CN111865046B - 传力装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超导电力应用技术领域，公开了一种传力装置。该装置包括超导骨架、内杜瓦、冷屏、外壳和传力杆，设置有超导线圈的超导骨架置于内杜瓦中通过第一连接件与内杜瓦连接，冷屏设置在内杜瓦外，传力杆从超导线圈的中心依次穿过内杜瓦和冷屏且与内杜瓦连接而与冷屏不接触，外壳设置在冷屏外且具有与伸出冷屏的传力杆配合的外凸部分，外凸部分内部与传力杆连接且外凸部分外部与运动载体连接，外壳和内杜瓦间为真空层，冷屏与内杜瓦和外壳通过第二连接件连接，在超导线圈与外部线圈相互作用产生电磁力的情况下，超导线圈的电磁力通过超导骨架、第一连接件、内杜瓦、传力杆和外壳传递至运动载体。由此，实现高载荷传力装置的轻量化设计。

Description

传力装置

技术领域

本发明涉及超导电力应用技术领域，尤其涉及一种传力装置。

背景技术

超导磁体因其产生磁场大、体积小、重量轻和损耗低等诸多优点，常常应用于超高速环境中，如超高速磁悬浮列车，超高速电磁弹射，高速立体水库等领域。以超高速磁悬浮列车中超导直线电机为例，超导磁体作为超导直线电机的动子部分，超导磁体产生的磁场与直线电机定子部分产生的磁场相互作用，在超导磁体中产生巨大的推力，使超导磁体快速向前推进。

众所周知，超导磁体与外部线圈磁场相互作用产生的力为电磁力，首先作用在超导磁体内的超导线圈中。如何将超导线圈的电磁力传递到外部车体或其他运动载体中，使得车体和其他运动载体受超导线圈传递而来的电磁力高速运动是核心问题之一。尤其是在有限的超导磁体空间内，且对超导磁体有轻量化要求的前提下，超导磁体必须要有一种传力装置，将超导线圈的电磁力传递至运动载体上。

由于现阶段大部分超导应用中，对运动的超导磁体没有太多的重量和空间限制，且超导磁体所受载荷不大，因此目前的超导磁体内部并没有设计特定的电磁力传力转置，而是直接将超导线圈与超导磁体外壳采用支撑部件连接，超导磁体与外部运动载体采用螺接或嵌入式连接。如图1(图1为现有技术中的一种常规超导磁体传力示意图)所示，超导磁体的传力路径为超导线圈的电磁力通过支撑部件传递至超导磁体外壳上，再通过螺栓或其他结构件将电磁力由超导磁体外壳传递至运动载体上，从而运动载体受力而运动。

上述现有的传力方法比较常规，目前大部分超导磁体均采用此方案，但将所有传力支撑部件放置于超导磁体内部会导致超导磁体质量和空间变大，通常不适用于对超导磁体质量和空间要求较高的应用下，如超高速磁悬浮列车和超音速电磁发射等领域；另外直接在运动载体开槽或螺接，对运动载体的结构强度，以及外形要求较高，维护难度较大，一般难以长时间运行。

发明内容

本发明提供了一种传力装置，能够解决现有技术中传力部件造成超导磁体质量和空间变大及对运动载体要求高的技术问题。

本发明提供了一种传力装置，其中，该装置包括用于支撑超导线圈的超导骨架、内杜瓦、冷屏、外壳和传力杆，其中，

设置有超导线圈的超导骨架置于所述内杜瓦中并通过第一连接件与所述内杜瓦连接，所述内杜瓦中存放有制冷介质用于冷却所述超导线圈，所述冷屏设置在所述内杜瓦外，所述传力杆从所述超导线圈的中心依次穿过所述内杜瓦和所述冷屏且与所述内杜瓦连接而与所述冷屏不接触，所述外壳设置在所述冷屏外且具有与伸出所述冷屏的传力杆配合的外凸部分，所述外凸部分内部与所述传力杆连接且所述外凸部分外部与运动载体连接，所述外壳和所述内杜瓦之间为真空层，所述冷屏与所述内杜瓦和所述外壳通过第二连接件连接，在所述超导线圈与外部线圈相互作用产生电磁力的情况下，所述超导线圈的电磁力依次通过所述超导骨架、所述第一连接件、所述内杜瓦、所述传力杆和所述外壳传递至所述运动载体。

优选地，该装置还包括缓冲层，设置在所述外壳的外凸部分外部与所述运动载体之间。

优选地，所述外凸部分外部与运动载体之间为螺接或嵌入式连接。

优选地，所述传力杆位于所述超导线圈侧的一端为空心结构。

优选地，所述超导线圈缠绕在所述超导骨架上，所述超导线圈和所述超导骨架通过张力控制和后续固化工艺固定在一起。

优选地，所述超导骨架、所述内杜瓦和所述外壳的材料为金属。

优选地，所述金属为不锈钢或钛合金。

优选地，所述冷屏的材料为高电导率材料。

优选地，所述高电导率材料为银、铜或铝。

优选地，所述缓冲层的材料为聚四氟乙烯或聚苯乙烯。

通过上述技术方案，可以将超导线圈设置在超导骨架上并置于内杜瓦中，在所述内杜瓦外设置冷屏以防止超导线圈失超和漏热，设置传力杆从所述超导线圈的中心依次穿过所述内杜瓦和所述冷屏且与所述内杜瓦连接而与所述冷屏不接触，并在冷屏外设置具有与伸出所述冷屏的传力杆配合的外凸部分的外壳，外凸部分实现与运动载体的连接。由此，超导线圈可以通过超导骨架、内杜瓦、传力杆和外壳进行力传递，最终将超导线圈的电磁力传递至运动载体上，使运动载体受力随之运动。相比于现有技术，本发明的传力装置支撑部件较少，使得超导磁体内部结构简单，有空间余量，从而能在非常有限的空间内，实现高载荷传力装置的轻量化设计。

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为现有技术中的一种常规超导磁体传力示意图；

图2为根据本发明实施例的一种传力装置的结构示意图；

图3为根据本发明实施例的外壳与运动载体之间的缓冲层的示意图；

图4为根据本发明实施例的传力杆截面示意图；

图5为根据本发明实施例的超导线圈与运动载体之间的力传递流程图。

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。

图2为根据本发明实施例的一种传力装置的结构示意图。

其中，本发明所述的传力装置可以应用于超高速超导磁体电磁力的传递。

如图2所示，本发明实施例公开了一种传力装置，其中，该装置包括用于支撑超导线圈1的超导骨架2、内杜瓦3、冷屏4、外壳5和传力杆6，其中，

设置有超导线圈1的超导骨架2置于所述内杜瓦3中并通过第一连接件与所述内杜瓦3连接，所述内杜瓦3中存放有制冷介质用于冷却所述超导线圈1，所述冷屏4设置在所述内杜瓦3外，所述传力杆6从所述超导线圈1的中心依次穿过所述内杜瓦3和所述冷屏4且与所述内杜瓦3连接而与所述冷屏4不接触，所述外壳5设置在所述冷屏4外且具有与伸出所述冷屏4的传力杆6配合的外凸部分，所述外凸部分内部与所述传力杆6连接且所述外凸部分外部与运动载体7连接，所述外壳5和所述内杜瓦3之间为真空层，所述冷屏4与所述内杜瓦3和所述外壳5通过第二连接件连接，在所述超导线圈1与外部线圈相互作用产生电磁力的情况下，所述超导线圈1的电磁力依次通过所述超导骨架2、所述第一连接件、所述内杜瓦3、所述传力杆6和所述外壳5传递至所述运动载体7。

通过上述技术方案，可以将超导线圈设置在超导骨架上并置于内杜瓦中，在所述内杜瓦外设置冷屏以防止超导线圈失超和漏热，设置传力杆从所述超导线圈的中心依次穿过所述内杜瓦和所述冷屏且与所述内杜瓦连接而与所述冷屏不接触，并在冷屏外设置具有与伸出所述冷屏的传力杆配合的外凸部分的外壳，外凸部分实现与运动载体的连接。由此，超导线圈可以通过超导骨架、内杜瓦、传力杆和外壳进行力传递，最终将超导线圈的电磁力传递至运动载体上，使运动载体受力随之运动。相比于现有技术，本发明的传力装置支撑部件较少，使得超导磁体内部结构简单，有空间余量，从而能在非常有限的空间内，实现高载荷传力装置的轻量化设计。

换言之，本发明通过将电磁学和结构力学相结合，在超高速和高载荷环境下用于超导磁体电磁力的传递，最终可通过此传力装置将超导线圈所受的电磁力可靠地传递至运动载体上，解决了超导磁体在高载荷和超高速环境下电磁力的传递问题。

其中，超导线圈1为超导磁体的核心部件，由超导线材绕制而成，励磁后能产生安全可靠磁场，与超导磁体外部线圈相互作用产生电磁力。

举例来讲，第一连接件可以为螺栓，超导骨架2与内杜瓦3通过螺栓固定连接。其中，螺栓的型号和数量可以根据超导线圈所受电磁力大小确定，本发明不对此进行限定。例如，可以采用6-8个M10以上的螺栓固定。

其中，内杜瓦3可以是存放制冷介质的密封容器。内杜瓦3中的制冷介质可以将超导线圈1冷却至工作温度(对于高温超导线圈而言，冷却至77K及以下；对于低温超导线圈而言，冷却至4.2K)。同时，如上所述，内杜瓦3可以实现力的传递，将超导骨架2传递过来的力传递至传力杆上。

举例来讲，制冷介质可以为液氦，但本发明不限于此。

根据本发明一种实施例，第二连接件可以为细螺栓，冷屏4通过细螺栓分别与内杜瓦3和外壳5连接。

在本发明中，冷屏非承力装置，因而可以与传力杆不直接接触，例如可以通过将冷屏上用于穿过传力杆的开口的尺寸设置为大于传力杆的尺寸，使传力杆顺利穿过冷屏，从而避免冷屏与传力杆的直接接触。并且，采用细螺栓仅仅为了固定冷屏，防止超导磁体在高载荷超高速环境下导致冷屏振动过大，最终引起结构破坏。

根据本发明一种实施例，外壳5也称为超导磁体的外杜瓦，通过与内杜瓦3之间设置真空层为超导磁体为磁体的运行提供一个超高真空环境，减小空气的热传导，减小制冷介质的消耗量和系统的热负载；同时，外壳5可以作为承力和传力装置，外壳5将受到来自传力杆6的力，并将力传递至运动载体7上。

对于外壳5的外凸部分(即，外壳5与传力杆6接触的部分，是外壳主要受力位置)，该部分可以根据传递力的大小进行适当的局部加强，如外凸部分加厚等方式。外壳5的外凸部分内部与传力杆6例如可以为螺纹连接，如图2所示，一般在传力杆的前端进行螺纹连接(若在超导磁体总装时难度可能较大，也可采用嵌入式连接，具体连接方式可以视超导磁体的实际情况而定)，从图2可以容易看出，外壳5同时可起到真空保护作用，其真空主要集中在内杜瓦3、外壳5和传力杆6之间。外壳5不与内杜瓦3和冷屏4直接接触，可以减少系统漏热。

对于传力杆6而言，它连接着内杜瓦3、外壳5以及运动载体7，承担来自超导骨架2的力，同时需要将超导骨架2的力传递至外壳5上，最终传递至运动载体7上，使运动载体受力而运动。

其中，传力杆6与内杜瓦3可以采用螺纹连接，且传力杆6可以不与超导骨架2直接接触。举例来讲，为了避免直接接触，传力杆6可以穿过超导骨架2中心的圆孔与内杜瓦3连接；可替换地，也可以使内杜瓦3具有能够穿过超导骨架2中心的圆孔与超导骨架2嵌入式连接的外凸部，所述传力杆6插入内杜瓦3的外凸部与外凸部连接(螺纹连接或嵌入式连接)。传力杆6是承力和传力的核心部件，因此对材料要求比较高，具体材料可以视载荷要求而定，一般可采用钛合金和G10材料，但本发明不限于此。

举例来讲，传力杆6与内杜瓦3之间的螺纹连接优选为采用梯形螺纹或细牙螺纹方式，以更好地与内杜瓦3可靠固定，但本发明非不限于此。

由此，可以增加传力杆咬合度，防止超高速下传力杆的径向和轴向力过大使传力杆破坏。

图3为根据本发明实施例的外壳与运动载体之间的缓冲层的示意图。

如图3所示，该装置还包括缓冲层8，设置在所述外壳5的外凸部分外部与所述运动载体7之间。

在超导磁体与运动载体实际运动过程中，不可避免地受外界的机械扰动，因此超导磁体或运动载体会产生随机振动。为此，通过在超导磁体外壳和运动载体之间填充缓冲层，可在超导磁体或运动载体产生随机振动时，有效减小两者之间的相对位移，减轻由外界机械干扰带来的机械振动，具有减振效果，提高了系统的可靠性和安全性。

举例来讲，缓冲层可先包裹在超导磁体外壳上，再采用过盈配合方式进行连接，使外壳和运动载体表面产生弹性压力，从而获得紧固的连接。

根据本发明一种实施例，所述外凸部分外部与运动载体7之间为螺接或嵌入式连接。

其中，运动载体结构形式可根据实际情况而定，当传力杆将力传递至运动载体后，运动载体受力而与超导磁体共同运动。运动载体可以采用高强度非导磁材料。

图4为根据本发明实施例的传力杆截面示意图。

如图4所示，所述传力杆6位于所述超导线圈1侧的一端为空心结构。

传力杆是连接内杜瓦和运动载体的，即温差由77K(高温超导线圈)或4.2K(低温超导线圈)直接到室温300K，因此传力杆的热传导是超导磁体系统的主要漏热之一。若传力杆采用实心结构，系统的漏热将会非常大，尤其在低温超导磁体中，将存不住制冷介质(例如，液氦)。因此为了减少传力杆的热传导，降低超导磁体的系统漏热，传力杆在承力较小的部位可以为部分空心结构，如图4所示。通过设置空心结构部分，可以在降低系统漏热的同时减轻超导磁体的一部分重量。另外可在合理的范围内，可以将传力杆进一步加长，减少漏热。根据传力杆的一维稳态传热方程可知，传力杆空心面积越大，长度越长，其漏热越小。而在运动载体一侧，传力杆由于受力过大，因此需要采用实心结构。

根据本发明一种实施例，所述超导线圈1缠绕在所述超导骨架2上，所述超导线圈1和所述超导骨架2通过张力控制和后续固化工艺固定在一起。

通过设置超导骨架2可以支撑超导线圈1，在绕线和固化时起支撑作用，增加超导线圈的结构强度。同时，可以将超导线圈1所受的电磁力传递至内杜瓦3上。

根据本发明一种实施例，所述超导骨架2、所述内杜瓦3和所述外壳5的材料为金属。

根据本发明一种实施例，所述金属为不锈钢(例如，316L不锈钢)或钛合金。

超导骨架2采用例如金属的高强度非导磁材料，可以在不影响超导线圈产生的磁场的情况下，更好地实现支撑和传力作用。

与超导骨架类似，内杜瓦3也可以采用例如金属的高强度非导磁材料，以更好地实现传力作用。

由于外壳5也为承力和传力部件，因此与超导骨架2类似，外壳也可以采用高强度非导磁材料制作而成。必要时，可以根据实际情况在受力严重的位置进行局部加强。

根据本发明一种实施例，所述冷屏4的材料为高电导率材料。

根据本发明一种实施例，所述高电导率材料可以为银、铜或铝(例如，高纯铝)。

根据本发明一种实施例，所述缓冲层8的材料为聚四氟乙烯或聚苯乙烯。

本领域技术人员应当理解，上述缓冲层的材料的描述仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。只要是具有机械强度好、缓冲性能优异、易于模塑成型且温度适应性强等特点的填充材料均可以用作本发明的缓冲层。

图5为根据本发明实施例的超导线圈与运动载体之间的力传递流程图。

如图5所示，首先超导线圈的磁场与外界线圈的磁场相互作用，从而在超导线圈产生电磁力；超导线圈与超导骨架固化连接，因此可以将超导线圈的力传递至超导骨架上；超导骨架与内杜瓦例如进行螺栓连接，因此超导骨架的力可传递至螺栓及内杜瓦上；内杜瓦与传力杆例如进行螺纹连接，因此内杜瓦的力又传递至传力杆上；传力杆与超导磁体外壳例如可以通过螺纹连接，从而可以将力传递至外壳的外凸部分上，超导磁体外壳的外凸部分与运动载体例如可以通过螺纹连接或嵌入式连接形式，从而可将外壳的力传递至运动载体上。

从上述实施例可以看出，本发明所述的传力装置可以应用于超高速超导磁体电磁力的传递，当超导磁体处于超高速、高载荷和高振动环境下，该传力装置可有效地将超导线圈的电磁力传递至运动载体中，且相对于常规方法，可以减小超导磁体的重量，简化超导磁体内部结构，减少超导磁体体积。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

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 (10)

1.一种传力装置，其特征在于，该装置包括用于支撑超导线圈(1)的超导骨架(2)、内杜瓦(3)、冷屏(4)、外壳(5)和传力杆(6)，其中，

设置有超导线圈(1)的超导骨架(2)置于所述内杜瓦(3)中并通过第一连接件与所述内杜瓦(3)连接，所述内杜瓦(3)中存放有制冷介质用于冷却所述超导线圈(1)，所述冷屏(4)设置在所述内杜瓦(3)外，所述传力杆(6)从所述超导线圈(1)的中心依次穿过所述内杜瓦(3)和所述冷屏(4)且与所述内杜瓦(3)连接而与所述冷屏(4)不接触，所述外壳(5)设置在所述冷屏(4)外且具有与伸出所述冷屏(4)的传力杆(6)配合的外凸部分，所述外凸部分内部与所述传力杆(6)连接且所述外凸部分外部与运动载体(7)连接，所述外壳(5)和所述内杜瓦(3)之间为真空层，所述冷屏(4)与所述内杜瓦(3)和所述外壳(5)通过第二连接件连接，在所述超导线圈(1)与外部线圈相互作用产生电磁力的情况下，所述超导线圈(1)的电磁力依次通过所述超导骨架(2)、所述第一连接件、所述内杜瓦(3)、所述传力杆(6)和所述外壳(5)传递至所述运动载体(7)，其中所述制冷介质为液氦。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括缓冲层(8)，设置在所述外壳(5)的外凸部分外部与所述运动载体(7)之间。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述外凸部分外部与运动载体(7)之间为螺接或嵌入式连接。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传力杆(6)位于所述超导线圈(1)侧的一端为空心结构。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，所述超导线圈(1)缠绕在所述超导骨架(2)上，所述超导线圈(1)和所述超导骨架(2)通过张力控制和后续固化工艺固定在一起。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，所述超导骨架(2)、所述内杜瓦(3)和所述外壳(5)的材料为金属。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述金属为不锈钢或钛合金。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，所述冷屏(4)的材料为高电导率材料。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述高电导率材料为银、铜或铝。

10.根据权利要求2或3任一项所述的装置，其特征在于，所述缓冲层的材料为聚四氟乙烯或聚苯乙烯。

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