CN115132445B - 用于动态超导磁体线圈的冷却骨架及动态超导磁体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超导磁悬浮技术领域，公开了一种用于动态超导磁体线圈的冷却骨架及动态超导磁体。冷却骨架包括用于设置超导磁体线圈的跑道型骨架本体、内杜瓦盖板和内杜瓦内封板，跑道型骨架本体包括骨架底板和骨架侧壁，骨架底板和骨架侧壁上均设置有对流换热孔，内杜瓦盖板包括第一弧形盖板、第二弧形盖板、上直线段盖板和下直线段盖板，第一弧形盖板和第二弧形盖板分别设置在跑道型骨架本体的两个弧形段，上直线段盖板和下直线段盖板分别设置在跑道型骨架本体的上直线段和下直线段，内杜瓦内封板设置在骨架底板的内环表面上方，内杜瓦盖板和内杜瓦内封板沿跑道型骨架本体共同形成具有冷却通道的外包络结构，冷却通道用于设置冷却介质进行对流换热。

Description

用于动态超导磁体线圈的冷却骨架及动态超导磁体

技术领域

本发明涉及超导磁悬浮技术领域，尤其涉及一种用于动态超导磁体线圈的冷却骨架及动态超导磁体。

背景技术

在超导电动悬浮系统中，超导磁体作为整个悬浮推进系统的“心脏”，为直线电机、悬浮导向和涡流制动等分系统提供稳定的强磁场，实现列车的悬浮、导向、推进、涡流制动等功能。但是超导磁体在高速运行过程中受到地面线圈谐波影响，从而引起超导磁体振动。而超导磁体振动会引起局部微动摩擦，在超导磁体表面和超导线圈之间产生局部热点，当局部热点无法快速散失会在局部累积引起温升；同时电动悬浮磁场的高次谐波会在杜瓦内部超导线圈上产生涡流。振动摩擦、高次谐波等综合影响会导致超导线圈发热而引起失超。超导磁体失超会引起悬浮系统失去悬浮力、牵引力和导向力。因此，如何提高超导线圈结构稳定性、降低超导线圈振动、快速带走超导线圈表面局部热点、屏蔽磁场高次谐波影响，对动态超导磁体设计至关重要。

静态超导磁体通常会采用环氧浸渍固化处理，而传统的有骨架超导线圈设计中，为提高超导线圈结构稳定性，会采用骨架对线圈底面、侧面进行包裹支撑，线圈具有良好的结构稳定性且结构简单，但超导线圈由于骨架遮挡，无法与制冷工质进行良好热交换，不利于线圈表面散热。而传统的无骨架线圈，采用线圈卡箍对线圈进行固定，有助于线圈散热，但是缺少支撑，降低线圈结构稳定性，且超导线圈卡箍结构复杂，单个线圈装配零件多达上百个，对加工精度高，不利于装配和集成。同时，现有的超导线圈缺乏对高次谐波影响的应对措施，超导线圈在高速运动面临失超风险。

因此，如何使动态超导磁体有效抑制失超风险，在保证结构刚度的同时兼顾良好的冷却效果，降低振动摩擦和高次谐波带来的局部热点影响，提高线圈运行稳定性，实现良好的模块化、集成化、结构简洁可靠，是实现动态超导线圈在电动悬浮系统中的可靠服役的关键技术难点。

发明内容

本发明提供了一种用于动态超导磁体线圈的冷却骨架及动态超导磁体，能够解决现有技术中的技术问题。

本发明提供了一种用于动态超导磁体线圈的冷却骨架，其中，该冷却骨架包括用于设置超导磁体线圈的跑道型骨架本体、内杜瓦盖板和内杜瓦内封板，所述跑道型骨架本体包括骨架底板和骨架侧壁，所述骨架底板和所述骨架侧壁上均设置有对流换热孔，所述内杜瓦盖板包括第一弧形盖板、第二弧形盖板、上直线段盖板和下直线段盖板，所述第一弧形盖板和所述第二弧形盖板分别设置在所述跑道型骨架本体的两个弧形段，所述上直线段盖板和所述下直线段盖板分别设置在所述跑道型骨架本体的上直线段和下直线段，所述内杜瓦内封板设置在所述骨架底板的内环表面上方，所述内杜瓦盖板和所述内杜瓦内封板沿所述跑道型骨架本体共同形成具有冷却通道的外包络结构，所述冷却通道用于设置冷却介质进行对流换热。

优选地，所述冷却骨架还包括多个加强筋，每个所述加强筋两端穿过所述内杜瓦内封板与所述骨架底板连接。

优选地，多个所述加强筋中接近所述跑道型骨架本体的两个弧形段的加强筋上设置有安装孔，所述第一弧形盖板和所述第二弧形盖板上分别设置有多个耳片，每个所述耳片上设置有所述安装孔。

优选地，所述骨架底板和所述骨架侧壁与所述超导磁体线圈接触的表面设置有导冷层。

优选地，所述导冷层为无氧铜层。

优选地，所述导冷层与所述骨架侧壁之间以及所述导冷层与所述骨架底板之间均设置有保护层。

优选地，所述保护层为聚酰亚胺薄膜。

优选地，所述内杜瓦盖板的表面和所述内杜瓦内封板的表面镀有金属层。

优选地，所述金属层为铜镀层，所述金属层的厚度为1mm。

本发明还提供了一种动态超导磁体，其中，包括上述的冷却骨架。

通过上述技术方案，内杜瓦可以与骨架本体相结合形成用于容纳超导磁体线圈和制冷介质的空腔(包括冷却通道)，使内杜瓦与冷却骨架形成一体式结构。冷却骨架与内杜瓦针对超导磁体线圈所形成的立体环绕式冷却通道可以实现超导线圈被稳定支撑和固定的同时，与制冷工质进行良好的对流换热，加速线圈冷却。也就是，使超导磁体线圈的结构支撑和浸泡制冷形成了一体化，具有结构紧凑和便于集成的优点。并且，通过在冷却骨架上设置对流换热孔，可以进一步提高冷线圈却效率。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。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示出了根据本发明实施例的一种用于动态超导磁体线圈的冷却骨架的爆炸视图；

图2A-2B示出了根据本发明实施例的一种用于动态超导磁体线圈的冷却骨架的截面图；

图3示出了根据本发明实施例的一种用于动态超导磁体线圈的冷却骨架的外部轮廓示意图；

图4示出了根据本发明实施例的一种用于动态超导磁体线圈的冷却骨架的导冷层和保护层的示意图；

图5示出了根据本发明实施例的一种金属层的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。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讨论。

图1示出了根据本发明实施例的一种用于动态超导磁体线圈的冷却骨架的爆炸视图。

图2A-2B示出了根据本发明实施例的一种用于动态超导磁体线圈的冷却骨架的截面图。

如图1和2所示，本发明实施例提供了一种用于动态超导磁体线圈的冷却骨架，其中，该冷却骨架包括用于设置超导磁体线圈8的跑道型骨架本体1、内杜瓦盖板和内杜瓦内封板6，所述跑道型骨架本体1包括骨架底板和骨架侧壁，所述骨架底板上设置有第一对流换热孔71，所述骨架侧壁上均设置有第二对流换热孔7，所述内杜瓦盖板包括第一弧形盖板2、第二弧形盖板3、上直线段盖板4和下直线段盖板5，所述第一弧形盖板2和所述第二弧形盖板3分别设置在所述跑道型骨架本体1的两个弧形段，所述上直线段盖板4和所述下直线段盖板5分别设置在所述跑道型骨架本体1的上直线段和下直线段，所述内杜瓦内封板6设置在所述骨架底板的内环表面上方，所述内杜瓦盖板和所述内杜瓦内封板6沿所述跑道型骨架本体1共同形成具有冷却通道的外包络结构，所述冷却通道用于设置冷却介质(例如，液氦)进行对流换热，且所述冷却通道包括位于所述内杜瓦内封板6与所述骨架底板之间的第一冷却通道14以及位于所述内杜瓦盖板与所述骨架侧壁之间的第二冷却通道141。

其中，跑道型骨架本体的骨架侧壁和骨架底板共同形成U型槽，超导磁体线圈在槽内绕制，骨架侧壁和骨架底板对线圈进行支撑、限位和固定。并且，线圈与内杜瓦壁的上下左右均有冷却通道，形成如图2所示的立体环绕式冷却通道；通过在冷却通道内设置冷却介质，可以使得冷却介质与超导磁体线圈表面进行热交换，从而实现线圈的冷却。

通过上述技术方案，内杜瓦可以与骨架本体相结合形成用于容纳超导磁体线圈和制冷介质的空腔包括冷却通道，使内杜瓦与冷却骨架形成一体式结构(即，构成了一个封闭的低温-力学耦合系统)，有效节约安装空间，同时降低线圈骨架重量。冷却骨架与内杜瓦针对超导磁体线圈所形成的立体环绕式冷却通道可以实现超导线圈被稳定支撑和固定的同时，与制冷工质进行良好的对流换热，加速线圈冷却(即，为超导磁体线圈提供低温环境和力学支撑)。也就是，使超导磁体线圈的结构支撑和浸泡制冷形成了一体化，在提高结构强度的同时兼顾提供低冷却环境，使其模块化、标准化、集成化，结构简洁易于进行加工生产、替换和编组。并且，通过在冷却骨架上设置对流换热孔，可以进一步提高线圈冷却效率。

更进一步地，由于内杜瓦盖板和内杜瓦内封板采用独立的跑道型设计，可以将每个超导线圈独立浸泡在低温容器中，避免线圈与线圈之间相互影响。并且，立体环绕式冷却通道可以使线圈本体与制冷工质充分接触，实现快速导热。

图3示出了根据本发明实施例的一种用于动态超导磁体线圈的冷却骨架的外部轮廓示意图。

根据本发明一种实施例，如图3所示，所述冷却骨架还包括多个加强筋9，每个所述加强筋9两端穿过所述内杜瓦内封板6与所述骨架底板连接。

通过设置加强筋，可以实现骨架底板的内环表面之间的支撑。

根据本发明一种实施例，多个所述加强筋9中接近所述跑道型骨架本体1的两个弧形段的加强筋9上设置有安装孔10，所述第一弧形盖板2和所述第二弧形盖板3上分别设置有多个耳片11，每个所述耳片11上设置有所述安装孔10。

举例来讲，加强筋9的数量可以为3个，两侧分别接近两个弧形段的两个加强筋9各设置有两个安装孔10(即，中间的加强筋9无需设置安装孔)；第一弧形盖板2上设置两个耳片11，第二弧形盖板3上设置两个耳片11，每个耳片11上设置一个安装孔10。由此，整个线圈骨架可以采用例如柱形支撑件穿个四个耳片上的四个安装孔和两个加强筋上的四个安装孔进行固定。线圈骨架通过采用八点支撑方式，可以有效传导电磁力，并为超导磁体线圈提供良好的刚度，同时抑制超导磁体线圈在高速运行下的摇摆、翻滚、扭转等振动模态，使得超导磁体高速运动下维持线圈结构稳定。

图4示出了根据本发明实施例的一种用于动态超导磁体线圈的冷却骨架的导冷层和保护层的示意图。

根据本发明一种实施例，如图4所示，所述骨架底板和所述骨架侧壁与所述超导磁体线圈8接触的表面设置有导冷层12。

通过设置导冷层，可以实现立体式冷却系统在固、液之间的良好耦合，在超导磁体线圈表面出现局部热点时使热量快速扩散和转移，避免出现热量集中使其快速转移，从而避免超导线圈失超。

根据本发明一种实施例，所述导冷层12为无氧铜层。

根据本发明一种实施例，所述导冷层12与所述骨架侧壁之间以及所述导冷层12与所述骨架底板之间均设置有保护层13。

由此，保护层可以为线圈与骨架之间提供电气部绝缘，同时兼顾降低电动悬浮系统中超导线圈因振动产生的与骨架之间的滑动摩擦，降低超导线圈因振动摩擦引起局热积累，降低超导线圈失超风险。

根据本发明一种实施例，所述保护层13为聚酰亚胺薄膜。

在低温冷缩作用下，骨架和线圈由于采用不同材料，因此热膨胀系数会引起骨架与线圈之间存在热应力。尤其是当骨架向内收缩时，线圈在骨架孔位位置会出现向外膨胀趋势，聚酰亚胺薄膜因此可以起到缓冲作用，避免骨架冷却通道边缘与线圈表面形成局部应力点。

图5示出了根据本发明实施例的一种金属层的示意图。

根据本发明一种实施例，如图5所示，所述内杜瓦盖板的表面和所述内杜瓦内封板6的表面镀有金属层15。

也就是，在内杜瓦(包括内杜瓦盖板和内杜瓦内封板)的表面镀金属层。

由此，可以屏蔽悬浮系统中交变磁场谐波对内杜瓦内部超导磁体线圈的涡流，降低磁场谐波对超导磁体线圈的影响，避免超导磁体线圈失超，提高超导磁体线圈稳定性。

根据本发明一种实施例，所述金属层15为铜镀层，所述金属层的厚度为1mm。

本领域技术人员应当理解，上述关于数量、尺寸和材料的描述仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。

本发明实施例还提供了一种动态超导磁体，其中，包括上述实施例所述的冷却骨架。

从上述实施例可以看出，本发明所述的一种用于动态超导磁体线圈的冷却骨架实现了超导磁体在高速运动下受到骨架支撑的同时，与制冷工质充分接触，使超导线圈四周均能够充分冷却，抑制线圈与骨架表面的局部热点集中问题。同时超导线圈骨架与内杜瓦采用一体式结构，增强超导线圈结构紧凑性，在给每个超导线圈提供独立支撑的同时，为单个线圈提供独立内杜瓦进行包裹实现模块化并独立提供低温环境。在多个线圈进行编组时，可避免一个超导线圈失超引起其他线圈失超。此外，八点支撑结构可有效提高超导磁体结构刚度，提高超导磁体模态，降低超导磁体在电动悬浮系统高速运动中引起振动失超的风险。

此外，线圈与骨架之间铺设有无氧铜层，能够在线圈表面与骨架之间形成低温屏障，实现线圈表面局部热点的快速转移，避免因振动摩擦引起线圈表面局部热量累积。内杜瓦表面采用镀铜工艺设计，可以屏蔽磁场谐波内部线圈的影响。聚酰亚胺薄膜一方面可以有提高线圈与骨架之间的绝缘，另一方面可有效抑制线圈与骨架之间的摩擦，降低微动摩擦避免线圈失超。

总的来讲，本发明所述的用于动态超导磁体线圈的冷却骨架结构简单、超导线圈结构紧凑，在提高结构强度的同时兼顾提供低冷却环境，是一个完整的力学-低温综合系统，从振动、低温、电磁三方面考虑设计了失超抑制措施，可以有效提高超导线圈在高速运动下的稳定性。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述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。

Claims (9)

1.一种用于动态超导磁体线圈的冷却骨架，其特征在于，该冷却骨架包括用于设置超导磁体线圈(8)的跑道型骨架本体(1)、内杜瓦盖板和内杜瓦内封板(6)，所述跑道型骨架本体(1)包括骨架底板和骨架侧壁，所述骨架底板上设置有第一对流换热孔(71)，所述骨架侧壁上均设置有第二对流换热孔(7)，所述内杜瓦盖板包括第一弧形盖板(2)、第二弧形盖板(3)、上直线段盖板(4)和下直线段盖板(5)，所述第一弧形盖板(2)和所述第二弧形盖板(3)分别设置在所述跑道型骨架本体(1)的两个弧形段，所述上直线段盖板(4)和所述下直线段盖板(5)分别设置在所述跑道型骨架本体(1)的上直线段和下直线段，所述内杜瓦内封板(6)设置在所述骨架底板的内环表面上方，所述内杜瓦盖板和所述内杜瓦内封板(6)沿所述跑道型骨架本体(1)共同形成具有冷却通道的外包络结构，所述冷却通道用于设置冷却介质进行对流换热，且所述冷却通道包括位于所述内杜瓦内封板(6)与所述骨架底板之间的第一冷却通道(14)以及位于所述内杜瓦盖板与所述骨架侧壁之间的第二冷却通道(141)，所述冷却骨架还包括多个加强筋(9)，每个所述加强筋(9)两端穿过所述内杜瓦内封板(6)与所述骨架底板连接。

2.根据权利要求1所述的冷却骨架，其特征在于，多个所述加强筋(9)中接近所述跑道型骨架本体(1)的两个弧形段的加强筋(9)上设置有安装孔(10)，所述第一弧形盖板(2)和所述第二弧形盖板(3)上分别设置有多个耳片(11)，每个所述耳片(11)上设置有所述安装孔(10)。

3.根据权利要求1所述的冷却骨架，其特征在于，所述骨架底板和所述骨架侧壁与所述超导磁体线圈(8)接触的表面设置有导冷层(12)。

4.根据权利要求3所述的冷却骨架，其特征在于，所述导冷层(12)为无氧铜层。

5.根据权利要求3所述的冷却骨架，其特征在于，所述导冷层(12)与所述骨架侧壁之间以及所述导冷层(12)与所述骨架底板之间均设置有保护层(13)。

6.根据权利要求5所述的冷却骨架，其特征在于，所述保护层(13)为聚酰亚胺薄膜。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的冷却骨架，其特征在于，所述内杜瓦盖板的表面和所述内杜瓦内封板(6)的表面镀有金属层(15)。

8.根据权利要求7所述的冷却骨架，其特征在于，所述金属层(15)为铜镀层，所述金属层(15)的厚度为1mm。

9.一种动态超导磁体，其特征在于，包括上述权利要求1-8中任一项所述的冷却骨架。