CN110356243B - 高温超导磁悬浮结构及高温超导带材磁悬浮列车 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了高温超导磁悬浮结构及高温超导带材磁悬浮列车，包括永磁轨道、位于永磁轨道上方的悬浮架，所述悬浮架的底部设置正对所述永磁轨道的悬浮杜瓦，所述悬浮架包括两个斜面相对的楔形块，两个楔形块的斜面之间通过若干弹性件连接。永磁轨道固定在道床上，所述悬浮架上设置车厢、且车厢与两个楔形块均相连；还包括用于驱动悬浮架在永磁轨道上移动的牵引直线电机。本发明的目的在于提供高温超导磁悬浮结构及高温超导带材磁悬浮列车，悬浮架相比于传统刚性连接具有更高的稳定性和解耦性，且悬浮能力优于现有技术中的高温超导块材磁浮系统，从而具有更高的工程应用价值和优势。
Description
技术领域
本发明涉及磁悬浮领域，具体涉及高温超导磁悬浮结构及高温超导带材磁悬浮列车。
背景技术
现代高速轮轨列车最高商业运营时速达到350km，下一步提速将面临轮轨黏着系统、空气阻力、噪音和震动等因素的限制。磁悬浮列车基于电磁力实现无接触的悬浮与导向，通过直线电机牵引驱动，具有高速、稳定、低噪、节能、低碳、转弯半径小及爬坡能力强等优点，在高速交通运输应用中具有广阔前景。主要的磁浮技术包括：电磁悬浮技术、电动磁浮技术及高温超导块材磁浮技术，前两种技术已有实际应用，分别以长沙中低速磁浮线及日本高速磁浮线为代表。与其它两种技术比较，高温超导块材磁浮技术利用YBa2Cu3O7-x(YBCO)高温超导块材在永磁轨道外磁场中的抗磁性与强磁通钉扎特性，使磁浮列车在静止或运动状态下实现自稳定的悬浮与导向，由于不需要主动控制，其系统结构简单，同时，理论时速可达3000km以上。然而，YBCO高温超导块材的临界电流密度低、热稳定性差、易受潮变质，即便真空封装保护，受外部作用力及热胀冷缩的影响，易产生水平方向上的断裂，长期使用将严重降低磁悬浮列车的悬浮与导向性能。目前，YBCO高温超导块材磁浮列车相关研究主要集中在中国、巴西及德国，国内以西南交通大学牵引动力国家重点实验室的“Super-Maglev”磁浮原型车为代表，国外以巴西里约热内卢联邦大学的“Maglev-Cobra”磁浮原型车为代表，以上原型车的永磁轨道均为双极海尔贝克(halbach)阵列结构，采用单边短初级直线感应电机进行驱动。然而，上述实验室研究中的悬浮杜瓦及YBCO高温超导块材均依赖于德国企业ATZ，可参考文献(IEEE Trans.Appl.Supercond.,2018,28(4):3601605)，该公司的悬浮杜瓦将YBCO高温超导块材放置于真空绝热层内，通过液氮与冷却铜盒对YBCO高温超导块材进行间接冷却，具体结构如图12b所示，这种大范围的镂空结构降低了悬浮杜瓦运行的安全性与稳定性。此外，据文献(IEEE Trans.Appl.Supercond.,2015,25(1):3600106)报道，采用双极halbach阵列永磁轨道，且永磁材料截面积为3000mm2，YBCO高温超导块材在场冷高度为30mm，悬浮间隙为10mm下的悬浮力密度为4.05 N/cm2。
与YBCO块材比较，ReBa2Cu3O7-x(ReBCO，Re为稀土元素)高温超导带材具有优异的自场临界电流密度与机械强度，77 K下的薄膜电流密度与抗拉应力可分别达5 MA/cm2与400MPa以上，同时具有良好的低温高场性能。目前，ReBCO高温超导带材已实现商业化应用，广泛应用于电力、能源、医疗、高能物理等领域。国内生产商以上海超导、上海上创超导及苏州新材料为代表，国外以美国超导公司为代表，具有稳定的产能与质量保证。基于ReBCO高温超导带材的磁浮技术研究，据相关文献(Supercond.Sci.Technol.,31(2018):015013)报道，其主要手段是将带材裁剪为有限长度(100mm)，沿水平及竖直方向进行平面堆叠，得到如图6a、6b所示的悬浮单元，并依据永磁体的磁化方向规律，进行如图7a所示的排列(Type-A)。然而，通过仿真实验对比研究，其悬浮性能明显小于YBCO块材磁浮系统，工程实用价值低。此外，现有的高温超导带材磁悬浮列车，位于永磁轨道上方的悬浮架均为一体刚性连接，稳定性不足、解耦性较差。
发明内容
本发明的目的在于提供高温超导磁悬浮结构及高温超导带材磁悬浮列车，以解决现有技术中一体刚性悬浮架稳定性不足、解耦性较差的问题，实现提高悬浮架的稳定性和解耦性的目的。
本发明通过下述技术方案实现：
高温超导磁悬浮结构，包括永磁轨道、位于永磁轨道上方的悬浮架，所述悬浮架的底部设置正对所述永磁轨道的悬浮杜瓦，所述悬浮架包括两个斜面相对的楔形块，两个楔形块的斜面之间通过若干弹性件连接。
现有的高温超导带材磁悬浮列车，位于永磁铁上方的悬浮架均为一体刚性连接，稳定性不足、解耦性较差，为此本申请首先提出高温超导磁悬浮结构，使得悬浮架包括两个斜面相对的楔形块。楔形块的斜面相对，在两个斜面之间通过若干弹性件连接，即是由若干弹性件实现两个楔形块的耦合，从而相比于一体刚性连接具有更高的稳定性和解耦性。
所述永磁轨道为截面结构由四块水平磁化磁体与三块竖直磁化磁体交替排列组成的halbach阵列轨道。与现有技术中的双极halbach结构相比，本方案所提供的三极halbach结构永磁轨道能提供更宽、更均匀的应用外磁场，使系统获得更高的悬浮性能。
所述悬浮杜瓦内设置由若干超导单元阵列而成的超导材料，所述超导单元包括由若干层高温超导带材沿曲面堆叠而成的曲面堆叠单元。申请人在对高温超导带材磁悬浮技术的研究过程中发现，由永磁轨道提供的应用外磁场，在水平磁化与竖直磁化永磁体区域上方的磁场流线并不是简单的水平分布与竖直分布，当采用平面堆叠时，只有少数磁场流线与带材表面垂直；而应用外磁场方向对高温超导块材或带材的悬浮性能具有显著影响，也就是说当高温超导块材c轴方向(生长方向)及高温超导带材表面法向(堆叠方向)与正对永磁轨道区域的磁化方向一致时，系统将获得更高的悬浮性能。这正是现有技术中的高温超导带材的平面堆叠技术始终难以达到传统高温超导块材的悬浮能力、难以进行工程应用的主要原因。在此研究结果的支撑下，申请人特提出由若干层高温超导带材沿曲面堆叠形成曲面堆叠单元，能使更多的磁场流线与带材表面正交，从而获得更大的悬浮性能。相较于现有技术中的高温超导带材都是采用平面堆叠的研究思路，本方案突破了传统思路的桎梏，显著提高了高温超导带材的悬浮性能，能够使得高温超导带材在工程上具有更大、更广泛的应用价值，从而同时解决现有技术中高温超导块材临界电流密度低、热稳定性差、易受潮变质断裂损坏等缺陷，高温超导带材悬浮性能不足的问题，真正实现了用高温超导带材替换高温超导块材在工程上进行应用的效果。
所述曲面为凹面朝下的圆弧面。圆弧面为工程上最易得到的曲面形式，且能够轻易满足任意层高温超导带材的弯曲走向与所处空间的应用外磁场的标量磁势等值曲线一致，更加有利于高温超导带材走出实验室、运用至实际工程上。本方案作为优选，有利于尽量保证横截面上任意层高温超导带材的弯曲走向，与所处空间的应用外磁场的标量磁势等值曲线一致。本优选方案虽然不能得到最大的悬浮能力，但是已经能够使得高温超导带材所提供的悬浮力密度轻松达到甚至超过传统高温超导块材的悬浮力密度；并且还由于弯曲方式简单、精度要求不高，无需大量精确的建模计算与模具备铸，因此十分适用于在工程上大范围、大面积的推广运用，如在磁悬浮列车、磁悬浮轴承及电磁弹射系统等领域均可广泛运用。
若干个曲面堆叠单元依次并排形成曲面堆叠组；还包括由若干竖直堆叠单元依次并排形成的竖直堆叠组，所述竖直堆叠单元由若干层竖直分布的高温超导带材堆叠而成；所述超导材料由曲面堆叠组与竖直堆叠组交替并排而成。本方案中超导材料的堆叠阵列，由曲面堆叠单元与竖直堆叠单元组成，其中一排曲面堆叠单元组成一个曲面堆叠组，一排竖直堆叠单元组成一个竖直堆叠组，曲面堆叠组与竖直堆叠组交替并排。本方案相对完全使用曲面堆叠单元的方式，悬浮能力相对较弱，但优势在于减少曲面堆叠单元的用量，局部使用简单的平面堆叠之一的竖直堆叠单元，在对悬浮力需求相对较低的工程应用上，有利于降低前期准备时间与工程成本。
所述悬浮杜瓦内设置由若干超导单元阵列而成的超导材料，所述超导单元包括若干子单元，所述子单元由一个水平堆叠单元与两个镜像对称的倾斜堆叠单元组成，相邻两个子单元直接设置一个竖直堆叠单元；所述永磁轨道内包括竖直磁化永磁体、水平磁化永磁体，所述子单元正对竖直磁化永磁体，所述竖直堆叠单元正对水平磁化永磁体。本方案悬浮杜瓦中的超导单元仍然由高温超导带材平面堆叠而成，然而与现有技术中简单的水平或竖直的堆叠方式不同，本方案中的堆叠方式增加了镜像对称的倾斜堆叠单。其中一个水平堆叠单元与沿其自身镜像对称的两个倾斜堆叠单元组成一个子单元，相邻两个子单元之间又具有竖直堆叠单元，从而组成了一种复合式的超导阵列结构，如图7b所示。
基于高温超导磁悬浮结构的高温超导带材磁悬浮列车，所述永磁轨道固定在道床上，所述悬浮架上设置车厢、且车厢与两个楔形块均相连；还包括用于驱动悬浮架在永磁轨道上移动的牵引直线电机。车厢与两个楔形块均相连，两个楔形块又分别通过对应的悬浮杜瓦悬浮在永磁轨道上，实现车厢整体的磁悬浮效果。
所述车厢与两个楔形块之间均通过若干空气弹簧连接。通过空气弹簧对车厢进行托举，依靠悬浮架底部的悬浮杜瓦与道床上的永磁轨道间的电磁作用力，实现稳定的悬浮与导向。
所述牵引直线电机为设置在两侧的道床侧壁的双边直线同步电机。相比现有技术中放置于列车底部或轨道中央的单边短初级直线感应电机而言，本申请在道床的两侧侧壁均设置直线同步电机，两侧同步驱动，具有更高、更稳定的驱动效率与性能。
还包括用于冷却悬浮杜瓦内的超导材料的冷却铜盒、与所述冷却铜盒连通的液氮容器，所述冷却铜盒位于悬浮架内，所述液氮容器位于车厢内，液氮容器与冷却铜盒之间通过液氮导管连通。现有技术中，通过液氮与冷却铜盒对YBCO高温超导块材进行间接冷却，具体结构如图12b所示，这种大范围的镂空结构降低了悬浮杜瓦运行的安全性与稳定性。本方案中为了提高悬浮杜瓦的结构强度与可靠性、减小其镂空体积，将液氮容器从悬浮杜瓦中分离外置至车厢内，采用耐低温的液氮导管与悬浮杜瓦内的冷却铜盒连通，从而有效提高高温超导带材磁浮系统的悬浮性能与安全性。进一步的，实际工作时还可以对液氮容器进行低压处理，使液氮固化，超导材料将获得更高的临界电流密度Jc，获得更好的悬浮性能与安全性。
所述冷却铜盒外设置真空绝热层，冷却铜盒通过若干悬浮杜瓦横向支柱和/或悬浮杜瓦垂向支柱与悬浮架保持固定。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明高温超导磁悬浮结构及高温超导带材磁悬浮列车，悬浮架截面结构采用左右两个楔形块、配合弹性件进行耦合，相比于传统刚性连接具有更高的稳定性和解耦性；
2、本发明高温超导磁悬浮结构及高温超导带材磁悬浮列车，采用固定在道床内侧壁的双边直线同步电机对磁浮车进行驱动，相比于现有技术中放置在列车底部或轨道中央的单边直线感应电机，具有更高、更稳定的驱动效率与性能；
3、本发明高温超导磁悬浮结构及高温超导带材磁悬浮列车，与传统的双极halbach结构相比，三极halbach结构永磁轨道能提供更宽、更均匀的应用外磁场，使系统获得更高的悬浮性能；
4、本发明高温超导磁悬浮结构及高温超导带材磁悬浮列车，采用带材的曲面、平面堆叠复合排列，使悬浮力在单一平面堆叠排列的基础上提高近70％，系统在场冷高度30mm、悬浮间隙10mm下的悬浮力达到822 N，其悬浮力密度与单位长度悬浮力分别达到了6N/cm2和8220 N/m，且永磁材料截面积仅2800mm2，优于现有技术中的YBCO高温超导块材磁浮系统，从而具有更高的工程应用价值和优势；
5、本发明高温超导磁悬浮结构及高温超导带材磁悬浮列车，将液氮容器从悬浮杜瓦中分离外置，使悬浮杜瓦具有更好的结构稳定性和安全性，并采用低压固氮，使超导材料获得更高的临界电流密度Jc，从而有效提高系统的悬浮性能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明具体实施例的剖视图；
图2a为本发明具体实施例的结构示意图；
图2b为本发明具体实施例中悬浮架的结构示意图；
图3为本发明具体实施例中永磁轨道的剖视图；
图4a为本发明具体实施例中高温超导带材磁浮原理示意图；
图4b为本发明具体实施例中高温超导带材磁浮原理示意图；
图5为本发明具体实施例中永磁轨道应用外磁场B的磁通密度流线及其标量磁势曲线；
图6a为高温超导带材水平堆叠示意图；
图6b为高温超导带材竖直堆叠示意图；
图6c为高温超导带材倾斜堆叠示意图；
图6d为高温超导带材弧形堆叠示意图；
图7a为Type-A堆叠排列下的磁浮系统模型；
图7b为Type-B堆叠排列下的磁浮系统模型；
图7c为Type-C堆叠排列下的磁浮系统模型；
图8a为Type-A堆叠排列下堆叠面与永磁轨道标量磁势曲线分布示意图；
图8b为Type-B堆叠排列下堆叠面与永磁轨道标量磁势曲线分布示意图；
图8c为Type-C堆叠排列下堆叠面与永磁轨道标量磁势曲线分布示意图；
图9a为Type-A堆叠排列下堆叠面与永磁轨道外磁场磁通密度流线的正交情况；
图9b为Type-B堆叠排列下堆叠面与永磁轨道外磁场磁通密度流线的正交情况；
图9c为Type-C堆叠排列下堆叠面与永磁轨道外磁场磁通密度流线的正交情况；
图10a为Type-A堆叠排列下堆叠面与仿真合成场磁通密度流线的正交情况；
图10b为Type-B堆叠排列下堆叠面与仿真合成场磁通密度流线的正交情况；
图10c为Type-C堆叠排列下堆叠面与仿真合成场磁通密度流线的正交情况；
图11为不同堆叠排列模型下的悬浮力仿真曲线；
图12a为本发明具体实施例中悬浮杜瓦的局部剖视图；
图12b为现有技术中悬浮杜瓦的剖视图；
图13为本发明具体实施例中三极halbach永磁轨道的磁场分布曲线。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-车厢，2-道床侧壁，3-直线电机初级，4-直线电机次级，5-液氮容器，6-空气弹簧，7-液氮导管，8-悬浮杜瓦，9-永磁轨道，10-悬浮架，11-弹性件，12-道床底，13-冷却铜盒，14-真空绝热层，15-悬浮杜瓦横向支柱，16-悬浮杜瓦垂向支柱，17-液氮，18-超导带材堆叠，19-L形角铁，20-不锈钢螺杆，21-螺栓，22-轨道基底
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
高温超导磁悬浮结构，包括永磁轨道9、位于永磁轨道9上方的悬浮架10，所述悬浮架10的底部设置正对所述永磁轨道9的悬浮杜瓦8，所述悬浮架10包括两个斜面相对的楔形块，两个楔形块的斜面之间通过若干弹性件11连接。本实施例中的弹性件11优选为拉簧，悬浮架由左右两个楔形块组成，通过两个拉簧进行耦合，相比于一体刚性连接具有更高的稳定性和解耦性。
实施例2：
在实施例1的基础上，所述永磁轨道9为截面结构由四块水平磁化磁体与三块竖直磁化磁体交替排列组成的halbach阵列轨道。所述悬浮杜瓦8内设置由若干超导单元阵列而成的超导材料，所述超导单元包括由若干层高温超导带材沿曲面堆叠而成的曲面堆叠单元。所述曲面为凹面朝下的圆弧面。若干个曲面堆叠单元依次并排形成曲面堆叠组；还包括由若干竖直堆叠单元依次并排形成的竖直堆叠组，所述竖直堆叠单元由若干层竖直分布的高温超导带材堆叠而成；所述超导材料由曲面堆叠组与竖直堆叠组交替并排而成。
实施例3：
为了克服现有YBCO高温超导块材磁浮列车系统的不足(载重、导向能力有限，电机气隙不稳定，悬浮杜瓦结构强度低，YBCO块材易变质和碎裂等)，设计了如图1、图2a所示的高温超导带材磁悬浮列车，并结合有限元仿真与实际的生产加工经验，对永磁轨道、悬浮杜瓦、ReBCO高温超导带材磁浮系统等核心模块进行技术开发与性能优化。以形成可替代YBCO高温超导块材磁浮列车的ReBCO高温超导带材磁浮列车技术，从而打破YBCO高温超导块材与悬浮杜瓦技术的国外垄断。
本实施例中，直线电机初级与永磁轨道采用“U”形道床固定支撑，直线电机初级沿道床侧壁铺设，永磁轨道沿道床底面铺设，悬浮架截面结构由左右两侧楔形横梁组成，通过拉簧进行连接，整个悬浮架由三组横梁，通过二组纵梁连接形成一体，采用空气弹簧对车厢进行托举。直线电机次级固定在悬浮架左右两侧横梁端头，正对直线电机初级，共同构成双边直线同步电机，当电机初级注入三相交变电流后，电机初次级之间产生电磁推力，实现对磁浮列车的牵引驱动。悬浮杜瓦采用液氮容器外置结构，并嵌入到悬浮架左右两侧横梁底部，悬浮杜瓦与永磁轨道构成ReBCO高温超导带材磁浮系统，利用带材与永磁轨道之间的电磁作用力，实现磁浮列车的悬浮与导向。
其中电机初级采用无铁心结构，主要由三相绕组构成，电机次级采用钕铁硼永磁体或超导磁体。永磁体沿线路方向按halbach阵列结构进行排列，超导磁体采用ReBCO二代高温超导带材进行绕制，使用液氮制冷，并辅以低压固氮，从而提高超导磁体性能。
本发明所采用的技术方案及理论基础具体如下：
如图1所示，ReBCO高温超导带材磁悬浮列车主要由“U”形道床、牵引直线电机、悬浮架10、悬浮杜瓦8、液氮容器5、永磁轨道9及车厢1组成。具体结构设计是：悬浮架由左右两个楔形横梁组成，通过两个拉簧进行耦合，相比于一体刚性连接具有更高的稳定性和解耦性，采用空气弹簧6对车厢进行托举，依靠横梁底部的悬浮杜瓦8与道床上的永磁轨道9间的电磁作用力，实现稳定的悬浮与导向，通过固定在道床内侧壁面上的双边直线同步电机进行牵引驱动，相比放置于列车底部或轨道中央的单边短初级直线感应电机，具有更高、更稳定的驱动效率与性能。
如图3所示，为了使永磁轨道提供更宽、更均匀的应用外磁场，设计开发了三极halbach阵列永磁轨道，其截面结构由四块水平磁化的矩形钕铁硼永磁体与三块竖直磁化的矩形钕铁硼永磁体进行交替组装，其表面上方z＝15mm处的应用外磁场大小及其垂直、水平分量沿横向(x轴方向)的分布见图13。永磁轨道采用不锈钢螺杆与“L”形角铁锁紧，通过螺栓固定到轨道基底上。
如图4a所示，是ReBCO高温超导带材磁浮系统的工作原理示意图，假设永磁轨道与带材沿纵向(y轴方向，即垂直于纸面方向)无限长，当带材堆叠单元与永磁轨道发生相对位移时，带材表面生成垂直于z-x平面的感应电流J，磁场B则是感应电流J产生的自场与永磁轨道外场的合成场，θ为堆叠面(带材表面)与磁场的夹角，根据洛伦兹力的积分公式可以得到带材堆叠单元在永磁轨道上方受到的作用力为：
上式标量化后得到ReBCO高温超导带材磁浮系统的悬浮力Fl(洛伦兹力的竖直分量Fz)与导向力Fg(洛伦兹力的水平分量Fx)大小分别为：
Fl＝Fz＝∫VJBxdV
Fg＝Fx＝∫VJBzdV
依据上述表达式，当带材堆叠体积一定时，增大感应电流与磁场可以提高系统的悬浮导向性能。超导的E-J幂指数模型与Kim-like模型表明，提高超导材料的临界电流密度Jc可以获得更大的感应电流，同时，Jc受磁场大小的影响，根据文献(Supercond.Sci.Technol.,31(2018):015013)报道，带材水平与竖直摆放对其性能具有显著影响，可以推断Jc对夹角θ具有高度的敏感性，将夹角θ计入对Jc的影响，则Kim-like模型调整为：
式中，k和α均是小于1的参数，假设磁场方向不随空间变化，当θ＝0°时，即磁场方向与堆叠面(带材表面)平行，Jc取值最小；当θ＝90°时，即磁场B的方向与堆叠面正交，Jc取值最大。当磁场方向随空间变化时，对带材进行倾斜与弯曲，使堆叠面与磁场处处正交，从而获得优异的悬浮导向性能，如图4b所示。感应电流J产生的磁场与堆叠面正交，且通常小于永磁轨道外场，可以将永磁轨道外场近似替代合成场B，由于标量磁势曲线与磁场流线处处正交，当带材按永磁轨道的标量磁势曲线进行弯曲堆叠时，其堆叠面与磁场能够最大程度正交。
本实施例中，根据图6a～6d所示的四种堆叠单元对ReBCO高温超导带材进行裁剪堆叠，并按照图7a～7c排列组合得到悬浮单元。具体的，根据常见的ReBCO高温超导带材规格，其宽度(W1、W2、W3、W4)范围在3～12mm，长度(L1、L2、L3、L4)则能达到1000m级。当带材沿纵向放置时，使堆叠面与水平面分别平行、垂直、倾斜(0°<θ<90°)，依次堆叠得到水平堆叠单元(图6a)、竖直堆叠单元(图6b)、倾斜堆叠单元(图6c)。当带材沿横向放置时，使堆叠面以最小曲率半径(r1)进行弯曲，并沿厚度方向堆叠至最大曲率半径(r2)，去除上下左右四端多余部分，得到弧形堆叠单元(图6d)。
将四种堆叠单元进行复合排列得到图7a～7c所示的三种不同ReBCO高温超导带材磁浮系统，在图7a～7c所示中，根据图5所示的永磁轨道标量磁势曲线分布，采用图6a～6d所示的四种堆叠单元进行排列组合得到三种不同的ReBCO高温超导带材磁浮系统(Type-A、Type-B、Type-C)。Type-C模型的悬浮单元采用ReBCO高温超导带材弧形、平面堆叠复合排列；并且其中，Type-B的特征是：采用水平堆叠单元与两个镜像对称的倾斜堆叠单元组成一个子单元，该子单元正对竖直磁化永磁体放置，竖直堆叠单元正对水平磁化永磁体；Type-C的特征是：弧形堆叠单元正对竖直磁化永磁体，竖直堆叠单元正对水平磁化永磁体。
各模型的带材堆叠面与标量磁势曲线、磁场的重合、正交情况分别如图8a～8c及图9a～9c所示，根据上述理论分析，Type-C的堆叠面与标量磁势曲线具有最高的重合度，即与磁场的正交性最好，从而具有最高的悬浮性能。
为了验证以上设计发明的可靠性，采用有限元软件对图7a～7c所示的三种带材磁浮系统进行建模仿真，在场冷高度30mm、工作高度10mm条件下，对系统的磁场流线及悬浮力进行模拟计算，结果分别如图10a～10c与图11所示。当悬浮间隙为10mm时，与Type-A、Type-B比较，Type-C的悬浮力提高了近70％，悬浮力密度达到了6 N/cm2，且永磁材料截面积仅2800mm2，其性能优于背景技术中提到的YBCO高温超导块材磁浮系统，从而具有更高的工程应用价值和优势。
此外，如图7b所示，作为本申请的发明点之一，Type-B的超导材料的阵列结构具体为：超导单元包括若干子单元，所述子单元由一个水平堆叠单元与两个镜像对称的倾斜堆叠单元组成，相邻两个子单元直接设置一个竖直堆叠单元；所述永磁轨道内包括竖直磁化永磁体、水平磁化永磁体，所述子单元正对竖直磁化永磁体，所述竖直堆叠单元正对水平磁化永磁体。即是，Type-B中的超导单元仍然由高温超导带材平面堆叠而成，然而与现有技术(如Type-A所示)中简单的水平或竖直的堆叠方式不同，Type-B的堆叠方式增加了镜像对称的倾斜堆叠单。其中一个水平堆叠单元与沿其自身镜像对称的两个倾斜堆叠单元组成一个子单元，相邻两个子单元之间又具有竖直堆叠单元，从而组成了一种复合式的超导阵列结构。从图11的仿真结果中可以看出，Type-B中的高温超导带材的堆叠方式，虽然悬浮能力弱于本申请中Type-C的堆叠方式，但是相较于现有技术的Type-A型堆叠而言，悬浮能力仍然有一定的提高，这表明Type-B中的高温超导带材堆叠方式相较于现有技术仍然具有显著进步。
优选的，高温超导的堆叠材料采用不锈钢覆层ReBCO二代高温超导带材，固定封装方式包括带材打孔，采用不锈钢螺杆与平板、弧面板进行穿孔叠压锁紧；此外，可采用定型夹具对带材进行临时叠压固定，通过注入环氧树脂胶进行封装，最后去除夹具。其中，弧形堆叠采用圆柱形模具进行绕制，模具最小直径(带材最小转弯直径)取11～20mm，堆叠宽度W1、W2、W3、W4尺寸范围：3～12mm，堆叠厚度H1、H2、H3、H4尺寸范围：0～12mm，层数在0～150层之间。
实施例4：
在上述任意实施例的基础上，还包括用于冷却悬浮杜瓦8内的超导材料的冷却铜盒13、与所述冷却铜盒13连通的液氮容器5，所述冷却铜盒13位于悬浮架10内，所述液氮容器5位于车厢1内，液氮容器5与冷却铜盒13之间通过液氮导管7连通。所述冷却铜盒13外设置真空绝热层14，冷却铜盒13通过若干悬浮杜瓦横向支柱15和/或悬浮杜瓦垂向支柱16与悬浮架10保持固定。
悬浮杜瓦是高温超导磁浮列车实现稳定悬浮与导向的核心部件，主要为高温超导块材或带材提供支撑与低温环境，常规结构如图12b所示，通过冷却铜盒与液氮对高温超导块材或带材进行固定与间接冷却。为了提高悬浮杜瓦的结构强度与可靠性，减小其镂空体积，将液氮容器从悬浮杜瓦中分离外置，采用低温导管与悬浮杜瓦连通，同时对液氮容器进行低压处理，使液氮固化，超导材料将获得更高的临界电流密度Jc，从而有效提高ReBCO高温超导带材磁浮系统的悬浮性能与安全性。
在图12a所示中，液氮容器、液氮、液氮导管、真空绝热层、悬浮杜瓦横向支柱、冷却铜盒、带材堆叠排列、悬浮杜瓦垂向支柱共同构成液氮容器外置式悬浮杜瓦，液氮容器用于储存液氮，为带材堆叠排列提供制冷剂，冷却铜盒内部由多个“U”形导流管道组成，它们共同与液氮导管、液氮容器形成一个连通器，冷却铜盒用于固定与冷却带材堆叠排列，液氮通过液氮导管流入冷却铜盒内，实现对带材堆叠排列的间接制冷，对液氮容器进行低压操作时，可以使液氮固化，从而使带材堆叠排列获得更高的悬浮性能。与图12b所示的液氮容器内置式悬浮杜瓦比较，液氮容器外置可以使悬浮杜瓦结构更加精简和可靠，通过横向支柱与垂向支柱固定并嵌入到悬浮架底部。液氮容器置于车厢内部，悬浮杜瓦嵌入悬浮架两侧横梁底部，液氮容器与悬浮杜瓦通过液氮导管连通，冷却铜盒对堆叠带材进行固定与间接制冷，采用真空多层绝热技术与低压固氮技术对悬浮杜瓦与液氮容器进行保温。冷却铜盒特征是：内部由多个“U”形导流管组成，与液氮道管及液氮容器连通。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.高温超导磁悬浮结构，包括永磁轨道（9）、位于永磁轨道（9）上方的悬浮架（10），所述悬浮架（10）的底部设置正对所述永磁轨道（9）的悬浮杜瓦（8），其特征在于，所述悬浮架（10）包括两个斜面相对的楔形块，两个楔形块的斜面之间通过若干弹性件（11）连接，所述悬浮杜瓦（8）为以下 方式中的任意一种：
方式一：所述悬浮杜瓦（8）内设置由若干超导单元阵列而成的超导材料，所述超导单元包括由若干层高温超导带材沿曲面堆叠而成的曲面堆叠单元；所述曲面为凹面朝下的圆弧面；若干个曲面堆叠单元依次并排形成曲面堆叠组；还包括由若干竖直堆叠单元依次并排形成的竖直堆叠组，所述竖直堆叠单元由若干层竖直分布的高温超导带材堆叠而成；所述超导材料由曲面堆叠组与竖直堆叠组交替并排而成；
方式二：所述悬浮杜瓦（8）内设置由若干超导单元阵列而成的超导材料，所述超导单元包括若干子单元，所述子单元由一个水平堆叠单元与两个镜像对称的倾斜堆叠单元组成，相邻两个子单元直接设置一个竖直堆叠单元；所述永磁轨道（9）内包括竖直磁化永磁体、水平磁化永磁体，所述子单元正对竖直磁化永磁体，所述竖直堆叠单元正对水平磁化永磁体。
2.根据权利要求1所述的高温超导磁悬浮结构，其特征在于，所述永磁轨道（9）为截面结构由四块水平磁化磁体与三块竖直磁化磁体交替排列组成的halbach阵列轨道。
3.基于权利要求1或2所述的高温超导磁悬浮结构的高温超导带材磁悬浮列车，其特征在于，所述永磁轨道（9）固定在道床上，所述悬浮架（10）上设置车厢（1）、且车厢（1）与两个楔形块均相连；还包括用于驱动悬浮架（10）在永磁轨道（9）上移动的牵引直线电机。
4.根据权利要求3所述的高温超导带材磁悬浮列车，其特征在于，所述车厢（1）与两个楔形块之间均通过若干空气弹簧（6）连接。
5.根据权利要求3所述的高温超导带材磁悬浮列车，其特征在于，所述牵引直线电机为设置在两侧的道床侧壁（2）的双边直线同步电机。
6.根据权利要求3所述的高温超导带材磁悬浮列车，其特征在于，还包括用于冷却悬浮杜瓦（8）内的超导材料的冷却铜盒（13）、与所述冷却铜盒（13）连通的液氮容器（5），所述冷却铜盒（13）位于悬浮架（10）内，所述液氮容器（5）位于车厢（1）内，液氮容器（5）与冷却铜盒（13）之间通过液氮导管（7）连通。
7.根据权利要求6所述的高温超导带材磁悬浮列车，其特征在于，所述冷却铜盒（13）外设置真空绝热层（14），冷却铜盒（13）通过若干悬浮杜瓦横向支柱（15）和/或悬浮杜瓦垂向支柱（16）与悬浮架（10）保持固定。
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