CN103144547A - 一种适用于高速超导磁悬浮系统的复合聚磁型永磁导轨机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高速超导磁悬浮系统的复合聚磁型永磁导轨机构，包括由数块铁磁性材料形成的主聚磁极，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，主聚磁极对永磁导轨的主磁路或主要磁能进行聚集并向空间发散，其高磁导率有利于抑制纵向磁场梯度；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；所述永磁导向组合起辅助聚磁和磁路引导作用，利用其中永磁体自身所具备的磁化方向性，将永磁体磁能引导发散至导轨上表面及以上区域。本发明在保证磁悬浮系统磁场强度需求的基础上，显著提高了永磁导轨磁场的利用效率，同时，有效平抑由于永磁体自身误差或缺陷所造成的纵向磁场梯度，保证高温超导磁悬浮系统在高速、超高速运行时的安全性和稳定性。

Description

一种适用于高速超导磁悬浮系统的复合聚磁型永磁导轨机构

技术领域

本发明属于高温超导磁悬浮技术，涉及一种适用于高速超导磁悬浮系统的复合聚磁型永磁导轨机构。

背景技术

与分别以电磁吸力和电磁感应斥力为基础的电磁悬浮（EMS）与电动悬浮（EDS）技术相比，高温超导磁悬浮技术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，无需主动控制，结构简单，原理可靠，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。

在高温超导磁悬浮系统中，需要外部磁激励源与高温超导块材共同作用感应产生维持稳定悬浮所必须的永久电流。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激励源的最优选择，其不仅具有高能量密度，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。

在实际使用中，由于生产出来的永磁体为块状材料，并受材料结构强度、充磁空间等因素影响，自身几何尺寸有一定长度限制，因此构成图1所示永磁导轨的两块水平对置的永磁体在沿纵向方向，即超导磁浮列车的前进方向（即垂直于本说明书的页面方向）是由分段的永磁块组成的。以钕铁硼（NdFeB）磁体为例，其纵向长度通常为80—100mm，因此一段1m长的永磁导轨通常要包含10—12个左右的永磁段。

如此多的永磁段在生产、加工和装配时必然存在一定误差，因此会在永磁导轨的纵向方向上造成磁场梯度。当高温超导块材悬浮于永磁导轨上方并沿纵向方向快速运行时，该磁场梯度会引发高温超导块材内部的磁通运动并造成损耗，降低超导磁悬浮系统的性能，速度越快，其影响越显著，严重时可能会造成高温超导块材内部的局部失效，直接威胁到系统的安全性能。此外，即便在低速运行场合下，如果该磁场梯度较大，也会对超导磁悬浮系统的平稳运行造成显著干扰，影响磁悬浮系统的运行稳定性和舒适性。

图1所示的传统永磁导轨由于采用聚磁铁作为主聚磁极，依靠聚磁铁的磁导率高，可以极大地抑制由于分段永磁块误差所带来的磁场梯度影响，因此该类型的永磁导轨比较适合于高速运行的超导磁悬浮系统。图1所示的传统永磁导轨采用铁磁性材料作为主聚磁极，两块水平对置的永磁体产生磁压力，主磁路由铁磁性材料引导，因此该类型永磁机构可被称为铁聚磁型。

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的功能，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2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。

对于高温超导磁悬浮系统而言，高速运行是其最大的工程应用优势，因此，迫切需要找到一种适用于高速运行条件下的永磁导轨优化结构或方法，其主要需要满足的指标有两个方面：1.提升永磁体磁能利用效率——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；2.平抑纵向磁场梯度——即降低或消除由永磁块差异或装配误差所造成的纵向，即沿磁浮列车前进方向的磁场梯度，以保证高速运行条件下超导磁悬浮系统运行的平稳性和安全性。

本发明的基本原理可分为两个部分：1.磁场导向——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。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。2.纵向磁场梯度平抑——利用铁磁性材料的高磁导率特征，来平抑或消除由于永磁块差异或装配误差等因素所造成的纵向磁场梯度波动。相较于永磁材料，铁磁性材料的磁导率要高几个数量级，因此对磁力线的聚集作用极强，可以平抑由于永磁块在加工、充磁以及装配的过程中可能出现的误差或缺陷所带来的纵向磁场梯度，保证磁悬浮系统高速运行的稳定性和安全性。本发明除采用铁磁性材料作为主聚磁极外，还使用永磁体的磁化方向性进行磁路引导，这些导向永磁体在磁路中起到辅助聚磁的作用，为区别于传统类型永磁导轨，本发明永磁机构可以称之为“铁—永磁复合聚磁”，或简称“复合聚磁”型。

发明内容

本发明的目的：提供一种适用于高速超导磁悬浮系统的复合聚磁型永磁导轨机构，使该永磁机构不仅将永磁材料的磁储能有效地发散到特定空间区域，以利于高温超导块材使用，同时还能够平抑沿超导块材纵向运行方向的磁场梯度，从而降低高速运行下超导块材内部的相关损耗，保证磁浮系统高速运行性能稳定。

技术方案：一种适用于高速超导磁悬浮系统的复合聚磁型永磁导轨机构，包括由数块铁磁性材料形成的主聚磁极，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，主聚磁极对永磁导轨的主磁路或主要磁能进行聚集并向空间发散，以利于抑制纵向磁场梯度，保证高温超导磁悬浮系统高速性能稳定；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；所述永磁导向组合起辅助聚磁和磁路引导作用，利用其中永磁体自身所具备的磁化方向性，将永磁体磁能发散至导轨上表面及以上区域，以供高温超导块材利用；

优选地，所述主聚磁极由铁磁性材料2构成；所述永磁对置组合由第四永磁体4、第五永磁体5组成，产生强磁压力；所述永磁导向组合由第一永磁体1、第三永磁体3组成，其起到辅助聚磁和磁路引导作用，将永磁体磁能发散至导轨上表面及以上区域；第一永磁体1、第四永磁体4、铁磁性材料2、第五永磁体5、第三永磁体3依次紧密连接；

或者，所述主聚磁极由第六铁磁性材料6和第七铁磁性材料7组成；所述永磁对置组合由第八永磁体8，第九永磁体9和第十永磁体10组成，用于产生强磁压力；所述永磁导向组合由第十一永磁体11和第十二永磁体12组成，起到辅助聚磁和磁路引导的作用，将永磁体磁能引导至导轨上表面及以上区域；第八永磁体8、第十一永磁体11、第九永磁体9、第十二永磁体12和第十永磁体10紧密连接成一体，其磁化方向依次为0度、90度、180度、270度、360度（0度），从而构成了一个完整的空间矢量正弦闭循环。

所述的永磁体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，并根据实际使用场合合理选择永磁材料牌号；

在实际设计中，结合设计需求和永磁材料自身特性，通过数值分析模拟优化计算和实验验证，合理选择永磁导向组合和永磁对置组合的尺寸比例；避免过窄或过薄的永磁体出现在该永磁机构中，以规避可能出现的永磁体退磁现象；

所述的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，以减小永磁材料由于加工造成的外形误差；加工成型后，表面进行镀锌或其它防护处理，以避免永磁材料被水分侵蚀发生氧化或被其它化学物质腐蚀；

所述的永磁体尽量选取同一批次的永磁材料，以避免由于原材料差异所造成的永磁材料性能波动；不同永磁块间磁能积误差应小于2%，以免由于磁能积差异造成的纵向磁场的不均匀性；

所述的永磁机构中永磁体经由牢固可靠的方式进行组合与固定，以免出现永磁体的松动和脱落；在进行永磁材料组合与安装时，充分考虑永磁材料间的磁力分布，以规避在安装过程中由于相互吸引或排斥所导致的永磁体损坏；

所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。

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、复合聚磁，磁路方向性明确。传统永磁导轨采用铁磁性材料作为主聚磁极，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，仅有上表面区域磁能可被利用。本发明利用永磁体自身具备磁化方向的特性，将永磁体作为辅助聚磁极对主磁路进行引导，打破传统永磁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、有效提升超导悬浮系统高速运行性能。本发明通过特别的磁路设计，可将永磁体大部分磁能集中于超导块材可利用区域，同时，主聚磁极采用铁磁性材料，可以有效平抑由于永磁块自身缺陷或误差所造成的纵向磁场梯度，因此不仅可以弥补传统铁聚磁型永磁导轨磁能利用效率较低的不足，可也弥补普通全永磁体组合所带来的高速运行不稳定性和损耗问题，可以从根本上提升高速超导磁悬浮系统性能。

3、结构多变，可拓展性好。本发明采用铁磁性材料和永磁体复合引导磁路的方法，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强度和发散高度，满足磁悬浮列车系统的实际要求，本发明在永磁组合结构上可调整的参数较多，可以根据实际系统和超导块材的需求，改变永磁组合尺寸、比例、聚磁铁宽度、位置等来调整满足实际工作要求，适应高温超导块材排列方式以保证超导磁悬浮系统处于最佳工作状态。

总之，本发明提出了一种适用于高速运行超导磁悬浮系统的新型永磁机构，利用铁磁性材料作为主聚磁极，并利用永磁体的磁化方向性进行磁路引导，在保证磁悬浮系统磁场强度需求的基础上，可显著提高永磁导轨磁场的利用效率。同时，有效平抑由于永磁体自身误差或缺陷所造成的纵向磁场梯度，保证高温超导磁悬浮系统在高速、超高速运行时的安全性和稳定性。

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是传统铁聚磁型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是图3中传统铁聚磁型永磁导轨的俯视图；

图5是复合聚磁型永磁导轨机构实施例一的结构设计剖面示意图；

图6是复合聚磁型永磁导轨机构实施例一的磁场分布示意图；

图7是复合聚磁型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8是复合聚磁型永磁导轨机构实施例二结构设计剖面示意图；

图9是复合聚磁型永磁导轨机构实施例二的磁场分布示意图；

图10是复合聚磁型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，其采用图1所示的传统铁聚磁型结构。图中包括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。车载高温超导块材与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为图3中永磁导轨的俯视图，由于永磁块自身有长度限制，因此沿磁浮列车前进方向，即图3中永磁导轨Y方向是由多段永磁块组合形成的长永磁导轨。由于组成图3中所示永磁导轨的各永磁块在材料本性、生产、切割、充磁和安装等过程中存在差异因此会造成永磁导轨沿Y方向存在一定磁场梯度。对于高温超导磁悬浮列车或运行机构而言，需要图3中所示永磁导轨沿Y方向无磁场梯度，即类似于普通轮轨交通所需要的平滑无阻的钢轨，如果有磁场梯度，则会对高温超导磁悬浮列车造成影响，类似于钢轨上有裂缝或凹凸。当运行速度较高时，永磁导轨Y方向磁场梯度的影响尤为明显，因此必须加以平抑。

图5示出，本发明采用铁磁性材料作为主聚磁极，永磁体作为辅助聚磁极引导磁路的一种典型结构剖面，在该结构中，同时使用铁磁性和永磁材料作为磁场发散极。图中4、5为构成永磁对置组合的永磁体，产生强磁压力，图中1、3为构成永磁导向组合的永磁体，其起到辅助聚磁和磁路引导作用，将永磁体磁能发散至导轨上表面区域的作用；图中2为该永磁机构主聚磁极所采用的铁磁性材料。该实施例利用图中1、3所示永磁体的磁导向作用，改变了图中2、4、5所构成的原本上下对称的磁路结构，使整个永磁机构能将大部分磁能聚集到上表面及以上区域。

图6显示，实施例一的永磁导轨的上表面区域磁场强度明显高于下表面区域，表明该导轨永磁组合的确发挥了磁路引导的作用。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，其上表面磁场利用效率可提高20-30%。实施例一中仅含有一块聚磁铁，因此其法向磁场分布呈现单峰特征，如图7所示。在聚磁铁处，导轨的法向磁场值最大，表明此处铁磁性材料起到了磁场聚集的作用。

实施例一采用铁磁性材料作为主聚磁极，可以利用铁磁性材料的高磁导率抑制由于永磁材料加工、装配以及永磁机构安装过程中所造成的图3中所示永磁导轨Y方向的磁场不均匀性。图3中永磁导轨Y方向的磁场不均匀性在某些应用场合，如超高速运行状态下，可能会在高温超导块材内部产生电涡流并引发磁通运动，产生损耗和热量，降低悬浮系统性能，严重时所累积的热量甚至可能造成高温超导块材内部局部失效，直接威胁到悬浮系统的安全性。因此，实施例一是一种适用于高速或超高速运行条件下的高温超导磁悬浮系统的高效永磁导轨机构。

图8示出，本发明采用铁磁性材料作为主聚磁极，永磁体作为辅助聚磁极引导磁路的另外一种典型结构剖面。与实施例一相比，实施例二的显著特点是有两个铁聚磁极，如图中6和7所示；实施例二的5个永磁体，即图中8，11，9，12和10所示永磁体的磁化方向依次为0度、90度、180度、270度、360度（0度），从而构成了一个完整的空间矢量正弦闭循环。5个永磁体中，8，9和10所示永磁对置组合永磁体，用于产生强磁压力；11和12为永磁导向组合永磁体，起到辅助聚磁和磁路引导的作用，将永磁体磁能引导至导轨上表面区域。图9显示，实施例二永磁导轨的上表面区域磁场明显强于下表面区域，表明导向磁体起到了磁路引导的目的。

由于实施例二中5个永磁体磁化方向依次相差90度，因此其法向磁场值呈现明显的正弦特征，如图10所示。图10中可见，聚磁铁处磁场法向值最大，表明此处铁磁性材料对磁场起到了聚集作用。与实施例一相同，实施例二中聚磁铁同样可以抑制永磁导轨纵向方向磁场梯度，保证超导磁浮系统高速运行稳定。此外，实施例二中法向磁场的正弦结构还有助于提升高温磁悬浮系统的侧向稳定性，保证悬浮系统高速运行的侧向安全。

无论是实施例一还是实施例二，经过合理的尺寸调整或等比缩放，从平面坐标系转换为轴坐标系后，同样适用于高温超导磁悬浮轴承、电磁离合器等小尺寸或轴对称应用场合。

Claims (7)

1.一种适用于高速超导磁悬浮系统的复合聚磁型永磁导轨机构，包括由数块铁磁性材料形成的主聚磁极，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，主聚磁极对永磁导轨的主磁路或主要磁能进行聚集并向空间发散，其高磁导率有利于抑制纵向磁场梯度；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；所述永磁导向组合起辅助聚磁和磁路引导作用，利用其中永磁体自身所具备的磁化方向性，将永磁体磁能引导发散至导轨上表面及以上区域，便于利用。

2.根据权利要求1所述的复合聚磁型永磁导轨机构，其特征在于，所述主聚磁极由铁磁性材料（2）构成；所述永磁对置组合由第四永磁体（4）、第五永磁体（5）组成，产生强磁压力；所述永磁导向组合由第一永磁体（1）、第三永磁体（3）组成，其起到辅助聚磁和磁路引导作用，将永磁体磁能发散至导轨上表面及以上区域；第一永磁体（1）、第四永磁体（4）、铁磁性材料（2）、第五永磁体（5）、第三永磁体（3）依次紧密连接。

3.根据权利要求1所述的复合聚磁型永磁导轨机构，其特征在于，所述主聚磁极由第六铁磁性材料（6）和第七铁磁性材料（7）组成；所述永磁对置组合由第八永磁体（8），第九永磁体（9）和第十永磁体（10）组成，用于产生强磁压力；所述永磁导向组合由第十一永磁体（11）和第十二永磁体（12）组成，起到辅助聚磁和磁路引导的作用，将永磁体磁能引导至导轨上表面及以上区域；第八永磁体（8）、第十一永磁体（11）、第九永磁体（9）、第十二永磁体（12）和第十永磁体（10）紧密连接成一体，其磁化方向依次为0度、90度、180度、270度、360度（0度），从而构成了一个完整的空间矢量正弦闭循环。

4.根据权利要求1-3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矫顽力永磁材料。

5.根据权利要求1-3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。

6.根据权利要求1-3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。

7.根据权利要求1-3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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