CN111284330B - 一种高温超导电动磁悬浮列车 - Google Patents

一种高温超导电动磁悬浮列车 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温超导电动磁悬浮列车，包括悬浮组件，所述悬浮组件包括悬浮用高温超导磁体组件和悬浮轨道组件，所述悬浮轨道组件固定设置于导轨基座上，所述悬浮用高温超导磁体组件固定设置于列车车厢底部，所述悬浮用高温超导磁体组件包括若干悬浮用高温超导磁体组，所有所述悬浮用高温超导磁体组分布设置于所述悬浮轨道组件的上方和下方。本发明通过在悬浮轨道的上方和下方分别设置悬浮用高温超导磁体，可提高列车发生上下振动后的振幅衰减速度，进而快速降低恢复平衡所需时间，以提高旅客乘坐电动磁悬浮列车的舒适度；且可以进一步提高升阻比，节能效果更好。

Description

一种高温超导电动磁悬浮列车
技术领域
本申请涉及高温超导磁悬浮技术领域，尤其涉及一种高温超导电动磁悬浮列车。
背景技术
高温超导电动磁悬浮列车相比高速列车具有速度快、节能、低噪音、低碳排放的优点。首先，磁悬浮列车消除了车轮与导轨之间的摩擦，在很大程度上降低了列车与导轨的维护成本；其次，电动磁悬浮列车运行时仅存在空气阻力和较小的电磁阻力，磁悬浮列车的时速能超过高速列车，在350km/h到1000km/h时速运输范围内相比其它交通工具具有无可比拟的优势；最后，高温超导带材绕制而成的高温超导磁体产生的强磁场能提供磁悬浮列车悬浮与转向所需的升力与导向力，通过直线电机完成列车的推进，而且，随着高温超导材料临界参数的提高与超导带材制造技术的成熟，电动磁悬浮列车的制造与运营成本将得到进一步下降。
当前比较成熟的磁悬浮技术有电磁悬浮技术、8字形线圈电动悬浮技术和高温超导磁悬浮技术。其中，电磁悬浮结构中车载电磁铁与地面永磁轨道产生互斥作用而将车体悬浮起来，但电磁悬浮技术是一种主动悬浮技术，其对悬浮间隙的控制存在开环不稳定的问题；8字形线圈电动悬浮结构中高速运行的车载超导磁体与轨道8字形感应线圈相互作用而产生列车所需的悬浮力，但8字形线圈电动悬浮技术需在地面等距铺设8字形感应线圈，该结构中线圈制造和施工过程相对复杂；高温超导磁悬浮结构中利用磁通钉扎的原理将车体悬浮在一定的高度，但高温超导磁悬浮技术的地面永磁轨道造价高，且更换维护困难。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高温超导电动磁悬浮列车，包括悬浮组件，所述悬浮组件包括悬浮用高温超导磁体组件和悬浮轨道组件，所述悬浮轨道组件固定设置于导轨基座上，所述悬浮用高温超导磁体组件固定设置于列车车厢底部，所述悬浮用高温超导磁体组件包括若干悬浮用高温超导磁体组，所有所述悬浮用高温超导磁体组分布设置于所述悬浮轨道组件的上方和下方。
较佳地，每组所述悬浮用高温超导磁体组设置于所述悬浮轨道组件的正上方或正下方。
较佳地，每组所述悬浮用高温超导磁体组包括若干悬浮用高温超导磁体，所述悬浮用高温超导磁体由无绝缘高温超导带材绕制而成，所述无绝缘高温超导带材使用YBCO或ReBCO高温超导材料。
较佳地，所述悬浮用高温超导磁体采用跑道形线圈、圆形线圈或矩形线圈。
较佳地，每组所述悬浮用高温超导磁体组设置在一低温杜瓦结构内。
较佳地，每个所述低温杜瓦结构设置有磁屏蔽层，所述磁屏蔽层用于屏蔽所述悬浮用高温超导磁体组向所述悬浮轨道组件方向以外的地方辐射磁场。
较佳地，所述悬浮轨道组件包括若干悬浮轨道，所述悬浮轨道沿平行于所述高温超导电动磁悬浮列车行进方向设置在所述导轨基座上。
较佳地，所述悬浮轨道为感应金属板。
较佳地，所述悬浮轨道为铝板或铜板，厚度为1cm-2cm。
较佳地，还包括导向组件，所述导向组件包括导向用高温超导磁体组件和导向轨道组件，所述导向轨道组件固定设置于钢轨的两侧，所述导向用高温超导磁体组件固定设置于所述列车车厢的两侧面上。
较佳地，所述导向轨道组件包括两条导向轨道，两条所述导向轨道沿平行于所述高温超导电动磁悬浮列车行进方向设置于所述钢轨两侧。
较佳地，所述导向用高温超导磁体组件包括两个导向用高温超导磁体组，每个所述导向用高温超导磁体组分别与一所述导向轨道对应设置。
较佳地，还包括推进组件，所述推进组件用于为所述高温超导电动磁悬浮列车提供运行动力。
较佳地，所述推进组件为直线同步电机。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：
1、本发明实施例在悬浮轨道的上方和下方分别设置悬浮用高温超导磁体，可提高列车发生上下振动后的振幅衰减速度，进而快速降低恢复平衡所需时间，以提高旅客乘坐电动磁悬浮列车的舒适度；且可以进一步提高升阻比，节能效果更好。
2、本发明实施例采用金属板悬浮轨道和金属板导向轨道，结构简单、成本低、施工周期短，且更换简单。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，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。附图中：
图1是本发明实施例高温超导电动磁悬浮列车横截面示意图；
图2是本发明实施例悬浮用高温超导磁体与导向用高温超导磁体电流流向与安装位置分布示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明提供的一种高温超导电动磁悬浮列车进行详细的描述，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。
请参考图1，本发明实施例提供一种高温超导电动磁悬浮列车，包括：列车车厢1、悬浮组件2、导向组件3和推进组件6，其中，列车车厢1作用与高速列车车厢类似，所述悬浮组件2包括悬浮用高温超导磁体组件和悬浮轨道组件，所述悬浮轨道组件固定设置于导轨基座4上，所述悬浮用高温超导磁体组件固定设置于列车车厢底部1；导向组件3包括导向用高温超导磁体组件和导向轨道组件，所述导向轨道组件固定设置于钢轨(81和82)的两侧，所述导向用高温超导磁体组件固定设置于所述列车车厢1的两侧面上；推进组件6用于为高温超导电动磁悬浮列车提供运行动力；当所述高温超导电动磁悬浮列车高速运行时，所述悬浮用高温超导磁体组件与悬浮轨道组件相互作用，使列车受到向上的升力而悬浮于钢轨(81和82)上，所述导向用高温超导磁体组件和导向轨道组件相互作用，使列车保持在钢轨(81和82)中心位置，推进组件6为高温超导电动磁悬浮列车提供运行动力，使列车行驶。
本实施例中，所述悬浮轨道组件包括若干悬浮轨道，这里，为了达到较好的悬浮和平衡效果，优选设置2条悬浮轨道(221和222)，请参考图1，悬浮轨道(221和222)沿平行于所述高温超导电动磁悬浮列车行进方向设置在导轨基座4上，具体地，导轨基座4为建造于路基9上的由混凝土浇筑成型的T字形结构，用于提供支撑，2条悬浮轨道(81和82)均设置T字型导轨基座上端的“一”部上，且2条悬浮轨道(81和82)相对T字型导轨基座的“”部对称设置，悬浮轨道(81和82)为感应金属板，如铝板、铜板等，厚度为1cm-2cm。
本实施例中，所述悬浮用高温超导磁体组件包括若干悬浮用高温超导磁体组，每组悬浮用高温超导磁体组包括若干悬浮用高温超导磁体，每个悬浮用高温超导磁体组分布设置于所述悬浮轨道组件的上方或下方。具体地，请参考图2，以采用4组悬浮用高温超导磁体组(211、212、213和214)、每个悬浮用高温超导磁体组包括3个平行排列的悬浮用高温超导磁体为例进行说明，每个悬浮用高温超导磁体组设置在一低温杜瓦结构内，如悬浮用高温超导磁体组211设置在低温杜瓦结构231内的底部，悬浮用高温超导磁体组214设置在低温杜瓦结构234内的底部，悬浮用高温超导磁体组212设置在低温杜瓦结构232内的上部，悬浮用高温超导磁体组213设置在低温杜瓦结构233内的上部，悬浮用高温超导磁体组(211和214)设置于T字型导轨基座上端的“一”部的上方，即悬浮轨道组件的上方，悬浮用高温超导磁体组(212和213)设置于T字型导轨基座上端的“一”部的下方，即悬浮轨道组件的下方。优选地，悬浮用高温超导磁体组(211和212)对应设置在悬浮轨道221的正上方和正下方，悬浮用高温超导磁体组(213和214)对应设置在悬浮轨道222的正下方和正上方。其中，悬浮用高温超导磁体由无绝缘高温超导带材绕制而成，其线圈匝数可根据实际应用需要进行配置，该带材使用YBCO或ReBCO高温超导材料，悬浮用高温超导磁体可采用跑道形、圆形或矩形等形状线圈。
同时，为保证列车车厢内的磁场不超过允许值，针对每个所述悬浮用高温超导磁体组设置有磁屏蔽层，具体地，对于悬浮用高温超导磁体组211，在低温杜瓦结构231的左侧、右侧和上方均设置磁屏蔽层；对于悬浮用高温超导磁体组212，在低温杜瓦结构232的左侧、右侧和下方均设置屏蔽层；对于悬浮用高温超导磁体组213，在低温杜瓦结构233的左侧、右侧和下方均设置屏蔽层；对于悬浮用高温超导磁体组214，在低温杜瓦结构234的左侧、右侧和上方均设置屏蔽层；所述磁屏蔽层用于屏蔽所述悬浮用高温超导磁体组向所述悬浮轨道组件方向以外的地方辐射的磁场，具体地，磁屏蔽层用于屏蔽悬浮用高温超导磁体组向车厢1内部、伸缩车轮71和72、钢轨81和82等位置辐射磁场。
本实施例中，所述导向轨道组件包括两条导向轨道(321和322)，两个所述导向轨道(321和322)沿平行于所述高温超导电动磁悬浮列车行进方向设置于钢轨两侧，具体可通过在钢轨两侧设置混凝土基座(51和52)，将两侧的导向轨道(321和322)分别固定在混凝土基座(51和52)的同一高度位置。所述导向轨道为感应金属板，如铝板、铜板等，厚度为1cm-2cm，可控制其宽度与悬浮导轨宽度约为5∶3的关系。
本实施例中，所述导向用高温超导磁体组件包括两个导向用高温超导磁体组(311和312)，每个导向用高温超导磁体组包括3个平行排列的导向用高温超导磁体，每个导向用高温超导磁体组设置在一低温杜瓦结构内，如导向用高温超导磁体组311设置在低温杜瓦结构331内的右侧，导向用高温超导磁体组312设置在低温杜瓦结构332内的左侧，两个所述导向用高温超导磁体组设置于列车主体的两侧，设置高度与导向轨道(321和322)的设置高度一致，以便导向轨道(321和322)中的感应涡流与相应导向用高温超导磁体组(311或312)相互作用。这里，导向用高温超导磁体由无绝缘高温超导带材绕制而成，其线圈匝数约为悬浮用高温超导磁体的一半，该带材使用YBCO或ReBCO高温超导材料，导向用高温超导磁体可采用跑道形、圆形或矩形等形状线圈。
同时，为防止悬浮用高温超导磁体(211、212、213和214)和导向用高温超导磁体(311和312)间相互干扰，针对每个所述导向用高温超导磁体也对应设置有磁屏蔽层，具体地，对于导向用高温超导磁体311，在低温杜瓦结构331的左侧、上方和上方均设置磁屏蔽层，对于导向用高温超导磁体312，在低温杜瓦结构332的右侧、上方和下方均设置屏蔽层，所述磁屏蔽层用于屏蔽所述导向用高温超导磁体向所述导向轨道组件以外方向辐射的磁场。
本实施例中，还包括推进组件，推进组件可采用直线同步电机，优选地，采用长定子直线同步电机，用于为所述高温超导电动磁悬浮列车提供运行动力，其中，直线同步电机的动子线圈62固定于列车车厢1的底部，直线同步电机的定子线圈61固定设置于导轨基座4上。
本实施例中，还包括伸缩车轮(71和72)，固定设置于列车车厢1底部，对应位于钢轨(81和82)上，伸缩车轮(71和72)和钢轨(81和82)的材料均采用高碳低锰钢。
在高温超导电动磁悬浮列车启动前，使用电源对所有悬浮用高温超导磁体和导向用高温超导磁体进行充电，如使悬浮用高温超导磁体的磁动势从0增加至1000kA，导向用高温超导磁体的磁动势从0增加至500kA，此时，上方的悬浮用高温超导磁体组(211和214)均在其下方空间中产生恒定的静磁场，下方的悬浮用高温超导磁体组(212和213)均在其上方空间中产生恒定的静磁场，强度均可达约8特斯拉，左侧的导向用高温超导磁体组312在其左侧空间产生恒定的静磁场，右侧的导向用高温超导磁体组311在其右侧空间产生恒定的静磁场，强度均可达约3特斯拉；同时，因为针对每个高温超导磁体均设置了屏蔽层，可以保证列车车厢车厢内磁场不超过允许值，并防止悬浮用高温超导磁体与相邻的导向用高温超导磁体间相互产生干扰及确保列车车体加速运动时能正常脱离地面钢轨81和82而实现悬浮。
本实施例中，对于每个悬浮用高温超导磁体组中的悬浮用高温超导磁体的电流流向设计需要满足：同一悬浮用高温超导磁体组的所有悬浮用高温超导磁体的电流流向相同，且位于同一悬浮轨道上方的悬浮用高温超导磁体和下方的悬浮用高温超导磁体的电流流向相反。作为一种示例，请参考图2，悬浮用高温超导磁体组211的每个悬浮用高温超导磁体的电流方向为顺时针方向，悬浮用高温超导磁体组212的每个悬浮用高温超导磁体的电流方向为逆时针方向；悬浮用高温超导磁体组214的每个悬浮用高温超导磁体的电流方向为顺时针方向，悬浮用高温超导磁体组213的每个悬浮用高温超导磁体的电流方向为逆时针方向。
高温超导电动磁悬浮列车启动后，在其低速行驶时，采用传统的列车轮轨接触的模式运动，即伸缩车轮(71和72)依靠在钢轨表面产生的摩擦力前进；当行驶速度增加至一定值时，如300km/h，根据楞次定律，在悬浮轨道(221和222)的上下两侧均会产生涡流，它们与其上方和下方的悬浮用高温超导磁体相互作用，高温超导电动磁悬浮列车将受到向上的升力而悬浮于钢轨(81和82)之上，伸缩车轮(71和72)相对下方的悬浮用高温超导磁体向上升起，实现轮轨分离，高温超导电动磁悬浮列车实现完全悬浮；这里，考虑到高温超导电动磁悬浮列车具有一定重量，列车主体相对导轨基座4下沉一定距离，上方的悬浮用高温超导磁体组(211和214)相对其下方的悬浮导轨(221和222)的气隙约为8mm到2cm，下方的悬浮用高温超导磁体组(212和213)相对其上方的悬浮导轨(221和222)的气隙约为2.2cm到4cm。通过在每条悬浮轨道的上方和下方分别安装悬浮用高温超导磁体，可提高高温超导电动磁悬浮列车行进过程中发生上下振动的振幅衰减速度，从而提高乘客乘坐列车的舒适度。
同时，直线同步电机的定子线圈61在其上方空间中产生行波磁场，使直线同步电机的动子线圈62受到驱动力，该驱动力用以提供列车前进所需的推力。
高温超导电动磁悬浮列车高速运行时，根据楞次定律，安装在列车两侧的导向用高温超导磁体组(311和312)会在其相邻的导向轨道(321和322)中产生涡流，导向用高温超导磁体组(311和312)中的电流会受到导向轨道(321和322)中感应涡流的排斥作用，当列车处于中心位置时，左侧和右侧的导向轨道中的涡流大小相同，左侧和右侧的导向用高温超导磁体组会分别受到大小相等、方向相反的斥力，列车在y方向的合力为0；假设列车偏向至中心位置的左边，则左侧导向轨道322中产生的涡流会大于右侧导向轨道321中产生的涡流，所以，左侧导向用高温超导磁体组312受到的左侧导向导轨322的排斥力会大于右侧导向用高温超导磁体组311受到的右侧导向轨道321的排斥力，列车在y方向所受合力向右，从而使列车重新回到中心位置；同理，假设列车偏向至中心位置的右边，则左侧导向轨道322中产生的涡流会小于右侧导向轨道321中产生的涡流，所以，左侧导向用高温超导磁体组312受到的左侧导向导轨322的排斥力会小于右侧导向用高温超导磁体组311受到的右侧导向轨道321的排斥力，列车在y方向所受合力向左，从而使列车重新回到中心位置；最终，实现列车的导向功能。
本实施例中，所有导向用高温超导磁体的电流流向相同，作为一种示例，请参考图2，所有导向用高温超导磁体的电流流向为逆时针方向。
当高温超导电动磁悬浮列车需要减速时，如时速小于300km/h，伸缩车轮(71和72)向下伸出接触钢轨(81和82)，并由电动悬浮推进模式切换至高速列车轮轨推进模式，从而实现安全平稳停车，并对所有悬浮用高温超导磁体和导向用高温超导磁体进行放电。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种高温超导电动磁悬浮列车，其特征在于,包括悬浮组件，所述悬浮组件包括悬浮用高温超导磁体组件和悬浮轨道组件，所述悬浮轨道组件固定设置于导轨基座上，所述悬浮用高温超导磁体组件固定设置于列车车厢底部，所述悬浮用高温超导磁体组件包括若干悬浮用高温超导磁体组，所有所述悬浮用高温超导磁体组分布设置于所述悬浮轨道组件的上方和下方；
每组所述悬浮用高温超导磁体组包括若干悬浮用高温超导磁体，所述悬浮用高温超导磁体由无绝缘高温超导带材绕制而成，所述无绝缘高温超导带材使用YBCO或ReBCO高温超导材料；
所述悬浮用高温超导磁体采用跑道形线圈、圆形线圈或矩形线圈；
所述悬浮轨道组件包括若干悬浮轨道，所述悬浮轨道沿平行于所述高温超导电动磁悬浮列车行进方向设置在所述导轨基座上，所述悬浮轨道为铝板或铜板；
还包括导向组件，所述导向组件包括导向用高温超导磁体组件和导向轨道组件，所述导向轨道组件固定设置于钢轨的两侧，所述导向用高温超导磁体组件固定设置于所述列车车厢的两侧面上；所述导向用高温超导磁体组件和导向轨道组件产生的感应涡流排斥作用，使列车保持在中心位置。
2.根据权利要求1所述的高温超导电动磁悬浮列车，其特征在于，每组所述悬浮用高温超导磁体组设置于所述悬浮轨道组件的正上方或正下方。
3.根据权利要求1所述的高温超导电动磁悬浮列车，其特征在于，每组所述悬浮用高温超导磁体组设置在一低温杜瓦结构内。
4.根据权利要求3所述的高温超导电动磁悬浮列车，其特征在于，每个所述低温杜瓦结构设置有磁屏蔽层，所述磁屏蔽层用于屏蔽所述悬浮用高温超导磁体组向所述悬浮轨道组件方向以外的地方辐射磁场。
5.根据权利要求1所述的高温超导电动磁悬浮列车，其特征在于，所述悬浮轨道组件包括若干悬浮轨道，所述悬浮轨道沿平行于所述高温超导电动磁悬浮列车行进方向设置在所述导轨基座上。
6.根据权利要求1所述的高温超导电动磁悬浮列车，其特征在于，所述悬浮轨道厚度为1cm-2cm。
7.根据权利要求1所述的高温超导电动磁悬浮列车，其特征在于，所述导向轨道组件包括两条导向轨道，两条所述导向轨道沿平行于所述高温超导电动磁悬浮列车行进方向设置于所述钢轨两侧。
8.根据权利要求1所述的高温超导电动磁悬浮列车，其特征在于，所述导向用高温超导磁体组件包括两个导向用高温超导磁体组，每个所述导向用高温超导磁体组分别与一所述导向轨道对应设置。
9.根据权利要求1所述的高温超导电动磁悬浮列车，其特征在于，还包括推进组件，所述推进组件用于为所述高温超导电动磁悬浮列车提供运行动力。
10.根据权利要求9所述的高温超导电动磁悬浮列车，其特征在于，所述推进组件为直线同步电机。
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