CN112072885A - 超导长定子直线电机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超导磁悬浮列车的超导长定子直线电机，包括：安装于列车转向架轴线位置处的超导磁体，用于在列车两侧产生极性相反的第一磁场；多对长定子线圈，每对长定子线圈均匀铺设于轨道两侧的凹槽内，长定子线圈的中心线与超导磁体内的线圈的中心线等高，用于在轨道两侧分别形成沿轨道方向且极性相反的行波磁场使得行波磁场在第一磁场作用下产生作用于转向架几何中心处的第一合力，以实现列车牵引制动；多对8字形线圈，位于超导磁体和多对长定子线圈之间，用于在第一磁场的作用下产生用来控制列车处于平衡位置上的第二合力，以实现列车悬浮导向。本发明提高了牵引力密度和超导磁体的利用率，节省了磁浮列车的成本。

Description

超导长定子直线电机及其控制方法

技术领域

本发明涉及轨道交通领域，尤其是涉及一种用于超导磁悬浮列车的双边驱动的单磁体超导长定子直线电机及其控制方法。

背景技术

超导磁悬浮列车是将超导材料应用于磁悬浮的直线牵引电机而发展起来的独特列车系统。它利用了超导材料的零电阻恒流特性以及超导线圈通电后产生的强大磁场，将超导材料用于牵引直线电机，利用其牵引力驱动列车前进，列车前进过程中，可通过悬浮装置使得列车悬浮于轨道上方，与轨道无接触无摩擦，是当前超高速轨道交通的重要形式之一。

在现有超导牵引直线电机技术中，具有如下几种方案。第一，牵引力、悬浮力和导向力是同一个线圈产生。这种方法虽然可使磁悬浮列车的磁浮结构更加简单，但解耦控制的难度增大。第二，高速磁浮交通的电磁推进系统内的直线电机采用定子线圈实现牵引，并且使用永磁体实现列车悬浮，这种方法的内部结构相对冗余，牵引和悬浮能力的可靠性不足，永磁体的磁场强度不算大，列车悬浮气隙会很小，对轨道施工、车体制造的精度有较高要求。第三，仅利用超导线圈来实现列车悬浮，并且采用永磁同步电机实现列车牵引，由于永磁材料限制了直线电机的牵引力，该方案的牵引、制动性能略显不足。

另外，超导磁悬浮列车利用超导线圈零电阻恒流特性大大减少了悬浮消耗功率，并且具有自动悬浮导向的优势。但是由于超导材料价格昂贵，增加了列车成本，并且超导磁体在空气中形成的磁场有比较多的磁力线泄漏，存在较大的磁场辐射问题。较大的磁场辐射会对精密的电子设备造成干扰，比如：会影响手机/电脑等的信号质量、以及干扰心脏起搏器等设备的正常工作，因此，需要对列车车厢及周边环境采取良好的防辐射措施。此外，现有技术中的超导牵引直线电机常会出现，因内部结构导致电机控制的复杂度提高、牵引和悬浮力的性能不足或可靠性不足等问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于超导磁悬浮列车的超导长定子直线电机，包括：安装于列车转向架轴线位置处的超导磁体，其用于在完成励磁后在列车两侧产生极性相反的第一磁场；多对长定子线圈，每对长定子线圈均匀铺设于轨道两侧的凹槽内，所述长定子线圈的中心线与所述超导磁体内的线圈的中心线在同一水平面内，所述多对长定子线圈用于在轨道两侧分别形成沿轨道方向且极性相反的行波磁场，使得所述行波磁场在与所述第一磁场的耦合作用下产生作用于转向架中心轴线方向的第一合力，以实现列车牵引制动；多对8字形线圈，每对8字形线圈位于所述超导磁体和所述每对长定子线圈之间，且单侧8字形线圈固定于轨道凹槽的开口侧边缘处，用于在所述第一磁场的作用下产生用来控制列车处于平衡位置上的第二合力，以实现列车悬浮导向。

优选地，所述超导磁体包括：低温容器，所述低温容器为双层中空腔体，所述低温容器的内腔中充注储冷物质，所述低温容器的内腔壁与外腔壁之间通过支撑结构固定连接，所述低温容器的外腔采用真空层；第一超导线圈和第二超导线圈，所述第一超导线圈和第二超导线圈分别安装在低温容器内腔壁外侧的左、右侧。

优选地，所述每对8字形线圈按照预设间距铺设于轨道两侧的凹槽内，所述每对8字形线圈包括分别位于轨道两侧的第一8字形线圈和第二8字形线圈，所述第一8字形线圈和第二8字形线圈的中心线处于第一水平面内，所述第一水平面位于所述超导磁体内的线圈的中心线所处的第二水平面的上方，其中，所述第一水平面和所述第二水平面的距离为预设的第一距离。

优选地，所述每对长定子线圈包括分别位于轨道两侧的第一长定子线圈和第二长定子线圈，所述第一长定子线圈和所述第二长定子线圈结构相同且以相同绕接方式与外接交流电源器连接，其中，所述长定子线圈包括并联的第一单相线圈、第二单相线圈和第三单相线圈，所述第一单相线圈、所述第二单相线圈和所述第三单相线圈之间按预设极距沿轨道方向铺设，并分别与外接交流电源器的U、V和W相连接，所述外接交流电源器所提供的交流电源优选为三相对称交流电。

优选地，同组内的两个长定子线圈分别通入第一相位的三相对称交流电和第二相位的三相对称交流电，其中，所述第一相位和所述第二相位的相位差为180°。

优选地，所述外接交流电源器优选为变流器，其中，同侧轨道内相邻的同相长定子线圈串联。

优选地，所述第一超导线圈和第二超导线圈采用自闭合的短路线圈。

优选地，所述单侧8字形线圈分别与其同侧长定子线圈和所述超导磁体之间形成为气隙通道；所述每对8字形线圈的铺设间距优选为所述每对长定子线圈内每对单相线圈的铺设极距的1/3。

优选地，所述转向架包括：转向架本体，其与列车车体的底部连接，所述转向架本体的内部中心轴线位置处安装有所述超导磁体；支撑导向轮，其与列车U型轨道中间处的导向轮轨道的凹槽相匹配，用于在列车的行驶速度为预设的第一速度阈值范围时作为所述列车的提供支撑和导向装置。

另一方面，本发明还提供了一种用于超导长定子直线电机的控制方法，所述控制方法利用如上述所述的超导长定子直线电机对列车的牵引和悬浮导向进行控制，所述方法包括：安装于列车转向架轴线位置处的超导磁体在完成励磁后在列车两侧产生极性相反的第一磁场；在列车运行过程中，多对长定子线圈在轨道两侧分别形成沿轨道方向且极性相反的行波磁场，使得所述行波磁场在所述第一磁场的耦合作用下产生作用于转向架中心轴线方向的第一合力，以实现列车牵引或制动；以及位于所述超导磁体和所述多对长定子线圈之间的多对8字形线圈，在所述第一磁场的作用下产生用来控制列车处于平衡位置上的第二合力，以实现列车悬浮导向。

优选地，在多对长定子线圈在轨道两侧分别形成沿轨道方向且极性相反的行波磁场步骤中，包括：向分别位于轨道两侧的第一长定子线圈和第二长定子线圈，通入相应的三相对称交流电，从而产生所述行波磁场。

优选地，向同组内的两个长定子线圈分别通入第一相位的三相对称交流电和第二相位的三相对称交流电，其中，所述第一相位和所述第二相位的相位差为180°。

优选地，通过控制所述三相对称交流电的频率，调整所述列车的行驶速度，使得所述行驶速度与所述行波磁场的速度相一致，其中，按照如下表达式对所述列车的行驶速度进行控制：

v＝2fτ

其中，v表示所述行波磁场的速度，f表示三相对称交流电的频率，τ表示长定子线圈的极距。

优选地，通过控制所述三相对称交流电的相位和幅值，调整所述行波磁场的强度，从而控制所述列车的牵引力大小和行驶速度。

优选地，在列车的行驶速度为预设的第一速度阈值范围时，由所述转向架内的支撑导向轮作为所述列车的支撑和导向装置。

优选地，在列车的行驶速度为预设的第二速度阈值范围时，若所述列车产生位置偏移，则所述多对8字形线圈在所述第一磁场的作用下产生感应电流，并进一步对所述超导磁体产生不同方向的电磁力分力，从而通过各电磁力分力的合力形成为与当前偏移方向相反的所述第二合力，以控制所述列车返回至所述平衡位置，其中，所述平衡位置为在同组8字形线圈对所述超导磁体产生相同水平分力、并且对所述超导磁体产生的垂向悬浮力与列车重力平衡时列车所处的位置。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明提供一种用于超导磁悬浮列车的双边驱动的单磁体超导长定子直线电机及其控制方法。通过对列车转向架两侧的超导磁体改造为安装在转向架中心轴线位置处的单个超导磁体，在充分利用超导材料零电阻特性、闭合超导线圈恒流特性和超导磁体产生强磁场的基础上，对超导直线电机的结构进行设计，在节省成本的同时，简化超导直线电机磁路，一定程度上减轻磁场辐射。另外，本发明通过长定子线圈行波控制方法来控制列车牵引或制动，并且，采用8字形线圈来实现被动式的自悬浮和自导向控制，实现了牵引和悬浮导向的解耦控制，降低了列车控制的难度。综上所述，本发明提高了牵引力密度和超导磁体的利用率，节省了磁浮列车的成本。

虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明，但本领域技术人员应当理解，为并不旨在将本发明限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本申请实施例的现有技术中超导牵引直线电机的结构示意图。

图2为本申请实施例的超导长定子直线电机中长定子段的应用环境示意图。

图3为本申请实施例的超导长定子直线电机的横截面图。

图4为本申请实施例的超导长定子直线电机中实现牵引或制动功能的原理示意图。

图5为本申请实施例的超导长定子直线电机中实现悬浮导向功能的原理示意图。

图6为本申请实施例的超导长定子直线电机与现有超导牵引直线电机在磁浮受力方面的对比示意图。

图7为本申请实施例的超导长定子直线电机与现有超导牵引直线电机在磁路分布方面的对比示意图。

图8为本申请实施例的超导长定子直线电机中超导磁体6的内部结构示意图。

图9为本申请实施例的用于超导长定子直线电机的控制方法的步骤图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

超导磁悬浮列车是将超导材料应用于磁悬浮的直线牵引电机而发展起来的独特列车系统。它利用了超导材料的零电阻恒流特性以及超导线圈通电后产生的强大磁场，将超导材料用于牵引直线电机，利用其牵引力驱动列车前进，列车前进过程中，可通过悬浮装置使得列车悬浮于轨道上方，与轨道无接触无摩擦，是当前超高速轨道交通的重要形式之一。

现有超导电动悬浮列车采用超导长定子直线电机实现牵引驱动。图1为本申请实施例的现有技术中超导牵引直线电机的结构示意图。如图1所示，超导材料制成的超导线圈作为电机的次级安装在列车两侧的转向架上，长定子初级线圈则按照一定极距铺设于U形轨道两侧，超导线圈与长定子初级线圈之间还铺设了8字形悬浮线圈。由此，现有超导牵引直线电机的工作原理描述如下：充电完成的车载超导线圈安装于列车两侧转向架上，在两侧长定子线圈作用下分别受到力的作用，两侧受到的力传递到车体上形成沿轨道方向的合力，实现列车牵引或制动。列车前进时，超导线圈产生磁场与8字形悬浮线圈发生相对位移，8字形悬浮线圈中产生感应电流并形成相应磁场，超导线圈在感应电流磁场作用下产生列车悬浮力和导向力，实现与列车与轨道无机械接触。

在现有超导牵引直线电机技术中，具有如下几种方案。第一，牵引力、悬浮力和导向力是同一个线圈产生。这种方法虽然可使磁悬浮列车的磁浮结构更加简单，但解耦控制的难度增大。第二，高速磁浮交通的电磁推进系统内的直线电机采用定子线圈实现牵引，并且使用永磁体实现列车悬浮，这种方法的内部结构相对冗余，牵引和悬浮能力的可靠性不足，永磁体的磁场强度不算大，列车悬浮气隙会很小，对轨道施工、车体制造的精度有较高要求。第三，仅利用超导线圈来实现列车悬浮，并且采用永磁同步电机实现列车牵引，由于永磁材料限制了直线电机的牵引力，该方案的牵引、制动性能略显不足。

另外，超导磁悬浮列车利用超导线圈零电阻恒流特性大大减少了悬浮消耗功率，并且具有自动悬浮导向的优势。但是由于超导材料价格昂贵，增加了列车成本，并且超导磁体在空气中形成的磁场有比较多的磁力线泄漏，存在较大的磁场辐射问题。较大的磁场辐射会对精密的电子设备造成干扰，比如：会影响手机/电脑等的信号质量、以及干扰心脏起搏器等设备的正常工作，因此，需要对列车车厢及周边环境采取良好的防辐射措施。此外，现有技术中的超导牵引直线电机常会出现，因内部结构导致电机控制的复杂度提高、牵引和悬浮力的性能不足或可靠性不足等问题。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种用于超导磁悬浮列车的双边驱动的单磁体超导长定子直线电机。该电机将原有安装于列车转向架两侧的电机次级线圈超导磁体改造成位于列车转向架轴线位置处的超导次级线圈，该超导次级线圈能够在完成励磁后产生朝向列车两侧且极性相反的第一磁场。而后，在沿列车U型轨道方向上，按照预设极距铺设多对长定子线圈，每对长定子线圈包括两个长定子线圈，这两个长定子线圈分别设置于轨道两侧内侧处凹槽内，能够在轨道两侧分别形成沿轨道方向且极性相反的行波磁场，使得电机在行波磁场和上述第一磁场耦合作用下，产生作用于转向架轴线方向的第一合力，以实现列车牵引或制动。另外，在沿列车U型轨道方向上，按照预设间距铺设多对8字形线圈，每对8字形线圈包括两个8字形线圈，这两个8字形线圈分别设置于轨道两侧内侧处凹槽内、并且位于超导磁体和长定子线圈之间，能够在列车行驶过程中，使得电机在第一磁场的作用下产生用来控制列车处于平衡位置上的第二合力，以实现列车的被动式自动悬浮和自动导向。

这样，本发明采用在列车转向架轴线位置处安装一个超导磁体、并且U形轨道左右两侧长定子线圈共同牵引同一个超导磁体的方法，仅通过单磁体的双边驱动方式，提高了牵引力密度和超导磁体的利用了，节省了磁浮列车的成本。

图2为本申请实施例的超导长定子直线电机中长定子段的应用环境示意图。图3为本申请实施例的超导长定子直线电机的横截面图。如图3所示，本发明的超导长定子直线电机可分为长定子段和超导磁悬浮车两部分，具体包括：超导磁体6、多对长定子线圈和多对8字形线圈。其中，超导磁体6安装于列车底部的转向架5内的中心轴线(轴向为沿列车行驶方向)位置处。通常，转向架位于列车的底部中心轴线上。

需要说明的是，在本发明实施例中所述的列车是指超导磁悬浮列车。其中，通常，参考图2，超导磁悬浮列车所行驶的轨道为U型轨道2，U型轨道2作为整个超导长定子直线电机的底座，也是整个超导磁悬浮列车的轨道。具体地，U型轨道2的底部中心轴线处对称分布有两条支撑导向轮轨道，支撑导向轮轨道与磁悬浮列车的支撑导向轮组成轮轨结构，实现低速运行时的列车导向；U型轨道2的左右两侧背板的内侧(左右两侧的内侧)设置有相应的凹槽，两侧的凹槽沿同侧轨道方向延伸，用于安装超导长定子直线电机的定子线圈和悬浮导向线圈。

如图2所示，在沿列车U型轨道方向上，每对长定子线圈，按照预设距离，沿轨道方向均匀铺设在列车轨道的不同位置处的凹槽内。其中，每对长定子线圈包括两个长定子线圈3，分别为第一长定子线圈3和第二长定子线圈3。第一长定子线圈3和第二长定子线圈3分别铺设于轨道两侧内侧处的凹槽内。

进一步，如图2所示，在沿列车U型轨道方向上，同样的，每对8字形线圈(悬浮导向线圈)组，按照预设间距，沿轨道方向均匀铺设在列车轨道的不同位置处的凹槽内。其中，每对8字形线圈包括两个8字形线圈4，分别为第一8字形线圈4和第二8字形线圈4。第一8字形线圈4和第二8字形线圈4分别铺设于轨道两侧内侧处的凹槽内。

在列车行驶过程中，在轨道垂向截面中，每对8字形线圈位于超导磁体6与长定子线圈之间。也就是说，在列车行驶过程中，每对8字形线圈内的两侧8字形线圈4，分别位于超导磁体6和同位置处的长定子线圈之间。具体地，如图3所示，第一长定子线圈3位于同侧凹槽的底部(即，图3左侧凹槽内的左侧边缘处)，第二长定子线圈3位于同侧凹槽的底部(即，图3右侧凹槽内的右侧边缘处)。其中，第一8字形线圈4位于第一长定子线圈3的外侧(即凹槽的开口侧边缘位置)，第二8字形线圈4位于第二长定子线圈3的外侧(即凹槽的开口侧边缘位置)。

进一步，单侧8字形线圈4分别与其同侧长定子线圈3和(移动过来的)超导磁体6之间形成为相应的气隙通道。也就是说，对于每个8字形线圈4来说，8字形线圈4的两侧分别与长定子线圈3和超导磁体6之间均存在一定的机械气隙。

进一步，长定子线圈3由良导体多匝绕制而成，第一长定子线圈3和第二长定子线圈3的水平中心线(垂直穿过长定子线圈3的几何中心点的线)与超导磁体内的线圈的水平中心线(垂直穿过超导线圈几何中心点的线)在同一水平面(第二水平面)内。所有长定子线圈3均使用非铁磁材料固定在U型轨道2两侧背板(即凹槽底部位置)上。所有8字形线圈4均使用非铁磁材料固定在U型轨道2两侧背板凹槽的开口侧边缘位置处。

在实际应用过程中，超导磁体6作为超导长定子直线电机的次级，用于在完成励磁后，产生朝向列车两侧、并且极性相反的第一磁场。多对长定子线圈作为超导长定子直线电机的长定子初级线圈，用于向轨道两侧的长定子线圈分别通入三相对称交流电后，在轨道两侧分别形成沿轨道方向、并且极性相反的行波磁场，在列车行驶过程中使得行波磁场在与(不断向前移动的)第一磁场的耦合作用下，产生作用于列车转向架中心轴线方向的第一合力，以利用该第一合力实现列车牵引或制动功能。另外，多对8字形线圈作为超导长定子直线电机中用于产生悬浮和导向能力的线圈，用于在列车行驶过程中的(不断向前移动的)第一磁场的作用下，产生用来控制列车处于平衡位置上的第二合力，以实现列车悬浮及导向功能。其中，平衡位置为每对8字形线圈在对超导磁体6分别产生朝向列车转向架方向的且大小相同的水平分力、以及对超导磁体6产生的垂向悬浮力与列车重力平衡时，列车所处的位置。

本发明在利用超导材料零电阻特性、闭合超导线圈恒流特性和超导磁体产生强磁场的基础上，对超导直线电机的结构进行设计，在节省成本的同时简化了超导长定子直线电机的磁路，一定程度上减轻了磁场辐射。

图8为本申请实施例的超导长定子直线电机中超导磁体6的内部结构示意图。如图8所示，超导磁体6包括：第一超导线圈、第二超导线圈和低温容器。具体地，低温容器优选为双层中空腔体，内腔体中充注储冷物质。第一超导线圈和第二超导线圈安装外腔体(外腔体是指内层腔壁和外层腔壁之间的空间)中。更具体地说，第一超导线圈和第二超导线圈分别位于内腔体外壁的左、右侧壁处。其中，低温容器的外腔采用真空层，用来与容器外部进行隔热。由于在实际应用过程中，低温容器位于转向架中心轴线上，第一超导线圈和第二超导线圈是关于列车中心轴线相对称的。

第一超导线圈和第二超导线圈均使用超导材料多匝绕制而成，均采用自闭合的短路线圈，这两个超导线圈处于真空环境中。由于超导材料具有零电阻特性，当超导磁体6内的第一超导线圈和第二超导线圈励磁完成后，电流可在相应线圈内恒定流动。需要说明的是，在本发明实施例中，第一超导线圈和第二超导线圈构成一对超导线圈，超导线圈的对数可以为一组也可以为多组，本发明对超导线圈的总对数不作具体限定。其中，在超导线圈为多对时，每对超导线圈按照一定距离设置于内腔体外壁的左、右侧壁处。

进一步，为了能够产生在性能较好的悬浮和导向能力，在本发明实施例中，同组8字形线圈内的第一8字形线圈4和第二8字形线圈4的水平中心线(垂直穿过8字形线圈4的几何中心点的线)同处于第一水平面内。第一水平面位于超导磁体6内的线圈的水平中心线所处的第二水平面的上部位置处(上方)。其中，第一水平面和第二水平面之间的距离为预设的第一距离。由于8字线圈4属于自闭合线圈，上、下两个回路在中间交接处短接，需要使得其水平中心线略高于超导线圈的水平中心线。需要说明的是，本发明对上述第一距离不作具体限定，本领域技术人员可根据实际情况进行设置，使得第一磁场在不断移动过程中，穿过8字线圈4下方回路的磁力线略多于穿过8字线圈4上方回路的磁力线即可。

为了使得多对长定子线圈在轨道两侧产生沿轨道方向相反的且极性相反的行波磁场，在本发明实施例中，需要将每个长定子线圈3按照相同的绕接方式将其与外接电源器进行连接。其中，每个长定子线圈3的内部结构均相同。具体地，每个长定子线圈3(每个第一长定子线圈或第二长定子线圈)包括并联的第一单相线圈、第二单相线圈和第三单相线圈。第一单相线圈、第二单相线圈和第三单相线圈相互之间按预设极距沿轨道方向铺设，也就是说，在本发明实施例中，同侧轨道内相邻的单相线圈之间的距离为预设极距。第一单相线圈与外接交流电源器的U相输出端连接，第二单相线圈与外接交流电源器的V相输出端连接，第三单相线圈与外接交流电源器的W相输出端连接。

进一步，为了产生足够的竖直方向的合力使得列车能够实现悬浮，在本发明实施例中，相邻8字形线圈之间的间距优选为相邻单相线圈之间的极距的1/3。也就是说，在本发明实施例中，8字形线圈的总数是单相线圈总数的3倍。

进一步，外接交流电源器所提供的交流电源优选为三相对称交流电。另外，在同侧轨道处，相邻的同相长定子线圈(例：相邻的第一长定子线圈中的第一单相线圈或相邻的第二长定子线圈中的第一单相线圈)之间是串联连接的。

进一步，在本发明实施例中，外接交流电源器优选为变流器。

进一步，在本发明实施例中，同组内的两个长定子线圈分别通入第一相位的三相对称交流电和第二相位的三相对称交流电(也就是说，可以向同一组内的第一长定子线圈通入第一相位的三相对称交流电、并且向第二长定子线圈通入第二相位的三相对称交流电；也可以同一组内的第二长定子线圈通入第一相位的三相对称交流电、并且向第一长定子线圈通入第二相位的三相对称交流电)。其中，第一相位和第二相位的相位差为180°。这样，便能够在轨道两侧产生沿轨道不同方向(相反方向)的行波磁场，如图4所示。

进一步，如图3所示，本发明实施例中所述的转向架5包括：支撑导向轮和转向架本体。转向架本体与列车车体1的底部连接，其中，转向架本体内部的中心轴线位置处安装有超导磁体6。(一对)支撑导向轮与列车U型轨道中间处的导向轮轨道的(轨道)凹槽相匹配，用于在列车的行驶速度为预设的第一速度阈值范围(低速行驶)时作为列车的提供支撑和导向装置。支撑导向轮作为超导磁悬浮列车的支撑和导向装置，在列车行驶速度为第一速度阈值范围时(处于低速行驶状态时)，支撑导向轮与U型轨道2中间部分的导向轮轨道采用轮轨导向方式，保证列车运行方向；在列车行驶速度为预设的第二速度阈值范围时(处于高速行驶状态时)，支撑导向轮与U型轨道2分离。其中，在本发明实施例中，第二速度阈值范围的最小值大于第一速度阈值范围的最大值。

图4为本申请实施例的超导长定子直线电机中实现牵引或制动功能的原理示意图。下面参考图4，对本发明所述的超导长定子直线电机的牵引、制动功能的实现原理进行说明。在实际应用过程中，在使用外部制冷设备将超导磁体6内部进行降温，使得超导线圈进入超导态后，使用外接直流电源为超导磁体励磁，完成励磁后，断开外部电源并将超导磁体安装在转向架内部的中心轴线位置处作为长定子直线电机的次级动子。此时，一个超导磁体6中的两个自闭合超导线圈中分别流动着恒定电流，由此，产生强磁场。励磁时使得两个线圈中的电流方向相同，于是在列车两侧所产生的第一磁场的方向也恰好相反，对外则呈现出在列车两侧(转向架中心轴线两侧)产生相反的极性，组成了一对励磁磁极。列车运行过程中，变流器向位于轨道两侧的长定子线圈中通入三相对称交流电后，形成了沿不同的轨道方向(沿列车行驶方向和与列车行驶方向的相反方向)的行波磁场，通过控制两侧线圈中三相交流电相位相差180°，使得轨道两侧产生的行波磁场的极性恰好相反，如图4所示。

随着列车的不断移动行驶，轨道两侧的行波磁场分别与不断移动的超导磁体6所产生的第一磁场之间产生力的作用(参见图4中的分力1、分力2、分力3和分力4)，并且这些力与轨道垂直方向的力相互抵消，最终，对超导磁体6的几何中心点处(即转向架中心轴线方向)产生一个沿轨道方向的第一合力。具体地，如图4a所示，当第一合力与列车运行方向一致时，第一合力作用在转向架的中心轴线方向上，实现列车牵引；如图4b所示，当第一合力与列车运行方向相反时，第一合力作用在转向架的中心轴线方向上，实现列车制动。

进一步，在超导磁浮列车运行时，为保证列车受到持续稳定的第一合力，需要控制行波磁场的速度与列车运行速度相同。由于轨道两侧的长定子线圈所形成的行波磁场的速度由所输入的三相对称交流电决定，并利用如下表达式对列车的行驶速度(行波磁场的速度)进行控制：

v＝2fτ

其中，v表示行波磁场的速度，f表示三相对称交流电的频率，τ表示长定子线圈的极距(即相邻单相线圈之间的距离)。由此，在本发明实施例中，可通过改变交流电的频率来控制行波磁场沿轨道的速度，从而对列车的行驶速度进行控制。另外，还可以通过控制三相对称交流电的幅值和相位来控制行波磁场的强度，进而灵活控制牵引力或制动力的大小、以及列车速度。

图5为本申请实施例的超导长定子直线电机中实现悬浮导向功能的原理示意图。下面参考图5，对本发明所述的超导长定子直线电机的悬浮导向功能的实现原理进行说明。在列车的行驶速度为第二速度阈值范围(列车在高速下的悬浮状态行驶)时，若列车产生某一方向的位置偏移后，列车驶过当前轨道位置处的两侧8字形线圈(的上、下部线圈)在第一磁场的作用下产生感应电流，并进一步基于当前感应电流对超导磁体6产生不同方向上的相应的电磁力分力，从而通过各电磁力分力的合力形成为与当前偏移方向相反的第二合力，以控制列车返回至平衡位置(平衡位置即为下述的竖直平衡位置与水平平衡位置的交汇处)。由此，列车在发生位置偏移后，利用各电磁力分力的合力的水平方向分力实现了对列车的导向控制，并且，利用各电磁力分力的合力的竖直方向分力实现了对列车的悬浮控制。

首先，对悬浮原理进行说明。当列车前进时，车载超导磁体6形成的第一磁场与列车驶过轨道上所铺设的8字形线圈发生了相对位移，会在列车驶过某个轨道位置处(列车到达位置处的)的两侧8字形线圈的上半部、下半部内均感应出相反方向的感应电流。但是，由于两侧8字形线圈的水平中心线均略高于超导线圈的水平中心线，导致超导线圈所产生的磁力线穿过两侧8字形线圈的下半部要比穿过的上半部多。由此，下半部产生的感应电流比上半部所产生的感应电流要大，所以，单侧8字形线圈中的感应电流方向是与下半部感应电流的方向相同，感应电流进而产生感应磁场，感应磁场会对超导磁体6产生力的作用(参见图5中的电磁力F₁、电磁力F₂、电磁力F₃和电磁力F₄)，如图5所示(列车运动方向为垂直纸面向里)，电磁(分)力的大小由感应电流决定，与列车行驶速度正相关。因此，若仅考虑悬浮控制，两侧8字形线圈内的上、下回路对超导线圈6的电磁分力的合力有一个在竖直方向的悬浮分力(第二合力的竖直分力)。具体地，在列车行驶速度为第一速度阈值范围时(处于低速行驶状态时)，电磁(分)力两侧8字形线圈所产生的悬浮分力(第二合力的竖直分力)相对较小，不足以使列车处于悬浮状态，此时，列车使用支撑导向轮辅助受力，支撑导向轮的支撑力、悬浮分力以及列车重力平衡；在列车行驶速度为第二速度阈值范围时(处于高速行驶状态时)，两侧8字形线圈所产生的感应电流足够大，进一步在产生的悬浮分力(第二合力的竖直分力)与超导磁浮列车重力平衡时，就实现了支撑导向轮与U型轨道的分离，继而实现列车的悬浮，此时，列车所处的位置即为竖直平衡位置。

在列车处于悬浮运行时，若列车向下偏移，则穿过两侧8字形线圈下半部的磁力线增加，穿过两侧8字形线圈上半部的磁力线减少，总的感应电流增大，对超导线圈6的竖直方向的悬浮分力(第二合力的竖直分力)增大，使得列车向上移动以返回到平衡位置，实现被动式的自平衡。另外，若列车向上偏移，则穿过两侧8字形线圈下半部的磁力线相对于平衡位置处减少，穿过两侧8字形线圈上半部的磁力线增加，总的感应电流减小，对超导线圈6的竖直方向的悬浮分力(第二合力的竖直分力)减小，使得列车向下移动以返回到平衡位置，实现被动式的自平衡。

而后，对导向原理进行说明。如图5所示，导向力同样来源于列车驶过某个轨道位置处的两侧8字形线圈所产生的感应电流，在仅考虑导向时，U型轨道两侧的8字形线圈所产生的感应电流，对所有超导线圈都有力的作用，由于两侧8字形线圈的水平中心线均略高于超导线圈的水平中心线，均导致下半部线圈与超导线圈的重合面积、比上半部线圈与超导线圈的重合面积要大，所以，两侧8字形线圈的下半部对超导线圈的电磁分力F₂、F₄在水平方向也更大。于是，单侧8字形线圈上、下部分对超导线圈作用力F₁、F₂(或F₃、F₄)的合力，仍旧存在垂直于列车行驶方向且水平的分力(第二合力的水平分力)。当列车行驶在U形轨道轴线位置时，列车到达位置处的两侧8字形线圈中穿过的磁力线相同，感应电流相同，对超导线圈的水平分力(第二合力的水平分力)也相同，列车左、右方向平衡，此时，列车所处的位置即为水平平衡位置，从而实现正常导向。

当列车向左偏移时，超导线圈离左侧8字形线圈更近，更多磁力线穿过左侧8字形线圈，左侧8字形线圈会所产生的感应电流和感应磁场均比右侧强，左侧8字形线圈对超导线圈的水平分力(第二合力的水平分力)也比右侧大，因此，列车导向力整体表现为向右导向，使得列车向右移动以返回到平衡位置，实现被动式的自动导向。同样地，当列车向右偏移时，超导线圈离右侧8字形线圈更近，更多磁力线穿过右侧8字形线圈，右侧8字形线圈会所产生的感应电流和感应磁场均比左侧强，右侧8字形线圈对超导线圈的水平分力(第二合力的水平分力)也比左侧大，因此，列车导向力整体表现为向左导向，使得列车向左移动以返回到平衡位置，实现被动式的自动导向。

这样，本发明使用长定子线圈行波控制方法，来通过第一合力控制列车牵引或制动。另外，采用8字形线圈的被动式控制，来通过第二合力的竖直分力和水平分力分别实现列车的自动悬浮和自动导向，从而实现了牵引和悬浮导向的解耦控制，降低了列车控制的难度。

图6为本申请实施例的超导长定子直线电机与现有超导牵引直线电机在磁浮受力方面的对比示意图。本发明所述的双边驱动的单磁体超导长定子直线电机，转向架将仅受长定子线圈的牵引力影响，而不会受到牵引力所产生的力矩的影响，消除了转向架中牵引力力矩所产生的应力，能够对转向架的结构和强度的要求降低，从而进一步降低本发明所述的超导长定子直线电机的成本。

图6a展示了本发明实施例所述的超导长定子直线电机的磁浮受力情况。如图6a所示，单个超导磁体受双边长定子线圈的力的作用，通过超导磁体传递到转向架上的第一合力将直接相交于(作用于)转向架的几何中心处，并且，在几何中心位置处几乎不会产生相应的力矩。

图6b展示了现有超导牵引直线电机(参考图1)的磁浮受力情况。现有超导牵引直线电机中安装于转向架两侧的超导磁体，分别受到长定子线圈的力的作用，将超导磁体分别收到的力传递到转向架上时，并不相交于一点，相对转向架几何中心存在位移偏差，左、右两侧所受的力不仅会形成沿轨道方向的合力，还会在转向架两边产生方向相反的力矩，从而在转向架中会产生相应应力，进一步影响转向架的稳定性控制。

图7为本申请实施例的超导长定子直线电机与现有超导牵引直线电机在磁路分布方面的对比示意图。图7a展示了本发明实施例所述的超导长定子直线电机的磁路分布情况。如图7a所示，本发明实施例所述的超导长定子直线电机，两侧的长定子线圈与超导线圈共同形成了由超导线圈→左侧长定子线圈→右侧长定子线圈→超导线圈的闭合回路，在一定程度上简化了现有超导直线电机所形成的磁路，减小了磁场泄漏。图7b展示了现有超导牵引直线电机(参考图1)的磁路分布情况。如图7b所示，现有超导牵引直线电机是由左、右两侧的超导磁体和长定子线圈分别组成相对于列车车体左、右两侧的闭合磁路。

另一方面，本发明基于上述超导长定子直线电机，提出了一种用于超导长定子直线电机的控制方法。该控制方法利用上述所述的超导长定子直线电机对超导磁悬浮列车的牵引和悬浮导向进行解耦控制。图9为本申请实施例的用于超导长定子直线电机的控制方法的步骤图。

如图9所示，步骤S910使用外部制冷设备控制安装于列车转向架轴线位置处的超导磁体6进入超导态，并对超导磁体6进行励磁控制，使其在完成励磁后，在列车两侧产生极性相反的第一磁场，从而进入到步骤S920中。

步骤S920在列车运行过程中，多对长定子线圈在轨道两侧分别形成沿轨道方向且极性相反的行波磁场，使得所产生的行波磁场在第一磁场的耦合作用下，产生作用于转向架中心轴线方向(几何中心点)的第一合力，以实现列车牵引或制动功能。与此同时，步骤S930位于超导磁体6和多对长定子线圈之间的多对8字形线圈，在第一磁场的作用下，产生用来控制列车处于平衡位置上的第二合力，以实现列车悬浮导向。

进一步，在多对长定子线圈在轨道两侧分别形成沿轨道方向且极性相反的行波磁场过程中，包括：向分别位于轨道两侧的第一长定子线圈和第二长定子线圈，通入相应的三相对称交流电，从而产生上述行波磁场。具体地，需要向同组内的两个长定子线圈分别通入第一相位的三相对称交流电和第二相位的三相对称交流电。其中，上述第一相位和第二相位的相位差为180°。

进一步，在本发明实施例所述的控制方法中，通过控制上述三相对称交流电的频率，调整当前列车的行驶速度，使得列车行驶速度与行波磁场的速度相一致。其中，按照如下表达式对所述列车的行驶速度进行控制：

v＝2fτ

其中，v表示所述行波磁场的速度，f表示三相对称交流电的频率，τ表示长定子线圈的极距。

进一步，在本发明实施例所述的控制方法中，还需要通过控制上述三相对称交流电的相位和幅值，调整行波磁场的强度，从而灵活控制列车的牵引力大小和行驶速度。

进一步，在本发明实施例所述的控制方法中，在列车的行驶速度为预设的第一速度阈值范围时，由转向架5内的支撑导向轮作为当前列车的提供支撑和导向装置。

进一步，在本发明实施例所述的控制方法中，在列车的行驶速度为预设的第二速度阈值范围时，若当前列车产生位置偏移，则列车到达位置处的两侧8字形线圈在第一磁场的作用下产生感应电流，并进一步对超导磁体6产生不同方向的电磁力分力，从而通过各电磁力分力的合力形成为与当前偏移方向相反的第二合力，以控制列车返回至平衡位置。其中，当前平衡位置为在同组8字形线圈对超导磁体6产生相同水平分力时、并且当前同组8字形线圈对超导磁体6产生的垂向悬浮力与列车重力平衡时，列车所处的位置。

本发明提出了一种用于超导磁悬浮列车的超导长定子直线电机及其控制方法。通过对列车转向架两侧的超导磁体改造为安装在转向架中心轴线位置处的单个超导磁体，在充分利用超导材料零电阻特性、闭合超导线圈恒流特性和超导磁体产生强磁场的基础上，对超导直线电机的结构进行设计，在节省成本的同时，简化超导直线电机磁路，一定程度上减轻磁场辐射。另外，本发明通过长定子线圈行波控制方法来控制列车牵引制动，并且，采用8字形线圈来实现被动式的自悬浮和自导向控制，实现了牵引和悬浮导向的解耦控制，降低了列车控制的难度。综上所述，本发明提高了牵引力密度和超导磁体的利用率，节省了磁浮列车的成本。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (16)

1.一种用于超导磁悬浮列车的超导长定子直线电机，包括：

安装于列车转向架轴线位置处的超导磁体，其用于在完成励磁后在列车两侧产生极性相反的第一磁场；

多对长定子线圈，每对长定子线圈均匀铺设于轨道两侧的凹槽内，所述长定子线圈的中心线与所述超导磁体内的线圈的中心线在同一水平面内，所述多对长定子线圈用于在轨道两侧分别形成沿轨道方向且极性相反的行波磁场，使得所述行波磁场在与所述第一磁场的耦合作用下产生作用于转向架中心轴线方向的第一合力，以实现列车牵引制动；

多对8字形线圈，每对8字形线圈位于所述超导磁体和所述每对长定子线圈之间，且单侧8字形线圈固定于轨道凹槽的开口侧边缘处，用于在所述第一磁场的作用下产生用来控制列车处于平衡位置上的第二合力，以实现列车悬浮导向。

2.根据权利要求1所述的超导长定子直线电机，其特征在于，所述超导磁体包括：

低温容器，所述低温容器为双层中空腔体，所述低温容器的内腔中充注储冷物质，所述低温容器的内腔壁与外腔壁之间通过支撑结构固定连接，所述低温容器的外腔采用真空层；

第一超导线圈和第二超导线圈，所述第一超导线圈和第二超导线圈分别安装在低温容器内腔壁外侧的左、右侧。

3.根据权利要求1或2所述的超导长定子直线电机，其特征在于，所述每对8字形线圈按照预设间距铺设于轨道两侧的凹槽内，所述每对8字形线圈包括分别位于轨道两侧的第一8字形线圈和第二8字形线圈，所述第一8字形线圈和第二8字形线圈的中心线处于第一水平面内，所述第一水平面位于所述超导磁体内的线圈的中心线所处的第二水平面的上方，其中，所述第一水平面和所述第二水平面的距离为预设的第一距离。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的超导长定子直线电机，其特征在于，所述每对长定子线圈包括分别位于轨道两侧的第一长定子线圈和第二长定子线圈，所述第一长定子线圈和所述第二长定子线圈结构相同且以相同绕接方式与外接交流电源器连接，其中，所述长定子线圈包括并联的第一单相线圈、第二单相线圈和第三单相线圈，所述第一单相线圈、所述第二单相线圈和所述第三单相线圈之间按预设极距沿轨道方向铺设，并分别与外接交流电源器的U、V和W相连接，所述外接交流电源器所提供的交流电源优选为三相对称交流电。

5.根据权利要求4所述的超导长定子直线电机，其特征在于，同组内的两个长定子线圈分别通入第一相位的三相对称交流电和第二相位的三相对称交流电，其中，所述第一相位和所述第二相位的相位差为180°。

6.根据权利要求4或5所述的超导长定子直线电机，其特征在于，所述外接交流电源器优选为变流器，其中，同侧轨道内相邻的同相长定子线圈串联。

7.根据权利要求2所述的超导长定子直线电机，其特征在于，所述第一超导线圈和第二超导线圈采用自闭合的短路线圈。

8.根据权利要求3所述的超导长定子直线电机，其特征在于，

所述单侧8字形线圈分别与其同侧长定子线圈和所述超导磁体之间形成为气隙通道；

所述每对8字形线圈的铺设间距优选为所述每对长定子线圈内每对单相线圈的铺设极距的1/3。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的超导长定子直线电机，其特征在于，所述转向架包括：

转向架本体，其与列车车体的底部连接，所述转向架本体的内部中心轴线位置处安装有所述超导磁体；

支撑导向轮，其与列车U型轨道中间处的导向轮轨道的凹槽相匹配，用于在列车的行驶速度为预设的第一速度阈值范围时作为所述列车的提供支撑和导向装置。

10.一种用于超导长定子直线电机的控制方法，其特征在于，所述控制方法利用如权利要求1～9中任一项所述的超导长定子直线电机对列车的牵引和悬浮导向进行控制，所述方法包括：

安装于列车转向架轴线位置处的超导磁体在完成励磁后在列车两侧产生极性相反的第一磁场；

在列车运行过程中，多对长定子线圈在轨道两侧分别形成沿轨道方向且极性相反的行波磁场，使得所述行波磁场在所述第一磁场的耦合作用下产生作用于转向架中心轴线方向的第一合力，以实现列车牵引或制动；以及

位于所述超导磁体和所述多对长定子线圈之间的多对8字形线圈，在所述第一磁场的作用下产生用来控制列车处于平衡位置上的第二合力，以实现列车悬浮导向。

11.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，在多对长定子线圈在轨道两侧分别形成沿轨道方向且极性相反的行波磁场步骤中，包括：

向分别位于轨道两侧的第一长定子线圈和第二长定子线圈，通入相应的三相对称交流电，从而产生所述行波磁场。

12.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于，

向同组内的两个长定子线圈分别通入第一相位的三相对称交流电和第二相位的三相对称交流电，其中，所述第一相位和所述第二相位的相位差为180°。

13.根据权利要求11或12所述的控制方法，其特征在于，通过控制所述三相对称交流电的频率，调整所述列车的行驶速度，使得所述行驶速度与所述行波磁场的速度相一致，其中，按照如下表达式对所述列车的行驶速度进行控制：

v＝2fτ

其中，v表示所述行波磁场的速度，f表示三相对称交流电的频率，τ表示长定子线圈的极距。

14.根据权利要求11或12所述的控制方法，其特征在于，通过控制所述三相对称交流电的相位和幅值，调整所述行波磁场的强度，从而控制所述列车的牵引力大小和行驶速度。

15.根据权利要求10～14中任一项所述的控制方法，其特征在于，

在列车的行驶速度为预设的第一速度阈值范围时，由所述转向架内的支撑导向轮作为所述列车的支撑和导向装置。

16.根据权利要求10～14中任一项所述的控制方法，其特征在于，

在列车的行驶速度为预设的第二速度阈值范围时，若所述列车产生位置偏移，则所述多对8字形线圈在所述第一磁场的作用下产生感应电流，并进一步对所述超导磁体产生不同方向的电磁力分力，从而通过各电磁力分力的合力形成为与当前偏移方向相反的所述第二合力，以控制所述列车返回至所述平衡位置，其中，所述平衡位置为在同组8字形线圈对所述超导磁体产生相同水平分力、并且对所述超导磁体产生的垂向悬浮力与列车重力平衡时列车所处的位置。

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