CN112509778B - 一种用于超导磁悬浮列车的高温超导磁体装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超导磁悬浮列车的高温超导磁体装置，包括杜瓦、电流引线和冷却单元，所述杜瓦内部设置固氮腔，所述固氮腔内部设置高温超导磁体、超导开关和拉杆，所述高温超导磁体包括高温超导线圈，所述高温超导线圈被拉杆固定在固氮腔底部，所述高温超导线圈通过超导开关连接电流引线的一端，所述电流引线的另一端连接电源；所述冷却单元包括冷却氦管、引线导冷板和固氮腔导冷板，所述引线导冷板和固氮腔导冷板连接至所述冷却氦管，且所述引线导冷板与所述电流引线相接触，所述固氮腔导冷板与所述固氮腔相接触。本发明设计高温超导磁体装置，使得高温超导线圈运行更为简单和可靠，闭环运行可有效确保高温超导线圈的电流稳定。

Description

一种用于超导磁悬浮列车的高温超导磁体装置及使用方法

技术领域

本发明涉及领域，具体涉及一种用于超导磁悬浮列车的高温超导磁体装置及使用方法。

背景技术

超导现象于1911年被发现，因为其零电阻等优良特性被广泛适用于电磁领域，如超导电缆，核磁共振仪，聚变大型磁体等。但由于超导体的临界温度降低，如商用化的低温超导材料临界温度低于15K，这极大的限制了超导体的应用场合。因此，科学家们为了推动超导更为广泛的应用，在工程应用的同时，致力于寻找更高临界温度的超导材料。随着越来越多的高临界温度超导材料被发现，特别是第二类高温超导材料ReBCO的发现(临界温度可达到92K)，极大的降低了超导应用的低温环境，推动了超导的应用范围。目前，第二类高温超导带材已实现工业化量产，完全具备了商业化应用的基础。

磁悬浮列车主要通过列车上的电磁铁与铁轨上电磁铁之间的相关作用力而产生悬浮，进而有效避免轨道接触带来的摩擦损耗，提高列车运行效率和设备的使用效率，因此磁悬浮列车具备速度高、安全环保、维护量少等优点。城市之间的联系越来越密切，对交通速度和舒适性的要求越来越高，而磁悬浮作为高科技轨道交通的代表，成为了新一代高速轨道交通发展的主流方向之一。如附图1 所示，图中所示为目前常规磁悬浮电斥力悬浮原理示意图，其中列车底部为C 形结构，将轨道环抱在中间，列车磁铁系统01与轨道磁铁系统03之间通过电磁吸力进行吸引，电磁吸力通过磁悬浮列车支撑架02传递到列车上，进而克服列车重力，实现列车的悬浮，其核心系统为磁铁系统。

磁悬浮列车是通过轨道和车体上的电磁铁之间的相互电磁作用进而实现列车的悬浮和导向，因此，电磁铁是列车悬浮系统和推进系统的核心部件。传统的电磁铁主要通过铝电磁线圈通电产生电磁力使得列车达到悬浮和推进的目的，但传统的电磁铁重量大，耗能高，导致磁悬浮列车的经济成本较高，对商业化运行造成一定影响。在线圈尺寸和匝数都相同的情况下，线圈所通的电流越大，磁体产生的磁场就会越强，因此当导体截面相同时，高温超导线圈可以比铝线圈承载高出几十倍的电流，即产生强的多的磁场。与此同时，铝线圈在通电时会不断产生焦耳损耗，而超导线圈因为无电阻不会产生焦耳损耗，因此，高温超导磁体相比常规磁体来说，在相同悬浮和驱动力要求下，可以做到结构更为紧凑，重量更低，耗能更少等特点。基于高温超导材料和磁体的研究，将高温超导磁体装置运用于磁悬浮列车中，将可以降低列车运行成本，提高列车运行稳定性，同时还可提高列车载客量。但是，由于目前高温超导磁悬浮列车还处于研发阶段，还未真正投入到商业运行中。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于超导磁悬浮列车的高温超导磁体装置，不仅可满足磁悬浮列车对悬浮和推进力的要求，还可解决高温超导磁体及低温系统在运行中的供电问题，使其满足磁悬浮列车运行的各种复杂服役工况，为磁悬浮列车的悬浮和推进系统设计提供技术支持。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的旨在提供一种用于超导磁悬浮列车的高温超导磁体装置及使用方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于超导磁悬浮列车的高温超导磁体装置，包括杜瓦、电流引线和冷却单元，所述杜瓦内部设置固氮腔，所述固氮腔内部设置高温超导磁体、超导开关和拉杆，所述高温超导磁体包括高温超导线圈，所述高温超导线圈被拉杆固定在固氮腔底部，所述高温超导线圈通过超导开关连接电流引线的一端，所述电流引线的另一端连接电源，所述超导开关控制所述高温超导线圈和电流引线是否连通；

所述冷却单元包括冷却氦管、引线导冷板和固氮腔导冷板，所述引线导冷板和固氮腔导冷板连接至所述冷却氦管，且所述引线导冷板与所述电流引线相接触，所述固氮腔导冷板与所述固氮腔相接触。

进一步的，所述固氮腔设置氮气注入口和氮气回流口，所述氮气注入口连接氮气注入管，所述氮气回流口连接氮气回流管。

进一步的，所述拉杆为四个，分别位于所述固氮腔的四个角；所述拉杆自下而上依次包括第一球头万向节，支杆、第二球头万向节和长度调节单元。

进一步的，所述长度调节单元包括包括固定架、移动杆和锁紧螺母，所述固定架中心包括通孔，所述通孔设置内螺纹，移动杆设置外螺纹，且所述移动杆与通孔通过螺纹连接，所述移动杆的下端连接第二球头万向阀，所述移动杆的上端通过螺纹连接锁紧螺母。

进一步的，所述冷却氦管包括冷却氦注入管和冷却氦回流管，所述冷却氦注入管和冷却氦回流管连接至引线导冷板和固氮腔导冷板。

进一步的，所述引线导冷板和固氮腔导冷板连接导冷板断路开关，所述导冷板断路开关用于控制所述引线导冷板和固氮腔导冷板是否与冷却氦管连通。

进一步的，所述电流引线通过引线断路开关连接电源，所述引线断路开关用于控制所述电流引线是否与电源接通。

一种采用上述的高温超导磁体装置提供推进力的方法，包括如下步骤：

S01：对杜瓦进行抽真空；

S02：通过氮气注入口和氮气回流口对固氮腔进行降温；

S03：通过引线导冷板和固氮腔导冷板对所述电流引线和固氮腔进行一步进行降温；

S04：电源通过电流引线和超导开关对高温超导线圈进行供电，励磁到高温超导线圈的阈值电流时，停止供电；

S05：通过导冷板断路开关控制引线导冷板和固氮腔导冷板与冷却氦管断开，此时，高温超导线圈处于闭环运行撞他，为超导磁悬浮列车提供需索的悬浮和推进力。

进一步的，所述步骤S04具体包括：超导开关闭合，此时高温超导线圈与电流引线连通；当高温超导线圈的电流达到阈值电流时，超导开关断开，此时高温超导线圈与电流引线不连通，高温超导线圈和超导开关形成闭环运行。

进一步的，所述步骤S03中固氮腔中温度为20K，电流引线温度为70K。

本发明的有益效果在于：本发明设计高温超导磁体装置，使得高温超导线圈运行更为简单和可靠，闭环运行可有效确保高温超导线圈的电流稳定，避免电流不稳定造成的磁场不稳定，进而对磁悬浮列车悬浮和推进造成一定影响；本发明通过将冷却介质氮冷却到20K固氮状态，可有效利用固氮在低温下的比热容特性，消除了冷却系统供电问题，进而减小了低温系统的重量；本发明通过拉杆对高温超导线圈进行支撑，可通过拉杆对线圈位置进行有效调节，增加了线圈磁场位形调整的可能性。

附图说明

附图1为磁悬浮列车悬浮原理示意图；

附图2为本发明装置的结构示意图；

附图3为本发明装置中降温组件布局图；

附图4为本发明杜瓦密封法兰的布局示意图；

附图5为本发明拉杆的结构示意图。

附图标记：01列车磁铁系统，02磁悬浮列车支撑架，03轨道磁铁系统，1 杜瓦，2电流引线，21引线断路开关，3固氮腔，31氮气注入管，32氮气回流管，4超导开关，5拉杆，51第一球头万向节，52支杆，53第二球头万向节， 54固定架，55移动杆，56锁紧螺母，6高温超导线圈，7冷却氦管，71引线导冷板，72固氮腔导冷板，73冷却氦注入口，74冷却氦回流口，8杜瓦密封法兰， 81真空抽气口，82信号线，83安全及信号采集系统，84导冷板断路开关。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

请参阅附图2-3，本发明提供的一种用于超导磁悬浮列车的高温超导磁体装置，包括杜瓦1、电流引线2和冷却单元，杜瓦内部设置固氮腔3，固氮腔3内部设置高温超导磁体、超导开关4和拉杆5，高温超导磁体包括高温超导线圈6，本发明的高温超导线圈6是由第二代高温超导带材ReBCO绕制而成，其被封闭在低温系统的固氮腔3中，通过超导开关4与电流引线2进行连接。高温超导线圈6被拉杆5固定在固氮腔底部，高温超导线圈6通过超导开关4连接电流引线 2的一端，电流引线2的另一端连接电源，电流引线通过引线断路开关21连接电源，引线断路开关用于控制电流引线是否与电源接通。

超导开关主要用于控制高温超导线圈与电流引线之间的连接，在高温超导线圈励磁到阈值电流之前，超导开关处于关闭状态，此时高温超导线圈与电流引线处于连接状态；当高温超导线圈励磁到阈值电流并稳定运行后，超导开关处于开启状态，切断高温超导线圈与电流引线之间的连接，此时高温超导线圈与电流引线之间处于断路连接，高温超导线圈和超导开关形成闭环运行；电流引线用于高温超导线圈与室温下电源之间的连接过渡，室温电源通过电流引线给高温超导线圈进行供电。

请继续参阅附图2-3，固氮腔3处于外杜瓦1之中，高温超导线圈6通过拉杆5提供支撑或拉力被固定在固氮腔3中，固氮腔还为高温超导线圈运行所需的冷却介质提供储存空间；外杜瓦是为整个装置提供真空环境，隔绝高温超导线圈，固氮腔等低温部件与外界之间的辐射热，其功能为降低系统漏热；高温超导线圈冷却介质为20K-55K温度下的固态氮。

固氮腔3设置氮气注入口和氮气回流口，氮气注入口连接氮气注入管31，氮气回流口连接氮气回流管32。通过氮气注入管31将氮气或液氮注入固氮腔中，后通过冷却氦管中的流动的液氦对其进行深入冷却，迫使其温度降低到20K左右；氮气注入管和氮气回流管的作用一是给固氮腔注入液氮或氮气用，二是控制对固氮腔内部的压强，当内部压力高于1.5bar后，将通过氮气回流管泄放内部压强。

请参阅附图5，拉杆为四个，分别位于固氮腔的四个角；拉杆自下而上依次包括第一球头万向节51，支杆52、第二球头万向节53和长度调节单元。长度调节单元包括包括固定架54、移动杆55和锁紧螺母56，固定架54中心包括通孔，通孔设置内螺纹，移动杆55设置外螺纹，且移动杆55与通孔通过螺纹连接，移动杆的下端连接第二球头万向阀53，移动杆的上端通过螺纹连接锁紧螺母56。

冷却单元包括冷却氦管7、引线导冷板71和固氮腔导冷板72，引线导冷板 71和固氮腔导冷板72连接至冷却氦管7，且引线导冷板与电流引线相接触，通过热传导机制对电流引线进行降温，固氮腔导冷板与固氮腔相接触，通过热传导机制对固氮腔进行降温。

冷却氦管包括冷却氦注入管和冷却氦回流管，冷却氦注入管和冷却氦回流管连接至引线导冷板和固氮腔导冷板。引线导冷板和固氮腔导冷板连接导冷板断路开关84，导冷板断路开关用于控制引线导冷板和固氮腔导冷板是否与冷却氦管连通。固氮腔导冷板和电流引线导冷板在高温超导线圈完成励磁并稳定且完成超导开关切换后，将通过导冷板断路开关将其与固氮腔和电流引线断开，降低固氮腔的漏热；冷却氦管，在完成导冷板的断开后，停止冷液氦管的液氦供应，并切断冷却氦管与液氦冷源之间的连接。

如附图4所示，本发明中杜瓦上安装杜瓦密封法兰8，用于将杜瓦固定在特定场合；其中杜瓦密封法兰8上表面设置连接杜瓦的真空抽气口81，用于传输信号的信号线82，安全及信号采集系统83，导冷板断路开关84，电流引线2，冷却氦注入口73，冷却氦回流口74，氮气注入管31和氮气回流管32。其中，安全及信号采集系统83对高温超导线圈运行进行监控，若检测到电流异常或者其他异常，需要及时进行检修。

高温超导线圈在断开导冷板后，与超导开关形成闭环回路，在固氮腔中处于闭环运行状态，固氮提供高温超导线圈运行所需的低温环境；的低温环境将通过温度传感器进行监控，如果温度高于55K，需将导冷板重新进行接入，对固氮腔进行再次冷却，避免温度升高造成高温超导线圈出现运行故障。

一种采用上述的高温超导磁体装置为磁悬浮提供悬浮力和推进力的方法，包括如下步骤：

S01：对杜瓦进行抽真空；通过真空抽气口外接真空泵组，用于抽取外杜瓦内部空间空气，真空要求为优于1*10-2Pa；同时同步对固氮腔进行氮气置换，将里面水气排除。

S02：通过氮气注入口和氮气回流口对固氮腔进行降温；在外杜瓦达到真空后，对固氮腔进行液氮降温，通过氮气注入口缓慢注入液氮，对高温超导线圈进行降温，降温之前需将拉杆调至全松弛状态，避免因热应力收缩对线圈造成损坏。

S03：通过引线导冷板和固氮腔导冷板对电流引线和固氮腔进行一步进行降温；固氮腔中温度为20K，电流引线温度为70K。当液氮冷却完成后，通过冷却氦注入口对冷却氦管注入液氦，由于液氦管路通过氮腔导冷板和电流引线冷板分别对固氮腔和电流引线进行冷却。此时液氦将对充有液氮的固氮腔进行冷却，目标是将氮腔中的液氮冷却至20K温区，电流引线冷却到70K以下；

S04：电源通过电流引线和超导开关对高温超导线圈进行供电，励磁到高温超导线圈的阈值电流时，停止供电；超导开关闭合，此时高温超导线圈与电流引线连通；当高温超导线圈的电流达到阈值电流时，超导开关断开，此时高温超导线圈与电流引线不连通，高温超导线圈和超导开关形成闭环运行。

当高温超导线圈稳定运行在阈值电流时，闭合超导开关，切断高温超导线圈与电流引线之间的电连接，此时高温超导线圈和超导开关处于闭环运行状态；

S05：使用断路开关将氮腔导冷板和电流引线导冷板与固氮腔和电流引线断开；停止冷却氦管的液氦供应，此时降温完成；通过安全及信号采集系统对高温超导线圈运行进行监控。通过导冷板断路开关控制引线导冷板和固氮腔导冷板与冷却氦管断开，此时，高温超导线圈处于闭环运行撞他，为超导磁悬浮列车提供需索的悬浮和推进力。

本发明设计高温超导磁体装置，使得高温超导线圈运行更为简单和可靠，闭环运行可有效确保高温超导线圈的电流稳定，避免电流不稳定造成的磁场不稳定，进而对磁悬浮列车悬浮和推进造成一定影响；本发明通过将冷却介质氮冷却到 20K固氮状态，可有效利用固氮在低温下的比热容特性，消除了冷却系统供电问题，进而减小了低温系统的重量；本发明通过拉杆对高温超导线圈进行支撑，可通过拉杆对线圈位置进行有效调节，增加了线圈磁场位形调整的可能性。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于超导磁悬浮列车的高温超导磁体装置，其特征在于，包括杜瓦、电流引线和冷却单元，所述杜瓦内部设置固氮腔，所述固氮腔内部设置高温超导磁体、超导开关和拉杆，所述高温超导磁体包括高温超导线圈，所述高温超导线圈被拉杆固定在固氮腔底部，所述高温超导线圈通过超导开关连接电流引线的一端，所述电流引线的另一端连接电源，所述超导开关控制所述高温超导线圈和电流引线是否连通；所述拉杆自下而上依次包括第一球头万向节，支杆、第二球头万向节和长度调节单元；所述长度调节单元包括包括固定架、移动杆和锁紧螺母，所述固定架中心包括通孔，所述通孔设置内螺纹，移动杆设置外螺纹，且所述移动杆与通孔通过螺纹连接，所述移动杆的下端连接第二球头万向阀，所述移动杆的上端通过螺纹连接锁紧螺母；

所述冷却单元包括冷却氦管、引线导冷板和固氮腔导冷板，所述引线导冷板和固氮腔导冷板连接至所述冷却氦管，且所述引线导冷板与所述电流引线相接触，所述固氮腔导冷板与所述固氮腔相接触；所述引线导冷板和固氮腔导冷板连接导冷板断路开关，所述导冷板断路开关用于控制所述引线导冷板和固氮腔导冷板是否与冷却氦管连通；固氮腔导冷板和电流引线导冷板在高温超导线圈完成励磁并稳定且完成超导开关切换后，将通过导冷板断路开关将其与固氮腔和电流引线断开，降低固氮腔的漏热。

2.根据权利要求1所述的一种用于超导磁悬浮列车的高温超导磁体装置，其特征在于，所述固氮腔设置氮气注入口和氮气回流口，所述氮气注入口连接氮气注入管，所述氮气回流口连接氮气回流管。

3.根据权利要求1所述的一种用于超导磁悬浮列车的高温超导磁体装置，其特征在于，所述拉杆为四个，分别位于所述固氮腔的四个角。

4.根据权利要求1所述的一种用于超导磁悬浮列车的高温超导磁体装置，其特征在于，所述冷却氦管包括冷却氦注入管和冷却氦回流管，所述冷却氦注入管和冷却氦回流管连接至引线导冷板和固氮腔导冷板。

5.根据权利要求1所述的一种用于超导磁悬浮列车的高温超导磁体装置，其特征在于，所述电流引线通过引线断路开关连接电源，所述引线断路开关用于控制所述电流引线是否与电源接通。

6.一种采用权利要求1所述的高温超导磁体装置提供推进力的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S01：对杜瓦进行抽真空；

S02：通过氮气注入口和氮气回流口对固氮腔进行降温；

S03：通过引线导冷板和固氮腔导冷板对所述电流引线和固氮腔进行一步进行降温；

S04：电源通过电流引线和超导开关对高温超导线圈进行供电，励磁到高温超导线圈的阈值电流时，停止供电；

S05：通过导冷板断路开关控制引线导冷板和固氮腔导冷板与冷却氦管断开，此时，高温超导线圈处于闭环运行状态 ，为超导磁悬浮列车提供需索的悬浮和推进力。

7.根据权利要求6所述的一种提供推进力的方法，其特征在于，所述步骤S04具体包括：超导开关闭合，此时高温超导线圈与电流引线连通；当高温超导线圈的电流达到阈值电流时，超导开关断开，此时高温超导线圈与电流引线不连通，高温超导线圈和超导开关形成闭环运行。

8.根据权利要求6所述的一种提供推进力的方法，其特征在于，所述步骤S03中固氮腔中温度为20K，电流引线温度为70K。

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