CN111764205A - 一种磁悬浮列车用导轨 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种磁悬浮列车用导轨，导轨由若干个多边形磁钢排列组合而成，组合方式为若干个多边形磁钢依次紧密排列形成拓扑结构，多边形磁钢为相同结构的多边形磁钢组合或者两种及以上不同结构的多边形磁钢组合而成；多边形磁钢的边数为N+1，其中N为大于等于2的自然数；相邻的磁钢充磁方向不同，并且相邻磁钢的充磁方向形成一定的夹角。使用时，采用最少量的永磁体，通过对磁钢的充磁方向和排列方向进行调整，增大导轨上方磁场强度和磁场强度有效面积，达到在上方产生单边更强的磁场，以增加在其上方悬浮的超导体的载重能力。
Description
技术领域
本发明主要涉及永磁体导轨的技术领域，特别涉及一种磁悬浮列车用导轨，尤其涉及一种倾角方向充磁、多边形磁体组成的永磁体阵列及该种永磁体阵列组成的导轨。
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。
目前通用的超导体为第二类超导体，其在混合状态中表现的迈斯纳效应并不完全，较薄的超导体会在内部形成量子化的磁通管道，以使得磁力线得以通过。通过的这部分磁力线将对超导材料实现钉扎作用，若产生位置偏离，磁力线将以更长的路径穿过磁通管道，则根据第一定理，会产生使超导材料回复到原有位置的作用力。因此，第二类超导体的高温超导悬浮系统具有自稳定的性质，而且并不需要额外的控制系统。
现有技术中，实现的高温超导材料悬浮是指常用的钇钡铜氧超导体(YBCO)、钆系氧化物超导体(GdBaCuO)等与稀土类ReBaCuO超导体的悬浮。悬浮过程通常为在恒定磁场中使得材料冷却至临界温度以下，被恒定磁场捕获，以实现超导体对于磁通的钉扎作用，此时的超导悬浮为自稳定的无源系统。
传统超导悬浮模型中的永磁体导轨，仅通过永磁体以N-S的方式排列，以形成稳定磁场，达到使超导材料悬浮的目的，普通方案中为了增强永磁轨道上方的磁场，通常永磁体选用稀土永磁体，即使是这样，其轨道提供的表面磁场强度也非常低，对于超导体悬浮力的增强作用十分有限。
比如现有技术中的CN106240399 B、CN2027345548 U、CN105463957 B、CN102717725 A以及CN105803872 B、CN201049595 Y、以及CN106240398 B等专利为一个系列，在这一系列专利中，可以看出对于其中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，这一系列专利中，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。这些专利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，以达到增加轨道上放磁场强度的目的。这些专利中对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，但其磁场增加的效果依然有限。
发明内容
本发明针对上述问题，提供了一种磁悬浮列车用导轨，通过不同形状的多边形磁钢组合，以及充磁角度的调整，使得轨道截面有规律排布的永磁体的充磁方向，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。
本发明的目的可以通过下述技术方案来实现：
一种磁悬浮列车用导轨，其特征在于，导轨由若干个多边形磁钢排列组合而成，组合方式为若干个多边形磁钢依次紧密排列形成拓扑结构；
多边形磁钢为相同结构的多边形磁钢组合或者两种及以上不同结构的多边形磁钢组合而成；
多边形磁钢的边数为N+1，其中N为大于等于2的自然数；
相邻的磁钢充磁方向不同，相邻磁钢的充磁方向形成一定的夹角。
优选的，相邻的磁钢充磁方向形成夹角β，0°<β<90°,90°<β<180°。
较佳的，导轨的拓扑结构中，多边形磁钢块数Z，满足Z＝4*n+3，(n∈N*)其中第4*n，(n∈N*)块多边形永磁体用相同结构的软磁材料进行替换。
进一步的技术方案中，多边形磁钢块的四周设有倒角，倒角≥0.5mm*45°。
进一步，多边形磁钢块采用三角形、平行四边形、五边形或者六边形。
更进一步，导轨由正六边形和正三角形两种多边形磁钢块拼合而成。
相对于现有技术，本发明的技术方案除了整体技术方案的改进，还包括很多细节方面的改进，具体而言，具有以下有益效果：
1.本发明所述的改进方案，导轨由若干个多边形磁钢排列组合成拓扑结构，同时相邻的多边形磁钢的充磁方向不同，通过磁场汇聚，在导轨上形成组合，可以最大程度增强导轨表面的单边磁场；
2.本发明的技术方案中，多边形磁钢采用拓扑结构进行排列，实现与平面内不同角度的磁场方向，每块多边形磁钢的折角均设有外倒角，控制磁场的空间分布，有效提高导轨沿车行方向的平顺性；
3.本发明的改进中，用最少量的永磁体，通过对磁钢的充磁方向和排列方向进行调整，增大导轨上方磁场强度和磁场强度有效面积，达到在上方产生单边更强的磁场，以增加在其上方悬浮的超导体的载重能力；
4.本发明的多边形磁钢组合方式多样，布局合理，对导轨上方的磁场有很强的增强效果，与传统方案相比，增益效果达到40％以上，值得推广和应用。
附图说明
图1为现有技术的结构示意图。
图2为本发明一实施例的结构示意图。
图3为本发明又一实施例的结构示意图。
图4为本发明增加软磁体的结构示意图。
图5为本发明与现有技术磁力线对比结构示意图。
图6为本发明三角形磁钢与现有技术磁钢的磁场对比图。
图7为优化后的现有技术磁钢与三角形磁钢的磁场对比图。
图8为本发明的一实施例中磁钢充磁方向优化后的充磁角度扫描图。
图9为本发明正六边形磁钢切割后的结构示意图。
图10为图9中磁钢倒角后的结构示意图。
图11为本发明实施例中的环形拓扑结构示意图。
图12为本发明不同形状的多边形磁钢排列组合的结构示意图。
图13为本发明另一不同形状的多边形磁钢排列组合的结构示意图。
图中标注如下：
1多边形磁钢、2倒角、3软磁体、4磁力线；
11正三角磁钢、12正六边形磁钢、13充磁方向、14长方形磁钢。
具体实施方式
以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式，使本领域的技术人员更清楚地理解如何实践本发明。尽管结合其优选的具体实施方案描述了本发明，但这些实施方案只是阐述，而不是限制本发明的范围。
如图2所示，一种磁悬浮列车用导轨，其与现有技术的区别在于，导轨由若干个多边形磁钢排列组合而成，组合方式为若干个多边形磁钢依次紧密排列形成拓扑结构。
单排并列结构中，多边形磁钢块数Z，满足Z＝4*n+3，(n∈N*)。
进一步，多边形磁钢块的四周设有倒角，倒角曲率的大小会影响有磁场的空间分布，所以本发明的倒角≥0.5mm*45°。
同时，多边形磁钢为相同结构的多边形磁钢组合或者两种及以上不同结构的多边形磁钢组合而成，比如可以采用三角形磁钢与六边形磁钢进行结合。
多边形磁钢的边数为2n或者2N+1，其中n和N均为自然数，n≥2，N≥1，优选的，多边形磁钢可以选择三角形，特别是正三角形、等腰三角形、平行四边形、等腰梯形、正五边形和正六边形。
进一步，这里的多边形磁钢优选采用正三角形、正五边形和正六边形，还可以采用一种特殊形状的六边形，这种特殊的六边形由一个正六边形演变而成，一个正六边形可以视作由三组平行的侧边拼合而成的六边图形，将其中任意一组平行的侧边进行同距离延长，延长后的新侧边的长度为正六边形原边长的1.5-3.5倍，形成一种新的六边形图形。
相邻的磁钢充磁方向不同，相邻的磁钢充磁方向存在夹角β，0°<β≤90°，这里的磁钢充磁方向可以不止上、下、左、右，更可以选择与水平线形成各个夹角的角度，比如30°、45°和60°，单排并列的多边形磁钢，相邻的磁钢充磁方向可以从左边第一块磁钢开始，沿着顺时针转动一定角度，比如转动15°、30°或者60°等。
进一步，磁钢块采用钕铁硼永磁体和钐钴永磁体制成。
具体来说，本发明用最少量的多边形永磁体(比如正三角形、底角为120度的等腰梯形或者正六边形)，通过对磁钢的充磁方向和排列方向进行调整形成特定阵列拓扑结构，增大导轨上方磁场强度和磁场强度有效面积，达到在上方产生单边更强的磁场，以增加在其上方悬浮的超导体的载重能力。
实施例1
参见图2，永磁体导轨结构中，多边形磁钢块数Z，满足Z＝4*n+3，(n∈N*)，本实施例中，磁钢块采用正三角结构，一共七块(即n＝1的情况)依次排列拼接形成一个等腰梯形结构
进一步地，对本专利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。α为本发明中阵列的第一块磁钢的充磁方向与水平向右方向的夹角，在本实施例中，左边第一块磁钢的充磁方向为沿水平方向向右逆时针转动30°，然后从第一块磁钢开始，先布设六块磁钢，依次向右的每块磁钢的充磁方向较前一块磁钢的充磁方向逆时针转动60°，然后在六块磁钢的中间位置布设一块充磁方向水平向左的三角形磁钢，这样布设临近的磁钢的充磁方向不会造成磁极的汇聚和部分退磁现象的发生，可以清楚的看到图2中，磁感线汇聚到一起形成磁场汇聚，起到进一步增强磁场的作用。这里需要进一步区分一下磁场汇聚和磁极汇聚，磁场汇聚如图2所示，磁极汇聚则如图3所示，将相同的磁极汇集到一起，效果反而不好，会产生磁退现象。
上述正三角形的磁钢，经过设置不同的充磁方向和排列布局，得到的磁力线图，参见图5中，经与对比文件相比，左边是传统的长方形磁钢组成的永磁体阵列磁力线，长方形磁钢的充磁方向为上、下、左、右，右边是本实施例的正三角形截面永磁体阵列磁力线，可以明显看出，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。
进一步的，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6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磁场分布对比如图6所示，其中虚线表示传统矩形截面永磁体的磁场分布，实线表示本发明实施例1的三角形截面永磁体的磁场分布，横轴为导轨水平距离，纵轴为导轨上方10mm处的磁通密度。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，在确定等比例缩小的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。如图7所示，图中的横轴为导轨水平距离，纵轴为导轨上方10mm处的磁通密度，虚线为传统矩形最优充磁方案，经过尺寸优化后所能达到的最大磁密，实线为本发明实施案例一中的等边三角形截面的永磁体阵列上方10mm的磁场分布，可以看出本专利比传统最优充磁最优尺寸共同优化后的磁密还要高，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％，足以证明方案的优越性。
同时，我们可以对图2中的导轨Z方向上的磁密进行计算：
其中μ0为所选材料的磁导率，M0为所选材料的磁化率，hpm为永磁体导轨厚度。
对悬浮在导轨上方的悬浮力的计算方法为：
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。
从上述公式可知，本发明的各磁钢充磁方向和排列方式可以让公式中的Bz增大，分子增大，其他所有均不变，那么最后获得的悬浮在导轨上方的导向力和磁场穿透深度则大大增强。
进一步地，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
(这里的[]标识取值范围，具体参见图2-图4)；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
本公式中的[]表示取整函数。
更优选的，本专利还对具体实施案例1中由7块三角形磁钢构成的导轨充磁方向进行了优化，优化结果如图8中所示，图示为三角形截面的磁钢导轨充磁角度扫描图，每一条曲线代表不同的充磁角度，横轴为导轨距离，纵轴为10mm处磁密。结果表明当导轨阵列中第一块永磁体充磁方向与水平方向呈56-60°角即θ(1)在56°-60°之间时，导轨上方磁场强度最大值最优；当导轨阵列第一块永磁体充磁方向与水平方向呈43-47°角即θ(1)在43°-47°之间时，导轨上方磁场强度有效面积最优。
实施例2
参见图3中，也是由7块等边三角形单排排列组成的永磁体阵列，采用右手系坐标，左边第一块磁钢的充磁方向为沿水平方向向右逆时针转动30°，然后从第一块磁钢开始，先布设六块磁钢，依次向右的每块磁钢的充磁方向较前一块磁钢的充磁方向逆时针转动60°，然后在六块磁钢的中间位置布设一块充磁方向水平向左的三角形磁钢，与实施例1相比，最主要的区别点在于两者的磁钢的排列方式不同，实施例2的磁钢充磁方向，使得相临近的磁钢沿充磁方向的顶角形成汇聚，实际生产中相同磁极汇聚到一起会形成磁极汇聚，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，所以该种排列方式效果比实施例1差，但是实验结果显示，其相对现有技术图1中的永磁体阵列结构仍能取得8～42％的磁场增益。
实施例3
阵列结构中，多边形磁钢块数Z，满足Z＝4*n+3，(n∈N*)其中第4*n，(n∈N*)块多边形永磁体可以用相同结构的软磁材料进行替换。因此，对于实施例2的所述的永磁体阵列，如果将其中一块磁钢用软磁体进行替换，则又能产生不同的效果。如图4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1中排列方式相比，其上方10mm的磁场强度下降15-30％，因此其对图1中的对比文件的磁体阵列上方的磁场强度仅能达到10-12％的增益。
而本发明的实施例1则不合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。
实施例4
导轨由若干个磁钢依次连接形成拓扑结构。参见图9，多边形磁钢采用一个正六边形结构永磁体，然后对正六边形永磁体进行等分切割，使之成为六块完全相同的等边三角形截面永磁体，六块完全相同的等边三角形磁钢形成如图9所示的六边形拓扑结构。
进一步的，如图10所示，对每一块三角形的永磁体每个角进行加倒角处理，倒角≥0.5mm*45°，以完成最终三角形截面永磁体的拓扑形状。对完成的三角形截面永磁体，进行正反方向的简单排布，即可形成如图2、3中所示的第一块磁钢与水平方向呈30°夹角的向右充磁方向。
相似的，与底边方向平行充磁的三角形截面磁钢其生产方式仅用将上述三角形永磁体进行30°的旋转即可完成。两个步骤所得到的等边三角形截面的永磁体即为本发明具体实施案例中图2、3中的永磁体。
进一步，多边形磁钢也可以六边形永磁体中切割而成。同上的方式，对一个空心的正六边形永磁体进行充磁及机加工，可以在单次充磁操作下获取更多的三角形磁钢。
进一步，通过调整采用的不同形状的永磁体，在充磁过程中可以完成不同角度的充磁，或者采用不同的切割方式，比如图11所示，切割后形成等腰梯形磁钢，然后通过旋转等腰梯形来拼合完成永磁体阵列，通过这种方法就可以对组成导轨的磁钢充磁方向进行设计和加工。优选的，多边形磁钢块采用三角形、等腰梯形和正六边形结构。
实施例5
拓扑结构中，导轨由正六边形和正三角形两种磁钢块拼合而成，参见图13，一组5个正六边形磁钢块并列设置，相邻的正六边形磁钢块之间设有两个正三角形磁钢块，两个正三角形以顶角为圆心上下对称设置，两个正三角形的充磁方向相同，正六边形的充磁方向为水平方向或垂直方形，正三角形的充磁方向与相邻的正六边形充磁方法的夹角为45°或者135°,正三角形的边长与正六边形的边长相同。
具体来说，左边第一块磁钢为正六边形磁钢，充磁方向为垂直向下，第二块正六边形磁钢，充磁方向为水平向右，后面的正六边形磁钢充磁方向为前一块正六边形磁钢的充磁方向逆时针转动90°后的角度，所以，5块正六边形磁钢的充磁方向依次为垂直向下，水平向右，垂直向上，水平向左和垂直向下。
第一组正三角形磁钢的充磁方向为沿水平向右方向顺时针转动30°，后一组正三角形磁钢的充磁方向为前一组正三角形的充磁方向逆时针转动90度后的角度。
这样形成的导轨，可以最大程度增强导轨表面的单边磁场。
应当指出，对于经充分说明的本发明来说，还可具有多种变换及改型的实施方案，并不局限于上述实施方式的具体实施例。上述实施例仅仅作为本发明的说明，而不是对本发明的限制。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型，且以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种磁悬浮列车用导轨，其特征在于，导轨由若干个多边形磁钢排列组合而成，组合方式为若干个多边形磁钢依次紧密排列形成拓扑结构，多边形磁钢为相同结构的多边形磁钢组合或者两种及以上不同结构的多边形磁钢组合而成；
多边形磁钢的边数为N+1，其中N为大于等于2的自然数；
相邻的磁钢充磁方向不同，并且相邻磁钢的充磁方向形成一定的夹角。
2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮列车用导轨，其特征在于，相邻的磁钢充磁方向形成夹角β，0°<β≤90°。
3.根据权利要求1所述的一种磁悬浮列车用导轨，其特征在于，拓扑结构中，多边形磁钢块数Z，满足Z＝4*n+3，(n∈N*)。
4.根据权利要求3所述的一种磁悬浮列车用导轨，其特征在于，多边形磁钢的拓扑结构中，第4*n，(n∈N*)块多边形永磁体用相同结构的软磁材料进行替换。
5.根据权利要求3所述的一种磁悬浮列车用导轨，其特征在于，多边形磁钢块的四周设有倒角，倒角≥0.5mm*45°。
6.根据权利要求1所述的一种磁悬浮列车用导轨，其特征在于，多边形磁钢块采用三角形、平行四边形、五边形或者六边形。
7.根据权利要求1所述的一种磁悬浮列车用导轨，其特征在于，拓扑结构中，采用同一种形状的多边形磁钢，多边形磁钢块采用正三角形，规定从左往右第一块三角形磁钢块的底边为水平方向，第一块三角形磁钢的充磁方向与水平向右方形的夹角为α，则
整个永磁体阵列组成的导轨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
8.根据权利要求1所述的一种磁悬浮列车用导轨，其特征在于，拓扑结构中，导轨由正六边形和正三角形两种磁钢块拼合而成，一组5个正六边形磁钢块并列设置，相邻的正六边形磁钢块之间设有两个正三角形磁钢块，两个正三角形以顶角为圆心上下对称设置，两个正三角形的充磁方向相同，正六边形的充磁方向为水平方向或垂直方形，正三角形的充磁方向与相邻的正六边形充磁方法的夹角为45°或者135°,正三角形的边长与正六边形的边长相同。
9.根据权利要求1所述的一种磁悬浮列车用导轨，其特征在于，磁钢块采用钕铁硼永磁体和钐钴永磁体等稀土永磁体制成。
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