CN106548848B - 直线型超导磁体Halbach阵列、涡流制动系统及电动悬浮系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单边直线型超导磁体Halbach阵列，包括若干个沿直线排列的超导磁体（1），所述超导磁体（1）由芯体（11）和绕制在芯体（11）外周的超导线圈（12）组成，其中任意相邻的两个超导磁体（1）的超导线圈（12）的轴线相互垂直。本发明还提供一种双边直线型超导磁体Halbach阵列和应用双边直线型超导磁体Halbach阵列的涡流制动系统及电动悬浮系统。由于超导磁体的超导线圈具有电流密度大、零电阻的特点，超导线圈可以通大电流，产生强磁场，这样芯体不需要使用过重的铁芯来增强磁场，从而减轻了重量，并且可减少线圈匝数，减小电感，控制更加方便，此外，由于超导材料零电阻，还可以降低电流损耗。

Description

直线型超导磁体Halbach阵列、涡流制动系统及电动悬浮系统

技术领域

本发明属于电磁体的技术领域，具体涉及一种单边、双边直线型超导磁体Halbach阵列。本发明还涉及应用双边直线型超导磁体Halbach阵列的涡流制动系统及电动悬浮系统。

背景技术

Halbach阵列是一种特殊的磁体阵列，其可使一侧磁场加强，另一侧磁场减弱，Halbach阵列可应用于涡流制动等领域。现有的Halbach阵列的磁体一般采用电磁体或永磁体。其中，永磁体结构尺寸一旦设定，特性也将确定，无法控制和调节；而电磁体结构一般包含铁芯，重量比较大，为获得较大的磁场强度，电磁铁的线圈匝数也较多，电感大，电流变化慢，控制困难，同时进一步增加了重量，线材成本也比较高，此外，电磁铁的电流损耗也比较大。

上述论述内容目的在于向读者介绍可能与下面将被描述和/或主张的本发明的各个方面相关的技术的各个方面，相信该论述内容有助于为读者提供背景信息，以有利于更好地理解本发明的各个方面，因此，应了解是以这个角度来阅读这些论述，而不是承认现有技术。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中的不足而提供一种单边、双边直线型超导磁体Halbach阵列，其重量较轻，电流损耗小。本发明还提供一种应用上述双边直线型超导磁体Halbach阵列的涡流制动系统及电动悬浮系统。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

提供一种单边直线型超导磁体Halbach阵列，包括若干个沿直线排列的超导磁体，所述超导磁体由芯体和绕制在芯体外周的超导线圈组成，其中任意相邻的两个超导磁体的超导线圈的轴线相互垂直。

作为进一步的改进，所述芯体为空芯芯体。

作为进一步的改进，所述空芯芯体为铝合金。

作为进一步的改进，所述超导磁体的数量为奇数个，两端的超导磁体的超导线圈的轴线均与排列所在直线相互垂直。

本发明提供的单边直线型超导磁体Halbach阵列，包括若干个沿直线排列的超导磁体，所述超导磁体由芯体和绕制在芯体外周的超导线圈组成，其中任意相邻的两个超导磁体的超导线圈的轴线相互垂直。Halbach阵列可以使一侧磁场加强，另一侧磁场减弱，由于超导磁体的超导线圈具有电流密度大、零电阻的特点，超导线圈可以通大电流，产生强磁场，这样芯体不需要使用过重的铁芯来增强磁场，从而减轻了重量，并且可减少线圈匝数，减小电感，控制更加方便，此外，由于超导材料零电阻，还可以降低电流损耗。

本发明还提供了一种双边直线型超导磁体Halbach阵列，包括两个如上所述的单边直线型超导磁体Halbach阵列，两个单边直线型超导磁体Halbach阵列平行对称设置且具有间隙。

本发明提供的双边直线型超导磁体Halbach阵列由于包含单边直线型超导磁体Halbach阵列，其具有相同的有益效果，不再进行敷述。两个单边直线型超导磁体Halbach阵列平行设置，通电后使两个阵列强磁场的一侧相对，两个阵列之间的间隙中具有极强的磁场。

本发明还提供了一种涡流制动系统，包括感应板和如上所述的双边直线型超导磁体Halbach阵列，所述双边直线型超导磁体Halbach阵列和感应板两者之一设置于运动载体上，另一者固定设置，当所述运动载体运动至预定位置时，所述感应板沿长度方向插入所述双边直线型超导磁体Halbach阵列的间隙中。

作为进一步的改进，所述双边直线型超导磁体Halbach阵列设置于运动载体上。

本发明提供的涡流制动系统由于包含双边直线型超导磁体Halbach阵列，在两个阵列之间的间隙中具有极强的磁场，可以有效增大制动力，减小侧向力，Halbach结构还可有效减小系统外部周围磁场。当所述感应板沿长度方向插入该间隙中时，感应板切割间隙中的磁力线会产生涡流，而涡流会产生感应磁场，从而使感应板与阵列产生制动力以进行制动。

本发明还提供了一种电动悬浮系统，包括感应板和如上所述的双边直线型超导磁体Halbach阵列，所述双边直线型超导磁体Halbach阵列和感应板两者之一设置于运动载体上，另一者固定设置，所述感应板设置在所述双边直线型超导磁体Halbach阵列的间隙中。

作为进一步的改进，所述双边直线型超导磁体Halbach阵列设置于运动载体上。

本发明提供的电动悬浮系统由于包含双边直线型超导磁体Halbach阵列，在两个阵列之间的间隙中具有极强的磁场，可有效增强悬浮，减小阻力，提高浮阻比。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是超导磁体的剖视图。

图2是超导磁体的简图。

图3是单边直线型超导磁体Halbach阵列的结构示意图。

图4是图3中的单边直线型超导磁体Halbach阵列通电后的磁力线分布图。

图5是双边直线型超导磁体Halbach阵列-Ⅰ型的结构示意图。

图6是图5中的双边直线型超导磁体Halbach阵列通电后的磁力线分布图。

图7是图5中的双边直线型超导磁体Halbach阵列Ⅰ型应用于涡流制动系统的结构示意图。

图8是图7中的涡流制动系统其中一边Halbach阵列所受制动力随速度变化曲线图。

图9是图7中的涡流制动系统其中一边Halbach阵列所受侧向力随速度变化曲线图。

图10是双边直线型超导磁体Halbach阵列-Ⅱ型的结构示意图。

图11是图10中的双边直线型超导磁体Halbach阵列通电后的磁力线分布图。

图12是图10中的双边直线型超导磁体Halbach阵列Ⅰ型应用于电动悬浮系统的结构示意图。

图13是图12中的电动悬浮系统其中一边Halbach阵列所受电磁阻力随速度变化曲线图。

图14是图12中的电动悬浮系统其中一边Halbach阵列所受悬浮力随速度变化曲线图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1至图3所示，本发明实施例提供一种单边直线型超导磁体Halbach阵列，包括九个沿直线排列的超导磁体1，所述超导磁体1由芯体11和绕制在芯体11外周的超导线圈12组成，其中任意相邻的两个超导磁体1的超导线圈12的轴线相互垂直。所述芯体11为铝合金空芯芯体，铝合金不导磁、导热性能好、机械强度高，适合作为超导线圈的支撑结构。其中阵列两端的超导磁体1的超导线圈12的轴线均与排列所在直线相互垂直。图2中箭头方向为电流方向，图1、图5、图7、图10、图12中“×”表示电流流入方向，“·”表示电流流出方向。单边直线型超导磁体Halbach阵列通电后，其磁力线分布如图4所示，可以看出Halbach上表面磁场加强，且近似正弦分布，下表面磁场减弱。

本发明提供的单边直线型超导磁体Halbach阵列采用超导磁体，超导线圈具有电流密度大、零电阻的特点，超导线圈可以通大电流，产生强磁场，这样芯体不需要使用过重的铁芯来增强磁场，从而减轻了重量，并且可减少线圈匝数，减小电感，控制更加方便，此外，由于超导材料零电阻，还可以降低电流损耗。需要说明的是，本发明提出超导磁体阵列，采用现有的超导材料技术，超导材料的低温技术以及供电技术是通用技术，本发明对低温系统和供电系统也没有特殊要求。

如图5和图10所示，本发明实施例还提供了一种双边直线型超导磁体Halbach阵列，包括两个如上所述的单边直线型超导磁体Halbach阵列，两个单边直线型超导磁体Halbach阵列平行对称设置且具有间隙。通过改变超导线圈中电流方向，改变双边直线型超导磁体Halbach阵列的电磁力特性，分别形成如图5所示的双边直线型超导磁体Halbach阵列-Ⅰ型和如图10所示的双边直线型超导磁体Halbach阵列-Ⅱ型，可分别用于涡流制动和电动悬浮。

当在超导线圈中通电流构成如图5所示的双边直线型超导磁体Halbach阵列-Ⅰ型时，其磁力线分布如图6所示，可以看出，双边直线型超导磁体Halbach阵列-Ⅰ型有效降低了双边Halbach阵列外部周围磁场，在双边Halbach阵列中间区域，有效加强了垂向（y方向）磁场，横向（x方向）磁场互相抵消，此时与导电感应板相互作用可用于涡流制动系统，可有效增强制动力，减小侧向力。

如图7所示，本发明实施例还提供了一种涡流制动系统，包括感应板2和如图5所示的双边直线型超导磁体Halbach阵列-Ⅰ型，所述双边直线型超导磁体Halbach阵列和感应板2两者之一设置于运动载体上，另一者固定设置，具体的，所述双边直线型超导磁体Halbach阵列设置于运动载体上，感应板固定在轨道上。当所述运动载体运动至预定位置时，所述感应板2沿长度方向插入所述双边直线型超导磁体Halbach阵列的间隙中。当所述感应板沿长度方向插入该间隙中时，感应板切割间隙中的磁力线会产生涡流，而涡流会产生感应磁场，从而使感应板与阵列产生制动力以进行制动。此时两边Halbach阵列所受制动力相同，侧向力大小相等，方向相反。其中一边Halbach阵列所受制动力（Fx1）和侧向力（Fy1）随速度变化曲线如图8、图9所示。

当在超导线圈中通电流构成如图10所示的双边直线型超导磁体Halbach阵列-Ⅱ型，其磁力线分布如图11所示，可以看出，双边直线型超导磁体Halbach阵列-Ⅱ型有效降低了双边Halbach阵列外部周围磁场，在双边Halbach阵列中间区域，有效加强了横向（x方向）磁场，垂向（y方向）磁场互相抵消，此时与导电感应板相互作用可用于EDS（电动悬浮系统），可有效增强悬浮，减小阻力，提高浮阻比。

如图12所示，本发明实施例还提供了一种电动悬浮系统，包括感应板2和如图10所示的双边直线型超导磁体Halbach阵列-Ⅱ型，所述双边直线型超导磁体Halbach阵列和感应板2两者之一设置于运动载体上，另一者固定设置，具体的，所述双边直线型超导磁体Halbach阵列设置于运动载体上，感应板固定在轨道上，所述感应板2设置在所述双边直线型超导磁体Halbach阵列的间隙中。此时两边Halbach阵列所受制动力相同，侧向力大小相等，方向相反。其中一边Halbach阵列所受电磁阻力（Fx2）和悬浮力（Fy2）随速度变化曲线如图13、图14所示。

上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，不能理解为对本发明保护范围的限制。

总之，本发明虽然列举了上述优选实施方式，但是应该说明，虽然本领域的技术人员可以进行各种变化和改型，除非这样的变化和改型偏离了本发明的范围，否则都应该包括在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种单边直线型超导磁体Halbach阵列，其特征在于：包括若干个沿直线排列的超导磁体（1），所述超导磁体（1）由芯体（11）和绕制在芯体（11）外周的超导线圈（12）组成，其中任意相邻的两个超导磁体（1）的超导线圈（12）的轴线相互垂直。

2.根据权利要求1所述的单边直线型超导磁体Halbach阵列，其特征在于：所述芯体（11）为空芯芯体。

3.根据权利要求2所述的单边直线型超导磁体Halbach阵列，其特征在于：所述空芯芯体为铝合金。

4.根据权利要求1或2或3所述的单边直线型超导磁体Halbach阵列，其特征在于：所述超导磁体（1）的数量为奇数个，两端的超导磁体（1）的超导线圈（12）的轴线均与排列所在直线相互垂直。

5.一种双边直线型超导磁体Halbach阵列，其特征在于：包括两个如权利要求1至4中任一项所述的单边直线型超导磁体Halbach阵列，两个单边直线型超导磁体Halbach阵列平行对称设置且具有间隙。

6.一种涡流制动系统，其特征在于：包括感应板（2）和如权利要求5所述的双边直线型超导磁体Halbach阵列，所述双边直线型超导磁体Halbach阵列和感应板（2）两者之一设置于运动载体上，另一者固定设置，当所述运动载体运动至预定位置时，所述感应板（2）沿长度方向插入所述双边直线型超导磁体Halbach阵列的间隙中。

7.根据权利要求6所述的涡流制动系统，其特征在于：所述双边直线型超导磁体Halbach阵列设置于运动载体上。

8.一种电动悬浮系统，其特征在于：包括感应板（2）和如权利要求5所述的双边直线型超导磁体Halbach阵列，所述双边直线型超导磁体Halbach阵列和感应板（2）两者之一设置于运动载体上，另一者固定设置，所述感应板（2）设置在所述双边直线型超导磁体Halbach阵列的间隙中。

9.根据权利要求8所述的电动悬浮系统，其特征在于：所述双边直线型超导磁体Halbach阵列设置于运动载体上。