CN104377998B - 基于高温超导钉扎和悬浮效应的电磁型永磁导轨式弹射器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高温超导钉扎和悬浮效应的电磁型永磁导轨式弹射器，利用高温超导块材与永磁导轨作用悬浮同时受到电磁场的作用，产生钉扎效应形成推动或制动，进而带动与高温超导块材连接的负载运动。本弹射器是基于高温超导块材的自悬浮、自稳定、自导向功能和钉扎效应的电磁弹射器，本系统直接将电磁能转变成动力源，无机械传动的缓冲和摩擦阻尼，能量转换效率高，系统复杂性低，可操作性强。

Description

基于高温超导钉扎和悬浮效应的电磁型永磁导轨式弹射器

技术领域

本发明涉及电磁型弹射器，特别是一种基于高温超导钉扎和悬浮效应的电磁型永磁导轨式弹射器。

背景技术

目前，电磁型永磁导轨式弹射器具有体积小、对舰上辅助系统要求低、效率高、重量轻、运行和维护费用低廉等多个好处而受到广泛应用。电磁弹射器由三大主要部件构成，分别是线性同步电动机、盘式交流发电机和大功率数字循环变频器，其中，线性同步电动机是电磁弹射器的本体。随着科学技术的发展，人们利用悬浮技术实现了无摩擦力推力，大大地提高了效率；还发明了直线电机，实现直接推进，避免了旋转电机的机械传动环节，但还存在磁阻力大、控制复杂度高、制动过程差和直线电机对静子部分要求高等问题。另外，高温超导材料在电机中的应用也已经取得了较好发展，国内外的样机相继问世，而且有些达到了实际应用的水平，更有用在弹射器上，比如说高温超导材料应用于直线电机的推进和悬浮导向等技术上。

然而，国内外现有的高温超导直线电机的设计、生产都比较复杂，运动条件也相当苛刻，另外，基于直线电机的电磁弹射系统造价高，因此实际运用具有很大的难题，在一定程度上影响了推广应用。

发明内容

要解决的技术问题：针对现有技术的问题，本发明提出一种基于高温超导钉扎和悬浮效应的电磁型永磁导轨式弹射器，解决现有的电机驱动的弹射器中的阻力较大、控制复杂度高、制动过程差等技术问题以及现有的弹射器上用到的高温超导电机的设计、生产复杂且运行条件苛刻的技术问题。

技术方案：为解决上述技术问题，经过研究高温超导体独特的性能、本发明采用以下技术方案：

一种基于高温超导钉扎和悬浮效应的电磁型永磁导轨式弹射器，包括高温超导线圈组、高温超导块材、永磁导轨和电源系统；

所述高温超导线圈组内有多个相互独立并且同轴设置的超导线圈，每个超导线圈配备独立的电力电子开关并联到电源系统上；高温超导线圈组内通以电流形成电磁场；由于超导线圈组按照上述方式设置，所形成的电磁场具有高梯度和高强度；

所述高温超导块材和永磁导轨均设置在高温超导线圈组的内腔中；所述高温超导块材上设置有固定负载的挂钩；所述永磁导轨铺设在高温超导块材的下方，且永磁导轨的铺设方向与高温超导线圈组所形成的电磁场方向平行；其中高温超导块材包括水平高温超导块材和垂直高温超导块材；所述水平高温超导块材与永磁导轨适配，构成悬浮部分；所述垂直高温超导块材与水平高温超导块材固连，所述高温超导线圈组形成的磁场作用于垂直高温超导块材上实现推动或制动。水平高温超导块材在沿永磁导轨的铺设方向上具有较大的尺寸保证能够与永磁导轨共同作用实现悬浮并带动垂直高温超导块材一起悬浮；垂直高温超导块材在垂直于超导线圈法向的方向上具有较大的尺寸能够在使得电磁场足够多地作用到其表面形成推动或制动；

本发明利用超导体与永磁体之间较大的磁悬浮力、良好的磁悬浮稳定性以及永磁体之间较强的磁力和良好的刚性。高温超导块材和永磁导轨形成悬浮力，在超导环境中能够使得高温超导块材悬浮于超导线圈的内腔中，并且设定好永磁导轨的铺设方向为弹射器的推进方向，利用高温超导块材的钉扎效应，形成推进和制动环节。本专利中永磁导轨和高温超导块材组成的系统，在超导环境下，不仅具有自悬浮功能和自导向功能，而且控制简单，可操作能力强；在高温超导线圈组中通以合适的电流，由于超导线圈的轴向与永磁导轨一致，使得超导线圈中形成的磁场梯度最强，进而弹射力的转换也得到保证。因此，通过挂钩将需要弹射的负载固定，并沿着永磁导轨，在超导线圈形成的高梯度电磁场中悬浮并获得弹射力进而实现弹射。本发明利用超导体的物理特性和电磁力，直接实现电能到机械动力的转换，无中间环节，结构简单、运行可靠、能力转换效率高。

进一步的，在本发明中，沿着弹射方向将弹射器划分为推进系统和制动系统，其中推进系统位于弹射方向的起始一端；将高温超导线圈组中所有的按照顺序依次排列的n个超导线圈分别顺序编号，推进系统包括高温超导线圈组中位于弹射方向的起始一端的i个相邻的超导线圈，制动系统包括高温超导线圈组另一端的n-i个相邻的超导线圈；

所述电源系统设置有电源控制器，在推进系统中，电源控制器控制电源系统对属于推进系统的超导线圈按照如下方式通电：首先通电的超导线圈的组合为1、2、……、j，其次通电的超导线圈的组合为2、3、……、j，按照此规律，直至最后通电的超导线圈的组合i-j、i-j+1、……、i，上述电流方向均相同；

在制动系统中，电源控制器控制电源系统对属于推进系统的超导线圈按照如下方式通电：首先通电的超导线圈的组合为i+1、i+2、……、i+j，其次通电的超导线圈的组合为i+2、i+3、……、i+j+1，按照此规律，直至最后通电的超导线圈的组合n-j、n-j+1、……、n，制动系统中的各个超导线圈中的电流方向均相同且与推进系统中的电流方向相反。

按照上述方法进行电流的通断，高温超导块材会产生钉扎效应，实现推进和制动。

进一步的，在本发明中，每个超导线圈均为具有缺口的圆形，所有超导线圈缺口位置相同地排列；所述永磁导轨设置在超导线圈内与缺口相对的一侧且为与超导线圈同心的圆柱面；所述垂直高温超导块材为圆柱形且圆柱端面与超导线圈的法线垂直，垂直高温超导块材外固定有同心的连接架，挂钩和水平高温超导块材均固定在连接架上，其中挂钩对准超导线圈的缺口，水平高温超导块材设置在垂直高温超导块材的下方且为与超导线圈同轴的圆柱面。永磁导轨与水平高温超导块同心适配、悬浮力好，并且线圈为同心的圆形，可以最大限度地保证超导线圈通电后形成的磁场梯度最强且与永磁导轨方向完全一致，作用到垂直高温超导块材上的磁场多且密集，传动效果好。

本发明将的钉扎效应、超导磁体形成高梯度电磁场以及超导被动悬浮技术结合在一起，有效地利用了超导悬浮的自悬浮和自导向的功能、利用超导钉扎力和超导线圈形成高梯度磁场组成的弹射推进和制动系统，利用钉扎力取代了机械传动或者直接驱动，同时，反向钉扎力取代了传统制动或涡流制动的过程，使得在弹射过程中，既无机械传动的缓冲和阻尼，也无直接驱动的磁阻力和控制复杂度等问题，减小了弹射器的阻尼、提高了能量的转换效率，简化了弹射器的复杂性，同时复杂性的降低也能够使得弹射器的体积得到减小。

有益效果：

本发明利用基本的电磁推进原理，使用超导线圈依次顺序通电的方式形成的高梯度电磁场，用该方法所形成的电磁场与传统的电磁场相比，不仅超导材料的电磁转换效率高，而且还可以形成传统电磁场无法达到的高密度磁场；同时，在高梯度电磁场中悬浮并沿着高梯度的电磁场的方向产生足够强的钉扎力即宏观上的电磁力，并且电磁力方向即为永磁导轨方向，利用电磁力直接驱动，取代了机械传动，摩擦力小，结构简单；并且在制动方面利用反向电磁力直接制动，使得整体结构统一、降低结构复杂度和自身体积，并且控制灵活，响应快，在相同性能的前提下载重能力强，适应于对空间要求较高的场合。

附图说明

图1为本发明的总体架构图；

图2为高温超导线圈组图；

图3为电源系统图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种基于高温超导钉扎和悬浮效应的电磁型永磁导轨式弹射器包括高温超导线圈组6、高温超导块材3、永磁导轨4和电源系统；

所述高温超导线圈组6内有多个相互独立并且同轴设置的超导线圈，每个超导线圈均为具有缺口的圆形，配备一个与高温超导线圈组6适配的空心框架5，将所有超导线圈都以缺口位置朝上的方式进行依次紧密排列绕在空心框架5上，缺口排列成一个长条状的口；每个超导线圈配备独立的电力电子开关并联到电源系统上；超导线圈通电形成的电磁场与超导线圈的轴向方向平行。

所述高温超导块材3和永磁导轨4均设置在高温超导线圈组6的内腔中；所述永磁导轨4设置在超导线圈内与缺口相对的一侧且为与超导线圈同心的圆柱面，且永磁导轨4的铺设方向与高温超导线圈组6所形成的电磁场方向平行；所述永磁导轨4上方为高温超导块材3，并且高温超导块材3包括水平高温超导块材7和垂直高温超导块材8；所述水平高温超导块材7为与超导线圈同轴的圆柱面并且与永磁导轨4适配，该圆柱面的厚度较小但侧面较大尤其是沿永磁导轨4铺设方向的长度较长，构成悬浮部分；所述垂直高温超导块材8为较短的圆柱形且圆柱端面与超导线圈的法线垂直，其位于水平高温超导块材7的上方并与水平高温超导块材7通过连接架9固连，所述高温超导线圈组6形成的磁场作用于垂直高温超导块材8上实现推动或制动。连接架9上还固定有带动负载的挂钩2，所述挂钩2对正高温超导线圈组6的缺口形成的长条状的口，在高温超导线圈组6的上方设置一平台1，平台1可用作负载的支撑面，挂钩2与负载固连并沿长条状的口带动负载运动。

需要运动起来，必须在超导线圈中通以合适的电流。沿着弹射方向将弹射器划分为推进系统和制动系统，其中推进系统位于弹射方向的起始一端；将高温超导线圈组6中所有的按照顺序依次排列的n个超导线圈分别顺序编号，推进系统包括高温超导线圈组6中位于弹射方向的起始一端的i个相邻的超导线圈，制动系统包括高温超导线圈组6另一端的n-i个相邻的超导线圈；

高温超导线圈组6内通以电流形成电磁场；所述电源系统设置有电源控制器，在推进系统中，电源控制器控制电源系统对属于推进系统的超导线圈按照如下方式通电：首先通电的超导线圈的组合为1、2、……、j，其次通电的超导线圈的组合为2、3、……、j，按照此规律，直至最后通电的超导线圈的组合i-j、i-j+1、……、i，上述电流方向均相同；

在制动系统中，电源控制器控制电源系统对属于推进系统的超导线圈按照如下方式通电：首先通电的超导线圈的组合为i+1、i+2、……、i+j，其次通电的超导线圈的组合为i+2、i+3、……、i+j+1，按照此规律，直至最后通电的超导线圈的组合n-j、n-j+1、……、n，制动系统中的电流方向均相同且与推进系统中的电流方向相反。

在上述的通电方法中，n、i和j的具体数值以及电流的其他参数需由设计确定，此为本行内的一般技术人员根据现有知识可以设计完成的。

由于垂直高温超导块材8和水平高温超导块材7之间形状和位置的设定不同，使得有效的电磁场绝大部分都作用在垂直高温超导块材8上，因此计算电磁力时忽略水平高温超导块材7的影响后计算如下：由于垂直高温超导块材8在超导运行环境中，高温超导线圈组6通电而产生的高梯度强磁场形成足够强的电磁推力或电磁制动力，电磁推力或电磁制动力的理论计算值为：

上式中，M为垂直高温超导块材8的磁化程度，为电磁场梯度。

以上步骤，特别是推进和制动环节，均在超导悬浮的基础上进行，其中垂直高温超导块材8由于侧面较短因此对悬浮的作用贡献很小，故基本可认为悬浮是由于水平高温超导块材7与永磁导轨4之间的作用，由于超导悬浮部分为现有技术，故在此不做详述，具体内容可参考相关文献，特此说明。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于高温超导钉扎和悬浮效应的电磁型永磁导轨式弹射器，其特征在于：包括高温超导线圈组(6)、高温超导块材(3)、永磁导轨(4)和电源系统；

所述高温超导线圈组(6)内有多个相互独立并且同轴设置的超导线圈，每个超导线圈配备独立的电力电子开关并联到电源系统上；高温超导线圈组(6)内通以电流形成电磁场；

所述高温超导块材(3)和永磁导轨(4)均设置在高温超导线圈组(6)的内腔中；所述高温超导块材(3)上设置有固定负载的挂钩(2)；所述永磁导轨(4)铺设在高温超导块材(3)的下方，且永磁导轨(4)的铺设方向与高温超导线圈组(6)所形成的电磁场方向平行；其中高温超导块材(3)包括水平高温超导块材(7)和垂直高温超导块材(8)；所述水平高温超导块材(7)与永磁导轨(4)适配，构成悬浮部分；所述垂直高温超导块材(8)与水平高温超导块材(7)固连，所述高温超导线圈组(6)形成的磁场作用于垂直高温超导块材(8)上实现推动或制动。

2.根据权利要求1所述的基于高温超导钉扎和悬浮效应的电磁型永磁导轨式弹射器，其特征在于：沿着弹射方向将弹射器划分为推进系统和制动系统，其中推进系统位于弹射方向的起始一端；将高温超导线圈组(6)中所有的按照顺序依次排列的n个超导线圈分别顺序编号，推进系统包括高温超导线圈组(6)中位于弹射方向的起始一端的i个相邻的超导线圈，制动系统包括高温超导线圈组(6)另一端的n-i个相邻的超导线圈；

所述电源系统设置有电源控制器，在推进系统中，电源控制器控制电源系统对属于推进系统的超导线圈按照如下方式通电：首先通电的超导线圈的组合为1、2、……、j，其次通电的超导线圈的组合为2、3、……、j，按照此规律，直至最后通电的超导线圈的组合i-j、i-j+1、……、i，上述电流方向均相同；

在制动系统中，电源控制器控制电源系统对属于推进系统的超导线圈按照如下方式通电：首先通电的超导线圈的组合为i+1、i+2、……、i+j，其次通电的超导线圈的组合为i+2、i+3、……、i+j+1，按照此规律，直至最后通电的超导线圈的组合n-j、n-j+1、……、n，制动系统中的各个超导线圈中的电流方向均相同且与推进系统中的电流方向相反。

3.根据权利要求1所述的基于高温超导钉扎和悬浮效应的电磁型永磁导轨式弹射器，其特征在于：每个超导线圈均为具有缺口的圆形，所有超导线圈缺口位置相同地排列；所述永磁导轨(4)设置在超导线圈内与缺口相对的一侧且为与超导线圈同心的圆柱面；所述垂直高温超导块材(8)为圆柱形且圆柱端面与超导线圈的法线垂直，垂直高温超导块材(8)外固定有同心的连接架(9)，挂钩(2)和水平高温超导块材(7)均固定在连接架(9)上，其中挂钩(2)对准超导线圈的缺口，水平高温超导块材(7)设置在垂直高温超导块材(8)的下方且为与超导线圈同轴的圆柱面。