CN111497633B - 一种8字形线圈高温超导电动磁悬浮列车系统 - Google Patents

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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils

Abstract

本发明公开了一种“8”字形线圈高温超导电动磁悬浮列车系统，包括沿轨道方向在轨道上均匀设置的多个“8”字形线圈和设置在列车车厢底部两侧的两个高温超导磁体组件，当列车置于所述轨道上时，两个所述高温超导磁体组件对称地位于所述超导集成单元的两侧。本发明通过列车底部两侧车载高温超导磁体与中间悬浮轨道上的“8”字形线圈相互作用，在产生相等大小悬浮力的前提下相比现有双侧悬浮轨道的设计能减小高温超导磁体的额定磁动势，降低车体与地面轨道的建设成本。

Description

一种8字形线圈高温超导电动磁悬浮列车系统
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“8”字形线圈高温超导电动磁悬浮列车系统。
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，“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列车两侧地面导轨上铺设“8”字形感应线圈，该结构不仅导轨建设成本高，而且占地相对较多，车载超导磁体所需额定磁动势较大造成列车制造成本增加，阻碍了“8”字形线圈电动悬浮技术在我国大范围推广应用。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种“8”字形线圈高温超导电动磁悬浮列车系统，包括沿轨道方向在轨道上均匀设置的多个“8”字形线圈和设置在列车车厢底部两侧的两个高温超导磁体组件，当列车置于所述轨道上时，两个所述高温超导磁体组件对称地位于所述超导集成单元的两侧。
较佳地,所述“8”字形线圈包括线圈上半环与线圈下半环,所述线圈上半环与线圈下半环通过导线反向串联连接。
较佳地,所述“8”字形线圈由铝线或铜线绕制而成。
较佳地,每个所述“8”字形线圈安装于一线圈安装盒。
较佳地,每个所述高温超导磁体组件包括依次并列设置的多个高温超导磁体。
较佳地,每个所述高温超导磁体组件分别通过一L型支撑架设置于列车车厢底部，每个所述高温超导磁体组件分别设置于一所述L型支撑架的端部。
较佳地,每个所述高温超导磁体组件设置在一低温杜瓦结构内。
较佳地,还包括推进组件，所述推进组件用于为列车提供运行动力。
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、本发明实施例通过列车底部两侧车载高温超导磁体与中间悬浮轨道上的“8”字形线圈相互作用，在产生相等大小悬浮力的前提下相比现有双侧悬浮轨道的设计能减小高温超导磁体的额定磁动势，从而减小制造单个高温超导磁体所需的高温超导带材长度，相比现有“8”字形线圈电动悬浮结构可以降低车体制造成本。
2、本发明的单轨悬浮轨道更适合在人口密集、土地资源紧张的城市进行铺设，经济性更好。
3、本发明中采用单轨悬浮模式，只需在列车中下部的地面导轨上设置一排等距分布的“8”字形线圈，将导轨中需安装的“8”字形线圈个数减小为原来的一半，能减小导轨制造成本和占地面积，进而能缩短施工周期且降低维护成本。
4、本发明中地面导轨为由铝线或铜线绕制而成的“8”字形线圈组，相比现有高温超导磁悬浮技术中的永磁轨道，其轨道建设成本低且易于更换。
5、本发明中单轨悬浮轨道可同时实现悬浮与导向功能，能减少所需车载超导磁体数量，结构简单。
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“8”字形线圈高温超导电动磁悬浮列车系统横截面示意图；
图2是本发明实施例高温超导磁体和“8”字形线圈位置与分布设置示意图；
图3是本发明实施例“8”字形线圈结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明提供的一种“8”字形线圈高温超导电动磁悬浮列车系统进行详细的描述，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“8”字形线圈高温超导电动磁悬浮列车系统，包括：列车车厢1、沿轨道方向在轨道上均匀设置的多个“8”字形线圈5、设置在列车车厢1底部两侧的两个高温超导磁体组件6以及推进组件。当列车在轨道上高速运行时，两个高温超导磁体组件6分别与“8”字形线圈5相互作用，使列车受到向上的升力而悬浮于钢轨15上，同时使列车保持处于两条钢轨15中心位置，推进组件为列车提供运行动力,使列车行驶。
本实施例中，轨道包括两条钢轨15，沿轨道方向在两条钢轨15中间设置有一条导轨基座2，该导轨基座2建造在路基3上，由混凝土浇筑成型，多个“8”字形线圈5沿轨道方向均匀分布设置在该导轨基座2上；请参考图2和图3，本实施例中，“8”字形线圈5由铝线或铜线绕制而成，其线圈形状为“8”字形，包括相互对称的线圈上半环51和线圈下半环52,线圈上半环51 和线圈下半环52通过导线53反向串联连接，线圈上半环51和线圈下半环52 的匝数均为30匝到50匝，厚度为6cm到8cm，其中，“8”字形线圈5的具体制作方法可参考现有技术,在此不作赘述。同时，每个“8”字形线圈5 安装于一线圈安装盒4内，并通过该线圈安装盒4固定设置在导轨基座2上，线圈安装盒4由高强度陶瓷材料制成，以确保其在承受“8”字形线圈5给列车提供巨大悬浮力和导向力时不易变形。
本实施例中，列车车厢1的作用与高速列车车厢类似，在列车车厢1的底部两侧分别设置有一个高温超导磁体组件6，具体地，两个高温超导磁体组件6分别设置在一低温杜瓦结构7内，列车车厢1的底部两侧分别设置有一个L型支撑架8，L形支撑架8用于连接列车车厢1与低温杜瓦结构7，L形支撑架8的材质为优质碳素钢或低碳高强度钢，这里，将低温杜瓦结构7设置在L型支撑架8的“一”部远离其“|”部的端部，使得当列车置于所述轨道上时，两个高温超导磁体组件6对称地位于“8”字形线圈5的两侧，且两个高温超导磁体组件6的每个高温超导磁体61均与“8”字形线圈5相正对。根据实际应用的需要，通过合理设计L型支撑架8的“一”部的长度即可实现高温超导磁体组件6与“8”字形线圈5的距离调整，可以更好地满足感应需求。
每个高温超导磁体组件6可包括依次并列设置的多个高温超导磁体61，请参考图2，本实施例中，每个高温超导磁体组件6包括依次并列设置的2个高温超导磁体61。高温超导磁体61可采用跑道形、圆形或矩形等形状线圈，由无绝缘高温超导带材绕制而成，该带材使用YBCO、ReBCO或BSCCO高温超导材料，高温超导磁体61的线圈匝数是“8”字形线圈5的线圈匝数的约30倍到35倍，高温超导磁体61与“8”字形线圈5的厚度比约为3/4到 4/5。
进一步地，请继续参考图2，为保证列车车厢1内的磁场不超过允许值，针对每个所述高温超导磁体组件6设置有磁屏蔽层(图中未示出)，及在“8”字形线圈5上方设置一磁屏蔽板9，具体地，对于左侧的高温超导磁体组件6，在其对应的低温杜瓦结构7的左侧、上方和上方均设置磁屏蔽层；对于右侧的高温超导磁体组件6，在其对应的低温杜瓦结构7的右侧、上方和下方均设置屏蔽层；磁屏蔽板9固定设置于线圈安装盒4的顶部；磁屏蔽层和磁屏蔽板9用于屏蔽高温超导磁体组件6向“8”字形线圈5以外的地方辐射的磁场，具体地，磁屏蔽层用于屏蔽“8”字形线圈5向车厢内部、伸缩车轮14及钢轨15等位置辐射磁场。
本实施例中，推进组件采用直线同步电机，优选采用长定子直线同步电机，用于为列车提供运行动力。其中，直线同步电机包括动子线圈11和定子线圈10，动子线圈11固定于列车车厢的底部，定子线圈10固定设置于导轨基座2上，具体地，定子线圈10固定于磁屏蔽板9上，动子线圈11置于一屏蔽腔体12内，屏蔽腔体12通过一连接架13固定于列车车厢1的底部，连接架13的材质为碳纤维复合材料。
本实施例中，还包括伸缩车轮14，伸缩车轮14固定设置于列车车厢1底部，对应位于两条钢轨15上，伸缩车轮14和钢轨15的材料均采用高碳低锰钢。
在列车启动前，使用电源对所有高温超导磁体61充电，如使高温超导磁体61的磁动势从0增加至500kA，此时，左边的高温超导磁体61将在“8”字形线圈5表面产生恒定的静磁场，强度可达约1特斯拉，右边的高温超导磁体61也将在“8”字形线圈5表面产生恒定的静磁场，强度可达约1特斯拉；同时，因为针对每个高温超导磁体61均设置了磁屏蔽层，可以保证列车车厢内磁场不超过允许值。
本实施例中，如图2所示，每个“8”字形线圈5左右两侧正对的两个高温超导磁体61的电流方向设置为相同，以保证“8”字形线圈5的表面磁场是左边高温超导磁体61和右边高温超导磁体61产生磁场的叠加，以减小所需高温超导磁体61的额定磁动势，即减少高温超导磁体61的匝数，从而节省所需高温超导带材的长度，另外所需“8”字形线圈5的数量相对于现有双侧悬浮轨道结构可有效减少，经济性好，且节约建设轨道所需的土地资源；同时，“8”字形线圈5左侧相邻的高温超导磁体61的电流方向设置为相反，“8”字形线圈5右侧相邻的高温超导磁体61的电流方向设置为相反，以使列车运行过程中“8”字形线圈中的感应电流幅值不衰减，从而保证施加到列车上悬浮力的稳定。
作为启动前的初始状态，设置高温超导磁体61的中心低于“8”字形线圈5的中心约1cm到2cm。请参考图3，“8”字形线圈5由线圈上半环51、线圈下半环52和连接导线53组成，线圈上半环51与线圈下半环52通过导线53反向串联连接，从而使得整个“8”字形线圈5的总磁通方向与线圈下半环52的磁通方向一致。
在列车启动后，在其低速运行时采用传统列车轮轨接触的模式运动，即伸缩车轮14依靠钢轨15表面产生的摩擦力前进；当列车速度增加至一定值时，如200km/h，根据法拉第电磁感应定律，“8”字形线圈5内部会产生感应电流，左边的高温超导磁体61将分别受到“8”字形线圈5的线圈上半环 51与线圈下半环52的吸力与斥力，右边的高温超导磁体61也将分别受到“8”字形线圈5的线圈上半环51与线圈下半环52的吸力与斥力，左边的高温超导磁体61与右边的高温超导磁体61所受合力方向向上，以使列车受到向上的升力而悬浮于轨道之上；此时，伸缩车轮14相对L型支撑架8向上抬起，轮轨分离，实现完全悬浮；考虑到列车具有一定重量，列车车厢1会相对导轨基座2下沉一定距离，左边的高温超导磁体61与右边的高温超导磁体61 的中心均低于“8”字形线圈5的中心约1cm到5cm，左边的高温超导磁体61的中心与右边的高温超导磁体61的中心高度相同，以保证列车运行时不发生左右摇晃；在两侧高温超导磁体61的中心相对“8”字形线圈5的中心下沉相同高度的情况下，列车运行速度越快所受悬浮力越大。
直线同步电机的定子线圈10在其上方空间中产生行波磁场来使直线同步电机的动子线圈11受到推进力，该推进力用以提供列车前进所需的动力。
列车高速运行时，根据法拉第电磁感应定律，安装在地面轨道上的“8”字形线圈5内部会产生巨大的感应电流，其感应磁动势可达约20000安培，由左手定则可知，当列车处于中心位置时，左边的高温超导磁体61与右边的高温超导磁体61受到来自“8”字形线圈5的斥力大小相等，方向相反，列车在y方向上的合力为0；假设列车运行至中心位置的左边，此时“8”字形线圈5对右边的高温超导磁体61的排斥力将大于对左边的高温超导磁体61 的排斥力，列车y方向所受合力向右从而重新回到中心位置；假设列车运行至中心位置的右边，此时“8”字形线圈5对左边的高温超导磁体61的排斥力将大于对右边的高温超导磁体61的排斥力，列车y方向所受合力向左从而重新回到中心位置；从而实现列车导向功能。
当列车需要减速时，如时速小于200km/h，伸缩车轮14向下伸出接触钢轨15，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，并对左边的高温超导磁体61和右边的高温超导磁体61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 (7)

1.一种“8”字形线圈高温超导电动磁悬浮列车系统，其特征在于,包括沿轨道方向在轨道上均匀设置的多个“8”字形线圈和设置在列车车厢底部两侧的两个高温超导磁体组件，当列车置于所述轨道上时，两个所述高温超导磁体组件对称地位于所述“8”字形线圈的两侧；其中,所述“8”字形线圈包括线圈上半环与线圈下半环,所述线圈上半环与线圈下半环通过导线反向串联连接，所述线圈上半环与线圈下半环的线圈匝数均为30至50匝，厚度为6至8cm；
每个所述高温超导磁体组件包括依次并列设置的多个高温超导磁体，所述高温超导磁体的线圈匝数为所述“8”字形线圈的线圈匝数的30至35倍，所述高温超导磁体与所述“8”字形线圈的厚度比为3/4至4/5；
启动前，所述高温超导磁体的中心位置低于所述“8”字形线圈的中心位置1至2cm；
启动后，所述高温超导磁体的中心位置低于所述“8”字形线圈的中心位置1至5cm。
2.根据权利要求1所述的“8”字形线圈高温超导电动磁悬浮列车系统，其特征在于,所述“8”字形线圈由铝线或铜线绕制而成。
3.根据权利要求1所述的“8”字形线圈高温超导电动磁悬浮列车系统，其特征在于,每个所述“8”字形线圈安装于一线圈安装盒。
4.根据权利要求1所述的“8”字形线圈高温超导电动磁悬浮列车系统，其特征在于,每个所述高温超导磁体组件分别通过一L型支撑架设置于列车车厢底部，每个所述高温超导磁体组件分别设置于一所述L型支撑架的端部。
5.根据权利要求1所述的“8”字形线圈高温超导电动磁悬浮列车系统，其特征在于,每个所述高温超导磁体组件设置在一低温杜瓦结构内。
6.根据权利要求1所述的“8”字形线圈高温超导电动磁悬浮列车系统，其特征在于，还包括推进组件，所述推进组件用于为列车提供运行动力。
7.根据权利要求6所述的高温超导电动磁悬浮列车系统，其特征在于，所述推进组件为直线同步电机。
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