CN116344148A - 超导磁体电磁振动隔离装置及具有其的磁悬浮列车 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超导磁体电磁振动隔离装置及具有其的磁悬浮列车，该装置包括磁场发生器、超导磁体组件、电磁屏蔽单元和隔振单元；磁场发生器用于产生与超导磁体组件同步运动的动态磁场；超导磁体组件用于产生静强磁场，并根据静强磁场与磁场发生器的动态磁场的相互作用产生电磁推力；电磁屏蔽单元用于根据磁场发生器磁场不连续引起的电磁扰动产生涡流、以及根据涡流产生的二次磁场阻挡电磁扰动对超导磁体进行作用；电磁屏蔽单元产生机械振动；隔振单元用于隔离电磁屏蔽单元的机械振动。本发明能够解决现有技术中通过超导结构加刚或优化地面模组来减轻超导电动悬浮制式中超导磁体的电磁振动具有局限性的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及电磁推进、超导电动磁悬浮列车技术领域，尤其涉及一种超导磁体电磁振动隔离装置及具有其的磁悬浮列车。
背景技术
电磁推进技术可被用于高速/超高速磁悬浮列车、商业航天电磁助推发射等重大工程项目中。电磁推进装置主要分为航行器与地面模组两部分。超导磁体可以为航行器提供强大的静磁场，地面模组的作用是产生随航行器同步运动的动态磁场，航行器磁场与地面模组磁场相互作用，产生驱动航行器向前运动的推进力。在产生推进力的同时，由于地面模组磁场往往是不连续的、波动的，会对超导磁体形成电磁扰动，该扰动导致超导磁体剧烈振动，当振动特别剧烈时超导磁体功能失效。
目前，为了减轻超导磁体在电磁扰动下的振动，通常采用超导磁体结构加刚的方式。另外，还可以通过地面模组的优化，降低地面模组磁场的不连续性。
但是，通过结构加刚的方式，虽然可以减轻超导磁体的低频振动，但减少的量级往往是有限的，同时还会引起超导磁体的高频振动加剧。此外，结构加刚通常是在原有结构的基础上增材或使用比刚度更高的材料，不仅增加超导磁体的重量，还会增加制造成本。而地面模组需要长距离铺设，通过优化地面模组的方式减少电磁振动虽然是减少电磁振动的根本方法，但长距离铺设会导致成本大大增加。
发明内容
本发明提供了一种超导磁体电磁振动隔离装置及具有其的磁悬浮列车，能够解决现有技术中通过超导结构加刚或优化地面模组来减轻超导电动悬浮制式中超导磁体的电磁振动具有局限性的技术问题。
根据本发明的一方面，提供了一种超导磁体电磁振动隔离装置，所述装置包括磁场发生器、超导磁体组件、电磁屏蔽单元和隔振单元；
所述磁场发生器用于产生与超导磁体组件同步运动的动态磁场；
所述超导磁体组件用于产生静强磁场，并根据静强磁场与磁场发生器的动态磁场的相互作用产生电磁推力；
所述电磁屏蔽单元设置在超导磁体组件与磁场发生器之间，用于根据磁场发生器磁场不连续引起的电磁扰动产生涡流、以及根据涡流产生的二次磁场阻挡电磁扰动对超导磁体进行作用；
在所述电磁屏蔽单元自身涡流产生的二次磁场、所述超导磁体组件的静强磁场和所述磁场发生器的动态磁场三者相互作用下，所述电磁屏蔽单元产生机械振动；
所述隔振单元的第一端与超导磁体组件相连，第二端与所述电磁屏蔽单元相连，用于隔离所述电磁屏蔽单元的机械振动。
优选的，所述隔振单元的材料和尺寸根据动力学分析方法确定，所述确定方法包括：
构建超导磁体电磁振动隔离装置的动力学模型；
根据磁场发生器和动力学模型中超导磁体组件的超导磁体本体的力学环境确定隔振单元的刚度和阻尼；
根据隔振单元的刚度确定隔振单元与超导磁体组件的接触面积和隔振单元的高度；
根据隔振单元的阻尼确定隔振单元的材料。
优选的，所述隔振单元包括多个隔振部件，每个隔振部件沿周向间隔设置。
优选的，所述隔振单元为低弹性模量的材质。
优选的，所述隔振单元的材质为聚氨酯或金属橡胶。
优选的，所述隔振单元为长方体结构。
优选的，所述电磁屏蔽单元的材料和尺寸根据电磁学分析方法确定。
优选的，所述电磁屏蔽单元为高电导率的材质。
优选的，所述电磁屏蔽单元为长方体结构。
根据本发明的另一方面，提供了一种具有超导磁体电磁振动隔离装置的磁悬浮列车，所述列车包括上述任一所述超导磁体电磁振动隔离装置。
应用本发明的技术方案，通过电磁屏蔽单元屏蔽磁场发生器引起的电磁扰动，从而将超导磁体组件的电磁振动转变为机械振动，并通过隔振单元隔离机械振动。本发明将传统隔离机械振动的思想引入超导磁体的电磁振动隔离方案中，有效降低了超导磁体的电磁振动，提高了超导磁体在高速/超高速运动下的可靠性，降低了地面磁场发生器长距离铺设的成本，有力推动了高速/超高速磁悬浮列车、商业航天助推发射等以电磁推进技术为核心的重大项目快速落地，具有一定的社会与经济效益。
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提供的超导磁体电磁振动隔离装置的结构示意图；
图2示出了根据本发明实施例提供的动力学模型的示意图；
图3示出了根据本发明实施例提供的隔振单元的应力图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、磁场发生器；20、超导磁体组件；21、超导磁体本体；22、超导磁体内杜瓦；23、超导磁体外杜瓦；24、超导磁体支撑结构；30、电磁屏蔽单元；40、隔振单元；41、弹簧；42、阻尼。
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。
如图1所示，本发明提供了一种超导磁体电磁振动隔离装置，所述装置包括磁场发生器10、超导磁体组件20、电磁屏蔽单元30和隔振单元40；
所述磁场发生器10用于产生与超导磁体组件同步运动的动态磁场；
所述超导磁体组件20用于产生静强磁场，并根据静强磁场与磁场发生器10的动态磁场的相互作用产生电磁推力；
所述电磁屏蔽单元30设置在超导磁体组件20与磁场发生器10之间，用于根据磁场发生器10磁场不连续引起的电磁扰动产生涡流、以及根据涡流产生的二次磁场阻挡电磁扰动对超导磁体进行作用；
在所述电磁屏蔽单元30自身涡流产生的二次磁场、所述超导磁体组件20的静强磁场和所述磁场发生器10的动态磁场三者相互作用下，所述电磁屏蔽单元30产生机械振动；
所述隔振单元40的第一端与超导磁体组件20相连，第二端与所述电磁屏蔽单元30相连，用于隔离所述电磁屏蔽单元30的机械振动。
本发明通过电磁屏蔽单元30屏蔽磁场发生器10引起的电磁扰动，从而将超导磁体组件20的电磁振动转变为机械振动，并通过隔振单元40隔离机械振动。本发明将传统隔离机械振动的思想引入超导磁体的电磁振动隔离方案中，有效降低了超导磁体的电磁振动，提高了超导磁体在高速/超高速运动下的可靠性，降低了地面磁场发生器10长距离铺设的成本，有力推动了高速/超高速磁悬浮列车、商业航天助推发射等以电磁推进技术为核心的重大项目快速落地，具有一定的社会与经济效益。
在本发明中，如图1所示，超导磁体组件20包括超导磁体本体21、超导磁体内杜瓦22、超导磁体外杜瓦23和超导磁体支撑结构；
超导磁体本体21，作为超导磁体组件20的核心部件，用于感应磁场发生器10的磁场以产生静强磁场，并根据静强磁场产生电磁推力，该超导磁体本体21设置在超导磁体内杜瓦22的内部，且与超导磁体内杜瓦22固连；
超导磁体内杜瓦22，设置在超导磁体外杜瓦23的内部，用于为超导磁体本体21提供低温环境，保证超导磁体本体21维持超导态；
超导磁体外杜瓦23，用于为超导磁体内杜瓦22提供真空环境，从而抑制空气的热传递至超导磁体内杜瓦22处；
超导磁体支撑结构，贯穿超导磁体外杜瓦23和超导磁体内杜瓦22，且与超导磁体外杜瓦23和超导磁体内杜瓦22均固连，用于为超导磁体外杜瓦23和超导磁体内杜瓦22提供支撑，同时传递超导磁体本体21产生的电磁推力。
根据本发明的一种实施例，所述隔振单元40的材料和尺寸根据动力学分析方法确定，所述确定方法包括：
S10、构建超导磁体电磁振动隔离装置的动力学模型，如图2所示，其中，将弹簧41和阻尼42的组合作为隔振单元40的动力学模型；
S20、根据磁场发生器10和动力学模型中超导磁体组件20的超导磁体本体21的力学环境确定隔振单元40的刚度和阻尼42；
S30、根据隔振单元40的刚度确定隔振单元40与超导磁体组件20的接触面积和隔振单元40的高度；
S40、根据隔振单元40的阻尼42确定隔振单元40的材料。
具体地，在隔振单元40为长方体结构时，其应力图如图3所示。在图3中，定义方向1为各向同性弹性体拉压方向，方向2、3为剪切方向。
如图3所示，方向1的广义胡克定律如下式所示：
σ1-μ(σ2+σ3)＝Eε1；
其中，
式中，E为隔振单元的弹性模量，σ1为方向1的应力，σ2为方向2的应力，σ3为方向3的应力，ε1为方向1的应变，μ为泊松比，Δl1为方向1的变形量，l1为方向1的长度，F1为方向1的作用力，A为方向1的接触面积，k1为隔振单元的刚度。
当方向2、3的应力可以忽略时，弹性体的刚度可以近似如下：
通过上述公式确定超导磁体组件20的接触面积和隔振单元40的高度。
根据本发明的一种实施例，所述隔振单元40包括多个隔振部件，每个隔振部件沿周向间隔设置。
具体地，为了进一步提高机械隔振的效果，所述隔振单元40采用低弹性模量的材质。举例来讲，所述隔振单元40的材质可以采用聚氨酯或金属橡胶。
具体地，所述隔振单元40为长方体结构。
根据本发明的一种实施例，所述电磁屏蔽单元30的材料和尺寸根据电磁学分析方法确定。
具体地，为了进一步提高电磁扰动的屏蔽效果，所述电磁屏蔽单元30采用高电导率的材质。举例来讲，电磁屏蔽单元30的材质可以采用铝材质。
具体地，所述电磁屏蔽单元30可以采用长方体结构。
本发明还提供了一种具有超导磁体电磁振动隔离装置的磁悬浮列车，所述列车包括上述任一所述超导磁体电磁振动隔离装置。
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 (10)
1.一种超导磁体电磁振动隔离装置，其特征在于，所述装置包括磁场发生器(10)、超导磁体组件(20)、电磁屏蔽单元(30)和隔振单元(40)；
所述磁场发生器(10)用于产生与超导磁体组件同步运动的动态磁场；
所述超导磁体组件(20)用于产生静强磁场，并根据静强磁场与磁场发生器(10)的动态磁场的相互作用产生电磁推力；
所述电磁屏蔽单元(30)设置在超导磁体组件(20)与磁场发生器(10)之间，用于根据磁场发生器(10)磁场不连续引起的电磁扰动产生涡流、以及根据涡流产生的二次磁场阻挡电磁扰动对超导磁体进行作用；
在所述电磁屏蔽单元(30)自身涡流产生的二次磁场、所述超导磁体组件(20)的静强磁场和所述磁场发生器(10)的动态磁场三者相互作用下，所述电磁屏蔽单元(30)产生机械振动；
所述隔振单元(40)的第一端与超导磁体组件(20)相连，第二端与所述电磁屏蔽单元(30)相连，用于隔离所述电磁屏蔽单元(30)的机械振动。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述隔振单元(40)的材料和尺寸根据动力学分析方法确定，所述确定方法包括：
构建超导磁体电磁振动隔离装置的动力学模型；
根据磁场发生器(10)和动力学模型中超导磁体组件(20)的超导磁体本体(21)的力学环境确定隔振单元(40)的刚度和阻尼；
根据隔振单元(40)的刚度确定隔振单元(40)与超导磁体组件(20)的接触面积和隔振单元(40)的高度；
根据隔振单元(40)的阻尼确定隔振单元(40)的材料。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述隔振单元(40)包括多个隔振部件，每个隔振部件沿周向间隔设置。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述隔振单元(40)为低弹性模量的材质。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述隔振单元(40)的材质为聚氨酯或金属橡胶。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述隔振单元(40)为长方体结构。
7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述电磁屏蔽单元(30)的材料和尺寸根据电磁学分析方法确定。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述电磁屏蔽单元(30)为高电导率的材质。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述电磁屏蔽单元(30)为长方体结构。
10.一种具有超导磁体电磁振动隔离装置的磁悬浮列车，其特征在于，所述列车包括权利要求1-9中任一所述超导磁体电磁振动隔离装置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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