CN112140898A - 用于磁浮列车的电磁悬浮结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于磁浮列车的电磁悬浮结构，电磁悬浮结构包含间隔布置在磁悬浮列车车体底部的多个超导悬浮架和多个常导悬浮架，其中：超导悬浮架，其包含超导磁体、低温杜瓦以及第一支撑结构，用于提供磁悬浮列车车体与悬浮轨道之间的悬浮吸力；常导悬浮架，其包含常导磁体、铁芯以及第二支撑结构，用于调节磁悬浮列车车体与悬浮轨道之间的悬浮气隙。本发明提供的用于磁浮列车的电磁悬浮结构提出的超导和常导的混合电磁悬浮结构中，超导磁体提供悬浮的主要磁场，常导磁体提供调节气隙的磁场，具有悬浮气隙大并且悬浮损耗小的优点，可以降低对轨道平顺度的要求，有利于线路施工和降低线路成本，也有利于磁浮列车停车静浮和简化电磁铁散热系统。

Description

用于磁浮列车的电磁悬浮结构

技术领域

本发明涉及高速磁浮交通悬浮系统技术领域，具体地说，涉及一种用于磁浮列车的电磁悬浮结构。

背景技术

对于常导电磁悬浮(EMS)列车，不管列车运行还是静止，都能使列车悬浮，所以常导电磁悬浮制式既适用于低速磁浮列车又适用于高速磁浮列车。但常导电磁悬浮列车的悬浮力都由常导悬浮电磁铁提供，由于常导具有一定的电阻，悬浮会消耗部分功率而产热，而且悬浮电磁铁的散热性能不佳，这成为常导磁浮制式的工程难题之一。

此外，悬浮损耗的功率与悬浮气隙成平方正比关系，因此常导悬浮列车的悬浮气隙一般为8～12mm，不能太大，导致列车对轨道的精度要求非常高，从而增加了轨道的造价和工程难度。

现有技术中，公开了一种应用于电磁悬浮式高速磁浮列车的高温超导磁体，包含高温超导励磁绕组和低温液氮容器，高温超导磁体没有铁芯；该低温液氮容器具有中心距与该高温超导磁体两磁极极距相同的两个封闭环绕空腔；该超导励磁绕组分别设于该两个封闭环绕空腔内，并分别用设置在低温液氮容器外部的两个连接器与外部电路和制冷系统连接。但其仅采用了高温超导电磁悬浮，适用范围小。

现有技术中，公开了一种混合型高温超导直线磁浮同步电动机，包括由安装在机架上的双边定子和位于定子之间的高温超导线圈动子组成的高温超导直线同步电动机，双边定子关于高温超导线圈动子对称，但其采用的是超导块材钉扎悬浮。

另一现有技术中，公开了一种用高温超导线圈和常导线圈构成的混合式电磁吸力型悬浮系统方案。但其采用的是共磁路的超导线圈和电磁铁，超导线圈为需要电流源实时供电的非闭合线圈。

因此，本发明提供了一种用于磁浮列车的电磁悬浮结构。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于磁浮列车的电磁悬浮结构，其特征在于，所述电磁悬浮结构包含间隔布置在磁悬浮列车车体底部的多个超导悬浮架和多个常导悬浮架，其中：

超导悬浮架，其包含超导磁体、低温杜瓦以及第一支撑结构，用于提供磁悬浮列车车体与悬浮轨道之间的悬浮吸力；

常导悬浮架，其包含常导磁体、铁芯以及第二支撑结构，用于调节磁悬浮列车车体与悬浮轨道之间的悬浮气隙。

根据本发明的一个实施例，所述超导磁体放置于所述低温杜瓦中，所述低温杜瓦提供所述超导磁体所需的低温环境。

根据本发明的一个实施例，同一个超导悬浮架中的所有超导磁体共用一个低温杜瓦。

根据本发明的一个实施例，每个超导悬浮架包含两对超导磁体。

根据本发明的一个实施例，所述超导磁体采用无铁芯闭合超导线圈。

根据本发明的一个实施例，每个常导悬浮架包含两对常导磁体。

根据本发明的一个实施例，所述铁芯包含与单个常导磁体对应的铁芯齿部以及用于固定所述铁芯齿部的铁芯轭部。

根据本发明的一个实施例，所述电磁悬浮结构还包含：

悬浮气隙调节模块，其用于将当前的悬浮气隙与额定气隙进行对比，判断是否需要进行悬浮气隙调整，并通过控制流过常导磁体的电流来调整悬浮气隙增大或减小。

根据本发明的一个实施例，所述悬浮气隙调节模块包含：

比较单元，其用于获取当前的悬浮气隙，并与所述额定气隙进行比较，得到比较结果，其中，所述比较结果包含第一比较结果以及第二比较结果。

根据本发明的一个实施例，所述悬浮气隙调节模块包含：

电流调整单元，其与所述比较单元通信，用于基于所述比较结果调整流过所述常导磁体的电流，其中，当所述比较结果为所述第一比较结果时，减小流过所述常导磁体的电流，以增大悬浮气隙，当所述比较结果为所述第二比较结果时，增大流过所述常导磁体的电流，以减小悬浮气隙。

本发明提供的用于磁浮列车的电磁悬浮结构提出的超导和常导的混合电磁悬浮结构中，超导磁体提供悬浮的主要磁场，常导磁体提供调节气隙的磁场，具有悬浮气隙大并且悬浮损耗小的优点，可以降低对轨道平顺度的要求，有利于线路施工和降低线路成本，也有利于磁浮列车停车静浮和简化电磁铁散热系统；在本发明超导磁体磁通屏蔽特性有助于悬浮系统的稳定，可以进一步降低常导线圈的电流，也降低了常导悬浮控制的难度；在本发明使用空芯超导闭合线圈，电流几乎恒定(衰减非常缓慢)，且不需要外界电流源持续供电，降低了成本，减小了占用空间，也降低了工程实现难度，提高了工程实用性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、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显示了现有技术中共磁路的超导磁体与常导磁体的结构示意图；

图2显示了根据本发明的一个实施例的用于磁浮列车的电磁悬浮结构；以及

图3显示了根据本发明的另一个实施例的用于磁浮列车的电磁悬浮结构。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。

图1显示了现有技术中共磁路的超导磁体与常导磁体的结构示意图。

现有技术中，在以往的超导和常导的混合电磁悬浮系统中，一般使用的是非闭合超导线圈，需要配备专门的高精度大电流源给超导磁体供电；此外，超导磁体和常导磁体一般是共磁路，如图1，超导磁体分别放置在铁芯齿部两侧的低温杜瓦中，常导线圈置于铁芯轭部，超导磁体与常导磁体是共磁路设置的。

如图1，超导磁体与常导磁体都在铁芯齿部产生磁场，常导磁体产生的磁场会经过超导磁体内部，导致常导磁体产生变化电流调节悬浮气隙时，会在超导磁体中感应出感应电动势，导致超导磁体产生反向电流而造成磁通屏蔽，不利于悬浮气隙的调节。

基于现有技术的以上缺陷，本申请致力于解决现有技术中常导电磁悬浮具有悬浮气隙小、悬浮损耗大、悬浮电磁铁散热困难、轨道精度要求高等技术问题；并且，本申请致力于解决现有技术中超导和常导混合电磁悬浮结构中需配备专门的高精度电流源实时为超导磁体供电的技术问题。

图2显示了根据本发明的一个实施例的用于磁浮列车的电磁悬浮结构。

如图2，电磁悬浮结构包含间隔布置在磁悬浮列车车体底部的多个超导悬浮架(201-1、201-2、……201-N)和多个常导悬浮架(202-1、202-2、……202-N)，其中，以超导悬浮架201-2以及常导悬浮架202-2为例，介绍每个超导悬浮架以及每个常导悬浮架分别包含的部件：

超导悬浮架，其包含超导磁体2011、低温杜瓦2012以及第一支撑结构2013，用于提供磁悬浮列车车体与悬浮轨道之间的悬浮吸力。

常导悬浮架，其包含常导磁体2021、铁芯2022以及第二支撑结构2023，用于调节磁悬浮列车车体与悬浮轨道之间的悬浮气隙。

第一支撑结构2013和第二支撑结构2023用于连接车体和超导及常导悬浮架，把磁体产生的悬浮力传递到车体，从而使车体悬浮，第一支撑结构和第二支撑结构与悬浮轨不接触。

在一个实施例中，超导磁体放置于所述低温杜瓦中，所述低温杜瓦提供所述超导磁体所需的低温环境。

在一个实施例中，同一个超导悬浮架中的所有超导磁体共用一个低温杜瓦，每个超导悬浮架包含两对超导磁体，超导磁体采用无铁芯闭合超导线圈，每个常导悬浮架包含正整数对常导磁体，铁芯包含与单个常导磁体对应的铁芯齿部以及用于固定所述铁芯齿部的铁芯轭部。

在一个实施例中，电磁悬浮结构还包含：

悬浮气隙调节模块，其用于将当前的悬浮气隙与额定气隙进行对比，判断是否需要进行悬浮气隙调整，并通过控制流过常导磁体的电流来调整悬浮气隙增大或减小。

在一个实施例中，悬浮气隙调节模块包含：

比较单元，其用于获取当前的悬浮气隙，并与额定气隙进行比较，得到比较结果，其中，比较结果包含第一比较结果以及第二比较结果。

在一个实施例中，悬浮气隙调节模块包含：

电流调整单元，其与比较单元通信，用于基于比较结果调整流过常导磁体的电流，其中，当比较结果为第一比较结果时，减小流过常导磁体的电流，以增大悬浮气隙，当比较结果为第二比较结果时，增大流过常导磁体的电流，以减小悬浮气隙。

具体来说，超导悬浮架和常导悬浮架间隔布置在车体底部，使超导磁体磁路与常导磁路完全分离，磁场互不影响。超导悬浮架提供主要的电磁吸力，常导悬浮架提供调节气隙的动态电磁吸力，共同作用以达到稳定电磁悬浮的目的。

图3显示了根据本发明的另一个实施例的用于磁浮列车的电磁悬浮结构。

在一个实施例中，如图3，超导磁体放置于低温杜瓦中，低温杜瓦提供超导磁体所需的低温环境。

如图3，超导悬浮架包含支撑结构，即第一支撑结构，常导悬浮架包含支撑结构，即第二支撑结构。第一支撑结构和第二支撑结构用于连接车体和超导及常导悬浮架，把磁体产生的悬浮力传递到车体，从而使车体悬浮，第一支撑结构和第二支撑结构与悬浮轨不接触。

具体来说，超导磁体放置于低温杜瓦中，低温杜瓦给超导线圈提供所需的低温环境(一般温度为30～77K)。

在一个实施例中，如图3，同一个超导悬浮架中的所有超导磁体共用一个低温杜瓦。

具体来说，同一个超导悬浮架中所有的超导磁体共用一个低温杜瓦，简化了低温杜瓦的制冷结构。

在一个实施例中，如图3，每个超导悬浮架包含两对超导磁体，但超导磁体的数量不局限于图3中的两对，可以是任意正整数对超导磁体。

具体来说，超导悬浮架所包含的超导磁体数量根据实际需求而定，在图3中，假设每个超导悬浮架包含两对磁极(N极和S极)。

在一个实施例中，图3所示的超导磁体采用无铁芯闭合超导线圈。

具体来说，超导磁体中流的是直流电流，产生磁场与悬浮轨作用产生电磁吸力，该电磁吸力为悬浮结构主要的悬浮吸力来源。由于超导材料的载流能力远远大于常导材料，超导磁体均采用空芯结构，即无铁芯结构，不受铁芯饱和的影响，所以超导磁体能够产生比常导磁体大很多的磁场，从而可以达到增大悬浮间隙的目的。

本发明中的超导磁体为无铁芯闭合超导线圈，由于无铁芯超导闭合线圈的电阻几乎为零，而其电感较大，导致电流衰减的时间常数非常大，所以无铁芯超导闭合线圈的电流衰减非常慢(可以达到一天只衰减1％的水平)，因此无需时刻给超导磁体供电，只需隔段时间在维修站充电即可。

而传统的超导和常导混合电磁悬浮中的超导磁体需要高精度电流源实时供电，本发明采用无铁芯超导闭合线圈无需配备专门的高精度电流源实时为超导磁体供电，大大降低了工程实现难度，降低了成本，减小了占用空间，简化了现场维护工作，也大大提到了工程实用性。

在一个实施例中，如图3，每个常导悬浮架包含正整数对常导磁体，常导磁体的数量不局限于图3中的两对，可以是任意正整数对超导磁体。

在一个实施例中，铁芯包含与单个常导磁体对应的铁芯齿部以及用于固定铁芯齿部的铁芯轭部。

具体来说，超导悬浮架中的超导磁体虽然能够提供大部分电磁悬浮力，但超导磁体的磁场不可以快速调节，因此需要配合常导磁体构成混合电磁悬浮，才能实时调节悬浮气隙以保证悬浮稳定。

在本发明中，常导悬浮架由常导磁体、铁芯和第二支撑结构组成，常导磁体中通电流产生磁场，使常导悬浮架与悬浮轨互相吸引，产生电磁吸力。

在一个实施例中，电磁悬浮结构还包含：悬浮气隙调节模块，其用于将当前的悬浮气隙与额定气隙进行对比，判断是否需要进行悬浮气隙调整，并通过控制流过常导磁体的电流来调整悬浮气隙增大或减小。

进一步地，悬浮气隙调节模块包含：比较单元，其用于获取当前的悬浮气隙，并与额定气隙进行比较，得到比较结果，其中，比较结果包含第一比较结果以及第二比较结果。

具体来说，第一比较结果为当前的悬浮气隙小于额定气隙或当前的悬浮气隙小于额定气隙范围，第二比较结果为当前的悬浮气隙大于额定气隙或当前的悬浮气隙大于额定气隙范围。

在一个实施例中，比较结果包含第三比较结果，其中，第三比较结果为当前的悬浮气隙等于额定气隙或或当前的悬浮气隙处于额定气隙范围。

进一步地，当比较结果为第三比较结果时，不对当前的悬浮气隙进行调整。

需要明确的是，额定气隙以及额定气隙范围可以根据实际情况进行设定，本申请不对此作出限制。

进一步地，悬浮气隙调节模块包含：电流调整单元，其与比较单元通信，用于基于比较结果调整流过常导磁体的电流，其中，当比较结果为第一比较结果时，减小流过常导磁体的电流，以增大悬浮气隙，当比较结果为第二比较结果时，增大流过常导磁体的电流，以减小悬浮气隙。

本发明中常导磁体动态调整悬浮气隙的原理为：当悬浮气隙比额定气隙小时，减小常导磁体电流使电磁吸力减小，重力与悬浮力的合力为向下，从而使悬浮气隙增大；当悬浮气隙比额定气隙大时，增大常导磁体电流使电磁吸力增大，重力与悬浮力的合力为向上，从而使悬浮气隙减小。

在磁浮列车行驶的过程中，常导磁体中的电流动态变化以维持悬浮气隙稳定，由于超导磁体提供了大部分的悬浮吸力，所以常导磁体只需通较小的电流，与常导电磁悬浮相比，减小了悬浮损耗，降低了常导磁体散热的难度。

另外，本发明提出的超导和常导混合电磁悬浮结构，超导磁体不仅可以提供主要的电磁吸力，超导磁体的磁通屏蔽特性还可以减小常导磁体动态调节悬浮气隙的难度。

具体来说，超导磁体的磁通屏蔽特性为：无铁芯超导闭合线圈外界磁场的变化会在无铁芯超导闭合线圈中感应出反向电流产生反向磁场，由于无铁芯超导闭合线圈电阻非常小，感应电流产生的反向磁场基本可以抵消外界磁场的变化。

本发明中的超导磁体可以减小常导磁体动态调节悬浮气隙的难度的原因如下：假设外界扰动导致悬浮气隙变小时，超导磁体与悬浮轨的距离减小，导致超导磁体磁路的磁阻减小，使超导磁体的磁场增大，由于磁通屏蔽作用，无铁芯超导闭合线圈会感应出电流使超导磁体的磁场保持不变，该感应电流减小了超导磁体与悬浮轨的吸力，有助于悬浮的稳定。

另一方面，假设外界扰动导致悬浮气隙变大时，超导磁体与悬浮轨的距离增大，导致超导磁体磁路的磁阻增大，使超导磁体的磁场减小，由于磁通屏蔽作用，因此无铁芯超导闭合线圈会感应出电流使超导磁体的磁场保持不变，该感应电流增大了超导磁体与悬浮轨的吸力，有助于悬浮的稳定。

所以，本发明中的超导闭合线圈有助于悬浮系统的稳定，可以进一步降低常导线圈的电流，也降低了常导悬浮控制的难度。

综上，本发明提供的用于磁浮列车的电磁悬浮结构提出的超导和常导的混合电磁悬浮结构中，超导磁体提供悬浮的主要磁场，常导磁体提供调节气隙的磁场，具有悬浮气隙大并且悬浮损耗小的优点，可以降低对轨道平顺度的要求，有利于线路施工和降低线路成本，也有利于磁浮列车停车静浮和简化电磁铁散热系统。

并且，在本发明超导磁体磁通屏蔽特性有助于悬浮系统的稳定，可以进一步降低常导线圈的电流，也降低了常导悬浮控制的难度。

另外，在本发明使用空芯超导闭合线圈，电流几乎恒定(衰减非常缓慢)，且不需要外界电流源持续供电，降低了成本，减小了占用空间，也降低了工程实现难度，提高了工程实用性。

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。

虽然本发明所公开的实施方式如上，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，在不脱离本发明所公开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 (10)

1.一种用于磁浮列车的电磁悬浮结构，其特征在于，所述电磁悬浮结构包含间隔布置在磁悬浮列车车体底部的多个超导悬浮架和多个常导悬浮架，其中：

超导悬浮架，其包含超导磁体、低温杜瓦以及第一支撑结构，用于提供磁悬浮列车车体与悬浮轨道之间的悬浮吸力；

常导悬浮架，其包含常导磁体、铁芯以及第二支撑结构，用于调节磁悬浮列车车体与悬浮轨道之间的悬浮气隙。

2.如权利要求1所述的用于磁浮列车的电磁悬浮结构，其特征在于，所述超导磁体放置于所述低温杜瓦中，所述低温杜瓦提供所述超导磁体所需的低温环境。

3.如权利要求1所述的用于磁浮列车的电磁悬浮结构，其特征在于，同一个超导悬浮架中的所有超导磁体共用一个低温杜瓦。

4.如权利要求1所述的用于磁浮列车的电磁悬浮结构，其特征在于，每个超导悬浮架包含两对超导磁体。

5.如权利要求1-4中任一项所述的用于磁浮列车的电磁悬浮结构，其特征在于，所述超导磁体采用无铁芯闭合超导线圈。

6.如权利要求1所述的用于磁浮列车的电磁悬浮结构，其特征在于，每个常导悬浮架包含正整数对常导磁体。

7.如权利要求1所述的用于磁浮列车的电磁悬浮结构，其特征在于，所述铁芯包含与单个常导磁体对应的铁芯齿部以及用于固定所述铁芯齿部的铁芯轭部。

8.如权利要求1所述的用于磁浮列车的电磁悬浮结构，其特征在于，所述电磁悬浮结构还包含：

悬浮气隙调节模块，其用于将当前的悬浮气隙与额定气隙进行对比，判断是否需要进行悬浮气隙调整，并通过控制流过常导磁体的电流来调整悬浮气隙增大或减小。

9.如权利要求8所述的用于磁浮列车的电磁悬浮结构，其特征在于，所述悬浮气隙调节模块包含：

比较单元，其用于获取当前的悬浮气隙，并与所述额定气隙进行比较，得到比较结果，其中，所述比较结果包含第一比较结果以及第二比较结果。

10.如权利要求9所述的用于磁浮列车的电磁悬浮结构，其特征在于，所述悬浮气隙调节模块包含：

电流调整单元，其与所述比较单元通信，用于基于所述比较结果调整流过所述常导磁体的电流，其中，当所述比较结果为所述第一比较结果时，减小流过所述常导磁体的电流，以增大悬浮气隙，当所述比较结果为所述第二比较结果时，增大流过所述常导磁体的电流，以减小悬浮气隙。

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