结构强度和机械抗压能力较小，因而其必须合理放置于承重基础上，起到力传导的作用而不是力承载作用。在现有技术条件和永磁材料特性背景下，永磁导轨下表面需要与基础承载部件连接，因此仅有上表面的磁场能量可供高温超高块材利用，整体的磁能利用率低，导致永磁导轨结构冗余，增加了其造价。

因此，需要找到一种既能满足高温超导块材稳定悬浮，又可以有效提高永磁导轨磁能利用效率的永磁导轨优化方法或结构，即在不改变导轨外形因素的前提下，通过磁性材料功能分配或组合的方式，将永磁体的大部分磁储能引导至导轨的上表面及以上空间，以提高悬浮系统的工作效率，减小永磁用量，降低系统造价。本发明的基本原理是利用永磁材料自身所具有的磁化方向性来达到引导磁场发散的目的。不同于铁磁性材料需要在外加磁场中才能实现磁畴的有序排列，永磁材料在生产加工成型后，经过一次性充磁便可实现磁畴的有序排列，从而具备磁化方向性，且该磁化方向性在无外加强逆向（退）磁场的情况下是永久存在的。与铁磁性材料相比，永磁材料在磁路中不仅可以起到磁场激励源的作用，同时也可以利用其磁化方向性，即静磁场的无散度特性及磁力线的闭环分布特征，实现磁路的导向功能。

发明内容

本发明的目的：提供一种适用于高温超导磁悬浮系统的永磁导轨机构，使该永磁机构不仅满足结构简单可靠、磁场发散空间高、磁场梯度大等基本技术条件外，还能够将永磁材料的磁场储能有效的发散到特定空间区域，以利于磁场为高温超导块材所利用，从而提高高温超导磁悬浮系统的工作效能。

技术方案：一种适用于高温超导磁悬浮系统的高效永磁聚磁型导轨机构，包括由数块永磁体形成的永磁对置组合，以及由数块永磁体形成的永磁导向组合，其特征在于，所述永磁对置组合利用其中各永磁体的磁极之间的互斥作用产生强的磁压力，所述永磁导向组合利用其中永磁体自身所具备的磁化方向性，将所述永磁对置组合及永磁导向组合的磁能发散到永磁导轨上表面及上部区域，以供高温超导块材利用；

所述永磁对置组合由第一永磁体1、第二永磁体2和第五永磁体5组成，所述永磁导向组合由第三永磁体3和第四永磁体4组成；第一永磁体1、第四永磁体4、第二永磁体2、第三永磁体3、第五永磁体5依次紧密连接，其磁化方向的空间相位分别为为0度、90度、180度、270度和360度（0度），依次相差90度；

或者，所述对置组合由第一永磁体1、第二永磁体2组成，所述永磁导向组合仅由第四永磁体4组成；第一永磁体1、第四永磁体4、第二永磁体2依次紧密连接，其磁化方向的空间相位分别为为0度、90度、180度，依次相差90度；

所述永磁聚磁型导轨机构还可在两侧分别增加连接两块侧面辅助聚磁极6，其由铁磁性材料制成，对所述永磁导向组合所发散的磁力线起到聚集、回收的作用，以便于磁力线更快、更集中的进入所述永磁对置组合产生的磁路中，减小磁能的无效发散空间；

所述永磁体均选用高磁能积永磁材料，如钕铁硼等永磁体；并尽量选用高矫顽力材料，以避免由于局部聚集磁场较强可能导致的永磁材料退磁现象；

所述永磁导向组合和永磁对置组合的尺寸比例，结合永磁材料的自身特性，通过数值分析模拟优化计算和实验验证合理选择；为避免在有强逆向或退磁场的情况下永磁体可能出现的退磁现象，避免使用过窄或过薄的永磁体；

所述永磁体在加工成型时尽量使用精密线切割或其他的高精度加工方法，以减小永磁体由于加工造成的外形误差；

所述永磁体在加工成型后，表面进行镀锌或其它防护处理，以避免永磁体被水分侵蚀发生氧化或被其它化学物质腐蚀；

所述永磁体在制作完成后，要求其磁能积误差小于2%，避免由于磁能积出现大的误差造成永磁机构特定方向磁场的不均匀性，进而影响到磁悬浮系统工作性能；

所述永磁体尽量选取同一批次原材料的永磁材料，以避免由于原材料差异所造成的永磁体性能波动，以及所引起的永磁机构特定方向磁场的不均匀性；

所述永磁体必须经由牢固可靠的方式进行组合与固定，以免出现永磁材料的松动和脱落，目前较为常用的永磁材料组合固定方式为横向贯通式螺栓固定；

上述的永磁机构中在与发散磁场至工作区域的磁路相反向的磁路中不能出现铁磁性材料，以避免由于磁路短路而无法将磁场发散到指定的工作区域；

上述的永磁机构中，在某些特定区域可以使用铁磁性材料，以增强磁力线的聚集强度或减小磁力线的无效发散区域；

在完成上述工艺设计和加工的同时，还可根据实际需要增加一些安全防护装置，以避免由于外力冲击或永磁体破损可能引起的安全隐患。

本发明的优点和有益效果：

与现有技术相比，本发明的优势和特点在于：

1、磁路方向性明确。传统永磁导轨采用铁磁性材料聚集磁场，而铁磁性材料本身没有磁化方向，不能在磁路中起到引导作用，因此传统永磁导轨的磁场分布上下对称。本发明利用永磁体自身具备磁化方向的特性，将永磁体组合与磁路设计相结合，打破传统导轨上下对称的磁场结构，使永磁导轨的磁路具有明确的方向性，可将磁能引导至所需要到达的空间或位置，从而可以更好地被外部利用。

2、磁能利用效率高。现有永磁导轨的磁场具有上下对称性，并且导轨下表面必须和基础支撑连接，因此只有上表面及以上区域的磁能可以被利用，其磁能利用效率偏低。本发明利用永磁材料本身的磁化方向性进行磁路引导，可将大部分磁能有效聚集到导轨上表面及以上区域，因而可大幅提高磁悬浮系统的工作效能。

3、结构多变，适用面广。本发明在永磁组合结构上可调整的参数较多，可以通过永磁组合尺寸与比例调整来满足实际工作要求并适应高温超导块材排列方式。与现有高温超导磁悬浮系统用永磁机构相比，本发明有助于减小永磁机构的高度，满足对整体高度要求严格的系统需求。

4、可拓展性好。现有高温超导磁悬浮系统用永磁机构采用铁磁性材料引导磁路，在进行磁体宽度拓展时，由于铁磁性材料的高磁化率，其会对磁力线产生强吸引作用，进而明显降低磁场的发散高度，将磁能束缚在永磁机构表面附近，因而在应用到高温超导磁悬浮列车系统时，其无法满足对于磁场发散高度的特殊要求。本发明采用永磁材料引导磁路的方法，结合不同的永磁体组合与排列方式，不仅可进行水平方向，即磁体宽度的等比拓展，还可有效保证磁场的发散高度，满足磁悬浮列车系统的技术要求，在某些特定组合下使用本发明的永磁导轨所产生的正弦磁场结构还可为磁悬浮列车系统导向性能的提高提供优化途径。

总之，本发明改变了现有高温超导磁悬浮系统用永磁导轨机构采用铁磁性材料引导磁路而造成的磁能利用效率较低的缺点，在保证满足磁悬浮系统要求的磁场指标的基础上，可有效提高永磁导轨磁场的利用效率，同时从磁场构型、磁能分布的角度，本发明有助于高温超导磁悬浮系统整体性能的提升。

附图说明

图1是传统铁聚磁型永磁导轨机构的结构示意图；

图2是传统铁聚磁型永磁导轨机构的磁场分布示意图；

图3是本发明永磁导轨机构应用于高温超导磁悬浮列车的端面结构示意图；

图4是永磁导轨机构实施例一的结构设计剖面示意图；

图5是永磁导轨机构实施例一的磁场分布示意图；

图6是永磁导轨机构实施例一的磁场分布A-A线法向磁场值示意图；

图7是永磁导轨机构实施例二结构设计剖面示意图；

图8是永磁导轨机构实施例二的磁场分布示意图；

图9是永磁导轨机构实施例二的磁场分布B-B线磁场值示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

图1和图2示出了传统铁聚磁型永磁导轨机构的结构示意图及其磁场分布示意图，可以看出，由于使用铁磁性材料聚集磁场，而永磁对置组合本身没有磁路导向功能，因此其磁场分布具有上下对称的特点，即其上表面和下表面的发散磁场完全一致，在现有技术条件和永磁材料特性背景下，永磁导轨下表面需要与基础承载部件连接，因此仅有上表面的磁场能量可供高温超高块材利用，整体的磁能利用率低，导致永磁导轨结构冗余，增加了其造价。

图3示出，本发明应用于高温超导磁悬浮列车的一种具体实施方式为：安装于承重基础上的用以提供高温超导磁悬浮列车稳定运行所需外部磁场激励的永磁导轨，高温超导磁悬浮列车车体，装载于车体底部的推进用线性电机次级，车载低温容器以及安置于低温容器中的高温超导块材，以及线性电机初级，其与永磁导轨均固定于承重基础设施上。所示车载高温超导块材与所示永磁导轨通过电磁耦合产生维持高温超导磁悬浮列车稳定悬浮的支撑力，并且在磁悬浮列车出现侧向偏移时产生水平恢复力，确保其侧向稳定性。高温超导磁悬浮列车在悬浮状态下，在所示线性电机系统推动下，可以实现高速或超高速的稳定运行。

图4示出本发明的一种应用实施例一，在该实施例中，使用空间磁化方向依次相差90度的永磁体组合，引导永磁体磁能发散至导轨上表面及以上区域。图4所示实施例中各个永磁体的磁化方向均以箭头示出。图中1、2、5为构成永磁对置组合的永磁体，其可利用两个磁极之间的互斥作用，产生强磁压力；图中3、4为构成永磁导向组合的永磁体，其利用永磁材料自身所具备的磁化方向性，将永磁对置组合磁体及自身磁能引导发散到永磁导轨上表面及上部区域，以供高温超导块材利用。实施例1的特点在于图中1、4、2、3、5所示磁体的磁化方向分别为0度、90度、180度、270度和360度（0度），即空间相位依次相差90度，构成一个完整的正弦函数循环（360度）；图中6为侧面辅助聚磁极，其主要功能是对图中3、4所示导向用的永磁体所发散的磁力线起到聚集、回收的作用，以便于磁力线更快、更集中的进入图中1、2、5所示永磁体磁路中，减小磁能的无效发散空间，其与图1所示辅助聚磁铁的功能相同。在某些场合，可不使用图中6所示侧面辅助聚磁极，并不会对该永磁机构的性能造成明显影响。

需要注意，尽管图4中的3所示永磁块磁化方向指向永磁导轨下表面，但图中的1、2、5永磁组合所构成的子系统仍能将大部分磁能聚集到永磁导轨上表面，这是由于主磁路构造的正弦特性所决定的；图中的3、4所示磁导向用永磁体在设计时应当避免过薄的情况出现，否则永磁对置组合磁体产生的强磁压力可能引起磁导向用永磁体的退磁，影响其工作性能。通过合理的尺寸设计，在特定高度内，图4所示永磁机构可将超过70%的磁体能量发散到导轨上表面及以上空间，与仅使用铁磁材料发散磁场的现有高温超导磁悬浮列车用永磁导轨相比，其上部空间磁场利用效率可提高30-40%。

如图5所示，实施例一中的永磁导轨的磁力线明显集中于导轨的上表面及以上区域，说明该区域磁能密度高于导轨下表面及以下区域，与图1所示的传统永磁导轨上下对称的发散磁场区别明显。沿图5中所示A-A线部分取法向磁场值（该处距离导轨上表面5mm），其结果如图6所示。可以看到，正是由于图4中的1、4、2、3、5永磁体的磁化方向依次相差90度，从而构成一个完整的正弦闭环，即360度，故其发散的5mm高度处磁场值呈现出明显的正弦结构。该永磁机构所具备的正弦磁场特性不仅使其拥有更高的上表面磁能利用效率，而且在实际应用中，可以为高温超导块材组合整体悬浮性能，特别是侧向稳定性的提升带来帮助。

图7示出，本发明实施例二的结构，使用单块永磁体引导磁路，将磁能发散至导轨上表面及以上区域。图7所示实施例中各个永磁体的磁化方向均以箭头示出。图7中的1、2为构成永磁对置组合的永磁体，其可利用两个磁极之间的互斥作用，产生强磁压力。图中的4为聚磁永磁体，其主要起到磁路引导的目的，即引导磁能发散至导轨上表面及以上区域，供外部超导材料利用。图7中的6所示为辅助聚磁铁，其功能与图1和图4所示的辅助聚磁铁功能相同，对磁力线起到回收聚拢的作用，省略后对永磁导轨主磁路基本无影响。图7中的4所示磁导向用永磁体在设计时应当避免过薄的情况出现，否则永磁对置组合磁体产生的强磁压力可能引起磁导向用永磁体的退磁，影响其工作性能。

图8所示，实施例二的永磁导轨的磁场也呈现出明显的上下不对称性，上表面及以上空间的磁场明显强于下表面区域，表明图7中的4所示的聚磁永磁体的确起到了磁路导向的作用，即将磁能引导至上表面区域。与实施例一不同的是，图7中的1、4、2的磁化方向分别为0度、90度和180度，即只构成正弦函数循环的一半，因此其法向磁场分布呈现单峰特征，如图9所示。与实施例一相类似，实施例二也可以有效增强永磁导轨上方可供超导材料利用的磁储能，进而有效提升高温超导磁悬浮系统的整体工作性能。

Claims (8)

1.一种适用于高温超导磁悬浮系统的高效永磁聚磁型导轨机构，包括由数块永磁体形成的永磁对置组合，以及由数块永磁体形成的永磁导向组合，其特征在于，所述永磁对置组合利用其中各永磁体的磁极之间的互斥作用产生强的磁压力，所述永磁导向组合利用其中永磁体自身所具备的磁化方向性，将所述永磁对置组合及永磁导向组合的磁能引导发散到永磁导轨上表面及上部区域，以供高温超导块材利用。

2.根据权利要求1所述高效永磁聚磁型导轨机构，其特征在于，所述永磁对置组合由第一永磁体（1）、第二永磁体（2）和第五永磁体（5）组成，所述永磁导向组合由第三永磁体（3）和第四永磁体（4）组成；第一永磁体（1）、第四永磁体（4）、第二永磁体（2）、第三永磁体（3）、第五永磁体（5）依次紧密连接，其磁化方向的空间相位分别为为0度、90度、180度、270度和360度，依次相差90度。

3.根据权利要求1所述高效永磁聚磁型导轨机构，其特征在于，所述对置组合由第一永磁体（1）、第二永磁体（2）组成，所述永磁导向组合仅由第四永磁体（4）组成；第一永磁体（1）、第四永磁体（4）、第二永磁体（2）依次紧密连接，其磁化方向的空间相位分别为为0度、90度、180度，依次相差90度。

4.根据权利要求2或3所述高效永磁聚磁型导轨机构，其特征在于，所述永磁聚磁型导轨机构还可在两侧分别增加连接两块侧面辅助聚磁极（6），其由铁磁性材料制成。

5.根据权利要求1-4中任一权利要求所述高效永磁聚磁型导轨机构，其特征在于，所述各永磁体均选用高磁能积、高矫顽力永磁体。

6.根据权利要求1-4中任一权利要求所述高效永磁聚磁型导轨机构，其特征在于，避免使用过窄或过薄的永磁体。

7.根据权利要求1-4中任一权利要求所述高效永磁聚磁型导轨机构，其特征在于，所述各永磁体经由牢固可靠的方式进行组合与固定。

8.根据权利要求1-4中任一权利要求所述高效永磁聚磁型导轨机构，其特征在于，所述永磁体选取同一批次原材料的永磁材料；所述各永磁体在加工成型时使用精密线切割或其他的高精度加工方法；所述永磁体在加工成型后，表面进行镀锌或其它防护处理。

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