CN111724663A - 一种用于演示超导悬浮现象的模型及教具 - Google Patents
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Abstract
一种用于演示超导悬浮现象的模型及教具，包括两条永磁导轨，与所述永磁导轨配合设置的带有直线感应电机的加速模块，两条永磁导轨之间设有悬浮小车，其特征在于所述永磁导轨由若干个不同充磁方向是多边形永磁体拼接而成，在所述永磁导轨的对应表面形成悬浮面，所述悬浮小车设有与所述永磁导轨悬浮面相配合的侧面设有超导悬浮材料，所述悬浮小车还设有与加减速单元直线电机相配合加减速用的鼠笼条结构。本发明采用的超导悬浮演示的永磁体导轨模型的优点在于其悬浮性能更好，采用相同材料相同质量的永磁体做导轨时，本发明所述的导轨可以提供更大的悬浮力；当悬浮力的需求不变时，选择这种方案组成的导轨可以减少永磁体的使用质量，降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及超导磁悬浮技术领域，具体为一种用于演示超导悬浮现象的模型及教具。
背景技术
超导体在超导状态下将展现电阻骤降的零电阻特性以及完全抗磁通的迈斯纳效应，两种效应相叠加将会使得超导材料形成一个与已有磁场相互抵抗的作用力，使合力为零，出现超导材料稳定的悬浮在一个恒定的磁场之上的现象。
CN105006192 B、CN105810066 A、CN100577465C等发明中，可以概括其永磁体导轨为传统的竖直方向相反充磁的矩形磁钢阵列，其组合旨在于永磁体轨道上方形成稳定的单峰磁场或者双峰磁场；
CN106240399 B、CN2027345548 U、CN105463957 B、CN102717725 A以及CN105803872 B、CN201049595 Y、以及CN106240398 B等发明为一个系列，在这一系列发明中，可以看出对上述永磁体阵列的永磁轨道的改进。传统永磁体阵列的充磁方向为竖直方向相反，这一系列发明中，永磁体的充磁方向不但有竖直方向相反，而且在水平方向相反，以起到对于传统永磁导轨磁上方磁场强度的增益。这些发明中所描述的用于超导列车悬浮的永磁体导轨均为特定的矩形磁钢，以沿水平、竖直两个方向上的特定充磁方向进行排列，以达到增加轨道上方磁场强度的目的。这些发明中对5块、7块、9块矩形磁钢的排列方式也进行了介绍，但其中的区别仅在于不同的磁钢排列产生单峰与多峰的磁场的区别。这一系列发明中不仅对矩形磁钢的长宽比，矩形磁钢与不同软磁材料的组合以及不同矩形磁钢组合之后的再组合进行了保护，其共同的目的与本发明相同，都是为了增加永磁体导轨上表面的磁场强度。这一系列发明仅就所选用的矩形磁钢进行了限定，并未限定磁钢可以使用不同拓扑结构，而且更没有涉及因为多边形拓扑结构磁钢的选择，永磁体可以有更多的充磁方向。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足而提供的一种用于演示超导悬浮现象的模型及教具。
为了实现上述目的，本发明技术方案是：一种用于演示超导悬浮现象的模型及教具，包括两条永磁导轨，与所述永磁导轨配合设置的带有直线感应电机的加速模块，两条永磁导轨之间设有悬浮小车，其特征在于所述永磁导轨由若干个不同充磁方向是多边形永磁体拼接而成，在所述永磁导轨的对应表面形成悬浮面，所述悬浮小车设有与所述永磁导轨悬浮面相配合的侧面设有超导悬浮材料，所述悬浮小车还设有与加减速单元直线电机相配合加减速用的鼠笼条结构。
进一步地，所述多边形永磁体为可以通过平面旋转排列以填充整个平面的多边形组合或单一多边形，其目的在于通过不同充磁方向的组合，模拟磁感线在空气中自由的能量传导路线，以最大程度的增强其表面单边磁场。
进一步地，所述永磁导轨由若干块等边三角形永磁体上下相扣，组装方便。
进一步地，对于单排等边三角形阵列永磁体个数Z满足Z＝4*n+3，(n∈N*)。
采用三角形截面的磁钢沿着固定方式排列后可以增强轨道单边(即上表面)的磁场，从而根据下述两算式可以计算得出超导悬浮的悬浮力FB。
其中Jc为临界电流密度；Bz为垂直方向磁通密度；L、W、H为悬浮的高温超导块材的长宽高；δ为磁场穿透深度；其中
为超导块捕获场；λ为长岗系数；μ0为真空磁导率。
根据悬浮力大小的计算公式可以看出：导轨表面提供的磁场越强，悬浮力就越大。
进一步地，所述永磁导轨有若干块正六边形永磁体拼接而成，在相邻两块六边形永磁体的间隙部位设置正三角形永磁体。
所述多边形永磁体采用钕铁硼永磁体或钐钴永磁体制成。
进一步地，两条永磁导轨包括上下平行设置的上导轨和下导轨，所述上导轨和下导轨均为水平设置，上导轨的底面和下导轨的顶面分别形成悬浮面，悬浮小车位于上导轨和下导轨之间，在永磁导轨的两侧分别设有一带有直线感应电机的加速模块，所述带有直线感应电机的加速模块包括支持组件，以及设置在支持组件内侧面上的直线感应电机铁芯，悬浮小车与所述支持组件对应的两个侧面分别设有鼠笼条结构。
进一步地，该两条永磁导轨包括设置于内圈和外圈的内导轨和外导轨，其中内导轨和外导轨均为竖直设置，内导轨的外侧面和外导轨的内侧面分别形成悬浮面，悬浮小车位于内导轨和外导轨之间，直线感应电机铁芯位于两条永磁导轨的下方，所述悬浮小车的底部设鼠笼条结构，所述悬浮小车与悬浮面对应的两个侧面设有超导悬浮材料。
进一步地，该两条永磁导轨包括设置于内圈和外圈的内导轨和外导轨，其中内导轨和外导轨均为水平设置，内导轨和外导轨的顶面形成悬浮面，悬浮小车底部形成向下凸起的凸起部，所述悬浮小车设置于两条永磁导轨上方，所述凸起部位于内导轨和外导轨之间的间隙内，两条永磁导轨下方设有直线感应电机铁芯，所述悬浮小车底部凸起部的底面设有鼠笼条结构，悬浮小车底部位于内导轨上方和外导轨上方的部位分别设有超导悬浮材料。
本发明中，永磁导轨通过三角形、矩形等多边形永磁体的不同拓扑结构，不仅仅可以完成水平、竖直方向的磁钢充磁，还可以完成与水平方向不同角度的充磁。通过充磁角度的调整，轨道截面有规律排布的永磁体的充磁方向将可以更迫近空气中自由传播的磁场方向，以实现更好效果的磁场增强。本发明采用的超导悬浮演示的永磁体导轨模型的优点在于其悬浮性能更好，采用相同材料相同质量的永磁体做导轨时，本发明所述的导轨可以提供更大的悬浮力；当悬浮力的需求不变时，选择这种方案组成的导轨可以减少永磁体的使用质量，降低成本。
附图说明
图1是本发明的一种用于演示超导悬浮现象的模型及教具的第一实施例的的总览示意图。
图2为图1中悬浮小车的悬浮效果图。
图3为悬浮小车的悬浮效果的局部放大图。
图4为导轨示意图。
图5为带有直线感应电机的加速模块的示意图。
图6为悬浮小车的爆炸图。
图7为加减速用单元异步直线电机铁芯图。
图8为第二实施例的永磁体导轨模型效果图。
图9为第二实施例的悬浮小车的效果图。
图10为第三实施例的永磁体导轨模型效果图。
图11为第三实施例的悬浮小车效果图。
图12为对比文献中永磁体导轨充磁方向示意图。
图13为本发明所述导轨的永磁体第一种充磁方向示意图。
图14为本发明所述导轨的永磁体第一种充磁方向示意图。
图15为采用软磁材料的永磁体导轨。
图16为导轨截面上方磁密通过有限元计算的优化结果图，每一条曲线代表不同的充磁角度。
图17为传统与多边形边数为3的等边三角形截面永磁体阵列磁力线对比。
图18为导轨上方10mm，传统矩形截面磁钢与三角形截面磁钢的磁场对比。
图19为导轨上方10mm，优化后的传统矩形截面磁钢与三角形截面磁钢的磁场对比。
图20为不同种多边形永磁体组成到导轨的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
一种用于演示超导悬浮现象的模型及教具，包括两条永磁导轨1，与所述永磁导轨1配合设置的带有直线感应电机的加速模块。两条永磁导轨之间设有悬浮小车2，其特征在于所述永磁导轨由若干个不同充磁方向是多边形永磁体拼接而成，在所述永磁导轨的对应表面形成悬浮面，所述悬浮小车2设有与所述永磁导轨悬浮面相配合的侧面设有超导悬浮材料，所述悬浮小车2的另一个侧面还设有与带有直线感应电机的加速模块相配合加减速用的鼠笼条结构5。
根据本发明的第一实施例，如图1～图7所示，该两条永磁导轨1包括上下平行设置的上导轨和下导轨，悬浮小车位于上导轨和下导轨之间，上导轨的底面和下导轨的顶面分别形成悬浮面，在永磁导轨的两侧分别设有一带有直线感应电机的加速模块4，所述带有直线感应电机的加速模块包括支持组件3，以及设置在支持组件3内侧面上的直线感应电机铁芯4，悬浮小车1与所述支持组件3对应的两个侧面分别设有鼠笼条结构5，鼠笼条结构5直接贴敷在小车表面上。鼠笼条结构和直线感应电机铁芯之间气隙宽度0.5-10mm,优选为5mm。
所述永磁导轨由7块三角形永磁体上下相扣，组装方便。
所述悬浮小车1底部设超导悬浮材料6，在该实施例中为两片圆形的钇钡铜氧块材，当然也可以为任意超导材料，形式也可以为叠片，悬浮小车侧面设鼠笼条结构5，悬浮小车2内部添加冷却液使超导材料展现超导态，顶部设隔热泡沫盖板7，用于内部填充冷却液时保温。
所述直线感应电机铁芯4可以是由固定在支持组件3上的若干块小铁芯组成，也可以是如图7所示的形状，即若干块小铁芯的底部通过基座连成一体。
永磁导轨1由若干个不同充磁方向是多边形永磁体拼接而成，所述多边形永磁体为可以通过平面旋转排列以填充整个平面的多边形组合或单一多边形，其目的在于通过不同充磁方向的组合，模拟磁感线在空气中自由的能量传导路线，以最大程度的增强其表面单边磁场。本发明所选用的永磁体为磁能积较大的稀土类永磁体，包括但不限于钕铁硼永磁体、钐钴永磁体等。
本发明中，在平面中彼此相邻排列的磁钢块，不仅能实现水平和竖直方向的磁场方向，还可以通过拓扑结构的不同实现与平面内不同角度的磁场方向。图12为对比文件的永磁体充磁方向示意图，图13～15为本发明所述导轨的两种永磁体充磁方式示意图。
图12采用的矩形磁钢不同充磁方向的平面排列结构，能实现水平和竖直方向的磁场方向。
图13为第一种充磁方式，如图所示，永磁体所采用的等边三角形的平面排列结构，如图所示，该导轨由七块等边三角形永磁体正反相扣拼接而成的正梯形结构，其中每一块等边三角形永磁体的充磁方向指向不同方向不同位置，可实现平面内不同角度的磁场方向，此结构均需在顶角处施加倒角，倒角半径及角度的大小会影响有磁场的空间分布，所述倒角需≥0.5mm*45°。
图14为第二种充磁方式，其中导轨是由七块等边三角形正反相扣拼接而成的倒梯形结构，其中前三块的充磁方向从不同位置指向同一点，后三块是从同一点指向不同位置，最中间一块则是水平指向。这种排列方式较前一种排列方式较差，因为实际生产中相同磁极汇聚到一起会造成三角形截面的磁钢产生部分退磁，从而影响单边表面上的磁场分布，但是实验结果显示，其相对对比文献中的永磁体阵列结构仍能取得8～42％的磁场增益。
对于单排三角形阵列，永磁体个数即磁钢块数Z满足Z＝4*n+3，(n∈N*)。
在满足上述公式的多边形磁钢组成的导轨中，第4*n，(n∈N*)块多边形永磁体可以采用软磁材料进行替换，如图15所示，其中采用7块多边形永磁体构成的导轨中，第4块可以用软磁材料替换。
对本发明所涉导轨各多边形磁钢的充磁方向进行推广，应先规定导轨上方边线平行的方向为水平方向，面对导轨截面，与水平方向垂直且指向右方的矢量方向为正方向，充磁角度θ角为与水平方向经逆时针正方向变化后的角度。上述永磁体导轨局部坐标系为右手系。
若规定从左往右第一块三角形磁钢的底边为水平方向，第一块三角形磁钢的充磁方向与水平向右方向的夹角为
整个永磁体阵列的每块磁钢的充磁方向与水平向右方向的夹角θ(θ∈R)，夹角逆时针方向为正，则第i块磁钢(i∈N*)的充磁方向
函数中的[]，为取整函数。
本发明中的导轨为正三角与倒三角对扣而成，在横向上可以根据最初的块数公式无限叠加，故而实际仅为第一块磁钢选用从正三角形开始还是倒三角形开始，而后续每一块磁钢充磁方向的排列方式不变。
针对第二种充磁方式产生的问题，可以用软磁材料对中间部分的磁钢进行替换，具体实施方法如图15所示，图中灰色部分为替代的软磁材料，其内部磁通方向大体趋近于水平方向，添加软磁材料，将会大大降低左右两个磁极的磁场强度，这样就会减少相同磁极汇聚起来导致的退磁问题。但是，由于采用软磁材料对永磁体进行了替换，因此其表面的磁场强度将大幅降低，与本发明实施案例中第一种排列方式相比，其上方10mm的磁场强度下降15-30％，因此其对对比文献中的磁体阵列上方的磁场强度仅能达到≤12％的增益。而第一种充磁方式则并不适用于使用软磁材料的优化方式，因为相邻的两个等边三角形截面的永磁体由于拓扑结构而使得磁场产生更大的旋度，所以若使用软磁材料进行磁通传导，则其内部会形成一涡旋的磁场，大大造成了能量的浪费，并降低表磁。
图17所示为对比文献与本发明中采用第一种充磁方式的三角形截面永磁体的磁力线分布对比，可以看出实施案例一中采用的三角形截面永磁体将导轨上方磁场更好的汇聚成了单峰，对导轨上方磁场表现出更强的增强效果；
通过对轨道上方10mm处的磁场分布情况进行有限元仿真计算，可以明显的看出本发明永磁体阵列对于传统永磁体阵列的增强效果，根据图18的计算结果，在相同永磁体截面积的情况下，即控制永磁体用量一定时，本发明达到的上方10mm磁场分布与传统矩形截面永磁体阵列上方10mm磁场分布对比如下。根据结果可以看出，磁场最大值从0.54T提升至0.9T，与传统方案的增益值可以达到惊人的67％，在考虑实际加工工艺影响以及倒角影响的情况下，增益能达到40-60％；
为了进一步验证本发明所述充磁方式对于导轨上方10mm处磁场的增益程度，本发明中还根据对比文献中对矩形截面永磁体的长宽比进行了优化，优化结果显示，在确定1260mm2截面积不变的情况下，传统矩形截面永磁体竖直方向充磁的永磁体宽度最优为9.1mm，水平方向充磁的永磁体矩形截面宽度为29.4mm，导轨的高度为14.6mm，其上方10mm达到的磁场强度最大值从0.54T提高至了0.63T，证明了优化方法的可行性。尽管如此，其与本发明第一种充磁方式中的等边三角形截面的永磁体阵列上方10mm的磁场对比如图19所示，增益效果依然能达到43％。排除加工工艺与倒角产生的影响，其增益效果依然能达到25％-40％。
本发明选用的具体实施案例为等边三角形、底角为60°的等腰梯形，但本发明保护范围不仅仅局限于此，例如底角为120°的六边形拓扑结构的磁钢也能在三维排列中发挥较好的效果。单个永磁体的拓扑结构为可以充满平面的多边形及多边形组合。优选的方案为，实施案例中的正三角形以及三角形与六边形组合，如图20所示。
如图20所示为不同种多边形永磁体组成到导轨的示意图。所述永磁导轨有若干块正六边形永磁体拼接而成，在相邻两块正六边形永磁体的上下间隙部位设置正三角形永磁体。其中正六边形的充磁方向为水平和垂直方向，而三角形永磁体的充磁方向则与水平方向呈30°夹角，且对应的上下两个正三角形充磁方向平行。
根据本发明的第二实施例，如图8和图9所示，该两条永磁导轨1包括设置于内圈和外圈的内导轨和外导轨，其中内导轨的外侧面和外导轨的内侧面分别形成悬浮面，悬浮小车位于内导轨和外导轨之间，直线感应电机铁芯4位于两条永磁导轨1的下方，所述悬浮小车的底部设鼠笼条结构5，所述悬浮小车与悬浮面对应的两个侧面设有超导悬浮材料6。
根据本发明的第三实施例，如图10和图11所述，该两条永磁导轨1包括设置于内圈和外圈的内导轨和外导轨，其中内导轨和外导轨的顶面形成悬浮面，悬浮小车底部形成向下凸起的凸起部，所述悬浮小车设置于两条永磁导轨1上方，所述凸起部位于内导轨和外导轨之间的间隙内，两条永磁导轨1下方设有直线感应电机铁芯4，所述悬浮小车底部凸起部的底面设有鼠笼条结构5，悬浮小车底部位于内导轨上方和外导轨上方的部位分别设有超导悬浮材料6。
Claims (8)
1.一种用于演示超导悬浮现象的模型及教具，包括两条永磁导轨，与所述永磁导轨配合设置的带有直线感应电机的加速模块，两条永磁导轨之间设有悬浮小车，其特征在于所述永磁导轨由若干个不同充磁方向是多边形永磁体拼接而成，在所述永磁导轨的对应表面形成悬浮面，所述悬浮小车设有与所述永磁导轨悬浮面相配合的侧面设有超导悬浮材料，所述悬浮小车还设有与加减速单元直线电机相配合加减速用的鼠笼条结构。
2.如权利要求1所述的一种用于演示超导悬浮现象的模型及教具，其特征在于所述多边形永磁体为可以通过平面旋转排列以填充整个平面的多边形组合或单一多边形，其目的在于通过不同充磁方向的组合，模拟磁感线在空气中自由的能量传导路线，以最大程度的增强其表面单边磁场。
3.如权利要求1所述的一种用于演示超导悬浮现象的模型及教具，其特征在于，所述永磁导轨由若干块等边三角形永磁体上下相扣，组装方便。
4.如权利要求3所述的一种用于演示超导悬浮现象的模型及教具，其特征在于对于单排三角形阵列永磁体个数Z满足Z＝4*n+3，(n∈N*)。
5.如权利要求1所述的一种用于演示超导悬浮现象的模型及教具，其特征在于所述永磁导轨有若干块正六边形永磁体拼接而成，在相邻两块六边形永磁体的间隙部位设置正三角形永磁体。
6.如权利要求1所述的一种用于演示超导悬浮现象的模型及教具，其特征在于两条永磁导轨包括上下平行设置的上导轨和下导轨，所述上导轨和下导轨均为水平设置，上导轨的底面和下导轨的顶面分别形成悬浮面，悬浮小车位于上导轨和下导轨之间，在永磁导轨的两侧分别设有一带有直线感应电机的加速模块，所述带有直线感应电机的加速模块包括支持组件，以及设置在支持组件内侧面上的直线感应电机铁芯，悬浮小车与所述支持组件对应的两个侧面分别设有鼠笼条结构。
7.如权利要求1所述的一种用于演示超导悬浮现象的模型及教具，其特征在于该两条永磁导轨包括设置于内圈和外圈的内导轨和外导轨，其中内导轨和外导轨均为竖直设置，内导轨的外侧面和外导轨的内侧面分别形成悬浮面，悬浮小车位于内导轨和外导轨之间，直线感应电机铁芯位于两条永磁导轨的下方，所述悬浮小车的底部设鼠笼条结构，所述悬浮小车与悬浮面对应的两个侧面设有超导悬浮材料。
8.如权利要求1所述的一种用于演示超导悬浮现象的模型及教具，其特征在于该两条永磁导轨包括设置于内圈和外圈的内导轨和外导轨，其中内导轨和外导轨均为水平设置，内导轨和外导轨的顶面形成悬浮面，悬浮小车底部形成向下凸起的凸起部，所述悬浮小车设置于两条永磁导轨上方，所述凸起部位于内导轨和外导轨之间的间隙内，两条永磁导轨下方设有直线感应电机铁芯，所述悬浮小车底部凸起部的底面设有鼠笼条结构，悬浮小车底部位于内导轨上方和外导轨上方的部位分别设有超导悬浮材料。
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