CN114823040B - 增大阻尼及悬浮力的高温超导磁悬浮杜瓦及宽度计算方法 - Google Patents

增大阻尼及悬浮力的高温超导磁悬浮杜瓦及宽度计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种增大阻尼及悬浮力的高温超导磁悬浮杜瓦及宽度计算方法，涉及高温超导钉扎磁悬浮技术领域，包括外箱体，所述外箱体内通过连接柱固定连接有内箱体，所述内箱体为空腔结构，所述内箱体的空腔用于盛放液氮且其底部安装有超导块材，所述内箱体通过液氮灌注管与外界连通，所述外箱体由导电材料制成,在本申请中，通过利用距离永磁轨道最近、所处位置的磁场梯度较大且与永磁轨道的正对面积最大的磁悬浮杜瓦外箱体作为增加系统阻尼的设备，相比于现有技术中采用不锈钢材料，其可以显著增加磁悬浮杜瓦的阻尼，提高其衰减振动的能力。

Description

增大阻尼及悬浮力的高温超导磁悬浮杜瓦及宽度计算方法
技术领域
本发明涉及高温超导钉扎磁悬浮技术领域，具体而言，涉及一种增大阻尼及悬浮力的高温超导磁悬浮杜瓦及宽度计算方法。
背景技术
高温超导体是超导物质中的一种族类，相较于其他超导物质具有较高的临界温度，可以在液氮沸点实现超导状态，具体指临界温度高于77K的超导材料。高温超导钉扎磁悬浮系统基于高温超导体对磁通线的“钉扎”作用，为列车提供悬浮力。但是高温超导钉扎磁悬浮系统其超导块材自身阻尼较小可能无法有效抑制系统的剧烈振动，所以现在亟需一种为高温超导钉扎磁悬浮系统增加阻尼并尽量增大悬浮力的方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增大阻尼及悬浮力的高温超导磁悬浮杜瓦及宽度计算方法，以改善上述问题。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一方面，本申请提供了一种增大阻尼及悬浮力的高温超导磁悬浮杜瓦，包括：
外箱体，所述外箱体内通过连接柱固定连接有内箱体，所述内箱体为空腔结构，所述内箱体的空腔用于盛放液氮，所述内箱体的底部设有超导块材，所述内箱体通过液氮灌注管与外界连通，所述外箱体由导电材料制成。
另一方面，本申请还提供了一种增大阻尼及悬浮力的高温超导磁悬浮杜瓦的宽度计算方法，包括：
获取永磁轨道参数信息；调用有限元分析软件对所述永磁轨道参数信息进行静态磁场分布计算，并获取仿真计算结果；根据所述仿真计算结果获取所述永磁轨道在横截面上的磁场分布状态；根据所述磁场分布状态和预设的磁场梯度范围计算得到增大阻尼及悬浮力的高温超导磁悬浮杜瓦的宽度。
本发明的有益效果为：
本发明通过利用距离永磁轨道最近、所处的位置磁场梯度较大且与永磁轨道的正对面积最大的高温超导磁悬浮杜瓦的外箱体本身作为增加系统阻尼的设备，相比于现有技术中采用不锈钢材料，能在保持原有系统不变的情况下实现增加高温超导磁悬浮系统阻尼的技术效果。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、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
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为实施例1的宽度方向的截面结构示意图；
图2为实施例1的长度方向的截面结构示意图；
图3为所述外箱体所受阻尼力随时间的变化图；
图4为所述永磁轨道磁感线分布示意图。
图中标记：1、盖体；2、波纹管；3、液氮灌注管；4、杜瓦安装座；5、连接柱；6、外箱体；7、内箱体；9、防波板；10、定位支柱；11、超导块材；12、永磁轨道;13、围合框；31、第一管道部；32、第二管道部；33、第三管道部。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
用于高温超导钉扎悬浮系统的超导体是块状非理想第二类超导体。这类超导体除了具有超导态和正常态两种状态之外，还存在第三种状态，即为混合态。在混合态下，超导体具有“钉扎”能力，能把穿过其中的磁通线“钉住”，从而阻碍外部磁场的变化，既可以产生排斥力又可以产生吸引力，实现了高温超导钉扎悬浮系统的稳定悬浮。
高温超导钉扎磁悬浮系统正是基于高温超导体对磁通线的“钉扎”作用，利用超导块材11与永磁轨道12产生无源自稳定的钉扎力，为磁悬浮列车在垂向上提供悬浮力，在横向上提供导向力。这种高温超导体具有强非线性电磁本构关系，从而决定了高温超导体在永磁轨道12上方的受力也具有强非线性，在磁浮应用中表现为滞回非线性磁轨关系。该磁轨关系由材料自身属性决定，在高温超导钉扎磁浮系统的振动中，由于超导体内存在交流损耗和磁通运动，磁轨关系中的滞回现象在超导块材11的振动中起到一定的阻尼作用，但其当量阻尼较弱。从振动系统的角度来看，高温超导钉扎磁浮系统为弱阻尼系统，在高温超导钉扎磁浮列车的应用中，随着速度的提高和振动的增强，该阻尼可能无法有效抑制系统的剧烈振动，甚至可能出现振动失稳，影响磁浮系统安全性。
实施例1：
如图1和图2所示，本实施例中提供了一种增大阻尼及悬浮力的高温超导磁悬浮杜瓦。
参见图1，图中示出了本实施例包括外箱体6，其中，外箱体6内通过连接柱5固定连接有内箱体7，内箱体7为空腔结构，内箱体7的空腔用于盛放液氮，内箱体的其底部设有超导块材11，内箱体7通过液氮灌注管3与外界连通，外箱体6由导电材料制成，外箱体6用于产生阻尼，外箱体6在高温超导钉扎磁浮系统垂向运动过程中，铝合金外箱体6可以感应出涡流并产生欧姆损耗以消耗振动的能量。在本申请中，优选导电材料为高电导率材料制备而成。其目的为不同材料在同一磁场中运动时产生的制动力和运动速度存在相互关系。并且制动力与速度为非线性关系。在低速下，制动力随速度的增加而增大，达到一定速度后，制动力达到最大；随后制动力随速度的增加而减小，趋于某一稳定值。在这一过程中，不同材料产生制动力最大时对应的速度称为该材料的饱和速度。电导率高的材料其饱和速度较低，但其在低速下能产生更大的制动力。针对本实施例的实施情况为振动速度一般较低的特点，采用高电导率的材料有利于获得较大的阻尼。具体而言，在本申请中优选为电导率大于2.3×107 S/m。进一步而言，在本实施例中优选外箱体6为7050-T7451型铝合金材料制备而成，由于7050-T7451型铝合金电导率为2.4×107 S/m，在常用材料中属于较高水平，并且其机械性能较优，经济性较好，适用于本实施例。
在本申请中，通过利用距离永磁轨道12最近、所处的位置磁场梯度较大且与永磁轨道12的正对面积最大的磁悬浮杜瓦的外箱体本身作为增加系统阻尼的设备，相比于现有技术中采用不锈钢材料，能在保持原有系统不变的情况下实现增加超导磁悬浮系统阻尼的技术效果。并且，在本实施例的实施中，7050-T7451型铝合金材料制备而成的外箱体6本身既不会影响超导块材11与永磁轨道12间的相互作用；也因为，没有引入额外的设备，也不会在超导块材11与永磁轨道12设计时，额外计算阻尼器的重量。并且高电导率材料适合于高温超导钉扎磁浮系统在振动过程中的速度低、位移小、频率高的特点。电导率高的材料其饱和速度较低，在低速下其当量阻尼较大，可在低速下提供较大的阻力以抑制振动，打破超导体自身阻尼较小的限制，增加系统阻尼，从而提升超导磁悬浮系统的动力学性能。并且本实施例在垂向运动过程中，铝合金外箱体6可以感应出涡流并产生欧姆损耗以消耗振动的能量。图3为外箱体6以0.15 m/s下降过程中外箱体6所受阻尼力随时间的变化图，由图中可以看出，铝合金材料制成的外箱体6可以为超导磁悬浮提供额外的涡流阻尼，阻尼力可达400N以上，且本实施例与永磁轨道12距离越小，阻尼力越大，该设计较好地实现了预期效果。
同时为了进一步地利用永磁轨道12的磁场产生阻尼力，在本申请中外箱体6的宽度大于永磁轨道12的宽度。
进一步地，为了减少在内箱体7内的液氮与外界的热交换，在本申请中，外箱体6包括阻尼体，阻尼体为空腔结构，阻尼体上开设有第一开口，第一开口处设有与第一开口匹配的盖体1，外箱体6与盖体1之间采用螺栓进行连接，内箱体7设置于阻尼体与盖体1围成的空腔内，内箱体7与外箱体6的内壁之间设有间隙，将间隙中的空气通过真空泵抽出，形成真空保温层。通过上述设置，构建间隔空间，使得内箱体7与外箱体6构成真空保护层，减缓液氮与外界的热交换。
同时，在本实施例中，优选盖体1为不锈钢材料制成，其相比于现有技术采用高强度高分子材料不同，本申请中采用不锈钢制成的盖体1，利用不锈钢优异的焊接性能，可以在后续的装配上简化盖体1与波纹管2以及本实施例安装座的装配工作。并且在本申请中，用焊接代替粘接，可在提高连接可靠性同时具有更优的气密性能，降低高温超导磁悬浮杜瓦检修频率。
并且为了进一步降低液氮与外界的热交换，在本申请中，内箱体7的顶部通过连接柱5与盖体1固定连接。并且具体而言，在本申请中所述连接柱5为G10玻璃钢材料制成。在本申请中通过设置连接柱5，使得盖体1和内箱体7间接接触，并且G10玻璃钢为高热阻材料，其能有效增加内箱体7和盖体1之间的热阻，减小热传导，进一步提高本实施例的保温性能，降低液氮消耗速度，延长杜瓦工作时间，具有更好的经济性。
参见图2，图中示出了，在本实施例中液氮灌注管3为弯管，具体而言，在本实施例中，液氮灌注管3包括第一管道部31、第二管道部32和第三管道部33，其中，第一管道部31的一端部与内箱体7的空腔连通，第一管道部31的另一个端部与第二管道部32的一端部连通，第二管道部32远离第一管道部31的端部与外界连通，具体而言，第二管道部32远离第一管道部31的端部通过第三管道部33与外界连通，在本实施例中，第二管道部32与第一管道部31的连接处呈弧形，第二管道部32倾斜设置，第二管道部32与第一管道部31连接处的高度低于第二管道部32与第三管道部33连接处的高度，以便液氮添加时无残留在液氮灌注管3内。本申请中通过将液氮灌注管3设置为弯管结构代替传统的直管，可在增大管道热阻的同时，防止杜瓦振动过程中内部液氮从灌注管飞溅而出产生损耗。
参见图1和图2，在本申请中，内箱体7内设置有防波板9。在杜瓦振动过程中内部液氮可能产生强烈晃动，不利于液氮与内箱体7的充分接触，影响其对高温超导体的冷却效果，并对杜瓦内箱体7产生冲击载荷。为抑制液氮晃动，内箱体7内部设置防波板9，能有效降低液氮晃动，从而可保证液氮与内箱体7接触充分，传热稳定，有利于维护超导体状态稳定，同时减小内部惯性冲击，并且减少液氮损失。
参见图1和图2，图中示出了，在本实施例中还包括横截面为倒“7”字型的围合框13，围合框13的顶部与内箱体7底部焊接，围合框13与内箱体7底部围合形成用于容纳至少一个超导块材11的固定槽，固定槽开口朝向永磁轨道，围合框13的水平部在固定槽的区域构成承重平台。具体而言，焊接为点焊。同时可以理解的是，在本实施例的内箱体7在真实使用中，其内箱体7的底部通过固定槽容纳了至少有一个及其以上的超导块材11。固定槽可容纳一个以上的超导块材11，并且，在实施例中，固定槽中的多个超导块材11的排列方式为籽晶面朝下的2×12块双列纵向排列。其中，籽晶面为超导块材11生长的起始面，这一部分微观结构更规律，性能较优，具有更大的悬浮力密度，籽晶面朝下可以在超导磁悬浮系统的悬浮状态下提供更大的悬浮力。同时，将超导块材11优选为长方体状，其中，超导块材11的短边沿内箱体7的长度方向进行双列纵向排列，便于块材与内箱体7进行安装，可参见图1和图2。其次，在本申请中，块材安装后在围合框13顶部四周进行点焊，围合框13焊接点变形后挤压围合框13包裹的超导块材11，将超导块材11四周固定在内箱体7底部，且与超导块材11之间紧密贴合，不会发生移动，这一固定方式可以实现超导块材11的可靠安装。同时，这一固定方式不同于以往的螺纹连接方式，避免了在超导块材11上进行打孔等会对超导块材11产生损耗的措施，保留了超导块材11的完整性，增大了超导块材11的有效面积，从而提高杜瓦悬浮力。相较于以往的螺纹连接方式，采用此固定方式可使杜瓦悬浮力增大约2.5%。
并且进一步的，为了增加结构刚度，在本实施例中，内箱体7的侧壁与外箱体6的侧壁之间设有定位支柱10，以增加结构刚度和的定位刚度，防止内箱体7在受力下产生较大的变形，保证结构连接的可靠性。支撑支柱在本申请中优选为高分子材料制备而成，具有较大的热阻，对杜瓦的保温性能影响较小，比如G10玻璃钢。
同时参见图1以及图2，本实施例中包括有波纹管2、杜瓦安装座4，其中波纹管2的一端部与盖体1焊接，液氮灌注管3穿过波纹管2与外界连通。杜瓦安装座4也与盖体1焊接。杜瓦安装座4上方设有螺纹孔，可根据使用要求，将杜瓦便捷安装于所需位置。
实施例2：
本实施例中提供了一种计算实施例1的一种增大阻尼及悬浮力的高温超导磁悬浮杜瓦的宽度计算方法，具体而言，包括：
S10、获取永磁轨道12参数信息。
具体而言，在本步骤中所提及的永磁轨道12参数包括永磁体的宽度、长度、高度以及磁化强度，还有永磁轨道12的宽度。
S20、调用有限元分析软件对永磁轨道12参数信息进行静态磁场分布计算，并获取仿真计算结果。
具体而言，在本步骤中有限元分析软件为ANASYS Maxwell有限元软件，结果简化示意图可参见图4。
S30、根据仿真计算结果获取永磁轨道在横截面上的磁场分布状态。
S40、根据磁场分布状态和预设的磁场梯度范围计算得到增大阻尼及悬浮力的高温超导磁悬浮杜瓦的外箱体（即阻尼器）的宽度。
其中步骤S40包括步骤S41、S42和S43，包括：
S41、提取磁场分布状态在水平面的第一磁感应强度分布情况，水平面为永磁轨道12顶面。
S42、以永磁轨道12的横截面中点为零点，在第一磁感应强度分布情况中提取等于预设的第一阈值的两个第一位置。
本步骤的目的在于根据首先提取到的永磁轨道12在水平方向磁感应强度分布，以第一阈值为分界线提取到临界位置。其中第一阈值为0.1。大于第一阈值的区域其横向磁感应强度可以在实施例1垂向振动时提供可观的涡流阻尼效果。
S43、以两个第一位置为边界在磁场分布状态中提取磁感应强度梯度大于预设的第二阈值的两个第二位置，并将两个第二位置之间的距离作为高温超导磁悬浮杜瓦的外箱体（即阻尼器）的宽度。
本步骤的目的在于在S42的基础上进一步优化实施例1的宽度，即在第一阈值限定的宽度范围内，以梯度差大于0.002 T/mm的区域作为实施例1的宽度，即在本实施例中第二阈值为0.002。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，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以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种增大阻尼及悬浮力的高温超导磁悬浮杜瓦的宽度计算方法，其特征在于，包括：
获取永磁轨道参数信息；
调用有限元分析软件对所述永磁轨道参数信息进行静态磁场分布计算，并获取仿真计算结果；
根据所述仿真计算结果获取所述永磁轨道在横截面上的磁场分布状态；
根据所述磁场分布状态和预设的磁场梯度范围计算得到高温超导磁悬浮杜瓦的外箱体的宽度；
其中，一种增大阻尼及悬浮力的高温超导磁悬浮杜瓦，包括：
外箱体(6)，所述外箱体(6)内通过连接柱(5)固定连接有内箱体(7)，所述内箱体(7)为空腔结构，所述内箱体(7)的空腔用于盛放液氮，所述内箱体(7)的底部设有超导块材(11)，所述内箱体(7)通过液氮灌注管(3)与外界连通，所述外箱体(6)由导电材料制成。
2.根据权利要求1所述的增大阻尼及悬浮力的高温超导磁悬浮杜瓦的宽度计算方法，其特征在于：所述外箱体(6)包括阻尼体，所述阻尼体为空腔结构，所述阻尼体上开设有第一开口，所述第一开口处设有与第一开口匹配的盖体(1)，所述内箱体(7)设置于所述阻尼体与所述盖体(1)围成的空腔内，所述内箱体(7)与所述外箱体(6)的内壁之间设有间隙。
3.根据权利要求2所述的增大阻尼及悬浮力的高温超导磁悬浮杜瓦的宽度计算方法，其特征在于：所述阻尼体为铝合金材料制成，所述盖体(1)为不锈钢材料制成。
4.根据权利要求2所述的增大阻尼及悬浮力的高温超导磁悬浮杜瓦的宽度计算方法，其特征在于：所述内箱体(7)的顶部通过连接柱(5)与所述盖体(1)固定连接。
5.根据权利要求1所述的增大阻尼及悬浮力的高温超导磁悬浮杜瓦的宽度计算方法，其特征在于：所述外箱体(6)的宽度大于永磁轨道(12)的宽度。
6.根据权利要求1所述的增大阻尼及悬浮力的高温超导磁悬浮杜瓦的宽度计算方法，其特征在于：所述液氮灌注管(3)包括第一管道部(31)和第二管道部(32)，所述第一管道部(31)的一端部与所述内箱体(7)的空腔连通，所述第一管道部(31)的另一个端部与所述第二管道部(32)的一端部连通，所述第二管道部(32)远离第一管道部(31)的端部与外界连通，所述第二管道部(32)与第一管道部(31)的连接处呈弧形。
7.根据权利要求1所述的增大阻尼及悬浮力的高温超导磁悬浮杜瓦的宽度计算方法，其特征在于：所述内箱体(7)内设置有防波板(9)。
8.根据权利要求1所述的增大阻尼及悬浮力的高温超导磁悬浮杜瓦的宽度计算方法，其特征在于，包括：横截面为倒“7”字型的围合框(13)，所述围合框的顶部与内箱体( 7) 底部焊接，所述围合框与内箱体( 7) 底部围合形成用于容纳至少一个超导块材( 11) 的固定槽，所述固定槽开口朝向永磁轨道，所述围合框的水平部在所述固定槽的区域构成承重平台。
9.根据权利要求1所述的增大阻尼及悬浮力的高温超导磁悬浮杜瓦的宽度计算方法，其特征在于，根据所述磁场分布状态和预设的磁场梯度范围计算得到阻尼超导磁悬浮杜瓦的宽度，包括：
提取所述磁场分布状态在水平面的第一磁感应强度分布情况，所述水平面为永磁轨道顶面；
以所述永磁轨道的横截面中点为零点，在第一磁感应强度分布情况中提取等于预设的第一阈值的两个第一位置；
以两个所述第一位置为边界在磁场分布状态中提取磁感应强度梯度大于预设的第二阈值的两个第二位置，并将两个所述第二位置之间的距离作为增大阻尼及悬浮力的高温超导磁悬浮杜瓦的外箱体的宽度。
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