CN1287961A - 超导磁悬浮运输系统 - Google Patents

Abstract

一种利用势能的高效、大运量运输系统,一个在势能作用下的运输车辆在真空运输通道中的一条磁悬浮轨道上将货物运输到目的地,其中的势能是由磁悬浮轨道的高度差产生的。运输车辆利用超导现象不接触地悬浮在磁悬浮轨道上,具有很低的摩擦阻力。超导磁悬浮能使运输车辆实现静态悬浮状态主要是利用了超导体的抗磁效应的约束力。

Description

超导磁悬浮运输系统

本发明涉及一种超导磁悬浮运输系统，更具体来讲，涉及一种利用超导磁悬浮原理对诸如邮件、食物等货物执行短途或长途运输的超导磁悬浮系统，其能源消耗很小且不对环境造成污染，该系统利用了一种以势能作为驱动能量的运输车辆。

迄今为止，邮件、食物等的运输都是通过飞机、轮船、汽车、铁路和其它的类似工具在空气中、公路上或铁路上来实现的。

在这样的普通运输方法中，由于在空气中、公路上或铁路上进行的运输要造成大量的能量消耗，这就需要很高的燃料成本和很大的劳动量，以及运输车辆的高昂制造成本，此外，还造成了很严重的环境恶化。

由于现有运输货物的措施是通过飞机、轮船或汽车等利用石油作为驱动能源的运输工具而进行的，而这些运输工具对环境将有很大的负面影响：例如排出废气中的有害物质；所产生的二氧化碳加速了全球气候的变暖现象、由于车辆扬灰而对空气造成的污染。此外，对铁路而言，和环境污染相关的很重要的一个方面则是其要通过核电站或热电厂来提供电能。此外，这些运输方法由于都在空气中运行，因而都有很大的空气阻滞损失以及很大的摩擦损耗，而消耗大量的石油资源，而这又和石油资源在未来的储量有关。

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种利用高温超导磁悬浮效应的节能超导磁悬浮运输系统，由于运输车辆处于非接触式的悬浮状态，所以其摩擦损耗非常小，该系统采用一种内部为真空或负压状态的运输通道，在此通道中运行的运输车辆可显著地减小空气拖滞损失，将运行时的空气阻力几乎降低到零，该系统来用势能提供几乎全部的运行动力。

本发明的另一个目的是提供一种节约能源的超导磁悬浮运输系统，其通过将多个小容量的运输车辆连接在一起、或设置多个这样的车辆来完成大运量运输。

为了实现上述的目的，在根据本发明的一种超导磁悬浮运输系统中，具有一个货物舱的运输车辆利用超导现象之一的抗磁效应(pinning effect)实现悬浮，其中的货物舱容纳了所要运输的货物，该车辆运行在一条沿运行方向设置了永久磁铁或电磁铁的轨道上，轨道布置在一个真空的运输通道中，且在其起点区和终点区之间有一个高度差，当车辆接近终点时，通过将其动能转换为势能来使车辆停靠在终点区。

此外，为了能对所运输的货物进行装卸并执行其它一些操作，在起点区和终点区设置了真空密封门，这些真空密封门可封闭运输管道的末端(即运输车辆的停车位置)，在真空密封门内还有一个结构，其可通向外界大气并被抽成真空。另外，与运行过程中所损失能量相当的势能部分可通过一个提升机或类似的装置将运输车辆提升到更高的位置来进行补偿。

根据本发明的一个方面，提供了一种超导磁悬浮运输系统，其包括

具有一个运货舱的运输车辆，在货舱内装载了所要运输的货物，在运输车辆上还设置了一个具有一个超导元件的第一磁悬浮元件，以及一个第一耦合线圈；

一条磁悬浮轨道，轨道上具有一个第二磁悬浮元件，该元件包括一个和第一磁悬浮元件相对的磁体，以及一个和第一耦合线圈保持磁耦合的第二耦合线圈，从而将运输车辆悬浮起来；以及

一个运输通道，它围绕处于真空或减压状态的运输车辆和磁悬浮轨道，该通道的两端被设置成有一定的高度差；

其中，运输车辆是由运输车辆上的第一磁悬浮元件和磁悬浮轨道上的第二磁悬浮元件之间产生的超导抗磁效应悬浮在磁悬浮轨道上方的，从而使得车辆可利用运输通道的高度差所产生的势能前进。而运输车辆的驱动停止、停车或定位等控制操作是通过运输车辆上的第一耦合线圈和磁悬浮轨道上的第二耦合线圈来实现的。

此处，运输车辆最好还包括一个紧贴着超导元件布置的贮冷槽(coldaccumulator)，以及冷冻贮冷槽的一个制冷机或一种冷却剂。

磁体可以是多组在车辆的运行方向上沿磁悬浮轨道布置的、具有相同磁极的永久磁铁。

此外，磁铁可以是多组在车辆的运行方向上沿磁悬浮轨道布置的电磁铁。

再另外，超导元件最好是一个高温超导体，其具有很高的抗磁力(即很高的表面临界电流密度)，例如可以是一种钇系氧化物超导体(YBa₂Cu₃Ox)或钐系氧化物超导体(SmBa₂Cu₃Ox)。

另外，运输车辆还可在相对于悬浮方向的一个侧面上安装一个第一磁悬浮元件和第一耦合线圈，并在另一侧布置一个第三磁悬浮元件和一个第三耦合线圈，磁悬浮轨道包括和运输车辆上的第一磁悬浮元件和第一耦合线圈相对着的第二磁悬浮元件和第二耦合线圈、以及和运输车辆上的第三磁悬浮元件和第三耦合线圈相对着的第四磁悬浮元件和第四耦合线圈。

此外，在运输通道发生转弯的地方，运输车辆还可以在离心力作用的那一侧设置一个第五磁悬浮元件和一个第五耦合线圈，磁悬浮轨道上还包括一个和运输车辆上的第五磁悬浮元件相对着的第六磁悬浮元件。

此外，运输车辆最好在运行方向的两端上具有两个连接部件，连接部件在其中一端上是一个超导体，而在另一端上是一个磁体，这样，多个运输车辆就可以通过连接部件接在一起。

此外，运输通道最好由真空密封门在两相对的终端处来隔成了一个起点区和终点区。

此外，还可以设置一条第二磁悬浮轨道，其和所述的磁悬浮轨道相连或为其支线，使得第二磁悬浮轨道的终点势能区别于所述磁悬浮轨道的势能。

如上所述，根据本发明，通过使用高温超导磁悬浮效应来承载运输车辆，并通过将多个小容量的运输车辆连接在一起，就可以高效地实现大容量运输，并显著地减小了摩擦损耗。

根据本发明，通过提供一种高效、大运量的超导磁悬浮运输系统，由于几乎不需要外部驱动动力，因而也没有任何环境污染，该运输系统可为节约能源和解决环境问题作出很大的贡献。

此外，根据本发明，由于每个运输车辆的动能都不是很大，因而还可能增加各个车辆的固有频率(natural frequency)，当发生故障时，其能量能被快速地散逸掉，从而减小了其对其它系统和周边设备的影响。

图1A和图1B是根据本发明的超导磁悬浮系统的结构示意图；

图2是本发明的超导磁悬浮系统的截面示意图；

图3是表示设置有耦合线圈的磁悬浮轨道的视图；

图4A至图4C是运输通道在其它实施方式的运输车辆和磁悬浮轨道情况下的结构图；

图5A到图5B的视图表示了用于将各个运输车辆连接起来的连接件的结构。

图1A表示了根据本发明的超导磁悬浮系统的示意性结构图。本发明的超导磁悬浮系统可安装在地表、地下、海底或湖泊等环境中，或者高速公路的侧边或基底上。

在图1A中，超导磁悬浮运输系统包括一个或多个运输车辆1、一个设置了永久磁铁或电磁铁的磁悬浮轨道2、以及一个运输通道3。在运输通道3的相对两端设置有一个起点区4和一个终点区5。此外，起点区4和终点区5还分别具有一个第一和第二真空密封门4a、5a和4b、5b。

运输车辆1在其运输通道3一侧的第一真空密封门4a被关闭、而载入/卸出侧的第二真空密封门4b被打开的状态下，被导引向起点区4，之后，第二真空密封门4b被关上，起点区4的内部被抽真空。下一步，第一真空密封门4a被打开，运输车辆1被导入到运输通道3中。运输车辆以很低的摩擦力非接触地悬浮或漂浮着。超导磁悬浮主要是利用超导抗磁效应所产生的约束力使得运输车辆1保持在一个稳定的位置。

质量m的运输车辆1在势能的作用下在下坡段被加速到一个很高的速度，该势能是由系统最高点处的起点区在磁悬浮轨道2中之高度差产生的，车辆在中段的平坦部分d以一个恒定的速度运行，而在靠近终点区域的爬坡过程中，又将运输车辆的动能转化为势能，速度降低直至停车。在终点区5，第二真空密封门5b被关闭，而在运输通道3中一侧的第一真空密封门5a则是打开的，终点区内处于真空状态。当车辆1已经进入到终点区5后，第一真空密封门5a被关上，以使得终点区5的内部状态能和外界大气环境相同，之后，第二真空密封门5b被打开，这样就可以进行货物的载入或卸出了。此外，在必要的时候，运输车辆1还可以由一个提升机、运输装置或类似的机械设备提升到一个特定的高度，这样就将在下行轨道上所损失的势能补偿了，这部分能量将应用在上行的路途中(图中未表示出返回的路径)。在返回路径上，起点区和终点区之间的高度差设置也同样也和外发的路径相同。

运输通道3此外还包括一个支线7，由此来使得运输能到达一个位于B点处的终点区6。在这样的情况下，可通过运输车辆1和磁悬浮轨道2上的耦合线圈22或其它设置在终点区6的合适制动装置来进行制动。

图1B的视图表示了运输通道的一种改进结构。如图1B所示，即使运输轨道是频繁上下起伏时，运输通道3′和第二磁悬浮软道2′在运行过程中的能量损耗也都很小，在运行向一个较高位置时，动能被转化为势能，速度降低，而在下坡路段，所储存的势能使车辆的速度增加，因而，除非没有足够大的位置高度差，否则路径的上下起伏几乎没有任何影响。简而言之，如果高度差被设置成使得起点区4和终点区5之间的高度差产生的势能大于运输通道3中能量损失的势能相当量，则运输通道3内的高度变化不会带来任何影响。

在这样的系统中，对单个的运输车辆1来说，运输车辆在通道内平坦直线段距离d的运行速度和从起点区到终点区之间的运行时间可如下进行计算。也就是说，参照图1，在时间t内以恒定的加速度a所下降的距离(高度)为h，其中；

h=at²/2

其中的加速度a可表示成坡度α和重力加速度g的函数；

a=g·sinα

t秒后的运行速度v为： $v=\sqrt{2\mathrm{\αx}}$

从这些公式中，举例来讲，在α=5°、h=200m的情况下，车辆在d=100km的直线段上运行所要的分钟就可计算出来。

第一步，从斜坡段向直线段的运行时间可从下式：

a=9.8×sin5°=0.854m/s2；x=200/tan5°=2286m； $t=\sqrt{2\×x/a}=\sqrt{2\×2286/0.854}=73.2s$

此处，在直线段所达到的速度v为： $t=\sqrt{2\×0.854\×2286}=62.5m/s=225\mathrm{km}/h$

由上述，运输车辆1用27分钟就可运行过d路段的100km路程。

当运输车辆1在运行过程中有能量损耗时，损耗的能量用下面的方法来计算，例如，由于一吨重的物体在200米高度的势能为2×10⁵kgm，如果将空气阻力所造成的能量损失假设为零(由于是在真空中运行)、而由于超导支撑的波动而造成的损失为每一吨的车辆为10W，则在运行中产生的总能量损失为为10×(2×73.2+27×60)=17664焦耳。这相当于高度差为1.8的势能。

由于超导体中要产生能量损失，所以车辆必须被冷却到一定程度，然而，如果车辆自身的蓄冷量足够大，则无须对车辆进行冷却。

此外，在运行中的能量损失还降低了车辆的速度，由于一个一吨重的车辆以225km/h速度行驶时的动能

e=mv²/2=1/2×1000/9.8×62.52²=200000(kgm)=1962000焦耳

如假设总能量损失为17664焦耳，则车辆的实际速度为 $v=\sqrt{2\×(1962000-17664)}=62.36m/s\≈224\mathrm{km}/h$

则速度只下降了大约1km/h。

当波动损失为50W/吨时，在运行过程中的总能量损失为88320焦耳，该能量值相当于9米落差的势能，此时速度v=61m/s=220km/h，降低了5km/h。

图2表示按照本发明之一种超导磁悬浮系统的详细结构。

运输车辆1包括一个位于车辆中央部位的货物舱11，在车辆1相对的两侧布置了一个制冷机或一个制冷剂供应源12，在车辆下部的中央部位是一个贮冷槽13，一个布置在车辆下方的两侧的第一耦合线圈14，以及一个第一磁悬浮元件15。货物舱11是用来放置货物的空间。制冷机或冷却剂供应源12是用来对贮冷槽13进行冷却的机构，在其中采用了适当的化学剂或一个电动制冷机或例如为液氮的制冷剂。此外，还可能用制冷机或冷却剂供应源12通过对货物舱制冷来冷冻其中的货物。贮冷槽13几乎是紧贴着超导体来布置的，以对该物体进行降温，该超导体组成了第一磁悬浮元件15。

第一耦合线圈14是由普通导线或超导导线制成的。它是一个磁力耦合线圈，用于对车辆进行诸如在终点区处的停车、紧急停车、或在运行过程中进行驱动等运行控制。第一磁悬浮元件15是布置在车辆下部中央贮冷槽13下方的一个板状的超导体(尤其是高温超导体)，关于该装置下文将作描述，运输车辆1非接触地悬浮着，以便于在磁悬浮轨道2上高速地前进。

此处，考虑到高效地利用抗磁效应，目前本发明所用的超导体最好是钇系氧化物超导体(YBa₂Cu₃Ox)或钐系氧化物超导体(SmBa₂Cu₃Ox)。但是，如果发现了一种超导材料其具有更大的临界电流密度，则可使用这种材料。此外，由于该材料的临界温度大约为90K左右，而液氮中的冷却温度可保持在77K上。

一条固定的侧磁悬浮轨道2包括一个和第一磁悬浮元件15相对布置的第二磁悬浮元件21，也就是说，在轨道2上部的中央，沿着运行通道，在和第一耦合线圈14相对的地方设置了一个第二耦合线圈22，也就是说，沿着运行方向设置在轨道2上方相对的两侧。至于第二磁悬浮元件21，其主要是采用了永久磁铁，所布置的多个磁体的磁极的朝向相同，从而获得了一个统一的磁场分布，避免发生了运行拖阻。和第一耦合线圈配合的第二耦合线圈22是由超导导线或普通导线制成的，以用于进行运行控制和驱动，它是由一个外部控制装置发出的控制信号进行控制的。

固定侧边磁悬浮轨道2是固定在运输通道3中的，此外，运输通道3内是一个真空状态或减压大气状态，以尽可能地抑制运输车辆1在高速运行时的空气拖阻损失，并抑制运输车辆1超导磁悬浮部分的热对流。

本文中，所描述的情况为超导体被布置在运输车辆1的侧边的情况，并且，在另一方面，用于悬浮车辆的永久磁铁也被布置在磁悬浮轨道2的侧边上。在这样的情况下，为了将运输车辆1一侧的第一磁悬浮元件15(超导体)降低到临界温度以下，使用了布置在运输车辆1上的制冷机或冷却剂供应源12，环绕超导体布置的贮冷槽13被冷却，进而第一磁悬浮元件15被冷却。在这样的冷却系统中，例如，当运输车辆1在起点区时，是通过在运输车辆1和磁悬浮轨道2之间插入一个叠片来保持悬浮状态的，然后超导体15被冷却到临界温度以下，通过这样的方法，超导体15就从普通的导体状态转化到超导状态。永久磁铁21的磁力线由抗磁效应而被阻断在抗磁点处。当移去叠片时，车辆的重量就作用在磁场上，在超导体15中流动的超导电流就产生一个与车辆重力相对应的电磁力。这样就通过其对永久磁铁磁场的排斥力实现了磁悬浮。在这样的情况下，受到阻挡的磁场在侧边方向上也产生了复原力，该作用力可保持车辆在侧向上不发生偏靠。

这样，在运输车辆1被磁力悬浮在磁悬浮轨道2的起点区4的情况下，在一个外部控制装置的控制下，可通过电流在第二耦合线圈22内的流动产生磁场，该线圈和运输车辆1上的第一耦合线圈14磁耦合，从而驱动运输车辆1开始前进。

此外，当车辆在起点区或终点区处于停止状态时，制冷机12由一个外部电源进行驱动，同时制冷剂储存在贮冷槽13中，该槽的制冷储存容量可保持超导体15在超导状态下几个小时，制冷机在运行过程中可停止工作。

图3示意性地表示了一个用于形成磁场的电磁铁，该电磁铁作为第二磁悬浮元件21被布置在磁悬浮轨道2上。

同使用永久磁铁的情况一样，可沿运行通道设置多个用于产生磁场的电磁铁，以取代永久磁铁。电磁铁所产生的磁场是和运输车辆1的运动位置保持同步的。当然，即使轨道中始终存在磁场也不会产生任何问题。但是，这样就会在线圈中产生能量损失，采用同步工作方式将是较为有利的。此外，第二耦合线圈22还作为这些电磁铁的感应线圈。

图4表示了本发明另一方面之运输车辆和磁悬浮轨道的运输通道的结构视图。

在图4A所示的结构中，磁悬浮元件404和第一耦合线圈404被设置在运输车辆1的上侧和下侧，并且对应于这样的结构，在上方和下方都设置了磁悬浮轨道402和403。

在图4B表示的结构中，运输车辆411和412平行地布置在两层上，同样，磁悬浮轨道413、414和415也这样进行设置。对位于中间的磁悬浮轨道415而言，磁悬浮元件416可同时被运输车辆411和412两个车辆利用。此外，在磁悬浮轨道415上设置了耦合线圈417，其同样对运输车辆411和412都起作用。

图4C表示图4A中具有的一个结构的示意图，其对离心力具有强有力的抑制作用，甚至再增加一些作用力都可以。也就是说，除了在运输车辆421上设置上下方向的磁悬浮元件422和423之外，在侧面部分上设置了磁悬浮元件424，由侧磁悬浮轨道上的磁悬浮元件425来抵消运输车辆的离心力。

图5A和5B表示了将各个运输车辆连接起来的连接部件的结构。

在图5A中，在各个方形运输车辆51a的前方和后方都设置了连接部件52和53。一个连接部件52(或53)是由超导材料制成的，而另一个连接部件53(或52)则是由磁铁制成的，连接是通过超导体的抗磁效应来实现的。

图5B表示了可平滑地连接多个运输车辆51b的结构。在此处，一个连接部件55是一个凹陷结构，另一个连接部件是外凸结构，其中一个连接部件55(或56)是由超导材料制成的，而另一个连接部件56(或55)则是由磁铁制成的，因而通过超导体的抗磁效应来实现连接。用上述的结构，甚至当磁悬浮轨道为弯曲或环形线路时，运输车辆51b也可平稳地运行。除了抗磁效应之外，运输车辆还可利用各种机械连接件连接起来。

此外，根据本发明，通过为一条磁悬浮轨道2设置多个运输车辆1(几个到几十个)，可增大运输量。另外，还可以采用复线系统的多条磁悬浮轨道来增大运输量。

上文参照多种实施例对本发明进行了详细的描述，很显然，对本领域的技术人员来讲，完全可在不超出本发明广义范围内进行多种改动和变型，因而本发明在所附的权利要求书中涵盖了所有这样落入本发明核心思想范围内的变型和改动。

Claims (10)

1．一种超导磁悬浮系统，其包括：

具有一个运货舱的运输车辆，在货舱内装载了所要运输的货物，一个具有一个超导元件的第一磁悬浮元件，以及一个第一耦合线圈；

一条磁悬浮轨道，轨道上具有一个第二磁悬浮元件，该元件包括一个和所述第一磁悬浮元件相对的磁体，以及一个和所述第一耦合线圈保持磁耦合的第二耦合线圈，从而将所述运输车辆悬浮起来；以及

一个运输通道，它使其围绕的所述运输车辆和所述磁悬浮轨道处于真空或减压状态，该通道的两端被设置成有一定的高度差；

其中，所述运输车辆是由运输车辆上的所述第一磁悬浮元件和磁悬浮轨道上的所述第二磁悬浮元件之间产生的超导抗磁效应悬浮在磁悬浮轨道上方的，使得车辆可利用运输通道的高度差所产生的势能前进，而运输车辆的驱动停止、停车或定位等控制操作是通过运输车辆上的第一耦合线圈和磁悬浮轨道上的第二耦合线圈来实现的。

2．根据权利要求1所述的磁悬浮运输系统，其特征在于：所述的运输车辆还包括一个贮冷槽，其紧贴着超导元件布置，并设置一个制冷机或一种冷却剂来对贮冷槽进行冷冻。

3．根据权利要求2所述的磁悬浮运输系统，其特征在于：所述磁体可以是多组在车辆的运行方向上沿磁悬浮轨道布置的、具有相同磁极的永久磁铁。

4．根据权利要求2所述的磁悬浮运输系统，其特征在于：所述磁体是多组在车辆的运行方向上沿磁悬浮轨道布置的电磁铁。

5．根据权利要求2所述的磁悬浮运输系统，其特征在于：所述超导元件是一种钇系氧化物超导体(YBa₂Cu₃Ox)或钐系氧化物超导体(SmBa₂Cu₃Ox)。

6．根据权利要求1所述的磁悬浮运输系统，其特征在于：所述运输车辆还可在相对于悬浮方向的一个侧面上安装一个第一磁悬浮元件和第一耦合线圈，并在另一侧布置一个第三磁悬浮元件和一个第三耦合线圈，所述磁悬浮轨道包括和运输车辆上的第一磁悬浮元件和第一耦合线圈相对着的第二磁悬浮元件和第二耦合线圈、以及和运输车辆上的第三磁悬浮元件和第三耦合线圈相对着的第四磁悬浮元件和第四耦合线圈。

7．根据权利要求1所述的磁悬浮运输系统，其特征在于：在运输通道发生转弯的地方，所述运输车辆还可以在离心力作用的那一侧设置一个第五磁悬浮元件和一个第五耦合线圈，以及

所述磁悬浮轨道还包括一个第六磁悬浮元件，其和运输车辆上的所述第五磁悬浮元件相对。

8．根据权利要求1所述的磁悬浮运输系统，其特征在于：所述运输车辆在运行方向的两端上具有两个连接部件，连接部件在其中一端上是一个超导体，而在另一端上是一个磁体，以及

多个运输车辆就可以通过所述连接部件接在一起。

9．根据权利要求1所述的磁悬浮运输系统，其特征在于：所述运输通道还由真空密封门分别在两相对的终端处来隔成了一个起点区和终点区。

10．根据权利要求9所述的磁悬浮运输系统，其特征在于：系统还包括一条第二磁悬浮轨道，其和所述的磁悬浮轨道相连或为其支线，使得第二磁悬浮轨道的终点势能不同于所述磁悬浮轨道的势能。

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