CN105463957B - 一种永磁导轨 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁导轨。该永磁导轨包括：设置在两侧的不导磁钢板、设置在所述不导磁钢板之间且紧密排列的钕铁硼永磁体组和钡锶铁氧体组；所述钕铁硼永磁体组设置在所述钡锶铁氧体组的上表面；所述钕铁硼永磁体组由N块钕铁硼永磁体组成，所述钡锶铁氧体组由N块钡锶铁氧体永磁体组成，所述N为大于或等于5的自然数；所述钕铁硼永磁体组和钡锶铁氧体组中各块永磁体的磁化方向均按照使导轨上方的磁场强度最大、导轨下方的磁场强度最小的方式排列。通过使用本发明所提供的永磁导轨，可以降低永磁导轨中稀土元素的用量和永磁导轨的造价，并在永磁导轨上方产生足够强的磁场的同时，有效地降低导轨侧面和底面的磁场强度。

Description

一种永磁导轨

技术领域

本发明涉及高温超导磁悬浮技术，特别涉及一种永磁导轨。

背景技术

与以电磁吸力和电磁斥力为基础的电磁悬浮(EMS)和电动悬浮(EDS)技术相比，高温超导磁悬浮技术依靠高温超导体块材与外部磁场之间的磁通钉扎作用实现无源自稳定悬浮。该技术无需主动控制，且结构简单，因此已经成为实用磁悬浮技术的理想选择之一。然而，自2000年世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车问世以来已有15个年头，虽然各项基础研究已全面开展并成果卓著，但建造长距离实验线的成本依然很高，究其主要原因是永磁导轨的稀土元素含量较高。经过反复的优化设计之后，目前现有技术中的永磁导轨截面积为3000mm²，已经较2000年的世纪号的永磁导轨截面积(11552mm²)缩小了数倍。然而，现有技术中的永磁导轨还存在一些问题和缺陷。

图1为现有技术中的永磁轨道的横截面示意图。如图1所示，现有技术中的永磁轨道包括两个不导磁钢板1以及设置在两个不导磁钢板之间的永磁体组，该永磁体组由5块永磁体21～25组成，该永磁体组的磁化方向按照海尔巴赫阵列(Halbach Array)的方式排列，从而可以使用最少量的磁体产生最强的磁场。

图2为现有技术中的永磁导轨磁场分布的数值计算结果。如图2所示，根据数值计算结果可知，虽然导轨侧面和底面的磁场大部分已被转移至工作表面，但是导轨侧面和底面仍然存在较强的磁场，形成如图2所示的轨道上方磁力线分布密集而下方稀疏的不对称式磁场分布，因此导轨侧面和底面仍然具有较强的吸附支架等铁制品能力，从而给导轨的运输和安装带来极大的不便，需要使用较厚的不导磁材料进行安全隔离。另外，由于现有技术中的永磁导轨中的稀土元素含量较高，因此制造成本也较高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种永磁导轨，从而可以降低永磁导轨中稀土元素的用量和永磁导轨的造价，并在永磁导轨上方产生足够强的磁场的同时，有效地降低导轨侧面和底面的磁场强度。

本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种永磁导轨，该永磁导轨包括：设置在两侧的不导磁钢板、设置在所述不导磁钢板之间且紧密排列的钕铁硼永磁体组和钡锶铁氧体组；

所述钕铁硼永磁体组设置在所述钡锶铁氧体组的上表面；

所述钕铁硼永磁体组由N块钕铁硼永磁体组成，所述钡锶铁氧体组由N块钡锶铁氧体永磁体组成，所述N为大于或等于5的自然数；

所述钕铁硼永磁体组和钡锶铁氧体组中各块永磁体的磁化方向均按照使导轨上方的磁场强度最大、导轨下方的磁场强度最小的方式排列。

较佳的，所述钕铁硼永磁体组和钡锶铁氧体组中各块永磁体的磁化方向均按照海尔巴赫阵列的方式排列。

较佳的，所述钕铁硼永磁体组和钡锶铁氧体组中各块永磁体的磁化方向的排列方式均为：

左起第1～N块永磁体的磁化方向分别依次按照如下的4个方向循环排列：向右、向上、向左、向下；

或者，所述N块永磁体的磁化方向均旋转90度或180度或270度。

较佳的，所述N为大于等于5的自然数。

较佳的，当所述钕铁硼永磁体组和钡锶铁氧体组中的永磁体的块数均为5块时，所述钕铁硼永磁体组和钡锶铁氧体组中各块永磁体的磁化方向的排列方式均为：

左起第1～5块永磁体的磁化方向分别为：向右、向上、向左、向下、向右；

或者，所述5块永磁体的磁化方向均旋转90度或180度。

较佳的，当所述钕铁硼永磁体组和钡锶铁氧体组中的永磁体的块数均为9块时，所述钕铁硼永磁体组和钡锶铁氧体组中各块永磁体的磁化方向的排列方式均为：

左起第1～9块永磁体的磁化方向分别为：向右、向上、向左、向下、向右、向上、向左、向下、向右；

或者，所述9块永磁体的磁化方向均旋转90度或180度或270度。

如上可见，在本发明中的永磁导轨中，同时使用了两种永磁材料：采用高矫顽力材料和较低矫顽力材料相配合的方式组合成双层结构，即永磁导轨的上层使用钕铁硼永磁体组，而下层则使用钡锶铁氧体组，使得两种永磁材料可以在上述永磁导轨中发挥各自的优势。通过上层的矫顽力高但造价高的钕铁硼永磁体组，将大多数磁力线聚集到永磁导轨上方，并通过下层的矫顽力偏低但成本较低的钡锶铁氧体组大幅度降低导轨侧面和底面的磁场强度，从而实现了降低稀土元素用量的目的，只需使用较少的含有稀土元素的钕铁硼永磁体就可在导轨上方产生足够强的磁场，节约资源，降低稀土元素的用量和永磁导轨的造价，增加轨道整体重量，提高系统的稳定性；同时还可以通过下层的钡锶铁氧体组有效地降低导轨侧面和底面的磁场强度，使得导轨的安装工作更为方便、容易，而且在导轨与其安装支架间可以不垫或少垫不导磁材料，方便安装和运输，降低了安装成本和维护成本，并且磁路简单容易实现。另外，上述永磁导轨的上层和下层之间的层间的作用力为吸引力，因此也降低了层间的安装难度。

附图说明

图1为现有技术中的永磁轨道的横截面示意图。

图2为现有技术中的永磁导轨磁场分布的数值计算结果。

图3为本发明的实施例一中的永磁导轨的结构示意图。

图4为本发明的实施例一中的永磁导轨磁场分布的数值计算结果。

图5为本发明的实施例二中的永磁导轨的结构示意图。

图6为本发明的实施例二中的永磁导轨磁场分布的数值计算结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明的技术方案中提供了一种永磁导轨，该永磁导轨是一种适用于工程化超导磁悬浮系统的低成本复合式聚磁型永磁导轨，可以用于高温超导磁浮车，也可以适用于其他需要由永磁体提供单侧强磁场的应用场景。

图3和5均为本发明各个具体实施例中的永磁导轨的结构示意图。如图3和5所示，本发明实施例中的永磁导轨主要包括：设置在两侧的不导磁钢板1、设置在所述不导磁钢板之间且紧密排列的钕铁硼永磁体组和钡锶铁氧体组；

所述钕铁硼永磁体组设置在所述钡锶铁氧体组的上表面；

所述钕铁硼永磁体组由N块钕铁硼永磁体组成，所述钡锶铁氧体组由N块钡锶铁氧体永磁体组成，所述N为大于或等于5的自然数；

所述钕铁硼永磁体组和钡锶铁氧体组中各块永磁体的磁化方向均按照使导轨上方的磁场强度最大、导轨下方的磁场强度最小的方式排列。

较佳的，在本发明的具体实施例中，所述钕铁硼永磁体组和钡锶铁氧体组中各块永磁体的磁化方向均按照海尔巴赫阵列(Halbach Array)的方式排列。

较佳的，在本发明的具体实施例中，所述钕铁硼永磁体组和钡锶铁氧体组中各块永磁体的磁化方向的排列方式均为：

左起第1～N块永磁体的磁化方向分别依次按照如下的4个方向循环排列：向右、向上、向左、向下；

或者，所述N块永磁体的磁化方向均旋转90度或180度或270度。

较佳的，在本发明的具体实施例中，所述N可以为大于等于5的自然数。

较佳的，在本发明的具体实施例中，还可根据实际应用情况(例如，所需要的磁场强度等)，调整各个永磁体的厚度及比例关系。

另外，在本发明的技术方案中，上述永磁体的分组是针对导轨的横截面而言，而每组永磁体在纵向上可以无限延伸或续接，在此不再赘述。

在本发明的技术方案中，上述的永磁导轨中采用了双层结构，同时使用了两种永磁材料，即：上层使用了钕铁硼永磁体组，而下层则使用了钡锶铁氧体组；上、下层磁体的磁化方向一致，每层永磁体的磁化方向都是按照导轨上方的磁场强度最大、导轨下方磁场强度最小的Halbach阵列排列。

由于上述的永磁导轨的上层使用的是矫顽力高但造价高(由于含稀土元素)钕铁硼(NdFeB)永磁体组，因此可以将大多数磁力线聚集到永磁导轨上方；而永磁导轨的下层所使用的是矫顽力偏低但成本较低的钡锶铁氧体组(Ba/Sr-Ferrite)，因此只需较少的钕铁硼永磁体就可在导轨上方产生足够强的磁场，节约资源，降低稀土元素的用量和永磁导轨的造价，增加轨道整体重量，提高系统的稳定性；同时还可以通过下层的矫顽力偏低但成本较低的钡锶铁氧体组有效地降低导轨侧面和底面的磁场强度，使得导轨的安装工作更为方便、容易，而且在导轨与其安装支架间可以不垫或少垫不导磁材料，方便安装和运输，降低了安装成本和维护成本。另外，上述永磁导轨的上层和下层之间的层间的作用力为吸引力，因此也降低了层间的安装难度。

以下将以具体实施例的方式，对本发明的技术方案进行详细的介绍。

实施例一、所述钕铁硼永磁体组和钡锶铁氧体组均由5块永磁体组成。

图3为本发明的实施例一中的永磁导轨的结构示意图。如图3所示，在本实施例一中的永磁导轨中，N为5，即所述钕铁硼永磁体组和钡锶铁氧体组中的永磁体的块数均为5块；例如，如图3所示，所述钕铁硼永磁体组由5块钕铁硼永磁体21～25组成；所述钡锶铁氧体组由5块钡锶铁氧体31～35组成；

所述钕铁硼永磁体组和钡锶铁氧体组中各块永磁体的磁化方向的排列方式均为：

左起第1～5块永磁体的磁化方向分别为：向右、向上、向左、向下、向右；形成完整的Halbach阵列，从而可以发挥其聚集大部分磁力线在阵列上方的磁特性；

或者，所述5块永磁体的磁化方向均旋转90度或180度或270度，亦可在阵列上方产生强磁场。

在本实施例一中，如果各块永磁体的磁化方向均旋转90度，以垂直磁化的永磁体开头和结尾，也可实现仅在导轨上方形成强磁场的主磁路，相当于只是磁路整体移动一块磁体的宽度；而当各块永磁体的磁化方向均旋转180度时，磁路的方向相反，但磁场强度完全相同；当各块永磁体的磁化方向均旋转270度时，再次以垂直磁化的永磁体开头和结尾，磁路整体移动三块磁体的宽度。

图4为本发明的实施例一中的永磁导轨磁场分布的数值计算结果。如图4所示，与现有技术中的永磁导轨相比，本发明中的永磁导轨的上方的磁场足够强，而导轨侧面和底面的磁场则明显减弱了。

实施例二、所述钕铁硼永磁体组和钡锶铁氧体组均由9块永磁体组成。

图5为本发明的实施例二中的永磁导轨的结构示意图。如图5所示，在本实施例二中的永磁导轨中，N为9，即所述钕铁硼永磁体组和钡锶铁氧体组中的永磁体的块数均为9块；例如，如图5所示，所述钕铁硼永磁体组由9块钕铁硼永磁体21～29组成；所述钡锶铁氧体组由9块钡锶铁氧体31～39组成；

所述钕铁硼永磁体组和钡锶铁氧体组中各块永磁体的磁化方向的排列方式均为：

左起第1～9块永磁体的磁化方向分别为：向右、向上、向左、向下、向右、向上、向左、向下、向右；

或者，所述9块永磁体的磁化方向均旋转90度或180度或270度，亦可在阵列上方产生强磁场。

图6为本发明的实施例二中的永磁导轨磁场分布的数值计算结果。如图6所示，与现有技术中的永磁导轨相比，本发明中的永磁导轨的上方的磁场足够强，而导轨侧面和底面的磁场则明显减弱了；而且，与实施例一相比，本实施例二中的导轨侧面和底面的磁场更弱。

综上可知，在本发明中的永磁导轨中，同时使用了两种永磁材料，并采用高矫顽力材料和较低矫顽力材料相配合的方式组合成双层结构，即永磁导轨的上层使用钕铁硼永磁体组，而下层则使用钡锶铁氧体组，使得两种永磁材料可以在上述永磁导轨中发挥各自的优势，通过上层的矫顽力高但造价高的钕铁硼永磁体组，将大多数磁力线聚集到永磁导轨上方，并通过下层的矫顽力偏低但成本较低的钡锶铁氧体组大幅度降低导轨侧面和底面的磁场强度，从而实现了降低稀土元素用量的目的，只需使用较少的含有稀土元素的钕铁硼永磁体就可在导轨上方产生足够强的磁场，节约资源，降低稀土元素的用量和永磁导轨的造价，增加轨道整体重量，提高系统的稳定性；同时还可以通过下层的钡锶铁氧体组有效地降低导轨侧面和底面的磁场强度，使得导轨的安装工作更为方便、容易，而且在导轨与其安装支架间可以不垫或少垫不导磁材料，方便安装和运输，降低了安装成本和维护成本，并且磁路简单容易实现。另外，上述永磁导轨的上层和下层之间的层间的作用力为吸引力，因此也降低了层间的安装难度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种永磁导轨，其特征在于，该永磁导轨包括：设置在两侧的不导磁钢板、设置在所述不导磁钢板之间且紧密排列的钕铁硼永磁体组和钡锶铁氧体组；

所述钕铁硼永磁体组设置在所述钡锶铁氧体组的上表面；

所述钕铁硼永磁体组由N块钕铁硼永磁体组成，所述钡锶铁氧体组由N块钡锶铁氧体永磁体组成，所述N为大于或等于5的自然数；

所述钕铁硼永磁体组和钡锶铁氧体组中各块永磁体的磁化方向均按照使导轨上方的磁场强度最大、导轨下方的磁场强度最小的方式排列。

2.根据权利要求1所述的永磁导轨，其特征在于：

所述钕铁硼永磁体组和钡锶铁氧体组中各块永磁体的磁化方向均按照海尔巴赫阵列的方式排列。

3.根据权利要求2所述的永磁导轨，其特征在于：

所述钕铁硼永磁体组和钡锶铁氧体组中各块永磁体的磁化方向的排列方式均为：

左起第1～N块永磁体的磁化方向分别依次按照如下的4个方向循环排列：向右、向上、向左、向下；

或者，所述N块永磁体的磁化方向均旋转90度或180度或270度。

4.根据权利要求3所述的永磁导轨，其特征在于：

所述N为大于等于5的自然数。

5.根据权利要求4所述的永磁导轨，其特征在于：

当所述钕铁硼永磁体组和钡锶铁氧体组中的永磁体的块数均为5块时，所述钕铁硼永磁体组和钡锶铁氧体组中各块永磁体的磁化方向的排列方式均为：

左起第1～5块永磁体的磁化方向分别为：向右、向上、向左、向下、向右；

或者，所述5块永磁体的磁化方向均旋转90度或180度。

6.根据权利要求4所述的永磁导轨，其特征在于：

当所述钕铁硼永磁体组和钡锶铁氧体组中的永磁体的块数均为9块时，所述钕铁硼永磁体组和钡锶铁氧体组中各块永磁体的磁化方向的排列方式均为：

左起第1～9块永磁体的磁化方向分别为：向右、向上、向左、向下、向右、向上、向左、向下、向右；

或者，所述9块永磁体的磁化方向均旋转90度或180度或270度。