CN109545497B - 一种阶梯形超导磁体及具有其的电动悬浮系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阶梯形超导磁体及具有其的电动悬浮系统，阶梯形超导磁体由多个形状相同的磁体单元同轴堆叠串联组成，所述磁体单元具有相同的极性，所述磁体单元采用单饼或/和双饼磁体串联或并联组成。电动悬浮系统中车载阶梯形超导磁体对称布置于列车两侧，使磁体外径较大的一侧朝向悬浮线圈，外径较小的一侧朝向车体内部。在保持超导材料用量不增加的前提下，本发明具有提高超导磁体的临界电流，提升电动悬浮列车的悬浮、导向及驱动能力，继而抑制电磁力的波动等优势。以日本MLX01型低温超导磁悬浮车为参考对象，当梯度变量（δ）为150mm时，阶梯形高温超导磁体的临界电流能够增加23%，列车的悬浮力、导向力和驱动力分别提高36%、37%和22%，对应力的最大谐波分量幅值分别降低74%、25%和8%，可以显著增强列车的稳定性与舒适性。

Description

一种阶梯形超导磁体及具有其的电动悬浮系统

技术领域

本发明涉及超导磁体、磁悬浮技术等领域，具体涉及一种阶梯形超导磁体构造及具有其的电动悬浮系统。

背景技术

凭借低损耗、大电流的特性，超导磁体作为一类强磁场产生装置在粒子加速器、飞轮储能、磁共振成像等系统中具有重要应用价值。但超导磁体产生强磁场的能力受限于其临界电流，而临界电流又取决于磁体所处的温度和磁场：温度越低，临界电流越大；磁场越强，临界电流越小。目前，降低磁体温度的常用途径是提高制冷机的制冷功率，但由此会增加制冷机的成本，且制冷效率也会因制冷温度的降低而快速下降。另外，磁体磁场强度的增加会导致超导临界电流的降低。在强磁环境中，超导磁体所处磁场一般是几个特斯拉或者十几甚至几十个特斯拉，如此强的磁场会显著降低超导磁体的临界电流，限制其载流能力，且载有高于临界电流的励磁电流可能诱发磁体的失超，甚至烧毁磁体。

为了增强中心磁场，超导磁体一般制成多饼形式，且磁体的所有饼的形状和大小相同，这种磁体结构的磁场会在磁体内侧出现过分集中，而磁场的集中会严重降低超导体的临界电流，限制磁体的载流能力。相比于传统结构的磁体，阶梯形磁体的主要特点为：磁体内部磁场分布均匀性好，可有效抑制磁场强度过分集中的现象。因此，采用阶梯形结构，可以提升超导体的临界电流，提高超导磁体的载流能力，进而提高超导磁体产生的磁场。

除了能够提升自身的临界电流外，基于其磁场阶梯分布的特征，阶梯形超导磁体在以电磁力及其谐波含量作为评价指标的超导磁悬浮、超导电机等系统中具有更多优势。电动悬浮系统是一种利用车载磁体与地面轨道线圈或感应板之间的排斥作用实现其被动自稳定悬浮与导向的磁悬浮系统，该系统无需附属控制单元即可实现稳定悬浮与导向，且悬浮间隙可超过100 mm。电动悬浮列车通常采用无铁芯同步直线电机驱动，悬浮系统主要采用空心的“8”字形零磁通线圈悬浮。因为缺少铁磁性材料的聚磁作用，悬浮系统和驱动系统产生的悬浮力、导向力及推进力存在较大的谐波含量，而高的谐波分量会降低列车的运行稳定性与舒适性。阶梯形超导磁体产生的磁场具有阶梯分布的特征，这种梯形分布的磁场更趋近正弦波，可有效降低直线电机的驱动力及悬浮系统的悬浮力和导向力的谐波成分，进而能够提高列车的运行稳定性。

综合上述内容，通过构造一种阶梯形超导磁体，有望提升超导磁体的临界电流，进一步提高磁体产生磁场的能力；通过合理设定阶梯形超导磁体的梯度量，有望提升具有其的电动悬浮系统的承载能力及其运行稳定性与舒适性。

发明内容

本发明的目的是提供一种阶梯形超导磁体，旨在使之能在保证制冷成本和超导材料用量不增加的情况下，提高超导磁体的临界电流，增大超导磁体的磁场，提高电动悬浮列车的悬浮力、导向力及驱动力，并降低上述力的谐波分量，从而提高电动悬浮列车的承载能力及其运行稳定性与舒适性。

本发明的目的是通过如下技术手段实现的。

一种阶梯形超导磁体，所述阶梯形超导磁体由多个形状相似的磁体单元按同一轴心线堆叠串联组成：上一层磁体单元的平面形状小于下一层磁体单元的平面形状，上一层磁体单元与下一层磁体单元的重叠面可以相同也可以不相同；且该多个磁体单元具有相同的极性；上述磁体单元的平面形状为圆形、矩形、跑道形或椭圆形；上述磁体单元选自独立的单饼磁体、独立的双饼磁体、单饼串联的磁体、单饼并联的磁体、双饼串联的磁体、双饼并联的磁体、单饼和双饼串联的磁体、单饼和双饼并联的磁体中的一种或多种。

所述磁体单元为有绝缘磁体或无绝缘磁体；所述多个磁体单元采用超导焊接技术首尾电气连接构成闭环，以实现阶梯形超导磁体的闭环恒流运行；所述阶梯形超导磁体的所有外侧面采用高纯度铝板围合紧固，起缓解线圈的应力应变作用。

所述阶梯形超导磁体安装在密封箱体中：阶梯形超导磁体安装在铝合金骨架的由环形内壁和环形外壁组成的环形内腔中，铝合金盖经螺栓固定在铝合金骨架顶部，阶梯形超导磁体的顶面和底面均贴有涂覆过热塑性树脂与磁体形成热熔连接的铜片，且阶梯形超导磁体的顶面与铝合金盖之间以及阶梯形超导磁体的底面与铝合金骨架的底板之间均衬垫压接有纯铝盘，玻璃纤维充填在该环形内腔的空隙内，铝合金骨架的底板上开有用于制冷剂流通的通孔。

所述冷却包括液氮冷却、液氦冷却、固氮冷却、金属传导冷却。

基于以上内容，提出一种具有阶梯超导磁体的电动悬浮系统，具体实现方式：

一种阶梯形超导磁体的电动悬浮系统轨道左、右两侧均设置有相互对称的悬浮线圈和推进线圈，悬浮线圈采用交叉连接的“8”字形零磁通线圈，推进线圈采用无铁芯绕组结构，车载磁体采用无铁芯的阶梯形超导磁体；两个相同的阶梯形超导磁体分别设置在列车左右两侧，阶梯形超导磁体外径较大的一侧朝向悬浮线圈，外径较小的一侧朝向车体内部，阶梯形超导磁体中磁体单元的最大外径不超过推进线圈的极距；平面形状为矩形的超导磁体的长边、平面形状为跑道形的超导磁体的直边和平面形状为椭圆形的超导磁体的长轴平行于行车方向。

因为阶梯形磁体的内部最大磁场会随着梯度量的增加而降低，所以超导磁体的临界电流会随着梯度量的增加而提高，使其能够承载更高的工作电流，进而能够增强电动悬浮列车的悬浮、导向及驱动能力。另外，因为阶梯形磁体产生的磁场具有阶梯分布的特征，能够降低列车的悬浮力、导向力及驱动力的谐波分量，提高列车的运行稳定性与舒适性。

本发明的构造流程如下，1、首先将超导线材缠绕在高强度玻璃纤维骨架上以制成独立的单饼线圈或双饼线圈，然后采取超导焊接技术将绕制好的单饼线圈或/和双饼线圈进行串联或并联连接构成一个等内径和外径的线圈单元。2、在线圈单元的上下两侧采用熔点低、粘度高的热塑性树脂将铜片与线圈单元进行热熔连接，实现对线圈的上下固定与导热。3、重复步骤1和2，绕制其它形状相同、但内径或外径不等的线圈单元。4、将上述形状相同、但内径或外径不等的线圈单元同轴堆叠放置，然后采取超导焊接技术将相邻线圈单元串联连接并确保所有线圈单元的极性相同。5、将绕制好的阶梯形超导线圈嵌入高强度铝合金骨架的凹槽中，并用高强度玻璃纤维填充阶梯形磁体台阶处空隙。6、在铝合金骨架的开口侧采用高强度铝合金盖将超导线圈封闭在凹槽内，并在超导线圈与高强度铝合金骨架、铝合金盖的上下接触面处采用纯铝盘进行填充，实现对超导磁体的弹性支承与导热。

本发明提出的具有阶梯形超导磁体的电动悬浮系统的悬浮线圈采用交叉连接的“8”字形零磁通线圈，推进线圈采用无铁芯结构，车载磁体采用无铁芯阶梯形超导磁体。其中，推进线圈和悬浮线圈均固定安装在轨道上，车载磁体固定安装于车体两侧，使外径较大的一侧朝向悬浮线圈，外径较小的一侧朝向车体内部，所述阶梯形超导磁体的最大外径不超过推进线圈的极距。

与现有技术相比，本发明具有如下优点。

1、阶梯形超导磁体具有更大的冷却面积，可有效避免磁体内部热量集中导致的温度快速上升问题，从而降低磁体发生局部失超的风险。以日本MLX01型低温超导磁悬浮车为参考对象，当梯度量（δ）为150 mm时，阶梯形超导磁体的有效冷却面积是非阶梯形磁体的4.43倍。

2、在保持超导材料用量不增加的条件下，阶梯形超导磁体的临界电流随着梯度量的增加大幅提高。以日本MLX01型低温超导磁悬浮车为参考对象，当梯度量分别为50 mm、100 mm和150 mm时，阶梯形高温超导磁体的临界电流分别提高4%、13%和23%。

3、相对于非阶梯形超导磁体，因为阶梯形超导磁体能够承载更高的工作电流，所以采用阶梯形的车载超导磁体可有效提升电动悬浮列车的悬浮、导向及驱动能力。以日本MLX01型低温超导磁悬浮车为参考对象，当梯度量分别为50 mm、100 mm和150 mm时，列车的悬浮力分别增加5.94%、21.08%和35.6%，导向力分别增加6.53%、22.2%和36.51%，驱动力分别增加3.9%、12.5%和22%。

4、阶梯形磁体产生的磁场具有阶梯分布的特征，因此阶梯形超导磁体可有效降低电动悬浮列车的悬浮力、导向力及驱动力的谐波分量，从而提高列车的运行稳定性。以日本MLX01型低温超导磁悬浮车为参考对象，当梯度量分别为50 mm、100 mm和150 mm时，列车的悬浮力最大谐波分量幅值分别降低34.4%、78.9%和73.8%，导向力最大谐波分量幅值分别降低47%、89.7%和25%，驱动力最大谐波分量幅值分别降低0.19%、3.25%和8.47%。

阶梯形超导磁体因其具有临界电流高、制冷面积大和结构布置灵活等优点，使其不仅在超导磁悬浮、超导电机等以电磁力及其谐波含量作为评价指标的系统中具有重要应用价值，在粒子加速器、核磁共振、磁共振成像、飞轮储能等强磁系统中也具有重要的应用前景。

附图说明

图1是本发明阶梯形超导磁体结构的示意图；

图2是本发明a、b、c、d、e、f、g、h的8个不同的磁体单元；

图3是本发明的横截面示意图；

图4是本发明具有图1所示阶梯超导磁体结构的电动悬浮系统横截面图；

图5是图1所示阶梯形超导磁体的内部磁场分布云图（a），截面B上的磁场分布云图（b），对应无阶梯超导磁体在截面B上磁场分布云图（c）。

具体实施方式

结合附图对本发明及具有其的电动悬浮系统作进一步说明如下。

图1、图2示出本发明阶梯形超导磁体，所述阶梯形超导磁体1由多个形状相似的磁体单元2按同一轴心线堆叠串联组成：上一层磁体单元的平面形状小于下一层磁体单元的平面形状，上一层磁体单元与下一层磁体单元的重叠面均相同或不相同；且该多个磁体单元2具有相同的极性；上述磁体单元2的平面形状为圆形、矩形、跑道形或椭圆形；上述磁体单元2选自独立的单饼磁体、独立的双饼磁体、单饼串联的磁体、单饼并联的磁体、双饼串联的磁体、双饼并联的磁体、单饼和双饼串联的磁体、单饼和双饼并联的磁体中的一种或多种；其中，

独立的单饼磁体：由单根超导材料沿顺时针方向由内向外逐圈绕制而成；

独立的双饼磁体：由单根超导材料沿顺时针方向由内向外逐圈绕制而完成下一层后，接着沿反方向进行上一层的绕制，且上一层和下一层的形状相同；

单饼串联的磁体：下一层由单根超导材料沿顺时针方向由内向外逐圈绕制而成，上一层由另一单根超导材料沿逆时针方向由内向外逐圈绕制而成，上一层和下一层的形状相同，且下一层的单根超导材料的出线端与上一层的另一单根超导材料的进线端相连接；

单饼并联的磁体：由两根超导材料同时沿顺时针方向由内向外逐圈绕制而成，上一层和下一层的形状相同，且下一层的单根超导材料的进线端和出线端与上一层的另一单根超导材料的进线端和出线端形成并联方式；

双饼串联的磁体：由两个形状相同、独立的双饼磁体重叠在一起，且下面一个独立的双饼磁体的出线端与上面一个独立的双饼磁体的进线端相连接；

双饼并联的磁体：由两个形状相同、独立的双饼磁体重叠在一起，下面一个独立的双饼磁体进线端和出线端与上面一个独立的双饼磁体进线端和出线端形成并联方式；

单饼和双饼串联的磁体：由形状相同的一个独立的单饼磁体和一个独立的双饼磁体重叠在一起，独立的单饼磁体的进线端与独立的双饼磁体的出线端相连接；

单饼和双饼并联的磁体：由形状相同的一个独立的单饼磁体和一个独立的双饼磁体重叠在一起，独立的单饼磁体的进线端和出线端与独立的双饼磁体的进线端和出线端形成并联方式；上述超导材料为包含低温超导体和高温超导体在内的超导线材。

磁体单元2为有绝缘磁体或无绝缘磁体；所述多个磁体单元2采用超导焊接技术首尾电气连接构成闭环，以实现阶梯形超导磁体的闭环恒流运行；所述阶梯形超导磁体1的所有外侧面采用高纯度铝板3围合紧固，起缓解线圈的应力应变作用。

参见图3，阶梯形超导磁体安装在密封箱体中：阶梯形超导磁体1安装在铝合金骨架6的由环形内壁和环形外壁组成的环形内腔中，铝合金盖8经螺栓固定在铝合金骨架6顶部，阶梯形超导磁体1的顶面和底面均贴有涂覆过热塑性树脂4与磁体形成热熔连接的铜片5，且阶梯形超导磁体1的顶面与铝合金盖8之间以及阶梯形超导磁体1的底面与铝合金骨架6的底板之间均衬垫压接有纯铝盘9，玻璃纤维7充填在该环形内腔的空隙内，在铝合金骨架6的底部开有用于制冷剂流通的通孔10。

冷却方式包括液氮冷却、液氦冷却、固氮冷却、金属传导冷却。

图1是阶梯形超导磁体的三维结构示意图，所述阶梯形超导磁体1是由8个单饼磁体单元2按150 mm等阶梯变化组成的。所有磁体单元的形状相同，即平面形状相同，厚度（w）和高度（h）相同，且上一层磁体单元压接下一磁体单元厚度的一半，即上一磁体单元的外侧面与下一磁体单元的中线重合（参见图5b）。

图2（a）~（h）对应由单饼磁体和双饼磁体采用不同连接形式组成的所有磁场单元，图2（a）为独立的单饼磁体，图2（b）为独立的双饼磁体，图2（c）为单饼串联的磁体，图2（d）为单饼并联的磁体，图2（e）为双饼串联的磁体，图2（f）为双饼并联的磁体，图2（g）为单饼和双饼串联的磁体，图2（h）为单饼和双饼并联的磁体。符号I表示磁体的励磁电流，箭头方向表示电流的流向，符号①代表需要串联连接并形成一个接头的出线端或进线端，所述出线端对应电流流出的端口、进线端对应电流流进的端口。

磁体单元的内径或外径可以等梯度量变化、也可以不等梯度量变化。

阶梯形超导磁体可采用低温超导线材或高温超导带材等超导线材绕制，所述低温超导线材的线径或高温超导带材的宽度可根据实际情况进行选择。所述磁体单元的厚度（w）或高度（h）可以相同也可以不同。

图3是本发明的横截面示意图，阶梯形超导磁体1的具体构造流程及方法如下。首先，将裸露或覆裹绝缘材料的超导线材以一定张力绕制，绕制完成后的线圈单元2外侧采用高纯度铝板3紧固，其中，高纯度铝板3的作用除了对线圈单元2进行导热和支撑外，还兼具缓解线圈2径向应力应变的作用。其次，将表面均匀涂有热塑性树脂4的铜片5贴于线圈2的上下两侧，并加热铜片5直至热塑性树脂4完全熔化，完成铜片5与线圈2的固定连接。以相同方法绕制其它内径和外径不等的线圈单元2，并使所有线圈单元2的内径和外径等阶梯量变化。然后将上述形状相似、内径和外径不等的线圈单元2同轴堆叠放置，采取超导焊接技术将相邻线圈单元2串联连接并确保所有线圈单元2的极性相同。最后将绕制好的阶梯形超导线圈（即形成的阶梯形超导磁体1）嵌入高强度铝合金骨架6的凹槽中，并用高强度玻璃纤维7填充线圈台阶处空隙，以确保磁体的电磁力能够顺利传递到铝合金骨架6上，在铝合金骨架6的开口侧通过高强度铝合金盖8将8个线圈单元2组成的超导线圈封闭在凹槽（即环形内腔）内。在超导线圈和高强度铝合金骨架6及铝合金盖8的上下接触面采用纯铝盘9对磁体进行弹性支承与导热。在高强度铝合金骨架6的底部开有通孔10，用于制冷剂的流通，以充分冷却超导磁体内侧。构造完成的阶梯形超导磁体1在截面A处的剖面结构如图3所示。

参见图4，一种阶梯形超导磁体的电动悬浮系统，轨道14左、右两侧均设置有相互对称的悬浮线圈12和推进线圈13，悬浮线圈采用交叉连接的“8”字形零磁通线圈，推进线圈采用无铁芯绕组结构，车载磁体采用无铁芯的阶梯形超导磁体1；两个相同的阶梯形超导磁体1分别安装在列车车体11上左右两侧，阶梯形超导磁体外径较大的一侧朝向悬浮线圈，外径较小的一侧朝向车体内部，阶梯形超导磁体中磁体单元的最大外径不超过推进线圈的极距；平面形状为矩形的超导磁体的长边、平面形状为跑道形的超导磁体的直边和平面形状为椭圆形的超导磁体的长轴平行于行车方向。

图5（a）为阶梯形超导磁体1内部磁场分布云图，从图中可以看出，磁体的最大磁场位于其圆边内侧，所以磁体的临界电流主要决定于磁体圆边的最大磁场。图5（b）对应图5（a）的截面B上的磁场分布云图，可以看到阶梯形磁体圆边最大磁场约3.88 T，而磁体的中心磁场约为1.29 T。图5（c）对应无阶梯超导磁体在截面B上的磁场分布云图，可以看到无阶梯磁体圆边最大磁场约5.62 T，而磁体的中心磁场约为1.26 T。对比发现，在相同超导材料耗量下，阶梯形磁体内部最大磁场降低了31%，而中心磁场几乎保持不变。

以日本MLX01型低温超导磁悬浮车为参考对象，当超导磁体的梯度量（δ）为150 mm时，阶梯形高温超导磁体的临界电流提高23%，列车的悬浮力、导向力和驱动力分别增加36%、37%和22%，对应的最大谐波分量幅值分别降低74%、25%和8%。

以上所述只是本发明的一种在超导电动悬浮系统中的应用，并非要将本发明局限于电动悬浮系统，故凡是有可能被应用的对象，如粒子加速器、飞轮储能、磁储能、核磁共振、磁共振成像、超导电机等系统，均属于本发明专利应用的范围，在这些应用范围内，本发明都会受到保护。

Claims (2)

1.一种阶梯形超导磁体，其特征在于，所述阶梯形超导磁体(1)由多个形状相似的磁体单元(2)按同一轴心线堆叠串联组成：上一层磁体单元的平面形状小于下一层磁体单元的平面形状，上一层磁体单元与下一层磁体单元的重叠面均相同或不相同；且该多个磁体单元(2)具有相同的极性；上述磁体单元(2)的平面形状为圆形、矩形、跑道形或椭圆形；上述磁体单元(2)选自独立的单饼磁体、独立的双饼磁体、单饼串联的磁体、单饼并联的磁体、双饼串联的磁体、双饼并联的磁体、单饼和双饼串联的磁体、单饼和双饼并联的磁体中的一种或多种；

所述磁体单元(2)为有绝缘磁体或无绝缘磁体；所述多个磁体单元(2)采用超导焊接技术首尾电气连接构成闭环，以实现阶梯形超导磁体的闭环恒流运行；所述阶梯形超导磁体(1)的所有外侧面采用高纯度铝板(3)围合紧固，起缓解线圈的应力应变作用；

所述磁体单元(2)的绕制方式为：

独立的单饼磁体：由单根超导材料沿顺时针方向由内向外逐圈绕制而成；

独立的双饼磁体：由单根超导材料沿顺时针方向由内向外逐圈绕制而完成下一层后，接着沿反方向进行上一层的绕制，且上一层和下一层的形状相同；

单饼串联的磁体：下一层由单根超导材料沿顺时针方向由内向外逐圈绕制而成，上一层由另一单根超导材料沿逆时针方向由内向外逐圈绕制而成，上一层和下一层的形状相同，且下一层的单根超导材料的出线端与上一层的另一单根超导材料的进线端相连接；

单饼并联的磁体：由两根超导材料同时沿顺时针方向由内向外逐圈绕制而成，上一层和下一层的形状相同，且下一层的单根超导材料的进线端和出线端与上一层的另一单根超导材料的进线端和出线端形成并联方式；

双饼串联的磁体：由两个形状相同、独立的双饼磁体重叠在一起，且下面一个独立的双饼磁体的出线端与上面一个独立的双饼磁体的进线端相连接；

双饼并联的磁体：由两个形状相同、独立的双饼磁体重叠在一起，下面一个独立的双饼磁体进线端和出线端与上面一个独立的双饼磁体进线端和出线端形成并联方式；

单饼和双饼串联的磁体：由形状相同的一个独立的单饼磁体和一个独立的双饼磁体重叠在一起，独立的单饼磁体的进线端与独立的双饼磁体的出线端相连接；

单饼和双饼并联的磁体：由形状相同的一个独立的单饼磁体和一个独立的双饼磁体重叠在一起，独立的单饼磁体的进线端和出线端与独立的双饼磁体的进线端和出线端形成并联方式；上述超导材料为包含低温超导体和高温超导体在内的超导线材；

所述阶梯形超导磁体安装在密封箱体中：阶梯形超导磁体(1)安装在铝合金骨架(6)的由环形内壁和环形外壁组成的环形空腔中，铝合金盖(8)经螺栓固定在铝合金骨架(6)顶部，阶梯形超导磁体(1)的顶面和底面均贴有涂覆过热塑性树脂(4)形成热熔连接的铜片(5)，且阶梯形超导磁体(1)的顶面与铝合金盖(8)之间以及阶梯形超导磁体(1)的底面与铝合金骨架(6)的底板之间均衬垫压接有纯铝盘(9)，玻璃纤维(7)充填在该环形空腔的空隙内，铝合金骨架(6)的底板上开有用于制冷剂流通的通孔(10)。

2.一种采用如权利要求1所述的磁体的电动悬浮系统，其特征在于，轨道(14)左、右两侧均安装有相互对称的悬浮线圈(12)和推进线圈(13)，悬浮线圈采用交叉连接的“8”字形零磁通线圈，推进线圈采用无铁芯绕组结构，车载磁体采用无铁芯的阶梯形超导磁体(1)；两个相同的阶梯形超导磁体(1)对称分布在车体(11)的左右两侧，阶梯形超导磁体外径较大的一侧朝向悬浮线圈，外径较小的一侧朝向车体内部，阶梯形超导磁体中磁体单元的最大外径不超过推进线圈的极距；平面形状为矩形的超导磁体的长边、平面形状为跑道形的超导磁体的直边和平面形状为椭圆形的超导磁体的长轴平行于行车方向。

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