CN107170545B - 带超导带材的电磁铁、电磁道岔及转辙方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电磁道岔技术，具体涉及一种带超导带材的电磁铁，采用该电磁铁的电磁道岔和转辙的方法。电磁铁包括：铁芯、超导带材和低温容器；铁芯包含四个分支，四个分支从左向右依次并排设置，同一侧的一端汇集为一体，靠左的两个分支的另一端汇集后延伸出磁极A，靠右的两个分支的另一端汇集后延伸出磁极B；每个分支上缠绕一个超导带材，四个超导带材连接；靠左的两个分支上的超导带材的通电方向和靠右的两个分支上的超导带材通电方向不同；超导带材置于低温容器的冷却液中。本发明在铁芯上缠绕超导带材，由于超导带材的高临界电流密度，可以产生更大的磁通密度，足以提供车辆悬浮的磁场。使用低温液体为超导带材提供低温环境。

Description

带超导带材的电磁铁、电磁道岔及转辙方法

技术领域

本发明涉及电磁道岔技术，具体涉及带超导带材的电磁铁，采用该电磁铁结构的电磁道岔，以及利用该电磁道岔进行转辙的方法。

背景技术

目前关于电磁道岔用电磁铁的研究较少，文章“A Turnout Switch for aSuperconductively Levitated Linear Transport System”描述了关于电磁道岔用电磁铁的相关研究进展。该电磁铁通过线圈通电产生磁场，用铁轭聚集磁力线至磁极(即轨道面)，从而产生能实现左转或右转所需要的特定磁场。

现有电磁铁所产生的磁通密度不能达到永磁体磁通密度的大小，从而导致轨道上表面磁场在道岔处不均匀，进而引起高温超导磁浮车在通过道岔时运行不平稳的现象。CN201610173560.6公开了电磁道岔用电磁铁，其包括：铁芯和线圈，铁芯包含四个分支，四个分支从左向右依次并排设置，同一侧的一端汇集为一体，靠左的两个分支的另一端汇集后延伸出磁极A，靠右的两个分支的另一端汇集后延伸出磁极B；每个分支上缠绕一个线圈，四个线圈连接；根据上述连接方式可对靠左的两个分支和靠右的两个分支线圈分别通以不同方向的电流。利用该设置分支的铁芯，缠绕线圈产生较大的磁通密度，调节电磁铁通电电流大小产生与永磁体匹配的磁通密度。但是，该专利利用电磁体通电线圈难以产生与永磁体相匹配的磁通密度，且通电线圈发热导致电磁道岔不能持续性工作。由于磁通线总是选择磁阻最小的路径通过，因此专利1中的平行磁极A和磁极B，两极间的磁通量最大，不利于提高磁极上方的磁通密度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电磁道岔用电磁铁、电磁道岔及转辙方法，以解决电磁道岔产生磁通密度与永磁轨道的磁通密度相匹配的问题。

本发明专利涉及一种电磁道岔用电磁铁，其包括：铁芯、超导带材和低温容器；所述铁芯包含四个分支，四个分支从左向右依次并排设置，同一侧的一端汇集为一体，靠左的两个分支的另一端汇集后延伸出磁极A，靠右的两个分支的另一端汇集后延伸出磁极B；每个分支上缠绕一个所述超导带材，四个所述超导带材连接；靠左的两个分支上的线圈的通电方向和靠右的两个分支上的线圈通电方向不同；所述超导带材置于所述低温容器的冷却液中。

在一些实施例中，优选为，靠左的两个分支上的超导带材通电方向相同；靠右的两个分支的超导带材通电方向相同。

在一些实施例中，优选为，所述磁极A和所述磁极B之间的距离自分支汇集端向延伸尾端逐渐减小。

在一些实施例中，优选为，所述铁芯的拐角处倒圆角。

本发明还提供了一种包含所述电磁铁的电磁道岔，所述电磁铁垂直于永磁轨道，电磁道岔用电磁铁的磁极嵌入所述永磁轨道内，磁极A和磁极B处于分岔处的中心位置，二者之间相间一块永磁体大小的空隙。

在一些实施例中，优选为，所述永磁轨道采用钕铁硼永磁体，且为Halbach型永磁轨道。

本发明还提供了一种利用所述的电磁道岔进行转辙的方法，其包括：

确定待转辙方向；

根据待转辙方向对超导带材通电，以在待转辙方向上产生与轨道永磁体相匹配的均匀磁场，在非待转辙方向上产生不均匀磁场。

在一些实施例中，优选为，所述超导带材从低温容器的冷却液中吸收低温以处于超导态。

在一些实施例中，优选为，所述根据待转辙方向对线圈通电的方式为：

当左转时：靠右的两个分支上的超导带材剖面右侧通电方向为自纸内向纸外，靠左的两个分支上的超导带材剖面右侧通电方向为自纸外向纸内；

当右转时：靠右的两个分支上的超导带材剖面右侧通电方向为自纸外向纸内，靠左的两个分支上的超导带材剖面右侧通电方向为自纸内向纸外。

本发明实施例提供的在铁芯上缠绕超导带材，由于超导带材的高临界电流密度，可以产生更大的磁通密度，足以提供车辆悬浮的磁场。使用低温液体为超导带材提供低温环境，相对现有技术中铁芯上缠绕的线圈，避免了由于线圈发热带来的不可持续性工作的问题。

超导带材的临界电流密度高，在绕制于铁芯通电后，可产生与永磁体相匹配的磁通密度，足以提供悬浮车辆的磁场；同时利用为超导带材提供低温环境的冷却液体，使电磁道岔可持续性工作。

附图说明

图1为本发明一个实施例中左转时电磁道岔用电磁铁的示意图；

图2为本发明一个实施例中右转时电磁道岔用电磁铁的示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例结合附图对本发明做进一步的详细描述。

现有铁芯围绕线圈难以产生与永磁体相匹配的磁通密度，且通电线圈发热导致电磁道岔不能持续性工作。为此，本发明提供了一种带超导带材的电磁铁、电磁道岔及转辙方法。具体为：

电磁道岔用电磁铁，包括：铁芯、超导带材和低温容器；铁芯包含四个分支，四个分支从左向右依次并排设置，同一侧的一端汇集为一体，靠左的两个分支的另一端汇集后延伸出磁极A，靠右的两个分支的另一端汇集后延伸出磁极B；每个分支上缠绕一个超导带材，四个超导带材(3a、3b、3c、3d)连接；可对靠左的两个分支和靠右的两个分支线圈分别通以不同方向的电流。

由于超导带材的高临界电流密度，可以产生更大的磁通密度，足以提供车辆悬浮的磁场。使用低温液体为超导带材提供低温环境，避免了由于线圈发热带来的不可持续性工作的问题。超导带材的临界电流密度高，在绕制于铁芯通电后，可产生与永磁体相匹配的磁通密度，足以提供悬浮车辆的磁场。

而且，采用超导带材，通电后，产生磁场，磁场沿着铁芯将磁力线引导到磁极A和B，可获得比一般通电线圈更大的磁场。

另外，采用保温容器中的冷却液体，将超导带材放在冷却液体，为超导带材提供低温环境，使超导带材进入到超导状态，同时该低温环境保证了道岔可持续性工作。

靠左的两个分支上的超导带材通电方向相同；靠右的两个分支的超导带材通电方向相同。超导带材3a,3b为一组，产生同一方向的磁场；3c,3d为一组，产生另一方向的磁场。通过改变超导带材中的通电电流的方向，改变电磁体磁化的方向，与永磁体轨道磁场结合，实现电磁道岔的目的。

由于磁通线总是选择磁阻最小的路径通过，CN201610173560.6的平行的两个磁极，两极间的磁通量最大，不利于提高磁极上方的磁通密度。磁极A和磁极B之间的距离自分支汇集端向延伸尾端逐渐减小。“超导带材实现的电磁道岔”中，对电磁体铁芯的磁极处设置的斜角1，角度为θ，磁极A和B之间下方的气隙较大，减小漏磁通，提升磁极处的磁通密度。进行了结构优化，减少漏磁场。将铁芯的磁极设置斜角进行优化后，减少了漏磁，在磁极上方获得更大的磁通密度。由此，在电磁道岔上方产生的磁通密度可以和永磁轨道相匹配，保证车辆通过道岔时的平稳性，且工作时长得到保障，可靠性高。

一种包含电磁铁的电磁道岔，电磁铁垂直于分岔处永磁轨道，电磁道岔用电磁铁的磁极嵌入永磁轨道内，磁极A和磁极B处于分岔处的中心位置，二者之间相间一块永磁体大小的空隙。

一种利用电磁道岔进行转辙的方法，其包括：确定待转辙方向；根据待转辙方向对超导带材通电，以在待转辙方向上产生与永磁体相匹配的均匀磁场，在非待转辙方向上产生不均匀磁场。

该电磁铁结构包括：铁芯和超导带材，铁芯包含四个分支，四个分支从左向右依次并排设置，实现Halbach阵列电磁道岔最关键的部件为电磁铁，本专利提出了可用于实现Halbach阵列的电磁道岔用电磁铁的设计方案。同一侧的一端汇集为一体，靠左的两个分支的另一端汇集后延伸出磁极A，靠右的两个分支的另一端汇集会延伸出磁极B；每个分支上缠绕一个超导带材，四个超导带材连接；根据上述连接方式，可对靠左的两个分支和靠右的两个分支超导带材分别通以不同方向的电流。在保证电磁道岔可行性的基础上将电磁铁的三个磁极简化为两个磁极，降低了制造电磁铁所需要的成本；为了保证电磁道岔的稳定性，电磁铁的磁通密度需要与永磁体的磁通密度相匹配，该电磁铁采用上述特殊形状的铁芯，采用多个超导带材以产生更大的磁通密度，根据以上设计可以通过简单的调节电磁铁通电电流大小即可达到与永磁体匹配的磁通密度。

下面对要保护的技术进行详细说明：

Halbach阵列具有极强的聚磁能力，是迄今为止能通过最少永磁体用量产生最强磁场的轨道排列方式。目前已经有很多国家的高温超导磁浮车系统采用Halbach阵列作为其永磁轨道的排列方式。永磁轨道是高温超导磁悬浮系统不可或缺的重要组成部分，目前常用的永磁轨道的排列方式主要有传统单峰型永磁轨道和Halbach型永磁轨道，现有技术对传统单峰型永磁轨道电磁道岔用电磁铁进行了分析设计，Halbach因其可采用尽量少的永磁体用量产生较大的磁通密度而被广泛应用，然而目前还没有关于Halbach型永磁轨道电磁道岔用电磁铁的设计，本专利提出了Halbach型永磁轨道的电磁道岔用电磁铁设计，为以后高温超导磁悬浮系统电磁道岔研究提供了重要的设计思路。

目前传统单峰永磁轨道电磁道岔用电磁铁所提供磁通密度较小，导致在道岔部位电磁铁与永磁体的高磁通密度不匹配，从而导致通过道岔时高温超导磁浮车辆运行不稳定，本发明就这一缺点做出了以下相应的改进，用以提高电磁铁所产生的磁通密度。

对现有传统单峰型永磁轨道电磁道岔用电磁铁中铁芯的拐角处设计不合理，现有的铁芯拐角处为直角，容易产生漏磁。而漏磁现象使得增大轨道表面磁通密度更加困难。对其进行改进，在电磁铁的铁芯拐角处设计倒圆角，减小漏磁通，增大了电磁铁产生的磁通密度。

鉴于电磁道岔用电磁铁的特殊性，该电磁铁采用具有高饱和磁感应强度和高磁导率的铁钴合金，线圈采用铜线圈，进一步增大电磁铁所产生的磁通密度。

经过上述改进电磁铁的磁通密度几乎能与原永磁体形成的永磁轨道所产生的磁通密度相匹配。

将该电磁铁结构用于设计电磁道岔，电磁铁垂直于分岔处永磁轨道，电磁道岔用电磁铁的磁极嵌入永磁轨道2内，磁极A和磁极B处于分岔处的中心位置，二者之间相间一块永磁体大小的空隙。在Y字型轨道中，通过在电磁铁的线圈中通入不同方向的电流，形成在某个特定方向的均匀磁通密度，引导磁悬浮列车朝该方向转辙，

永磁轨道采用钕铁硼永磁体，为Halbach型永磁轨道，具有极强的聚磁能力，是迄今为止能通过最少永磁体用量产生最强磁场的轨道排列方式。

本发明利用上述电磁道岔进行转辙的方法，其包括：

步骤110，确定待转辙方向；

步骤112，根据待转辙方向对超导带材通电，以在待转辙方向上产生与永磁体相匹配的均匀磁场，在非待转辙方向上产生不均匀磁场。

在通电过程中，超导带材从低温容器的冷却液中吸收低温以处于超导态。

其中根据待转辙方向对线圈通电的方式为：

当左转时，如图1所示：靠右的两个分支上的超导带材(剖面右侧)通电方向为自纸内向纸外，图中用“·”进行标识；靠左的两个分支上的超导带材(剖面右侧)通电方向为自纸外向纸内，图中用“×”进行标识；

当右转时，如图2所示：靠右的两个分支上的超导带材(剖面右侧)通电方向为自纸外向纸内，图中用“×”进行标识，靠左的两个分支上的超导带材(剖面右侧)通电方向为自纸内向纸外，图中用“·”进行标识。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种带超导带材的电磁铁，其特征在于，包括：铁芯、超导带材和低温容器；所述铁芯包含四个分支，四个分支从左向右依次并排设置，同一侧的一端汇集为一体，靠左的两个分支的另一端汇集后延伸出磁极A，靠右的两个分支的另一端汇集后延伸出磁极B；所述磁极A和所述磁极B之间的距离自分支汇集端向延伸尾端逐渐减小；每个分支上缠绕一个所述超导带材，四个所述超导带材连接；靠左的两个分支上的超导带材的通电方向和靠右的两个分支上的超导带材通电方向不同；所述超导带材置于所述低温容器的冷却液中。

2.如权利要求1所述的带超导带材的电磁铁，其特征在于，靠左的两个分支上的超导带材通电方向相同；靠右的两个分支的超导带材通电方向相同。

3.如权利要求1所述的带超导带材的电磁铁，其特征在于，所述铁芯的拐角处倒圆角。

4.一种包含权利要求1-3任一项所述电磁铁的电磁道岔，其特征在于，所述电磁铁垂直于永磁轨道，电磁道岔用电磁铁的磁极嵌入所述永磁轨道内，磁极A和磁极B处于分岔处的中心位置，二者之间相间一块永磁体大小的空隙。

5.如权利要求4所述的电磁道岔，其特征在于，所述永磁轨道采用钕铁硼永磁体，且为Halbach型永磁轨道。

6.一种利用权利要求4-5任一项所述的电磁道岔进行转辙的方法，其特征在于，其包括：

确定待转辙方向；

根据待转辙方向对超导带材通电，以在待转辙方向上产生与轨道永磁体相匹配的均匀磁场，在非待转辙方向上产生不均匀磁场。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述超导带材从低温容器的冷却液中吸收低温以处于超导态。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据待转辙方向对线圈通电的方式为：

当左转时：靠右的两个分支上的超导带材剖面右侧通电方向为自纸内向纸外，靠左的两个分支上的超导带材剖面右侧通电方向为自纸外向纸内；

当右转时：靠右的两个分支上的超导带材剖面右侧通电方向为自纸外向纸内，靠左的两个分支上的超导带材剖面右侧通电方向为自纸内向纸外。