CN113335314A - 一种真空管道混合磁悬浮运载系统 - Google Patents

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蔡飞南
何志杰
程翠华
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Abstract

本发明公开一种真空管道混合磁悬浮运载系统，其包括运载舱、真空管道、高速磁浮系统、低速磁浮系统和混合磁浮系统；所述运载舱悬浮运行于真空管道内部；所述高速磁浮系统、低速磁浮系统和混合磁浮系统沿线路布置，且混合磁浮系统置于高速磁浮系统和低速磁浮系统之间；所述运载舱通过低速磁浮系统实现静止悬浮与低速运行，加速时，通过混合磁浮系统从低速磁浮系统切换至高速磁浮系统高速运行；减速时，通过混合磁浮系统从高速磁浮系统切换至低速磁浮系统低速运行与悬停。本发明结合低速、高速磁悬浮技术和真空管道技术，去除轮轨摩擦阻力、降低空气阻力，在真空管道内实现运载舱全程静止、低速、高速及超高速下的无接触稳定运行。

Description

一种真空管道混合磁悬浮运载系统
技术领域
本发明属于真空管道技术与磁悬浮载运技术应用领域，特别涉及一种真空管道混合磁悬浮运载系统。
背景技术
真空管道磁悬浮载运系统是使磁悬浮载运技术和真空管道技术相互结合的一种地面超高速运输系统，最高理论速度可达到第一宇宙速度。有关真空管道运输概念的想法，最早由现代火箭之父Robert Goddard于1904年提出。然而，至今仍处于理论设计与基础实验研究阶段，其中，我国西南交通大学进行了小比例管道内的高速试验，美国创业公司Hyperloop One在其搭建的500 m长真空管道线路内实现了低压载人测试。在现有的研究及相关专利中，公布了包括基于高温超导钉扎磁浮技术、电磁悬浮技术、电动磁浮技术、永磁悬浮技术等单一技术及基于以上技术的混合磁浮技术的真空管道运输系统，但仍存在以下不足与技术难点：
（1）单一磁浮技术难以实现节能、环保、可靠及全速域的运行。电动磁浮在静止与低速下需要机械轮轨支撑，加减速过程中会带来机械振动及磨损，且低速下磁阻力大、能耗高；高温超导钉扎磁浮及永磁悬浮需要全线铺设永磁轨道，造价成本高，且其导向性能有限，高速运行下的稳定性难以保证；电磁悬浮需要电力维持，且高速运行下的控制要求高，不便于在真空管道内运行；
（2）车轨系统及驱动装置全部设置或部分设置在真空管道内，不利于电力系统运行及散热，且后期维护难度大、成本高。此外，真空管道内的结构复杂，且部分车载装置设置在车体外，从而使真空管道与车体难以具备低阻的空气动力学外形，同时，难以保证与维持真空管道与车体的气密性；
（3）基于高温超导钉扎磁浮与电动磁浮的混合磁浮技术，可以在静止与低速运行时采用高温超导钉扎磁浮系统，高速运行时采用电动磁浮系统，从而解决单一磁浮技术的不足与局限。然而，高温超导钉扎磁浮系统与电动磁浮系统间的切换，使地面高速悬浮导向装置与永磁轨道开断，如图1所示，结果导致磁通突变，从而带来通过阻力，严重时损坏车载磁体与悬浮杜瓦。一方面，如图2所示，通过全线铺设高速悬浮导向装置与永磁轨道可以解决其开断问题，但低速运行下高速悬浮导向装置带来较大的磁阻力，同时，永磁轨道全线铺设将带来高昂的成本。
发明内容
为了克服单一磁浮技术的不足与局限，优化系统结构，减弱或去除低速磁浮系统与高速磁浮系统切换带来的磁通突变与通过阻力，本发明提供一种真空管道混合磁悬浮运载系统，目的在于实现高温超导钉扎磁浮系统与电动磁浮系统的稳定、安全、可靠地过渡切换，实现运载舱在真空管道内全程静止、低速、高速及超高速下的无接触稳定运行。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种真空管道混合磁悬浮运载系统，其包括运载舱、真空管道、高速磁浮系统、低速磁浮系统和混合磁浮系统；
所述运载舱悬浮运行于真空管道内部；
所述高速磁浮系统、低速磁浮系统和混合磁浮系统沿线路布置，且混合磁浮系统置于高速磁浮系统和低速磁浮系统之间；
所述运载舱通过低速磁浮系统实现静止悬浮与低速运行，加速时，通过混合磁浮系统从低速磁浮系统切换至高速磁浮系统高速运行；减速时，通过混合磁浮系统从高速磁浮系统切换至低速磁浮系统低速运行与悬停。
进一步的，所述运载舱由密封层、运载舱骨架、磁体、悬浮杜瓦和次级组成；所述运载舱密封层包覆在运载舱骨架外部，磁体紧贴运载舱密封层并固定在运载舱骨架的两侧，悬浮杜瓦紧贴运载舱密封层并分别固定在运载舱骨架底部两侧，悬浮杜瓦底部铺设高温超导材料；次级紧贴运载舱密封层并分别固定在运载舱骨架底部的中间上；所述的磁体为永久磁体、超导块材磁体、超导线或带材线圈磁体、常导电磁体中的单一结构或任意组合排列结构。
进一步的，所述真空管道由线路管道、过渡舱和真空机组构成，所述的线路管道由真空管道骨架、道床、真空管道密封层组成，真空管道骨架与道床构成承载层，真空管道骨架和道床之间通过真空管道密封层进行密封；所述的过渡舱由过渡舱门、过渡管道、起落系统、真空泵组成，过渡舱预设在线路始末、中途接驳点，过渡舱门设置在过渡管道两端，通过真空泵控制过渡管道内的气压，实现运载舱在线路管道与大气环境间的过渡；所述的起落系统设置在道床底座上，用于运载舱的同步升起与降落，用于低速磁浮系统的同步场冷控制；所述的真空机组沿线路旁分散布置，对线路管道进行分段真空控制。
进一步的，所述的高速磁浮系统由高速悬浮导向装置、高速驱动装置组成，高速悬浮导向装置与高速驱动装置分别嵌入道床两侧，高速悬浮导向装置与高速驱动装置沿高速线路连续铺设。
进一步的，所述的低速磁浮系统由永磁轨道、永磁轨道基底和初级组成；永磁轨道与初级分别固定在永磁轨道基底两端与中间，永磁轨道基底固定到道床底座上，所述永磁轨道与初级沿低速线路连续铺设；所述的永磁轨道为永磁体单元的组合排列结构；所述的初级为带铁心或空心三相绕组。
进一步的，所述混合磁浮系统由所述的高速磁浮系统与低速磁浮系统组成，且混合磁浮系统中的高速悬浮导向装置、高速驱动装置、永磁轨道与初级沿加速过渡线路和减速过渡线路连续铺设。
进一步的，本发明还包括运行控制系统，该运行控制系统用于监控整个系统的运行状态。
进一步的，所述的高速悬浮导向装置为金属导电板、短路线圈、“8”字形零磁通线圈中的单一结构或任意组合结构；所述的高速驱动装置为带铁心或空心的三相绕组。
进一步的，所述的高温超导材料为ReBa2Cu3O7-x 、ReBCO或其它高温超导材料的块材、带材堆叠及线圈的单一结构或组合排列结构，Re为稀土元素；通过向悬浮杜瓦内注入液氮或采用固氮及制冷机对高温超导材料进行冷却；所述的次级为永磁体、超导块线或带材磁体、单一金属板、复合金属板中的单一结构或组合排列结构。
进一步的，所述的运载舱与真空管道截面形状结构为圆形、椭圆形、正多边形、长方形及其它任意几何形状的单一结构或组合结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：克服了单一磁浮技术的不足，使运载舱实现节能、环保、可靠及全速域的运行；使真空管道与运载舱结构更加简洁、流畅，从而具备低阻的空气动力学外形；通过混合磁浮系统的过渡切换，减弱了高温超导钉扎磁浮系统与电动磁浮系统切换时的磁通突变。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；
图1为高速悬浮导向装置与永磁轨道开断示意图；
图2为高速悬浮导向装置与永磁轨道全线铺设示意图；
图3为本发明真空管道混合磁悬浮运载系统结构示意图；
图4为本发明真空管道混合磁悬浮运载系统三维结构示意图；
图5为本发明真空管道混合磁悬浮运载系统线路示意图；
图6为高速磁浮系统结构示意图；
图7为低速磁浮系统结构示意图；
图8为混合磁浮系统结构示意图；
图9为电力装置外置真空管道结构示意图；
图10为圆形截面真空管道混合磁悬浮运载系统结构示意图。
具体实施方式
实施例1：
如图3-10所示，其包括运载舱2、真空管道1、高速磁浮系统、低速磁浮系统和混合磁浮系统；
所述运载舱2悬浮运行于真空管道1内部；
所述高速磁浮系统、低速磁浮系统和混合磁浮系统沿线路布置，且混合磁浮系统置于高速磁浮系统和低速磁浮系统之间；
所述运载舱2通过低速磁浮系统实现静止悬浮与低速运行，加速时，通过混合磁浮系统从低速磁浮系统切换至高速磁浮系统高速运行；减速时，通过混合磁浮系统从高速磁浮系统切换至低速磁浮系统低速运行与悬停。同时，结合真空管道1技术，去除轮轨摩擦阻力、降低空气阻力，在真空管道1内实现运载舱2全程静止、低速、高速及超高速下的无接触稳定运行。
进一步地，所述的运载舱2由运载舱密封层201、运载舱骨架202、磁体5、悬浮杜瓦6、次级10等组成；运载舱密封层201包覆在运载舱骨架202外部，磁体5紧贴运载舱密封层201并固定在运载舱骨架202的两侧，悬浮杜瓦6紧贴运载舱密封层201并分别固定在运载舱骨架202底部两侧，悬浮杜瓦6底部铺设高温超导材料7；次级10紧贴运载舱密封层201并分别固定在运载舱骨架202底部的中间上，这样设置可以使运载舱2外表面结构更加简洁、光滑与流畅，运载舱2外表面结构形如胶囊，从而具备低阻的空气动力学外形。
进一步地，所述的真空管道1由线路管道、过渡舱、真空机组构成，所述的线路管道由真空管道骨架101、道床12、真空管道密封层102组成，真空管道骨架101与道床12构成承载层，内部形成真空管道内部区域103；进一步，真空管道骨架和道床之间通过真空管道密封层102进行密封；所述的过渡舱由过渡舱门、过渡管道、起落系统、真空泵组成，过渡舱预设在线路始末、中途接驳点，过渡舱门设置在过渡管道两端，通过真空机械控制过渡管道内的气压，实现运载舱2在线路管道与大气环境间的过渡；所述的起落系统设置在道床12底座上，可以实现运载舱2的同步升起与降落，用于低速磁浮系统的同步场冷控制；所述的真空机组沿线路旁分散布置，对线路管道进行分段真空控制。
进一步地，如图6所示的高速磁浮系统结构示意图，所述的高速磁浮系统由高速悬浮导向装置3、高速驱动装置4组成。高速悬浮导向装置3与高速驱动装置4嵌入道床12的两侧。进一步，如图5所示的真空管道混合磁悬浮运载系统线路示意图，使高速悬浮导向装置3与高速驱动装置4沿高速线路连续铺设。
进一步地，如图7所示的低速磁浮系统结构示意图，所述的低速磁浮系统由永磁轨道8、永磁轨道基底9、初级11组成；永磁轨道8与初级11分别固定在永磁轨道基底9两端与中间，永磁轨道基底9固定到道床12底座上。进一步，如图5所示的真空管道混合磁悬浮运载系统线路示意图，使永磁轨道8与初级11沿低速线路连续铺设。
进一步地，如图8所示的混合磁浮系统结构示意图，所述的混合磁浮系统由所述的高速磁浮系统与低速磁浮系统组成。如图5所示的真空管道混合磁悬浮运载系统线路示意图，使高速悬浮导向装置3、高速驱动装置4、永磁轨道8与初级11沿加速过渡线路和减速过渡线路连续铺设。
进一步地，本发明还包括运行控制系统，该运行控制系统用于监控整个系统的运行状态。所述的运行控制系统由传感器、无线数据传输系统、供电控制系统组成，所述的传感器由位置传感器、位移传感器、三轴力传感器、三轴磁场传感器阵列、温度传感器、气压传感器、三轴加速度传感器等组成。位置传感器沿线路铺设，用于检测运载舱2的实时位置；位移传感器设置在运载舱2两侧与底部，用于监控导向与悬浮气隙；三轴力传感器作为连接组件设置在每一个悬浮杜瓦6与运载舱骨架202之间，用于监控悬浮杜瓦6的受力情况；三轴磁场传感器阵列设置在运载舱2底部、永磁轨道8正上方，用于检测轨道外磁场的变化情况；温度传感器嵌入高温超导材料7内，用于监控其工作温度；在运载舱2内及真空管道内部区域103沿线铺设气压传感器，用于监控运载舱2与真空管道1内的气压变化情况；运载舱2内设置三轴加速度传感器，用于实时监控载运舱2的运行速度与加速度。所述的无线数据传输系统采用移动通信技术、互联网技术、卫星通信技术等，向地面控制塔台实时传送传感器采集的各项监控数据。所述的供电控制系统包括低速供电控制系统与高速供电控制系统，通过位置传感器检测运载舱2的实时位置，对运载舱2覆盖区域的初级11与高速驱动装置4进行分段并联供电，其它区域不供电。
进一步地，高速悬浮导向装置3、高速驱动装置4、永磁轨道8、永磁轨道基底9、初级11等紧贴真空管道密封层102设置在真空管道1外部；所述的运载舱2与真空管道1截面形状结构可以为圆形、椭圆形、正多边形、长方形及其它任意几何形状的单一结构或组合结构。
实施例2：
如图6所示的高速磁浮系统结构示意图，运载舱2通过高速驱动装置4与磁体5实现高速牵引，高速悬浮导向装置3与磁体5间的高速相对运动产生电磁力，使运载舱2获得自稳定的悬浮力与导向力。
优选的，所述的高速悬浮导向装置3为金属导电板、短路线圈及“8”字形零磁通线圈的单一结构或任意组合结构；
优选的，所述的磁体5为永久磁体、超导块材磁体、超导线（带）材线圈磁体、常导电磁体中的单一结构或任意组合排列结构；
优选的，所述的高速驱动装置4为带铁心或空心的三相绕组。
实施例3：
如图7所示的低速磁浮系统结构示意图，利用高温超导材料7与永磁轨道8间的相互作用力实现运载舱2在静止状态下的自稳定悬浮与导向，进一步，通过初级11与次级10实现低速牵引。
优选的，所述的高温超导材料7为ReBa2Cu3O7-x（ReBCO，Re为稀土元素）或其它高温超导材料的块材、带材堆叠及线圈的单一结构或组合排列结构；
优选的，通过向悬浮杜瓦6内注入液氮、或采用固氮及制冷机对高温超导材料7进行冷却；
优选的，所述的永磁轨道8为永磁体单元组合或由励磁线圈组成的电磁轨道；
优选的，所述的初级11为带铁心或空心三相绕组；
优选的，所述的次级10为永磁体、超导块（线、带）材磁体、单一金属板、复合金属板中的单一结构或组合排列结构。
实施例4：
如图5所示的真空管道混合磁悬浮运载系统线路示意图，所述的低速磁浮系统应用在低速线路；所述的高速磁浮系统应用在高速线路；所述的混合磁浮系统应用在加速过渡线路与减速过渡线路；所述的过渡线路设置在高速线路与低速线路间。系统由低速运行转至高速运行时，首先，运载舱2在低速线路上通过低速磁浮系统实现静态起浮与低速运行，在加速至高速磁浮系统的工作速度前，运载舱2进入加速过渡线路，随着速度的持续增加，运载舱2逐渐升高脱离永磁轨道8，直到低速磁浮系统切换至高速磁浮系统，运载舱2进入高速线路高速运行；系统由高速运行转至低速运行时，运载舱2从高速线路进入减速过渡线路，随着速度的持续减小，运载舱2逐渐降落进入永磁轨道8，直到高速磁浮系统切换至低速磁浮系统，运载舱2进入低速线路低速运行与悬停。从而实现运载舱2全程静止、低速、高速及超高速下的无接触运行。
实施例5：
如图9所示的电力装置外置真空管道结构示意图，所述的高速悬浮导向装置3、高速驱动装置4、永磁轨道8、永磁轨道基底9、初级11等紧贴真空管道密封层102设置在真空管道外部，可以解决电力装置在真空管道内的散热问题。同时，使真空管道内表面结构更加简洁、光滑与流畅，从而具备低阻的空气动力学外形。此外，降低了管内设备维护的难度与成本。
进一步地，如图10所示的圆形截面真空管道混合磁悬浮运载系统结构示意图，所述的运载舱2与真空管道1截面形状结构可以为圆形、椭圆形、正多边形、长方形及其它任意几何形状的单一结构或组合结构。
可以看出，与现有技术相比，本发明的有益效果包括：克服了单一磁浮技术的不足，使运载舱实现节能、环保、可靠及全速域的运行；使真空管道与运载舱结构更加简洁、流畅，从而具备低阻的空气动力学外形；通过混合磁浮系统的过渡切换，减弱了高温超导钉扎磁浮系统与电动磁浮系统切换时的磁通突变。
上面结合附图对本发明的实施加以描述，但是本发明不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式是示意性而不是加以局限本发明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种真空管道混合磁悬浮运载系统，其特征在于：其包括运载舱、真空管道、高速磁浮系统、低速磁浮系统和混合磁浮系统；
所述运载舱悬浮运行于真空管道内部；
所述高速磁浮系统、低速磁浮系统和混合磁浮系统沿线路布置，且混合磁浮系统置于高速磁浮系统和低速磁浮系统之间；
所述运载舱通过低速磁浮系统实现静止悬浮与低速运行，加速时，通过混合磁浮系统从低速磁浮系统切换至高速磁浮系统高速运行；减速时，通过混合磁浮系统从高速磁浮系统切换至低速磁浮系统低速运行与悬停。
2.根据权利要求1所述的一种真空管道混合磁悬浮运载系统，其特征在于：所述运载舱由密封层、运载舱骨架、磁体、悬浮杜瓦和次级组成；所述运载舱密封层包覆在运载舱骨架外部，磁体紧贴运载舱密封层并固定在运载舱骨架的两侧，悬浮杜瓦紧贴运载舱密封层并分别固定在运载舱骨架底部两侧，悬浮杜瓦底部铺设高温超导材料；次级紧贴运载舱密封层并分别固定在运载舱骨架底部的中间上；所述的磁体为永久磁体、超导块材磁体、超导线或带材线圈磁体、常导电磁体中的单一结构或任意组合排列结构。
3.根据权利要求1所述的一种真空管道混合磁悬浮运载系统，其特征在于：所述真空管道由线路管道、过渡舱和真空机组构成，所述的线路管道由真空管道骨架、道床、真空管道密封层组成，真空管道骨架与道床构成承载层，真空管道骨架和道床之间通过真空管道密封层进行密封；所述的过渡舱由过渡舱门、过渡管道、起落系统、真空泵组成，过渡舱预设在线路始末、中途接驳点，过渡舱门设置在过渡管道两端，通过真空泵控制过渡管道内的气压，实现运载舱在线路管道与大气环境间的过渡；所述的起落系统设置在道床底座上，用于运载舱的同步升起与降落，用于低速磁浮系统的同步场冷控制；所述的真空机组沿线路旁分散布置，对线路管道进行分段真空控制。
4.根据权利要求3所述的一种真空管道混合磁悬浮运载系统，其特征在于：所述的高速磁浮系统由高速悬浮导向装置、高速驱动装置组成，高速悬浮导向装置与高速驱动装置分别嵌入道床两侧，高速悬浮导向装置与高速驱动装置沿高速线路连续铺设。
5.根据权利要求4所述的一种真空管道混合磁悬浮运载系统，其特征在于：所述的低速磁浮系统由永磁轨道、永磁轨道基底和初级组成；永磁轨道与初级分别固定在永磁轨道基底两端与中间，永磁轨道基底固定到道床底座上，所述永磁轨道与初级沿低速线路连续铺设；所述的永磁轨道为永磁体单元的组合排列结构；所述的初级为带铁心或空心三相绕组。
6.根据权利要求5所述的一种真空管道混合磁悬浮运载系统，其特征在于：所述混合磁浮系统由所述的高速磁浮系统与低速磁浮系统组成，且混合磁浮系统中的高速悬浮导向装置、高速驱动装置、永磁轨道与初级沿加速过渡线路和减速过渡线路连续铺设。
7.根据权利要求1所述的一种真空管道混合磁悬浮运载系统，其特征在于：其还包括运行控制系统，该运行控制系统用于监控整个系统的运行状态。
8.根据权利要求4所述的一种真空管道混合磁悬浮运载系统，其特征在于：所述的高速悬浮导向装置为金属导电板、短路线圈、“8”字形零磁通线圈中的单一结构或任意组合结构；所述的高速驱动装置为带铁心或空心的三相绕组。
9.根据权利要求2所述的一种真空管道混合磁悬浮运载系统，其特征在于：所述的高温超导材料为ReBa2Cu3O7-x、ReBCO或其它高温超导材料的块材、带材堆叠及线圈的单一结构或组合排列结构，Re为稀土元素；通过向悬浮杜瓦内注入液氮或采用固氮及制冷机对高温超导材料进行冷却；所述的次级为永磁体、超导块线或带材磁体、单一金属板、复合金属板中的单一结构或组合排列结构。
10.根据权利要求1所述的一种真空管道混合磁悬浮运载系统，其特征在于：所述的运载舱与真空管道截面形状结构为圆形、椭圆形、正多边形、长方形及其它任意几何形状的单一结构或组合结构。
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