CN105680671A - 一种横向磁通高温超导磁悬浮直线电机 - Google Patents

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马光同
王志涛
张涵
周鹏博
杨晨
李兴田
龚天勇
叶常青
刘坤
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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Abstract

本发明公开了一种横向磁通高温超导磁悬浮直线电机，利用无背轭高温超导体在三相行波磁场中同时受到的法向斥力、横向恢复力与纵向推力实现悬浮、导向与驱动一体化。其组成为：横向线圈(1)绕在铁芯(2)上，多个铁芯(2)按垂直磁力线闭合方向平行等距放置，A相绕组(3)、B相绕组(5)和C相绕组(4)组成的三相对称绕组中通入三相对称交流电，进行冷却后的高温超导体(6)按照一定的结构悬浮于铁芯(2)的正上方。本发明用于磁悬浮运输等方面，取代了传统永磁轨道，具有结构简单，控制方便，成本低廉等优点。

Description

一种横向磁通高温超导磁悬浮直线电机
技术领域
本发明提出一种横向磁通高温超导磁悬浮直线电机，涉及磁悬浮运输领域。
背景技术
高温超导磁悬浮是利用高温超导体的强钉扎电流与激励磁场的电磁互作用在宏观上产生与悬浮体自身重力平衡的悬浮力以及横向稳定所需的导向力，具有独特的自稳定特性。由于不存在机械接触，使得在运行过程中能量损耗很小，运行速度快，易于控制，噪声极低，大大提高了系统运行效率。但是，在目前的高温超导磁悬浮车系统方案中，轨道磁场都是由永磁体按一定方式组合装配而成的永磁轨道产生，用于实现高温超导体自稳定悬浮，因此需要沿轨道线路连续铺设永磁体，轨道距离越长，用材越多，这导致线路材料成本的上升，并且大量的使用稀有资源永磁铁也是不现实的。
横向磁通直线感应电机是一种新颖的直线电机结构，该电机定子磁通线的闭合路径与行波磁场的运动方向相垂直，当动子为非磁性金属板时，定动子间的电磁互作用在产生驱动力的同时也能产生电动悬浮力，在不添加其他辅助设备的情况下具有同时实现悬浮、导向与驱动的功能。然而，传统电工材料(如铝合金)固有的低电导能力使得目前的横向磁通直线感应电机的悬浮能力普遍不强，应用受到极大限制。
综合上述内容，如果能够将横向磁通感应电机原理与高温超导磁悬浮技术相结合，设计一种可以替代永磁体实现悬浮导向驱动一体化的磁悬浮直线电机，则无疑大大节约了成本，拓宽了超导磁悬浮和直线电机的应用范围。
发明内容
本发明旨在提供一种横向磁通高温超导磁悬浮直线电机，其基本思想是利用高温超导体的强钉扎电流与横向线圈磁场和行波磁场的电磁互作用，在宏观上产生与自身重力平衡的悬浮力并提供横向稳定所需的导向力和运动所需的推力。
本发明解决其技术问题采用的方案如下：
一种横向磁通高温超导磁悬浮直线电机，将高温超导体的电磁特性与横向磁通原理相结合，绕有横向线圈1的铁芯2按垂直磁力线闭合路径平行等距放置，A相绕组3、B相绕组5和C相绕组4组成的三相对称绕组中通入三相对称交流电，进行冷却后的高温超导体6悬浮置于铁芯2的正上方。
这样,本发明横向磁通高温超导磁悬浮直线电机结合了高温超导体的零电阻独特电磁特性和横向磁通原理，其具体组成为:
初级定子部分：横向线圈1绕在铁芯2上，多个铁芯2按垂直磁力线闭合路径平行等距放置，铁芯2一般采用E型或U型，材料与传统直线电机定子铁芯一致，A相绕组3、B相绕组5和C相绕组4互不接触，构成三相对称初级绕组，经交流电源通入三相对称交流电，则在气隙处产生径向行波磁场以及横向稳定磁场。
次级动子部分：动子部分主要由高温超导体6及其低温容器组成，高温超导体6按照一定结构铺设于定子部分上方，工作在液氮或者制冷机所冷却的某一温区，冷却后，高温超导体6在轨道磁场的作用下实现悬浮与运动。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、结合高温超导的零电阻独特电磁特性与横向磁通原理，替代了传统超导
磁悬浮系统的永磁轨道，高温超导体动子不用添加任何辅助设备即可同
时实现垂向悬浮、侧向稳定以及前后运动，大大节约了成本。
2、各绕组铁芯相互独立放置，使得结构更加简单，散热性能更优；
3、定子铁芯齿部与槽部不再相互制约，提升了直线电机的功率密度；
4、不用添加任何辅助措施即可实现动子载体的悬浮导向驱动一体化。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1为横向磁通高温超导直线电机的示意图。
图2为横向磁通高温超导直线电机初级线圈结构图。
图3为横向磁通高温超导直线电机磁场分布示意图。
具体实施方式
以下描述的是结合附图对本发明的详细说明，而不应该理解为对本发明的限定，以下的实施方式以E型铁芯为例。
由附图1和2示出，本发明的具体实施方式是：
横向线圈1绕于铁芯2中轴上，A相绕组3、B相绕组5和C相绕组4组成的三相对称绕组中通入三相对称交流电，此时在铁芯2的齿部形成磁极，两侧磁极的极性与中间齿部磁极极性相反，并在气隙处产生行波磁场，各铁芯2沿垂直横向线圈1磁力线闭合路径平行等距放置。进行冷却后的高温超导体6在初级定子线圈磁场作用下，感应产生强钉扎涡流，在铁芯2中心齿部磁极的作用下实现稳定悬浮，在两侧齿部磁极的作用下实现导向，与三相行波磁场相互作用实现纵向运动，其运动速度由通入的三相电流所决定，最终在不添加其他辅助设备的情况下实现悬浮导向驱动一体化。
附图2给出了横向磁通高温超导直线电机初级线圈结构图。铁芯2采用高磁导率、低电导率的材料，横向线圈1绕于E型铁芯的中轴上，通入三相对称交流电后，磁力线分别经中间齿部、气隙、两侧齿部，回到中间齿部形成闭合路径，将在齿部形成三个磁极。存在多个如此结构的铁芯2，它们按垂直闭合路径的方向放置，进而在气隙处产生行波磁场。
附图3给出了本发明所述直线电机的磁场分布示意图。在三相对称交流电的作用下，磁力线分别经中间齿部、气隙、两侧齿部，回到中间齿部形成闭合路径，两侧齿部磁极极性与中间齿部磁极极性相反，另外，各个铁芯2中间齿部磁极的变化在气隙处形成了行波磁场，此时高温超导体6的感应磁场与初级磁场相互吸引或排斥，从而达到悬浮、导向与驱动一体化。
采用U型铁芯的电机结构与E型基本一致，两个横向线圈采用相同绕法分别绕于U型铁芯两个铁芯柱上，串联通入单相交流电后，在U型铁芯中心位置处形成与铁芯柱磁极极性相反的磁极，实现悬浮和导向，三相线圈中通入三相对称交流电，则在气隙处产生行波磁场，实现电机的径向运动，从而实现横向磁通电机驱动、导向和悬浮一体化。

Claims (5)

1.一种横向磁通高温超导磁悬浮直线电机，将高温超导体的电磁特性与横向磁通原理相结合，其特征在于绕有横向线圈(1)的铁芯(2)按垂直磁力线闭合路径平行等距放置，A相绕组(3)、B相绕组(5)和C相绕组(4)组成的三相对称绕组中通入三相对称交流电，进行冷却后的高温超导体(6)悬浮置于铁芯(2)的正上方。
2.根据权利要求1所述的横向磁通高温超导磁悬浮直线电机，其特征在于，铁芯(2)采用E型或者U型结构。
3.根据权利要求2所述的横向磁通高温超导磁悬浮直线电机，其特征在于，铁芯(2)采用U型结构时,两个串联连接的横向线圈分别绕在铁芯的U型两轴上。
4.根据权利要求1所述的横向磁通高温超导磁悬浮直线电机，其特征在于，高温超导体(6)动子工作在液氮或制冷机所冷却的某一温区。
5.根据权利要求1所述的横向磁通高温超导磁悬浮直线电机，其特征在于，高温超导体(6)采用块材或带材或线材。
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