CN110406388A

CN110406388A - 磁悬浮电磁推进一体化装置

Info

Publication number: CN110406388A
Application number: CN201810383790.4A
Authority: CN
Inventors: 张艳清; 毛凯; 张志华; 马逊; 韦克康; 谭浩; 寇宝泉
Original assignee: China Academy Of Aerospace Science Engineering And Aerospace Technology (china Academy Of Aerospace Seahawk Electromechanical Technology)
Current assignee: China Academy Of Aerospace Science Engineering And Aerospace Technology (china Academy Of Aerospace Seahawk Electromechanical Technology); Casic Feihang Technology Research Institute of Casia Haiying Mechanical and Electronic Research Institute
Priority date: 2018-04-26
Filing date: 2018-04-26
Publication date: 2019-11-05

Abstract

本发明提供了一种磁悬浮电磁推进一体化装置，该装置包括轨道、车体、第一超导磁体组、第二超导磁体组、第一电机绕组、第二电机绕组、第一悬浮感应板组和第二悬浮感应板组，第一超导磁体组和第二超导磁体组分别设置在车体的两侧，第一电机绕组和第二电机绕组间隔设置在轨道上，第一电机绕组与第一超导磁体组相对设置，第二电机绕组与第二超导磁体组相对设置，第一悬浮感应板组和第二悬浮感应板组间隔设置在轨道上，第一悬浮感应板组与第一超导磁体组相对设置，第二悬浮感应板组与第二超导磁体组相对设置。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中磁悬浮与电磁推进系统体积、重量较大，结构复杂，工作效率较低、不适用于高速运行的技术问题。

Description

磁悬浮电磁推进一体化装置

技术领域

本发明涉及航天或者交通技术领域，尤其涉及一种磁悬浮电磁推进一体化装置。

背景技术

磁悬浮与电磁推进技术是指利用磁悬浮技术与轨道脱离接触，消除摩擦阻力和振动，其利用电磁推进技术提供强大加速能力。磁悬浮与电磁推进技术主要依靠电力和磁力作为驱动力，具有可重复使用、绿色环保、阻力小、振动小、噪音低等优点，特别适合于航天发射或者超高速轨道交通领域。

目前低速常用的磁悬浮技术为电磁悬浮的方式，采用车载电磁体与导磁轨道的吸力来产生悬浮作用。吸力悬浮必须是一种主动控制才具备稳定性，悬浮间隙位于运动物体的底部，且只有10mm至20mm。在超高速运动状态下，悬浮间隙控制精度难以满足稳定性要求，悬浮间隙内的缝隙流动带来的激波反射容易造成物体运动失稳和结构破坏。

目前常用的电磁推进技术为直线感应电机、永磁同步电机、电励磁同步电机。直线感应电机功率因数较低，且在高速下存在强烈的边端效应，推力急剧衰减。永磁同步或者电励磁同步电机，动子磁场强度较低，推力密度、功率密度难以满足使用要求。

此外，现有技术中磁悬浮系统和电磁推进系统是两个独立的系统，导致系统体积、重量较大，结构复杂，工作效率较低。

发明内容

本发明提供了一种磁悬浮电磁推进一体化装置，能够解决现有技术中磁悬浮与电磁推进系统体积、重量较大，结构复杂，工作效率较低、不适用于高速运行的技术问题。

本发明提供了一种磁悬浮电磁推进一体化装置，磁悬浮电磁推进一体化装置包括：轨道，轨道具有容纳腔；车体，车体设置在容纳腔内；第一超导磁体组和第二超导磁体组，第一超导磁体组和第二超导磁体组分别设置在车体的两侧；第一电机绕组和第二电机绕组，第一电机绕组和第二电机绕组间隔设置在轨道上，第一电机绕组与第一超导磁体组相对设置，第二电机绕组与第二超导磁体组相对设置；第一悬浮感应板组和第二悬浮感应板组，第一悬浮感应板组和第二悬浮感应板组间隔设置在轨道上，第一悬浮感应板组与第一超导磁体组相对设置，第二悬浮感应板组与第二超导磁体组相对设置；其中，磁悬浮电磁推进一体化装置通过第一电机绕组与第一超导磁体组相互作用以及第二电机绕组与第二超导磁体组相互作用产生的推进力驱动车体向前运动，磁悬浮电磁推进一体化装置通过第一悬浮感应板组与第一超导磁体组相互作用以及第二悬浮感应板与第二超导磁体组相互作用产生的悬浮力和导向力驱动车体以非接触的方式在轨道上运动。

进一步地，第一电机绕组和第二电机绕组均为超导直线电机的电机绕组。

进一步地，轨道包括第一轨道臂、连接轨道段和第二轨道臂，连接轨道段分别与第一轨道臂和第二轨道臂连接，第一轨道臂与第二轨道臂相平行，第一轨道臂、连接轨道段和第二轨道臂依次连接形成凹形容纳腔，第一电机绕组和第一悬浮感应板组均设置在第一轨道臂上，第二电机绕组和第二悬浮感应板组均设置在第二轨道臂上。

进一步地，第一悬浮感应板组包括第一悬浮感应板和第二悬浮感应板，第一电机绕组设置在第一悬浮感应板和第二悬浮感应板之间；第二悬浮感应板组包括第三悬浮感应板和第四悬浮感应板，第二电机绕组设置在第三悬浮感应板和第四悬浮感应板之间。

进一步地，第一电机绕组的中心与第一超导磁体组的中心正对设置，第二电机绕组的中心与第二超导磁体组的中心正对设置。

进一步地，车体的底部距离地面之间的距离为200mm至600mm。

进一步地，第一超导磁体组包括第一低温容器和第一超导线圈组，第一超导线圈组位于第一低温容器内；第二超导磁体组包括第二低温容器和第二超导线圈组，第二超导线圈组位于第二低温容器内。

应用本发明的技术方案，提供了一种磁悬浮电磁推进一体化装置，本发明的悬浮感应板组与电机绕组共用一套超导磁体组，实现了磁悬浮和电磁推进系统的一体化设计，从而能够有效降低装置的质量、体积和经济成本。再者，本发明通过使用悬浮感应板组与超导磁体组来产生悬浮力，此种方式相对于现有技术中使用永磁体方式产生悬浮力相比，其所产生的磁场更强，悬浮力更大，能够很好地适应近地面高速滑跑带来的空气流场。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的磁悬浮电磁推进一体化装置的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、轨道；11、第一轨道臂；12、连接轨道段；13、第二轨道臂；20、车体；30、第一超导磁体组；31、第一低温容器；32、第一超导线圈组；40、第一超导磁体组；41、第二低温容器；42、第二超导线圈组；50、第一电机绕组；60、第二电机绕组；70、第一悬浮感应板组；71、第一悬浮感应板；72、第二悬浮感应板；80、第二悬浮感应板组；81、第三悬浮感应板；82、第四悬浮感应板。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种磁悬浮电磁推进一体化装置，该磁悬浮电磁推进一体化装置包括轨道10、车体20、第一超导磁体组30、第二超导磁体组40、第一电机绕组50、第二电机绕组60、第一悬浮感应板组70和第二悬浮感应板组80，轨道10具有容纳腔，车体20设置在容纳腔内，第一超导磁体组30和第二超导磁体组40分别设置在车体20的两侧，第一电机绕组50和第二电机绕组60间隔设置在轨道10上，第一电机绕组50与第一超导磁体组30相对设置，第二电机绕组60与第二超导磁体组40相对设置，第一悬浮感应板组70和第二悬浮感应板组80间隔设置在轨道10上，第一悬浮感应板组70与第一超导磁体组30相对设置，第二悬浮感应板组80与第二超导磁体组40相对设置；其中，磁悬浮电磁推进一体化装置通过第一电机绕组50与第一超导磁体组30相互作用以及第二电机绕组60与第二超导磁体组40相互作用产生的推进力驱动车体20向前运动，磁悬浮电磁推进一体化装置通过第一悬浮感应板组70与第一超导磁体组30相互作用以及第二悬浮感应板与第二超导磁体组40相互作用产生的悬浮力和导向力驱动车体20以非接触的方式在轨道10上运动。

应用此种配置方式，提供了一种磁悬浮电磁推进一体化装置，本发明的磁悬浮电磁推进一体化装置通过第一悬浮感应板组70与第一超导磁体组30相互作用以及第二悬浮感应组80与第二超导磁体组40相互作用产生悬浮力和导向力，通过第一电机绕组50与第一超导磁体组30相互作用以及第二电机绕组60与第二超导磁体组40相互作用产生推进力，本发明通过使悬浮感应板组与电机绕组共用一套超导磁体组，实现了磁悬浮和电磁推进系统的一体化设计，从而能够有效降低装置的质量、体积和经济成本。再者，本发明通过使用悬浮感应板组与超导磁体组来产生悬浮力，此种方式相对于现有技术中使用永磁体方式产生悬浮力相比，其所产生的磁场更强，悬浮力更大，能够很好地适应近地面高速滑跑带来的空气流场。

进一步地，在本发明中，第一悬浮感应板组70与第一超导磁体组30以及第二悬浮感应组80与第二超导磁体组40共同构成悬浮系统，第一电机绕组50与第一超导磁体组30以及第二电机绕组60与第二超导磁体组40共同构成推进系统，由于悬浮系统和推进系统的气隙位于车体20的两侧，因此能够有效降低空气地面效应带来的流动干扰，有利于装置在高速下的运动稳定。

此外，在本发明中，第一电机绕组50和第二电机绕组60均为超导直线电机的电机绕组。通过将第一电机绕组50和第二电机绕组60均配置为超导直线电机的电机绕组，此种方式相对于现有技术中采用直线感应电机、永磁同步电机、电励磁同步电机而言，能够很好地适应高速下的运动，磁场强度、推力密度以及功率密度均能够很好地满足高速运动的使用要求。

进一步地，如图1所示，轨道10包括第一轨道臂11、连接轨道段12和第二轨道臂13，连接轨道段12分别与第一轨道臂11和第二轨道臂13连接，第一轨道臂11与第二轨道臂13相平行，第一轨道臂11、连接轨道段12和第二轨道臂13依次连接形成凹形容纳腔，第一电机绕组50和第一悬浮感应板组70均设置在第一轨道臂11上，第二电机绕组60和第二悬浮感应板组80均设置在第二轨道臂13上。

应用此种配置方式，第一超导磁体组30和第二超导磁体组40充电之后，会产生强大、稳定的磁场，第一电机绕组50和第二电机绕组60内通入交流电之后，其所产生的磁场会分别与第一超导磁体组30和第二超导磁体组40的磁场相互作用，产生垂直于纸面的推进力，车体开始向前运动。车体20运动之后，第一超导磁体组30和第二超导磁体组40的磁场使悬浮系统的第一悬浮感应板组70和第二悬浮感应板组80中分别产生涡流，涡流产生的磁场与第一超导磁体组30和第二超导磁体组40相互作用产生铅垂方向的悬浮力和横向导向力。车体20速度越快，悬浮力和导向力越大，当悬浮力超过车体重力之后，车体脱离地面进入悬浮状态，以非接触的方式在轨道内运动。导向力确保车体在运动过程中不会出现较大的左右偏移，确保车体20不与两侧轨道碰撞。

此外，在本发明中，为了确保装置能够产生较大的悬浮力以适应高速运动，可将第一悬浮感应板组70配置为包括第一悬浮感应板71和第二悬浮感应板72，第一电机绕组50设置在第一悬浮感应板71和第二悬浮感应板72之间；第二悬浮感应板组80包括第三悬浮感应板81和第四悬浮感应板82，第二电机绕组60设置在第三悬浮感应板81和第四悬浮感应板82之间。

进一步地，在本发明中，为了能够最大限度利用磁体的磁场，如图1所示，可将第一电机绕组50的中心配置为与第一超导磁体组30的中心正对设置，第二电机绕组60的中心与第二超导磁体组40的中心正对设置。应用此种配置方式，车体在运行时，能够最大限度利用磁体的磁场，从而极大地提高装置运行效率。

此外，在本发明中，为了避免缝隙流动带来额外的气动升力，可将车体20的底部距离地面之间的距离为200mm至600mm。

进一步地，在本发明中，第一超导磁体组30包括第一低温容器31和第一超导线圈组32，第一超导线圈组32位于第一低温容器31内；第二超导磁体组40包括第二低温容器41和第二超导线圈组42，第二超导线圈组42位于第二低温容器41内。

应用此种配置方式，通过将第一超导线圈组32设置在第一低温容器31内，第二超导线圈组42设置在第二低温容器41内，第一低温容器31和第二低温容器41能够分别为第一超导线圈组32和第二超导线圈组42提供必要的真空、低温环境，在向第一超导线圈组32和第二超导线圈组42通入大电流之后，能够在第一超导磁体组30和第二超导磁体组40中产生稳定的强磁场，其与轨道10上的悬浮感应板组和直线电机绕组相配合，以产生悬浮力、导向力和推进力。

为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1对本发明的磁悬浮电磁推进一体化装置进行详细说明。

作为本发明的一个具体实施例，如图1所示，磁悬浮电磁推进一体化装置包括轨道10、车体20、第一超导磁体组30、第二超导磁体组40、第一电机绕组50、第二电机绕组60、第一悬浮感应板组70、第二悬浮感应板组80。第一超导磁体组30和第二超导磁体组40分别设置在车体20的两侧，第一电机绕组50和第二电机绕组60间隔设置在轨道10上，第一电机绕组50与第一超导磁体组30相对设置，第二电机绕组60与第二超导磁体组40相对设置，第一悬浮感应板组70和第二悬浮感应板组80间隔设置在轨道10上，第一悬浮感应板组70与第一超导磁体组30相对设置，第二悬浮感应板组80与第二超导磁体组40相对设置。

第一超导磁体组30包括第一低温容器31和第一超导线圈组32，第一超导线圈组32位于第一低温容器31内；第二超导磁体组40包括第二低温容器41和第二超导线圈组42，第二超导线圈组42位于第二低温容器41内。第一悬浮感应板组70包括第一悬浮感应板71和第二悬浮感应板72，第一电机绕组50设置在第一悬浮感应板71和第二悬浮感应板72之间，且第一电机绕组50的中心与第一超导磁体组30的中心正对设置以最大限度利用磁体的磁场。第二悬浮感应板组80包括第三悬浮感应板81和第四悬浮感应板82，第二电机绕组60设置在第三悬浮感应板81和第四悬浮感应板82之间，且第二电机绕组60的中心与第二超导磁体组40的中心正对设置以最大限度利用磁体的磁场。第一电机绕组50和第二电机绕组60均为超导直线电机的电机绕组，电机动子即为第一超导磁体组30和第二超导磁体组40，电机定子即为第一电机绕组50和第二电机绕组60。车体20的底部距离地面之间的距离为200mm至600mm，悬浮和推进气隙布置在车体20的两侧。车体20在高速运动时，不会在车体20的下方产生明显的地面效应，有利于装置的运动稳定和结构承载。

当需要发射或牵引车体20时，首先对第一超导线圈组32和第二超导线圈组42进行充电，第一低温容器31和第二低温容器41在超导状态下充电励磁之后，会产生强大、稳定的磁场，第一电机绕组50和第二电机绕组60内通入交流电之后，第一电机绕组50所产生的磁场会与第一超导磁体组30的磁场相互作用，第二电机绕组60所产生的磁场会与第二超导磁体组40的磁场相互作用，共同产生垂直于纸面的推进力，推动车体20开始向前运动。车体20运动之后，第一超导磁体组30的磁场会使悬浮系统的第一悬浮感应板组70中产生涡流，第二超导磁体组40的磁场会使悬浮系统的第二悬浮感应板组80中产生涡流，涡流产生的磁场分别与第一超导磁体组30和第二超导磁体组40相互作用产生沿竖直方向的悬浮力以及沿水平方向的横向导向力。车体20的速度越快，悬浮力和导向力越大，当悬浮力超过车体20的重力之后，车体20脱离地面进入悬浮状态，以非接触的方式在轨道10内运动。导向力确保车体20在运动过程中不会出现较大的左右偏移，确保车体20不与两侧轨道碰撞。

综上所述，本发明所提供的磁悬浮电磁推进一体化装置与现有技术相比，具有以下几点优点。

第一，本发明的磁悬浮系统和直线电机绕组共用一套超导磁体，有效降低了装置的质量、体积和经济成本。

第二，本发明的磁悬浮电磁推进一体化装置将悬浮系统和直线电机的气隙放在车体两侧，避免了缝隙流体带来的气动压力对悬浮系统的干扰。

第三，本发明的磁悬浮电磁推进一体化装置的车体底部距离地面的距离为200mm至600mm，能够有效避免缝隙流动带来额外的气动升力。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

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

1.一种磁悬浮电磁推进一体化装置，其特征在于，所述磁悬浮电磁推进一体化装置包括：

轨道(10)，所述轨道(10)具有容纳腔；

车体(20)，所述车体(20)设置在所述容纳腔内；

第一超导磁体组(30)和第二超导磁体组(40)，所述第一超导磁体组(30)和所述第二超导磁体组(40)分别设置在所述车体(20)的两侧；

第一电机绕组(50)和第二电机绕组(60)，所述第一电机绕组(50)和所述第二电机绕组(60)间隔设置在所述轨道(10)上，所述第一电机绕组(50)与所述第一超导磁体组(30)相对设置，所述第二电机绕组(60)与所述第二超导磁体组(40)相对设置；

第一悬浮感应板组(70)和第二悬浮感应板组(80)，所述第一悬浮感应板组(70)和所述第二悬浮感应板组(80)间隔设置在所述轨道(10)上，所述第一悬浮感应板组(70)与所述第一超导磁体组(30)相对设置，所述第二悬浮感应板组(80)与所述第二超导磁体组(40)相对设置；

其中，所述磁悬浮电磁推进一体化装置通过所述第一电机绕组(50)与所述第一超导磁体组(30)相互作用以及所述第二电机绕组(60)与所述第二超导磁体组(40)相互作用产生的推进力驱动所述车体(20)向前运动，所述磁悬浮电磁推进一体化装置通过所述第一悬浮感应板组(70)与所述第一超导磁体组(30)相互作用以及所述第二悬浮感应板与所述第二超导磁体组(40)相互作用产生的悬浮力和导向力驱动所述车体(20)以非接触的方式在所述轨道(10)上运动。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮电磁推进一体化装置，其特征在于，所述第一电机绕组(50)和所述第二电机绕组(60)均为超导直线电机的电机绕组。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮电磁推进一体化装置，其特征在于，所述轨道(10)包括第一轨道臂(11)、连接轨道段(12)和第二轨道臂(13)，所述连接轨道段(12)分别与所述第一轨道臂(11)和所述第二轨道臂(13)连接，所述第一轨道臂(11)与所述第二轨道臂(13)相平行，所述第一轨道臂(11)、所述连接轨道段(12)和所述第二轨道臂(13)依次连接形成凹形容纳腔，所述第一电机绕组(50)和所述第一悬浮感应板组(70)均设置在所述第一轨道臂(11)上，所述第二电机绕组(60)和所述第二悬浮感应板组(80)均设置在所述第二轨道臂(13)上。

4.根据权利要求3所述的磁悬浮电磁推进一体化装置，其特征在于，所述第一悬浮感应板组(70)包括第一悬浮感应板(71)和第二悬浮感应板(72)，所述第一电机绕组(50)设置在所述第一悬浮感应板(71)和所述第二悬浮感应板(72)之间；所述第二悬浮感应板组(80)包括第三悬浮感应板(81)和第四悬浮感应板(82)，所述第二电机绕组(60)设置在所述第三悬浮感应板(81)和所述第四悬浮感应板(82)之间。

5.根据权利要求4所述的磁悬浮电磁推进一体化装置，其特征在于，所述第一电机绕组(50)的中心与所述第一超导磁体组(30)的中心正对设置，所述第二电机绕组(60)的中心与所述第二超导磁体组(40)的中心正对设置。

6.根据权利要求1所述的磁悬浮电磁推进一体化装置，其特征在于，所述车体(20)的底部距离地面之间的距离为200mm至600mm。

7.根据权利要求1所述的磁悬浮电磁推进一体化装置，其特征在于，所述第一超导磁体组(30)包括第一低温容器(31)和第一超导线圈组(32)，所述第一超导线圈组(32)位于所述第一低温容器(31)内；所述第二超导磁体组(40)包括第二低温容器(41)和第二超导线圈组(42)，所述第二超导线圈组(42)位于所述第二低温容器(41)内。