CN105803872A - 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：水平磁化磁体、竖直磁化磁体和碳钢；所述水平磁化磁体和竖直磁化磁体相互间隔并紧密排列；每块竖直磁化磁体的上方都设置有一块碳钢，且所述竖直磁化磁体的厚度与所述碳钢的厚度之和与所述水平磁化磁体的厚度相等；各块水平磁化磁体和竖直磁化磁体的磁化方向均按照使永磁导轨上方的磁通密度最大、导轨下方的磁通密度最小的方式排列。通过使用本发明所提供的永磁导轨，可以在提高永磁导轨的聚磁效果，使得大部分磁力线聚集到导轨上方的工作区域的同时，有效地提高永磁导轨沿行车方向的平顺性和车辆运行的可靠性。

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。受限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导轨横截面内具有高磁通密度和磁场梯度，而沿行车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，构成一个完整的永磁机构，应用于超导磁悬浮列车时，通常称之为永磁导轨。

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，但现有技术中的永磁导轨还存在一些问题和缺陷。

目前，现有技术中的永磁导轨的结构主要有三种：

第一种结构：运行方向磁场均匀的世纪号单峰型导轨(如图1所示)。

第二种结构：中国专利CN03234867.3中所提供的聚磁效果好且造价低的Halbach型永磁导轨(如图2所示)。

第三种结构：中国专利CN201310073869.4中所提供的复合型的永磁导轨(如图3所示)。

图1为现有技术中的世纪号永磁导轨的横截面示意图。如图1所示，世纪号永磁导轨由永磁体材料12和碳钢11构成，永磁体的磁场在碳钢中得到聚集，在永磁导轨上下两侧产生很强的磁场，导轨中心处表面磁感应强度达1.2T。

图2为现有技术中的世纪号永磁导轨的磁力线分布图。如图2所示，此结构的导轨上下两侧的磁场分布完全对称，但实际应用时只利用到了导轨上方的磁场，这不仅浪费资源、增大成本，而且导轨下方完全未被利用的强磁场也给导轨的安装和运输带来了极大的不便，为保证安全，需要在底部增加一层较厚的不导磁材料。

图3为现有技术中的第二种永磁导轨的截面示意图。如图3所示，第二种永磁导轨由若干块水平磁化磁体31和竖直磁化磁体32组成，该永磁体组的磁化方向按照海尔巴赫阵列(HalbachArray)的方式排列，从而可以使用较少量的磁体产生较强的磁场。

图4为现有技术中的第二种永磁导轨的磁力线分布图。如图4所示，从磁力线分布角度来看，利用Halbach结构可以将大部分磁力线转移到导轨上方的工作区域，大幅度提高了永磁材料中磁能量的利用率，降低了导轨下表面及下侧空间内的磁通密度，降低了整段导轨的安装难度和运输的难度。但是，从磁力线分布图中可以看出，由于Halbach阵列内相邻磁体的磁化方向不同，受到相邻磁体的磁压作用，相邻磁体间斥力较大，安装难度高，需要特别设计的配套夹具和高强度的机械臂才能实现准确的安装。

而且，当高温超导块材悬浮于永磁导轨上方并沿行车方向快速运行时，行车方向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。运行速度越快，悬浮性能的衰减越显著，严重时可能会造成高温超导块材内部的局部失超，直接威胁到系统的安全性能。

然而，对于永磁导轨，大部分是永磁材料。一种具有强磁场的功能性材料，其延展性和结构强度都较差。因此，无论导轨截面内磁化方向的方式如何，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，因此沿行车方向是由分段导轨段拼装的。沿行车方向，碳钢的长度永磁材料长的多，发挥碳钢材料磁导率较高的特性，可以缓和碳钢两侧永磁体因安装误差或充磁不均等原因引起的磁场畸变。

图5为现有技术中的第三种永磁导轨的截面示意图。如图5所示，复合型永磁导轨由两块水平磁化磁体51和聚磁碳钢52构成永磁对置组合，形成主磁路，聚集磁能并向空间发散，其中磁导率较高的碳钢，可有效抑制行车方向的磁场不平顺；在永磁对置组合两边增加两块磁化方向为竖直向下的磁体53形成辅磁路，用于辅助聚磁和磁路引导，利用磁体自身具备的磁化性将永磁导轨的磁能引导到导轨上方的工作区域中。

图6为现有技术中的第三种永磁导轨的磁力线分布图。如图6所示，从磁通密度分布角度看来，该结构尚不能构成完整的Halbach型闭合磁回路。轨道扩展性角度(扩展后的导轨结构截面图如图5中虚线所示)，轨道结构扩展后相当于将Halbach结构中磁化方向为竖直向上的永磁体替换成聚磁碳钢，聚磁结构不完整，聚磁效果不及结构完整的Halbach阵列。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种永磁导轨，可以提高永磁导轨的聚磁效果，使得大部分磁力线聚集到导轨上方的工作区域的同时，有效地提高永磁导轨沿行车方向的平顺性和车辆运行的可靠性。

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：水平磁化磁体、竖直磁化磁体和碳钢；

所述水平磁化磁体和竖直磁化磁体相互间隔并紧密排列；

每块竖直磁化磁体的上方都设置有一块碳钢，且所述竖直磁化磁体的厚度与所述碳钢的厚度之和与所述水平磁化磁体的厚度相等；

各块水平磁化磁体和竖直磁化磁体的磁化方向均按照使永磁导轨上方的磁通密度最大、导轨下方的磁通密度最小的方式排列。

较佳的，所述永磁导轨中的任意两块距离最近的水平磁化磁体的磁化方向相反，且任意两块距离最近的竖直磁化磁体的磁化方向也相反；

任意一块磁化方向为左的水平磁化磁体的左、右两边的竖直磁化磁体的磁化方向分别为上、下；

任意一块磁化方向为右的水平磁化磁体的左、右两边的竖直磁化磁体的磁化方向分别为下、上。

较佳的，所述永磁导轨中的各块磁化磁体的磁化方向均按照海尔巴赫阵列的方式排列。

较佳的，所述水平磁化磁体和竖直磁化磁体的数量总和为N，所述N为大于或等于5的自然数。

较佳的，所述水平磁化磁体和竖直磁化磁体的数量总和为5块；

所述永磁导轨中5块磁化磁体的磁化方向从左至右分别为：左、下、右、上、左；

或者，所述5块磁化磁体的磁化方向均旋转180度。

较佳的，所述水平磁化磁体和竖直磁化磁体的数量总和为5块；

所述永磁导轨中5块磁化磁体的磁化方向从左至右分别为：下、右、上、左、下；

或者，所述5块磁化磁体的磁化方向均旋转180度。

如上可见，在本发明的上述永磁导轨中，将上述水平磁化磁体、竖直磁化磁体和碳钢按照上述的排列方式进行排列之后，可以大幅度地提高永磁导轨的聚磁效果，使得大部分磁力线聚集到导轨上方的工作区域，从而在使用较少的永磁材料的情况下即可实现较强的磁通密度，供高温超导块材使用；同时，由于本发明中还将磁导率较高的顺磁性材料—碳钢放置于竖直磁化磁体的上方，形成半磁体半碳钢的结构，因此不仅可以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实现自稳定悬浮，同时还能够平抑沿超导块材纵向运行方向的磁场梯度，从而可以有效地抑制由于分段永磁块误差引起的车体运行方向的磁场不平顺，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，提高了永磁导轨沿行车方向的平顺性和车辆运行的可靠性。

附图说明

图1为现有技术中的世纪号永磁导轨的横截面示意图。

图2为现有技术中的世纪号永磁导轨的磁力线分布图。

图3为现有技术中的第二种永磁导轨的截面示意图。

图4为现有技术中的第二种永磁导轨的磁力线分布图。

图5为现有技术中的第三种永磁导轨的截面示意图。

图6为现有技术中的第三种永磁导轨的磁力线分布图。

图7为本发明的具体实施例一中的永磁导轨的截面示意图。

图8为本发明的具体实施例一中的永磁导轨的磁力线分布图。

图9为本发明的具体实施例二中的永磁导轨的截面示意图。

图10为本发明的具体实施例二中的永磁导轨的磁力线分布图。

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。

在本发明的技术方案中，为了兼顾永磁导轨中永磁材料的利用率和车体运行方向磁场的平顺度，提供了一种永磁导轨，该永磁导轨是一种适用于高速超导磁悬浮系统的复合聚磁型永磁导轨，可以用于高温超导磁浮车，也适用于其他需要由永磁体提供单侧强磁场的应用场景。

图7和9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7和9所示，本发明实施例中的永磁导轨主要包括：水平磁化磁体、竖直磁化磁体和碳钢；

所述水平磁化磁体和竖直磁化磁体相互间隔并紧密排列；

每块竖直磁化磁体的上方都设置有一块碳钢，且所述竖直磁化磁体的厚度与所述碳钢的厚度之和与所述水平磁化磁体的厚度相等；

各块水平磁化磁体和竖直磁化磁体的磁化方向均按照使永磁导轨上方的磁通密度最大、导轨下方的磁通密度最小的方式排列。

在本发明的技术方案中，可以使用多种排列方式来使得永磁导轨上方的磁通密度最大、导轨下方的磁通密度最小。以下将以其中的几种排列方式为例，对本发明的技术方案进行详细的介绍。

例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述永磁导轨中的任意两块距离最近的水平磁化磁体的磁化方向相反，且任意两块距离最近的竖直磁化磁体的磁化方向也相反；

任意一块磁化方向为左的水平磁化磁体的左、右两边的竖直磁化磁体的磁化方向分别为上、下；

任意一块磁化方向为右的水平磁化磁体的左、右两边的竖直磁化磁体的磁化方向分别为下、上。

在本发明技术方案中，所述水平磁化磁体和竖直磁化磁体的数量总和可以是大于或等于5的自然数。

在本发明的技术方案中，根据上述排列方式可知，永磁导轨中各块磁化磁体的磁化方向实际上是按照从左至右为左、下、右、上的顺序循环排列，构成完整的空间矢量正弦闭循环，从而使得导轨上方的工作区域聚磁效果明显。其中，所述永磁导轨的左起第一个磁化磁体可以是水平磁化磁体，也可以是竖直磁化磁体，该左起第一个磁化磁体的磁化方向也可以是左、下、右、上中的任意一个磁化方向。根据永磁导轨的左起第一个磁化磁体的磁化方向，永磁导轨的其它磁化磁体可以根据上述的按照从左至右为左、下、右、上的顺序循环排列的排列方式依次排列。

例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述永磁导轨中的各块磁化磁体的磁化方向均按照海尔巴赫阵列(HalbachArray)的方式排列。

为兼顾永磁导轨中永磁材料的利用率和车体运行方向磁场的平顺度，在本发明的技术方案中可以使用完整的Halbach型轨道结构，结合竖直磁化磁体的磁化性和碳钢的导磁性，将原来的竖直磁化磁体替换成半磁体半碳钢的结构。该结构与现有技术中的永磁导轨相比，聚磁效果可以得到大幅度提升。而且，碳钢的使用也在兼顾永磁材料利用率的同时，提高了车体运行方向的磁场平顺度，大幅度提高高温超导车高速运行的可靠性和安全性。

另外，在本发明的技术方案中，可以根据实际应用情况的需要，预先设置水平磁化磁体和竖直磁化磁体的总数量。

例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述水平磁化磁体和竖直磁化磁体的数量总和为N，所述N为大于或等于5的自然数。

另外，在本发明的技术方案中，竖直磁化磁体与设置在其上的碳钢的厚度比可根据工作区间磁通密度需要预先进行设置。例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述竖直磁化磁体与设置在其上的碳钢的厚度比为1:1，即竖直磁化磁体与设置在该竖直磁化磁体上的碳钢的厚度相等。

此外，在本发明的技术方案中，上述各块磁化磁体排列方式是针对导轨的横截面而言，而各块磁化磁体在纵向上则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，将上述水平磁化磁体、竖直磁化磁体和碳钢按照上述的排列方式进行排列之后，可以大幅度地提高永磁导轨的聚磁效果，使得大部分磁力线聚集到导轨上方的工作区域，从而在使用较少的永磁材料的情况下即可实现较强的磁通密度，可以供高温超导块材使用；同时，由于本发明中还将磁导率较高(相对磁导率>1000)的顺磁性材料—碳钢放置于竖直磁化磁体的上方，形成半磁体半碳钢的结构，从而可以有效地抑制由于分段永磁块误差引起的车体运行方向的磁场不平顺，保证磁浮系统高速运行性能稳定，提高了永磁导轨沿行车方向的平顺性和车辆运行的可靠性。

以下将以几个具体实施例的方式，对本发明的技术方案进行详细的介绍。

实施例一、所述永磁导轨由5块永磁体(即磁化磁体)组成，包括3块水平磁化磁体和2块竖直磁化磁体。

图7为本发明的具体实施例一中的永磁导轨的截面示意图。如图7所示，在本具体实施例一中的永磁导轨中，N为5，即所述水平磁化磁体和竖直磁化磁体的数量总和为5块。

例如，如图7所示，所述永磁导轨由5块磁化磁体71～75以及2块碳钢76和77组成。其中，71、73和75为水平磁化磁体，72和74为竖直磁化磁体，水平磁化磁体和竖直磁化磁体是相互间隔着排列的，碳钢76和77分别设置在竖直磁化磁体72和74上，且竖直磁化磁体的厚度加上碳钢的厚度与水平磁化磁体的厚度相等。

另外，如图7所示，在本具体实施例一中，所述永磁导轨中5块磁化磁体的磁化方向从左至右分别为：左、下、右、上、左；即上述5块磁化磁体中的第1块磁化磁体(水平磁化磁体71)的磁化方向为向左，第2块磁化磁体(竖直磁化磁体72)的磁化方向为向下，第3块磁化磁体(水平磁化磁体73)的磁化方向为向右，第4块磁化磁体(竖直磁化磁体74)的磁化方向为向上，第5块磁化磁体(水平磁化磁体75)的磁化方向为向左。

本具体实施例一中的5块永磁体(即磁化磁体)仅在导轨上方形成强磁场的主磁路，而在下方的磁通密度则低的多。

图8为本发明的具体实施例一中的永磁导轨的磁力线分布图，如图8所示，该永磁导轨仅在永磁导轨上方产生强磁场，而在永磁导轨的下方仅产生比较弱的磁场。在实际应用情况中，不同尺寸的永磁体其磁力线分布将略有不同，但总体来说，上述永磁导轨上方的磁场总是远大于永磁导轨下方的磁场。

或者，所述5块磁化磁体的磁化方向也可以是在图7所示的上述磁化方向的基础上旋转180度，也可以实现仅在导轨上方形成强磁场的主磁路，同样实现本发明的目的。

另外，在本发明的技术方案中，当需要拓宽导轨时，可根据需要适当增加截面内的磁化磁体的个数，同时保证水平磁化磁体和竖直磁化磁体相互间隔排列，并在每块竖直磁化磁体的上方都设置有一块碳钢，且使得各个磁化磁体的磁化方向从左至右按照：下、右、上、左、下的顺序循环排列。因此，具体的拓展实现方式在此不再赘述。

实施例二、所述永磁导轨由5块永磁体(即磁化磁体)组成，包括2块水平磁化磁体和3块竖直磁化磁体。

图9为本发明的具体实施例二中的永磁导轨的截面示意图。如图9所示，在本具体实施例二中的永磁导轨中，N为5，即所述水平磁化磁体和竖直磁化磁体的数量总和为5块。

例如，如图9所示，所述永磁导轨由5块磁化磁体91～95以及3块碳钢96、97和98组成。其中，91、93和95为竖直磁化磁体，92和94为水平磁化磁体，水平磁化磁体和竖直磁化磁体是相互间隔着排列的，碳钢96、97和98分别设置在竖直磁化磁体91、93和95上，且竖直磁化磁体的厚度加上碳钢的厚度与水平磁化磁体的厚度相等。

另外，如图9所示，在本具体实施例二中，所述永磁导轨中5块磁化磁体的磁化方向从左至右分别为：下、右、上、左、下；即上述5块磁化磁体中的第1块磁化磁体(竖直磁化磁体91)的磁化方向为向下，第2块磁化磁体(水平磁化磁体92)的磁化方向为向右，第3块磁化磁体(竖直磁化磁体93)的磁化方向为向上，第4块磁化磁体(水平磁化磁体94)的磁化方向为向左，第5块磁化磁体(竖直磁化磁体95)的磁化方向为向下。

本具体实施例二中的5块永磁体(即磁化磁体)仅在导轨上方形成强磁场的主磁路，而在下方的磁通密度则低的多。

图10为本发明的具体实施例二中的永磁导轨的磁力线分布图，如图10所示，该永磁导轨仅在永磁导轨上方产生强磁场，而在永磁导轨的下方仅产生比较弱的磁场。在实际应用情况中，不同尺寸的永磁体其磁力线分布将略有不同，但总体来说，上述永磁导轨上方的磁场总是远大于永磁导轨下方的磁场。

或者，所述5块磁化磁体的磁化方向也可以是在图9所示的上述磁化方向的基础上旋转180度，也可以实现仅在导轨上方形成强磁场的主磁路，同样实现本发明的目的。

另外，在本发明的技术方案中，当需要拓宽导轨时，可根据需要适当增加截面内的磁化磁体的个数，同时保证水平磁化磁体和竖直磁化磁体相互间隔排列，并在每块竖直磁化磁体的上方都设置有一块碳钢，且使得各个磁化磁体的磁化方向从左至右按照：下、右、上、左、下的顺序循环排列。因此，具体的拓展实现方式在此不再赘述。

综上可知，在本发明的上述永磁导轨中，将上述水平磁化磁体、竖直磁化磁体和碳钢按照上述的排列方式进行排列之后，例如，如图8所示，可以大幅度地提高永磁导轨的聚磁效果，使得大部分磁力线聚集到导轨上方的工作区域，从而在使用较少的永磁材料的情况下即可实现较强的磁通密度，可以供高温超导块材使用；同时，由于本发明中还将磁导率较高的顺磁性材料—碳钢放置于竖直磁化磁体的上方，形成半磁体半碳钢的结构，因此不仅可以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，从而可以有效地抑制由于分段永磁块误差引起的车体运行方向的磁场不平顺，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，提高了永磁导轨沿行车方向的平顺性和车辆运行的可靠性。

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：水平磁化磁体、竖直磁化磁体和碳钢；

所述水平磁化磁体和竖直磁化磁体相互间隔并紧密排列；

每块竖直磁化磁体的上方都设置有一块碳钢，且所述竖直磁化磁体的厚度与所述碳钢的厚度之和与所述水平磁化磁体的厚度相等；

各块水平磁化磁体和竖直磁化磁体的磁化方向均按照使永磁导轨上方的磁通密度最大、导轨下方的磁通密度最小的方式排列。

2.根据权利要求1所述的永磁导轨，其特征在于：

所述永磁导轨中的任意两块距离最近的水平磁化磁体的磁化方向相反，且任意两块距离最近的竖直磁化磁体的磁化方向也相反；

任意一块磁化方向为左的水平磁化磁体的左、右两边的竖直磁化磁体的磁化方向分别为上、下；

任意一块磁化方向为右的水平磁化磁体的左、右两边的竖直磁化磁体的磁化方向分别为下、上。

3.根据权利要求2所述的永磁导轨，其特征在于：

所述永磁导轨中的各块磁化磁体的磁化方向均按照海尔巴赫阵列的方式排列。

4.根据权利要求2所述的永磁导轨，其特征在于：

所述水平磁化磁体和竖直磁化磁体的数量总和为N，所述N为大于或等于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：

所述水平磁化磁体和竖直磁化磁体的数量总和为5块；

所述永磁导轨中5块磁化磁体的磁化方向从左至右分别为：左、下、右、上、左；

或者，所述5块磁化磁体的磁化方向均旋转180度。

6.根据权利要求4所述的永磁导轨，其特征在于：

所述水平磁化磁体和竖直磁化磁体的数量总和为5块；

所述永磁导轨中5块磁化磁体的磁化方向从左至右分别为：下、右、上、左、下；

或者，所述5块磁化磁体的磁化方向均旋转180度。