CN114420398A - 一种磁悬浮抗冲击结构及磁体装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁悬浮抗冲击结构及磁体装置,磁悬浮磁体装置包括:外杜瓦;线圈,设置在外杜瓦内部,线圈使用超导材料制成且工作在超导状态;抗冲击结构,设置在外杜瓦上,抗冲击结构包括:外套杆,连接在外杜瓦的外侧面上;支撑杆,其一端插接在外杜瓦内部,另一端插接在外套杆内部。本发明采用超导线材作为线圈制备材料,利用其临界转变温度以下可以无阻载流的优势,为磁悬浮磁体装置提供强大的电磁力,从而提高悬浮高度,增加了高速动态运行环境下的安全性,同时采用长悬臂形式的抗冲击结构,避免了高速运动过程中的刚性冲击载荷对线圈磁热稳定性的影响,避免线圈失超,提高了强冲击环境下的磁体装置的安全性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及磁悬浮技术领域,特别涉及一种磁悬浮抗冲击结构及磁体装置。
背景技术
中国的高铁通过这十几年的建设,高铁总里程达到3万多公里,技术位于世界前列,然而受各种因素的制约,采用轮轨将目前高铁300-350km/h的速度进一步提速难度极大。面对社会高速发展的进一步需求,高速磁悬浮铁路建设需求应运而生,高速磁悬浮铁路可以解决轮轨铁路存在的轮轨黏着、摩擦、振动和高速受流等问题,具有更高的提速潜力(>600km/h),近年来逐渐成为地面交通领域的研究热点。同时,在电磁弹射领域,如何获得更高的发射速度也是大家共同追求的目标,其中通过采用超导磁体产生更高的强磁场,从而获得更高的速度是一种被认为较好的方案。
根据已有的文献可知,截止目前中国、日本、德国、美国等国家在磁浮领域均有一定的技术积累,其中日本在超高速领域尤为突出,以日本东海旅客铁道株式会社(JR东海公司)为例,其长期开展超导磁悬浮列车的研究与实验,目前已具备测试时速高达590km/h的实用化高速磁浮技术。然而,该领域超导磁体技术几乎完全处于保密、封锁状态。国内前20年更多的将研究方向集中到常规磁悬浮技术方向,先后通过引进德国技术建成了上海磁悬浮列车运行线 (430km/h),其后又独立研制了北京S1线磁悬浮列车(80km/h)、长沙磁悬浮线磁悬浮列车(100km/h)等,可见常导磁悬浮技术列车的运行速度还是相对较低,且相关研究表明其悬浮高度小、承载低,能耗较大,运行成本较高。最近几年受社会对超高速列车、及电磁弹射需求牵引,相关研究单位及高校相继开展了超导磁悬浮的研制工作,相关原理性的成果有一定的报道,但是如何克服磁悬浮系统在高速复杂环境下的冲击载荷,以确保超导磁体装置不出现失超等异常情况发生的问题仍需要解决。
发明内容
本发明实施例提供了一种磁悬浮抗冲击结构及磁体装置,用以解决现有技术中的问题。
一方面,本发明实施例提供了一种磁悬浮抗冲击结构,包括:
外套杆,用于与磁悬浮磁体装置连接;
支撑杆,支撑杆的一端用于插接在磁悬浮磁体装置中的线圈内部,支撑杆的另一端插接在外套杆内部。
另一方面,本发明实施例提供了一种磁悬浮磁体装置,包括:
外杜瓦;
线圈,设置在外杜瓦内部,线圈使用超导材料制成且工作在超导状态;
抗冲击结构,设置在外杜瓦上,抗冲击结构包括:
外套杆,连接在外杜瓦的外侧面上;
支撑杆,支撑杆的一端插接在外杜瓦内部,另一端插接在外套杆内部。
本发明中的一种磁悬浮抗冲击结构及磁体装置,具有以下优点:
1、本发明采用电动磁悬浮技术原理,利用车上的超导磁体与地面常规导体线圈之间的相对运动产生感应磁场,磁极之间同性相斥、异性相吸使超导磁体装置悬浮起来。同时本发明采用了超导线材作为线圈制备材料,利用其临界温度以下,可以无阻载流的优势,可为磁悬浮磁体提供强大的电磁力,从而使悬浮高度大于常规导体制作的磁体,理论值可以>100mm,极大的增加了磁浮高速动态运行环境下的安全性。
2、本发明直接将超导线圈的电磁力通过抗冲击结构传递出去,磁体抗冲击结构更合理,提高了推进力和悬浮力传递的效率。同时本发明提出的长悬臂形式的支撑杆,通过对支撑杆长度的合理设计,可以避免磁体高速运动过程中的刚性冲击载荷对超导线圈磁热稳定性的问题,提高了超导磁体抗冲击载荷的载荷量级,避免超导线圈的失超,因此提高了强冲击环境下的超导磁体的安全性、稳定性。
3、本发明提出的抗冲击支撑杆结构也极大的减小了超导磁体低温系统的热负载。高速磁浮超导磁体装置往往受到空间大小的限制,在有限的宽度范围内部需要放置超导线圈、冷却介质槽、冷屏等等,因此很难降低低温系统的热负载。因此,本发明采用了支撑杆结构,支撑杆一端温度为TL、另一端为TH,在其他参数不变的情况下,增加支撑杆的长度可以减小漏热量,进而降低低温系统的热负载。
4、本发明提出的磁体冷却装置可以实现冷却介质的零挥发,解决了磁体装置运行过程中需要补充冷却介质的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,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为本发明实施例提供的抗冲击结构的截面示意图;
图2为本发明实施例提供的抗冲击结构中的接口示意图;
图3为本发明实施例提供的实心结构的支撑杆的示意图;
图4为本发明实施例提供的空心结构的支撑杆的示意图;
图5为本发明实施例提供的嵌套结构的支撑杆的示意图。
图6为本发明实施例提供的一种磁悬浮磁体装置的整体结构示意图;
图7为本发明实施例提供的一种磁悬浮磁体装置的内部结构示意图;
附图标记说明:1-冷却装置,2-制冷机,3-电流引线接口,4-信号线接口, 5-真空接口,6-外套杆,7-法兰接口,8-外杜瓦,9-线圈,10-冷却介质槽,11- 冷屏,12-支撑杆,13-支撑接口,14-套杆接口,12-1-实心杆,12-2空心杆,12-3- 嵌套杆,1201-内层套杆,1202-中层套杆,1203-外层套杆,1204-外层连接结构, 1205-内层连接结构。
具体实施方式
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。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做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。
图1-7为本发明实施例提供一种磁悬浮磁体装置的结构示意图。本发明实施例提供了一种磁悬浮抗冲击结构,包括:
外套杆6,用于与磁悬浮磁体装置连接;
支撑杆12,支撑杆12的一端用于插接在磁悬浮磁体装置中的线圈9内部,支撑杆12的另一端插接在外套杆6内部。
示例性地,支撑杆12可以采用多种形式,例如图3-5所示的实心杆12-1、空心杆12-2以及嵌套杆12-3,当采用嵌套杆12-3时,其包括从内向外依次套接的内层套杆1201、中层套杆1202和外层套杆1203,而外层套杆1203和中层套杆1202之间通过外层连接结构1204连接在一起,中层套杆1202和内层套杆1201 之间通过内层连接结构1205连接在一起。
本发明实施例还提供了一种磁悬浮磁体装置,包括:
外杜瓦8;
线圈9,设置在外杜瓦8内部,线圈9使用超导材料制成且工作在超导状态;
抗冲击结构,设置在外杜瓦8上,抗冲击结构包括:
外套杆6,连接在外杜瓦8的外侧面上;
支撑杆12,支撑杆12的一端插接在外杜瓦8内部,另一端插接在外套杆6 内部。
示例性地,通过对系统的振动分析,可以对支撑杆12的长度进行合理选择,例如支撑杆12的长度L和其刚度k、杨氏模量E以及惯性矩I之间的关系可表示为:通过对支撑杆12的长度进行合理选择,可以避免高速运动过程中的刚性冲击载荷对线圈9的磁热稳定性造成影响,提高了磁体装置抗冲击载荷的载荷量级,避免线圈9的失超问题,因此提高了强冲击环境下的磁体装置的安全性和稳定性。同时,借助本发明提出的抗冲击支撑杆结构形式,将磁体装置在原本较小的宽度W的基础上拓展了L1,如图1所示,从而进一步减小了低温系统的热负载,使得磁体装置能够更加安全、稳定、经济的运行。
在图3-5的支撑杆12中,其一端温度为TL,另一端温度为TH,支撑杆12 本身的热传导系数K(T)和温度相关,根据热负载计算公式,可以得知支撑杆12 的漏热量为:由此可见,在其他参数不变的情况下,增大支撑杆12的长度,可以有效减少其漏热量,进而降低低温系统的热负载。
本发明采用超导材料作为线圈的制备材料,利用其临界转变温度以下可以无阻载流的优势,相对常规导体技术,可以减小损耗功耗,同时采用超导材料制作的磁体装置更加轻便,可以为磁悬浮车辆、磁浮推进器等提供周期性、稳定的强磁场,实现列车、推进器的悬浮,从而克服了传统磁悬浮技术的相关技术难点。而且,本发明采用抗冲击结构,将高速磁浮超导磁体在高速运动过程中受到的刚性冲击载荷转化为柔性冲击,从而避免了线圈9在强大冲击载荷下发生失超的问题,使得超导磁体装置更加稳定可靠。利用本发明的磁悬浮磁体装置,被推动的装置将获得更强推动力、更高的悬浮高度以及更加稳定、可靠的优势,本发明结合低真空管道技术具有提速到>1000km/h的潜力。
在一种可能的实施例中,外杜瓦8内部设置有冷却介质槽10,线圈9设置在冷却介质槽10中,冷却介质槽10中填充有冷却介质。
示例性地,冷却介质可以使用液氦,且线圈9使用低温超导材料制成,线圈9的临界转变温度高于液氦的沸点,因此液氦环境下的线圈9处于超导状态。
在一种可能的实施例中,外杜瓦8内部设置有冷屏11,冷却介质槽10设置在冷屏11内部。
示例性地,冷屏11使用隔热效果良好的材料制成,以减少冷却介质槽10 内外的热交换,降低冷却介质槽10的热负载。
在一种可能的实施例中,外杜瓦8和冷屏11之间的空间为真空状态。
示例性地,外杜瓦8的外侧面上可以设置真空接口5,该真空接口5与真空设备配合,可以将外杜瓦8内部的空间抽真空,气压需低于1.0×10-5Pa,真空环境可以使外杜瓦8外部的热量尽可能少的进入到冷屏11中,进而减小冷却介质槽10的热负载。
在一种可能的实施例中,外杜瓦8内部设置有支撑接口13,支撑杆12位于外杜瓦8内部的一端插接在支撑接口13中。
示例性地,支撑接口13可以设置在线圈9内部,且每个线圈9内部均可以设置一个支撑接口13,因此支撑杆12的数量与外杜瓦8内部的线圈9的数量相同。当线圈9产生的磁场与外界磁场相互作用产生悬浮力以及其他力后,这些力能够直接作用在支撑杆12上。同时,外套杆6内部的空心结构形成套杆接口 14,使支撑杆12插接在该套杆接口14中。
在一种可能的实施例中,外杜瓦8的外部设置有冷却装置1,冷却装置1外部设置有制冷机2,冷却装置1内部设置有进液管和出气管,进液管和出气管的一端均与制冷机2连接,进液管和出气管的另一端均与冷却介质槽10连接。
示例性地,制冷机2可以采用G-M制冷机,冷却介质槽10中因吸收热量而蒸发为气态的冷却介质通过出气管进入到制冷机2中,制冷机2对气态的冷却介质冷却为液态的冷却介质,液态的冷却介质可以通过进液管回流至冷却介质槽10中,以维持冷却介质槽10的低温状态,使线圈9始终处在超导状态。
在一种可能的实施例中,冷却装置1和外杜瓦8之间设置有连接管,进液管和出气管位于冷却装置1和外杜瓦8之间的部分位于连接管内部,连接管内部为真空状态。
示例性地,连接管可以使用波纹管,其内部的气压也需要低于1.0×10-5Pa,真空环境能够使连接管外部的热量尽可能少的进入到进液管和出气管中,进而减小制冷机2的热负载。
在一种可能的实施例中,外杜瓦8外侧面上设置有电流引线接口3,线圈9 的引线从电流引线接口3中引出。
示例性地,线圈9的引线两端之间连接有超导开关,该超导开关也使用低温超导材料制成,在对线圈9通电之前,首先对超导开关加热,使其从超导状态转变为有阻状态,解除对线圈9的短路。线圈9的短路被解除后,电源开始向线圈9供电,当线圈9的电流达到目标值后,停止对超导开关加热,使其逐渐转变为超导状态,进而使线圈9和超导开关形成闭合回路,电源的输出电流降为0后,线圈9即闭环运行。使用超导材料制成的线圈9能够产生强大的磁场,磁场强度远高于常规导体所能产生的极性周期变化的磁场,配合地面推进、悬浮以及导向的控制,实现超导磁悬浮装置的超高速运行。
在一种可能的实施例中,外杜瓦8内部设置有监测传感器,外杜瓦8的外侧面设置有信号线接口4,监测传感器的引线从信号线接口4中引出。
示例性地,监测传感器可以包括温度传感器、电压信号传感器、应变传感器、液位计等,这些监测传感器用于监测外杜瓦8内部各个器件的工作状态,当工作状态存在异常时,可以通过报警单元发出报警信号,提醒操作人员及时处理。
在一种可能的实施例中,外套杆6的一端设置有法兰接口7,法兰接口7与外杜瓦8的外侧面连接。
示例性地,法兰接口7上具有多个螺孔,使用螺杆即可将法兰接口7固定连接在外杜瓦8的外侧面上,进而实现外套杆6和外杜瓦8的连接。
在本发明的实施例中,外杜瓦8的外侧面上固定设置有内套杆,内套杆的内径大于支撑杆12的外径,外套杆6在安装时将其具有法兰接口7的一端插接在内套杆的外部,当法兰接口7与外杜瓦8的外侧面接触时,内套杆也全部插入到外套杆6内部,随后使用螺杆即可将外套杆6连接在外杜瓦8上,最后将支撑杆12插入内套杆内部的一端插入到外杜瓦8内部即可。在本发明中,支撑杆12仅在末端的端面与内套杆连接。
尽管已描述了本发明的优选实施例,但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念,则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以,所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种磁悬浮抗冲击结构,其特征在于,包括:
外套杆(6),用于与磁悬浮磁体装置连接;
支撑杆(12),所述支撑杆(12)的一端用于插接在磁悬浮磁体装置中的线圈(9)内部,所述支撑杆(12)的另一端插接在所述外套杆(6)内部。
2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮抗冲击结构,其特征在于,所述支撑杆(12)为实心杆、空心杆或嵌套杆。
3.一种磁悬浮磁体装置,其特征在于,包括:
外杜瓦(8);
线圈(9),设置在所述外杜瓦(8)内部,所述线圈(9)使用超导材料制成且工作在超导状态;
抗冲击结构,设置在所述外杜瓦(8)上,所述抗冲击结构包括:
外套杆(6),连接在所述外杜瓦(8)的外侧面上;
支撑杆(12),所述支撑杆(12)的一端插接在所述外杜瓦(8)内部,另一端插接在所述外套杆(6)内部。
4.根据权利要求3所述的一种磁悬浮磁体装置,其特征在于,所述外杜瓦(8)内部设置有冷却介质槽(10),所述线圈(9)设置在所述冷却介质槽(10)中,所述冷却介质槽(10)中填充有冷却介质。
5.根据权利要求4所述的一种磁悬浮磁体装置,其特征在于,所述外杜瓦(8)内部设置有冷屏(11),所述冷却介质槽(10)设置在所述冷屏(11)内部。
6.根据权利要求3所述的一种磁悬浮磁体装置,其特征在于,所述外杜瓦(8)内部设置有支撑接口(13),所述支撑杆(12)位于所述外杜瓦(8)内部的一端插接在所述支撑接口(13)中;
所述外套杆(6)内部具有套杆接口(14),所述支撑杆(12)的另一端插接在所述套杆接口(14)中。
7.根据权利要求3所述的一种磁悬浮磁体装置,其特征在于,所述外杜瓦(8)的外部设置有冷却装置(1),所述冷却装置(1)外部设置有制冷机(2),所述冷却装置(1)内部设置有进液管和出气管,所述进液管和出气管的一端均与所述制冷机(2)连接,所述进液管和出气管的另一端均与所述冷却介质槽(10)连接。
8.根据权利要求7所述的一种磁悬浮磁体装置,其特征在于,所述冷却装置(1)和外杜瓦(8)之间设置有连接管,所述进液管和出气管位于所述冷却装置(1)和外杜瓦(8)之间的部分位于所述连接管内部,所述连接管内部为真空状态。
9.根据权利要求3所述的一种磁悬浮磁体装置,其特征在于,所述外杜瓦(8)外侧面上设置有电流引线接口(3),所述线圈(9)的引线从所述电流引线接口(3)中引出。
10.根据权利要求3所述的一种磁悬浮磁体装置,其特征在于,所述外杜瓦(8)内部设置有监测传感器,所述外杜瓦(8)的外侧面设置有信号线接口(4),所述监测传感器的引线从所述信号线接口(4)中引出。
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