CN201240289Y - 一种集悬浮、导向及驱动于一体的高温超导磁悬浮系统 - Google Patents

Abstract

一种集悬浮、导向及驱动于一体的高温超导磁悬浮系统，左、右永磁轨道通过横向穿过的紧固螺杆螺纹连接在离地的轨道梁上，左、右永磁轨道的下方均设有与车体相连的、由铁磁材料组成的“山”字形的附加聚磁极，附加聚磁极向上凸起的外侧聚磁极，中间聚磁极和内侧聚磁极分别位于永磁轨道聚磁极的正下方；附加聚磁极绕有由车体上的车载直流电源供电的驱动线圈，驱动线圈绕过附加聚磁极的三个聚磁极的顶部且内、外侧聚磁极顶部线圈中流过的电流方向相同，而与中间聚磁极顶部线圈中流过的电流方向相反。该磁悬浮系统不用沿线铺设线圈，磁悬浮系统的造价低，在保证低能耗静止悬浮的同时，具有较高的每延米悬浮重量和较低的自重，有效载荷高。

Description

一种集悬浮、导向及驱动于一体的高温超导磁悬浮系统

技术领域

本实用新型涉及一种高温超导磁悬浮系统。

背景技术

磁悬浮技术因其具有的无机械接触特性在交通、能源等领域广受青睐。目前用于交通的磁悬浮车包括以德国为首的常导磁悬浮列车(EMS)、以日本为首的低温超导磁悬浮车(EDS)以及2000年底在中国实验成功的高温超导块材磁悬浮车(HTS-Maglev)等。

常导磁悬浮列车(EMS)通过车载悬浮导向电磁铁与铁磁性轨道的电磁吸力实现列车的稳定悬浮，以直线电机作为列车的驱动系统。低温超导磁悬浮车(EDS)以运动的车载超导或者永久磁体与非磁性导电轨道(线圈)的电磁排斥力作为车体的悬浮力，以基于零磁通原理的导向线圈实现车体的侧向稳定，为了利用车载磁体的磁场，采用同步直线电机进行驱动。高温超导块材磁悬浮车(HTS-Maglev)通过高温超导块材与永磁轨道的电磁互作用提供系统稳定工作必需的悬浮与导向力，利用直线电机完成系统的驱动。

EMS必须有一套复杂的悬浮导向控制单元才能保证系统的稳定悬浮，必须沿线铺设初级线圈才能保证驱动单元的正常工作。另外，大量的车载电磁铁导致车体的自重大，有效载荷低，同时系统虽然可以实现静止悬浮，但需要消耗大量的电能。

以低温超导磁体为场源的EDS以液氦为冷制，价格较高且需要复杂庞大的低温循环系统，同时超导磁体的高磁场(达5T)容易对车厢造成电磁污染。以Halbach结构的永久磁体为场源的EDS需要大量的车载磁体，自重很大，车体有效载荷较低，并且EDS不能实现静止悬浮，需要辅助轮。

HTS-Maglev中涉及的高温超导块材可工作在液氮温度下，成本低且对低温部分的要求较低。由于同样使用直线电机驱动，HTS-Maglev也需要沿线铺设线圈。另外，现有的HTS-Maglev涉及的永磁轨道的上下部空间的磁场对称分布，但目前系统仅利用了上部空间磁场，这对永磁轨道是一个极大的浪费。

以上三种磁悬浮方式均未能将悬浮、导向及驱动三个子系统集成为一体。

为了提供驱动力而需要在轨道沿线铺设直线电机的初级电磁线圈，电磁线圈使用量很大，成本高，使其在磁悬浮列车系统的总体造价中占据很大的比例，大大增加了高温超导磁悬浮系统的造价，不利于提高磁悬浮列车在轨道交通领域的竞争力。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种集悬浮、导向及驱动于一体的高温超导磁悬浮系统，该磁悬浮系统不用沿线铺设线圈，磁悬浮系统的造价低，在保证低能耗静止悬浮的同时，具有较高的每延米悬浮重量和较低的自重，有效载荷高。

本实用新型解决其技术问题采用的方案如下：一种集悬浮、导向及驱动于一体的高温超导磁悬浮系统，包括永磁体及两边的聚磁极构成的左、右永磁轨道；车体左、右两侧固定的低温容器及低温容器中的高温超导块材，其结构特点是：

左、右永磁轨道通过横向穿过的紧固螺杆螺纹连接在离地的轨道梁上，左、右永磁轨道的下方均设有与车体相连的、由铁磁材料组成的“山”字形的附加聚磁极，附加聚磁极向上凸起的外侧聚磁极，中间聚磁极和内侧聚磁极分别位于永磁轨道聚磁极的正下方；附加聚磁极绕有由车体上的车载直流电源供电的驱动线圈，驱动线圈绕过附加聚磁极的三个聚磁极的顶部且外侧聚磁极，内侧聚磁极顶部线圈中流过的电流方向相同，而与中间聚磁极顶部线圈中流过的电流方向相反。

本实用新型的工作原理是：

悬浮作用：系统的悬浮力主要由车体上的高温超导块材与永磁轨道之间的电磁排斥力产生；同时，附加聚磁极被永磁轨道磁化，二者之间产生吸引力，使车体向上，起悬浮力的作用；系统的悬浮能力得到增强。

导向作用：系统的导向力主要由高温超导块材与永磁轨道作用产生的钉扎力形成，同时被磁化的“山”字形的附加聚磁极与永磁轨道之间也有侧向电磁吸引力。二者共同作用，形成系统稳定的导向能力。

驱动作用：采用直流直线电机的方式。通过在永磁轨道下部空间的附加聚磁极，使从永磁轨道下方的磁通线绝大部分聚集到附加聚磁极的三个凸出的聚磁极的上方，而形成强磁场区域，当在这三个聚磁极顶部的线圈中通入直流电时，由于中间聚磁极与内、外侧聚磁极的磁通线方向相反，而它们的顶部线圈中电流方向也相反，根据安培定律，中间与内外侧聚磁极顶部的线圈与永磁轨道之间将产生方向相同的纵向安培力，形成磁悬浮系统的驱动力，驱动磁悬浮车体纵向运行。系统中永磁轨道即构成直线电机的定子，附加聚磁极上的线圈成为直线电机的转子。同时，由于聚磁极其它部分绕过的线圈所处的区域为弱磁场区域，产生的安培力很小，对驱动力的影响很小。总之，中间与内外侧聚磁极顶部的线圈产生的纵向安培力构成磁悬浮系统的驱动力，驱动磁悬浮车向前运行。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、系统造价低。车体下方的聚磁极上的线圈构成驱动车体直线电机的转子，车体所在位置处永磁轨道构成直线电机定子，作为磁悬浮系统的驱动子系统。充分利用了车体所在位置处永磁轨道下方的空闲磁场，而无需在远远超过车体长度的轨道全线铺设产生直线电机定子磁场的线圈，线圈用量大大降低，明显降低了系统造价。

2、调速性能好。本系统的直线电机为直流电机，相比于现有磁悬浮系统的交流直线电机具有更好的调速性能。

3、悬浮导向能力强。与目前的高温超导磁悬浮车相比，附加聚磁极与永磁轨道之间的磁吸力能增加系统的悬浮力作用与导向力作用，提高了系统的悬浮及导向性能；可实现几乎无能耗的静止悬浮，无需任何悬浮控制单元。

上述的附加聚磁极的驱动线圈任意一圈的具体绕法为：导线从车载直流电源一极经外侧聚磁极外侧下部，翻过外侧聚磁极的顶部，再经外侧聚磁极的内侧下部进入中间聚磁极的内侧下部，翻过中间聚磁极的顶部进入到中间聚磁极外侧下部，从中间聚磁极外侧下部进入到内侧聚磁极内侧下部，翻过内侧聚磁极顶部后，经内侧聚磁极外侧下部与车载直流电源的另一极连接。

这样，能确保附加聚磁极的驱动线圈内、外侧聚磁极顶部线圈中流过的电流方向相同，而与中间聚磁极顶部线圈中流过的电流方向相反，保证中间与内外侧聚磁极顶部的线圈与永磁轨道之间将产生方向相同的纵向安培驱动力；同时，也使聚磁极其它部分绕过的线圈所处的弱磁场区域内，任意一圈在同一区域中有两条电流方向相反的导线，其产生的安培力可基本相互抵消，对驱动力的影响降到最小。

上述的附加聚磁极的中间聚磁极宽度为正上方的永磁轨道聚磁极宽度的2～5倍；内、外侧聚磁极的宽度为正上方的永磁轨道聚磁极宽度的1.5～4.5倍。这样能使附加聚磁极的聚磁效果更好，能更好地聚集永磁轨道下方的磁力线。

上述的附加聚磁极通过升降机构与车体相连。这样便于调节附加聚磁极与车体及永磁轨道间的间距，从而调整系统的驱动力及悬浮、导向力。

上述的永磁轨道、附加聚磁极以及低温容器均向中间倾斜0～90°。这样将在水平方向上产生两个较大的大小相同、方向相反的从两侧指向中间(内)的力，适用于在需要高侧向稳定性的场合。

上述的附加聚磁极在纵向上由多段形状相同的附加聚磁极模块组成。这样可降低附加聚磁极的制造成本。

上述的驱动线圈的导线为常规的金属导体或超导体材料线材及带材构成。采用超导材料时，可提高系统的驱动效率，节约能源。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的描述。

附图说明

图1是本实用新型实施例的端面结构示意图。

图2是本实用新型实施例的左永磁轨道下方的附加聚磁极及其上的驱动线圈的绕向示意图(为便于观察图中仅画出一圈驱动线圈)。

图3是本实用新型实施例的左永磁轨道及其下方的附加聚磁极的磁场分布示意图。

具体实施方式

实施例

图1示出，本实用新型的一种具体实施方式为：一种集悬浮、导向及驱动于一体的高温超导磁悬浮系统，包括永磁体5a及两边的聚磁极5b构成的左、右永磁轨道5；车体1左、右两侧固定的低温容器2及低温容器2中的高温超导块材3。左、右永磁轨道5通过横向穿过的紧固螺杆6螺纹连接在离地的轨道梁11上，左、右永磁轨道5的下方均设有与车体1相连的、由铁磁材料组成的“山”字形的附加聚磁极9，附加聚磁极9向上凸起的外侧聚磁极9a，中间聚磁极9b和内侧聚磁极9c分别位于永磁轨道5聚磁极5b的正下方；附加聚磁极9绕有由车体1上的车载直流电源10供电的驱动线圈14，驱动线圈14绕过附加聚磁极9的三个聚磁极9a、9b、9c的顶部且内、外侧聚磁极9c、9a顶部线圈中流过的电流方向相同，而与中间聚磁极9b顶部线圈中流过的电流方向相反。

图2示出，附加聚磁极9的驱动线圈14任意一圈的具体绕法为：导线从车载直流电源10一极经外侧聚磁极9a外侧下部，翻过外侧聚磁极9a的顶部，再经外侧聚磁极9a的内侧下部进入中间聚磁极9b的内侧下部，翻过中间聚磁极9b的顶部进入到中间聚磁极9b外侧下部，从中间聚磁极9b外侧下部进入到内侧聚磁极9c内侧下部，翻过内侧聚磁极9c顶部后，经内侧聚磁极9c外侧下部与车载直流电源10的另一极连接。

附加聚磁极9的中间聚磁极9b宽度为正上方的永磁轨道5聚磁极5b宽度的2～5倍；内、外侧聚磁极9c、9a的宽度为正上方的永磁轨道5聚磁极5b宽度的1.5～4.5倍。

附加聚磁极9通过升降机构与车体1相连。永磁轨道5、附加聚磁极9以及低温容器2均向中间倾斜0～90°。附加聚磁极9在纵向上由多段形状相同的附加聚磁极模块组成。

图3为永磁轨道及其下方的附加聚磁极的磁场分布示意图。从图中可以看出，磁力线主要聚集在永磁轨道5内部及其正下方，以及附加聚磁极9内部及其凸起的三个聚磁极9a、9b、9c正上方。而附加聚磁极旁及三个凸起聚磁极旁的间隙部位则磁力线很少，为弱磁场区域。

驱动线圈14的导线为常规的金属导体或超导体材料线材及带材构成。使用超导体时需要一套低温系统，这套低温系统与悬浮低温系统可以集成，构成全超导化的磁悬浮车系统。

为减小运动过程中倒附加聚磁极9与永磁轨道5的磁场产生的涡流阻力，附加聚磁极9可由双面涂有绝缘漆的高磁导率的硅钢片通过真空环氧浸渍的方法制作。

本实用新型的轨道梁，可以通过其下部或侧下部的轨道柱与地相连，而使轨道梁离地。其离地高度以保证磁悬浮车运行时，附加聚磁极的底部不着地即可。通常为5～20cm。

该磁悬浮系统可用于轨道交通、游乐场所的磁悬浮车、磁悬浮演示实验以及生产车间的货物的无机械摩擦传送等。

Claims (7)

1、一种集悬浮、导向及驱动于一体的高温超导磁悬浮系统，包括永磁体(5a)及两边的聚磁极(5b)构成的左、右永磁轨道(5)；车体(1)左、右两侧固定的低温容器(2)及低温容器(2)中的高温超导块材(3)，其特征在于：

所述的左、右永磁轨道(5)通过横向穿过的紧固螺杆(6)螺纹连接在离地的轨道梁(11)上，左、右永磁轨道(5)的下方均设有与车体(1)相连的、由铁磁材料组成的“山”字形的附加聚磁极(9)，附加聚磁极(9)向上凸起的外侧聚磁极(9a)，中间聚磁极(9b)和内侧聚磁极(9c)分别位于永磁轨道(5)聚磁极(5b)的正下方；附加聚磁极(9)绕有由车体(1)上的车载直流电源(10)供电的驱动线圈(14)，驱动线圈(14)绕过附加聚磁极(9)的三个聚磁极(9a、9b、9c)的顶部且内、外侧聚磁极(9c、9a)顶部线圈中流过的电流方向相同，而与中间聚磁极(9b)顶部线圈中流过的电流方向相反。

2、根据权利要求1所述的一种集悬浮、导向及驱动于一体的高温超导磁悬浮系统，其特征在于：所述的附加聚磁极(9)的驱动线圈(14)任意一圈的具体绕法为：导线从车载直流电源(10)一极经外侧聚磁极(9a)外侧下部，翻过外侧聚磁极(9a)的顶部，再经外侧聚磁极(9a)的内侧下部进入中间聚磁极(9b)的内侧下部，翻过中间聚磁极(9b)的顶部进入到中间聚磁极(9b)外侧下部，从中间聚磁极(9b)外侧下部进入到内侧聚磁极(9c)内侧下部，翻过内侧聚磁极(9c)顶部后，经内侧聚磁极(9c)外侧下部与车载直流电源(10)的另一极连接。

3、根据权利要求1或2所述的一种集悬浮、导向及驱动于一体的高温超导磁悬浮系统，其特征在于：所述的附加聚磁极(9)的中间聚磁极(9b)宽度为正上方的永磁轨道(5)聚磁极(5b)宽度的2～5倍；内、外侧聚磁极(9c、9a)的宽度为正上方的永磁轨道(5)聚磁极(5b)宽度的1.5～4.5倍。

4、根据权利要求1或2所述的一种集悬浮、导向及驱动于一体的高温超导磁悬浮系统，其特征在于：所述的附加聚磁极(9)通过升降机构与车体(1)相连。

5、根据权利要求1或2所述的一种集悬浮、导向及驱动于一体的高温超导磁悬浮系统，其特征在于：所述的永磁轨道(5)、附加聚磁极(9)以及低温容器(2)均向中间倾斜0～90°。

6、根据权利要求1或2所述的一种集悬浮、导向及驱动于一体的高温超导磁悬浮系统，其特征在于：所述的附加聚磁极(9)在纵向上由多段形状相同的附加聚磁极模块组成。

7、根据权利要求1或2所述的一种集悬浮、导向及驱动于一体的高温超导磁悬浮系统，其特征在于：所述的驱动线圈(14)的导线为常规的金属导体或超导体材料线材及带材构成。

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