CN203255522U - 一种用于高速运行高温超导磁悬浮系统的无磁低温容器 - Google Patents

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刘伟
王家素
王素玉
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Abstract

本实用新型公开了一种用于高速运行高温超导磁悬浮系统的无磁低温容器，利用高强度的非导磁金属材料构建整个低温容器的支撑骨架；在非导磁金属材料支撑骨架的基础上，采取绝热层覆裹技术，达到隔热保温的目的；并对非导磁金属骨架底面采取特殊工艺阻止电涡流产生，以满足高温超导磁悬浮系统高速运行要求。本实用新型改变了传统金属低温容器采用真空隔热作为主要保温技术时易于底部产生电涡流和相关损耗的缺陷，同时也弥补了超级绝热材料不易构型，支撑强度弱的不足，尽可能地减小高速下感应电涡流的不利影响，更适合高速运行的高温超导磁悬浮系统。

Description

一种用于高速运行高温超导磁悬浮系统的无磁低温容器
技术领域
本实用新型属于高温超导磁悬浮技术，涉及一种适用于高速运行条件下高温超导磁悬浮系统的无磁低温容器及其制造方法。 
背景技术
高温超导磁悬浮技术以其自身所特有的磁通钉扎能力，无需外部控制即可实现稳定的悬浮，具备被动悬浮的明显特征，从而避免了主动控制技术和设备的研发与投入，具有结构简单、原理可靠、性能优越等诸多特点，是一种理想的实用磁悬浮技术。 
高温超导磁悬浮技术在高速磁悬浮交通、电磁发射、飞轮储能、磁悬浮轴承等领域具有广阔的应用前景，其所具备的低能耗、高可靠性、无污染等诸多优势也使其成为发展绿色能源产业的理想选择之一。2000年底，载人高温超导磁悬浮（HTS-Maglev）实验车“世纪号”在中国成都实验成功，标志着高温超导磁悬浮技术在交通领域应用的重大突破。 
与利用电磁吸力实现悬浮的电磁悬浮（EMS）列车和利用电磁感应排斥力的电动悬浮（EDS）列车相比，高温超导磁悬浮（HTS-Maglev）列车无需外部能源供给，依靠高温超导块材与永磁轨道之间的电磁感应作用产生的永久电流实现稳定的自悬浮。高温超导块材工作于临界温度以下是维持永久电流所需要的基本条件之一，因此高温超导磁悬浮列车系统需要引入低温容器以保证高温超导块材工作于临界温度以下。 
以较常用的高温超导材料钇钡铜氧（YBaCuO）为例，其临界温度为92K，而液氮的温度为77K，可以满足其工作要求，因而需要设计一种可以盛装液氮的车载低温容器以满足高温超导磁悬浮列车运行要求。相比于低温超导材料（LTS）需要使用4.2K液氦以及相关容器，77K液氮低温容器的设计与使用要简单得多，且造价低，维护简便，这也是高温超导磁悬浮技术的优势之一。 
在准静态测试（测试速度低于1m/s）或低速运行(运行速度低于30km/h)时，可以使用金属材料制作的液氮低温容器，但必须保证此金属材料为顺磁性材料或相对磁导率≈1，以避免对永磁轨道的磁路结构造成影响。针对准静态或低速运行使用的金属低温容器的性能要求还包括保温时间长、结构强度高、底部厚度小等，通过合理的设计，可以满足这些指标。 
在高速或超高速运行(运行速度高于100km/h)时，由于永磁轨道沿列车前进方向的磁场存在一定程度上的不均匀性，会在金属低温容器底部感应产生电涡流，并会对磁悬浮列车运行带来诸多不利影响。首先此电涡流会对高温超导块材和永磁轨道的耦合磁场产生影响，削弱高温超导块材的悬浮效能；其次此电涡流会产生热量，加速低温容器内液氮的挥发，缩短低温容器的工作时间；同时此电涡流还会与轨道的不均匀磁场发生耦合作用，产生拖拽电磁力，抵消部分磁悬浮列车的驱动力，降低驱动效能。 
由于此电涡流与运行速度成平方的正比关系，运行速度越高，则感应产生的电涡流越强，对磁悬浮列车造成的影响越大，因此需要对金属低温容器进行改进或替换，以找到一种适合于高速运行高温超导磁悬浮系统的低温容器制作方法。 
发明内容
本发明的目的：提供一种适用于高速运行高温超导磁悬浮系统的低温容器及其制作方法，使该低温容器不仅满足保温时间长、结构强度高、底部厚度小等基本技术特征，同时最大程度地阻碍或削弱高速运行时在低温容器底部产生感应电涡流现象，从而提高高温超导磁悬浮系统的高速工作效能。 
技术方案：一种用于高速运行高温超导磁悬浮系统的无磁低温容器，包括非导磁金属材料骨架1，高温超导块材紧固装置2，低温容器固定法兰3，超级绝热材料4，低温容器盖7，通气孔8，其特征在于，超级绝热材料4覆裹于非导磁金属材料骨架1外部；低温容器盖7通过低温容器固定法兰3与非导磁金属材料骨架1及超级绝热材料4连接,形成一个空腔；高温超导块材5位于该空腔内部；通气孔8开设于低温容器盖7上；低温容器固定法兰3通过螺栓固定的方式与磁悬浮列车车体固定在一起；非导磁金属材料骨架1底部厚度(Thickness)H不超过3mm； 
所述非导磁金属骨架1采用顺磁性金属材料，如紫铜，铝合金或不锈钢，要求其相对磁导率≈1； 
所述非导磁金属材料骨架1的底部经采取镂空、刻蚀或者编织工艺特殊工艺处理，将非导磁金属材料骨架1的底部的导电层分割成小区域，以缩小感应电涡流的流动空间，阻碍或尽可能减小感应电涡流的产生，以消除该电涡流在高速下对整个磁悬浮系统造成的不利影响； 
所述超级绝热材料4一般采用二氧化硅纳米孔材料，起到隔热保温的作用；在覆裹过程中，可采用不同的覆裹工艺，如直接缠绕、分层换向缠绕或者纤维 编织工艺； 
在超级绝热材料的覆裹过程中，可引入碳纤维、玻璃纤维以及石墨纤维高强度纤维材料，采用多层编织方法，将绝热材料和高强度纤维材料混编为绝热层，以提高超级绝热材料的结构强度；对于某些特殊应用场合，例如底厚非常薄的磁悬浮轴承用低温容器，其厚度通常只有1mm左右，无法在非导磁金属材料骨架的基础上进行绝热层覆裹，此时可采用环氧树脂浸渍工艺进行绝热层的定型与固化处理，固化后的绝热层具有较高机械强度，可直接作为低温容器的底部； 
在所述非导磁金属材料骨架1内还可添加高强度复合纤维材料与环氧树脂混合而成的液态物质，待其凝固后可提高金属骨架机械强度，以避免覆裹过程中对非导磁金属材料骨架产生较大应力而导致其形变； 
在完成覆裹后，采用环氧树脂浸渍工艺或低温胶涂抹工艺进行固化定形，使超级绝热材料4可以紧密包裹于非导磁金属材料骨架1上； 
所述高温超导块材紧固装置2直接使用紧固螺丝10固定在非导磁金属材料骨架1内侧； 
所述非导磁金属材料骨架1底部主要承受来自于超级绝热材料4覆裹所产生的应力以及高温超导块材紧固装置2进行螺丝紧固时通过高温超导块材5所传递的挤压力，这两个力在垂直方向具有一定的抵消作用；同时，在高温超导块材处于悬浮工作状态时，其产生的悬浮力垂直向上，且主要通过高温超导块材紧固装置2和非导磁金属材料骨架1侧壁进行传递，最终作用在非导磁金属材料骨架底部的合力较小，因而对非导磁金属材料骨架底部支撑强度要求不高，所述非导磁金属材料骨架底部厚度可选择为1mm；当低温容器整体尺寸较大时，非导磁金属材料骨架1底部厚度较小会造成一定程度上的弯曲、变形，故在设计时可增加一些厚度或者支撑装置，但厚度(Thickness)H不超过3mm； 
所述低温容器盖7，用于延长保温时间，并且可以防止剧烈抖动时液氮外泄；并且在盖子上预留了通气孔8，用以排放挥发的氮气； 
在低温容器内部空腔体积要求较低时，所述非导磁金属材料骨架1侧壁可开设真空隔热腔9，并且在非导磁金属材料骨架1外部覆裹更大厚度的超级绝热材料4，以进一步增强低温容器的保温性能； 
必要时，在所述紧固螺丝10与所述高温超导块材5之间增加一块力传导板11，该力传导板11使用环氧树脂等非金属材料，以避免电涡流的产生； 
当非导磁金属材料骨架1侧壁无法满足支撑要求时，可以在所述无磁低温 容器内添加力传导辅助装置6，其位于力传导板8与低温容器盖7之间，可以直接将高温超导块材5所产生的电磁悬浮力通过低温容器盖7传递到车体上； 
在对底部空间要求严格的场合，可利用覆裹的绝热材料经环氧树脂浸渍处理固化定型后直接作为底部支撑；当低温容器中的高温超导块材处于工作状态时，其受力基本上处于垂直向上和侧面向外，且主要传导于车体上，低温容器底部实际受力很小，故低温容器底部支撑需要满足的力指标主要来自于高温超导块材未进入工作状态时的自重和液氮重量；如果利用固化后的绝热材料直接作为底部支撑，则可将低温容器侧部和顶部进行一体化设计，即所述低温容器盖7与非导磁金属材料骨架1联接为一体，但需要增加相应的活动式力传导装置，具体可参见实施例2。 
本发明的优点和有益效果： 
与现有技术相比，本发明的优势和特点在于： 
1、适用于高速运行。由于永磁轨道磁场沿列车前进方向分布的不均匀性，在列车高速运行时，会在传统非导磁金属低温容器底部和侧部临近区域感应产生电涡流，会对悬浮系统性能产生不利影响。而本发明可有效阻止该电涡流的产生，保证高速运行时的高温超导磁悬浮系统正常工作水平的发挥。 
2、技术简单、可靠。由于采用超级绝热材料覆裹工艺，本发明可部分使用或不使用传统非导磁金属低温容器采用的真空隔热技术，避免了诸如锻压一次成型、真空密封、倒角、支撑强度设计等众多技术难题，工艺更为简单，性能更为可靠。 
3、适用范围更广。传统非导磁金属低温容器采用复合纤维材料直接固化或构型，模具成型后不能修改，要制作不同尺寸的低温容器时必须新开模具。本发明不受模具限制，通过调整金属和绝热材料加工流程即可满足不同尺寸要求，在应用于飞轮储能，高温超导磁悬浮轴承以及微型高温超导磁悬浮系统等场合时，本发明由于等比缩放性好，在小尺寸应用场合同样具有良好的实用性，加工难度较低，适用范围更广。 
总之，本实用新型改变了传统金属低温容器采用真空隔热作为主要保温技术的方法，同时也弥补了超级绝热材料不易构型，支撑强度弱的不足，针对高速运行的高温超导磁悬浮系统，通过底部特殊工艺处理，尽可能的减小感应电涡流的不利影响，因而在保证基本工作要求的同时，更适合高速运行的高温超导磁悬浮系统。 
附图说明
图1是本实用新型无磁低温容器应用于高温超导磁悬浮列车的端面结构示意图，其中： 
a.磁悬浮列车车体，b.无磁低温容器，c.推进用线性电机次级，d.高温超导块材，e.永磁轨道，f.基础设施，g.线性电机初级，h.磁悬浮列车的有效悬浮高度； 
图2是本实用新型无磁低温容器剖面示意图； 
图3是本实用新型无磁低温容器侧部和顶部一体化设计示意图； 
图4是本实用新型无磁低温容器骨架侧壁开设真空隔热腔示意图。 
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。 
图1示出，本发明应用于高温超导磁悬浮列车的一种具体实施方式为：一种适用于高速运行条件下的装载于在所示磁悬浮列车车体上的无磁低温容器，装载于车体底部的推进用线性电机次级用于推进磁浮列车前进，安置于低温容器中的高温超导块材，永磁轨道与图线性电机初级均固定于基础设施上。磁悬浮列车车体、无磁低温容器、线性电机次级、高温超导块材图构成整个磁悬浮列车的悬浮单元，在高温超导块材进入工作状态和位置后，其可以稳定悬浮于永磁轨道之上。 
如图2，一种用于高速运行高温超导磁悬浮系统的无磁低温容器，包括非导磁金属材料骨架1，高温超导块材紧固装置2，低温容器固定法兰3，超级绝热材料4，低温容器盖7，通气孔8，其特征在于，超级绝热材料4覆裹于非导磁金属材料骨架1外部；低温容器盖7通过低温容器固定法兰3与非导磁金属材料骨架1及超级绝热材料4连接,形成一个空腔；高温超导块材5位于该空腔内部；通气孔8开设于低温容器盖7上；低温容器固定法兰3通过螺栓固定的方式与磁悬浮列车车体固定在一起；非导磁金属材料骨架1底部厚度(Thickness)H不超过3mm； 
所述非导磁金属骨架1采用顺磁性金属材料，如紫铜，铝合金或不锈钢，要求其相对磁导率≈1； 
所述非导磁金属材料骨架1的底部经采取镂空、刻蚀或者编织工艺特殊工艺处理，将非导磁金属材料骨架1的底部的导电层分割成小区域，以缩小感应电涡流的流动空间，阻碍或尽可能减小感应电涡流的产生，以消除该电涡流在 高速下对整个磁悬浮系统造成的不利影响； 
所述超级绝热材料4一般采用二氧化硅纳米孔材料，起到隔热保温的作用；在覆裹过程中，可采用不同的覆裹工艺，如直接缠绕、分层换向缠绕或者纤维编织工艺； 
在超级绝热材料的覆裹过程中，可引入碳纤维、玻璃纤维以及石墨纤维高强度纤维材料，采用多层编织方法，将绝热材料和高强度纤维材料混编为绝热层。覆裹过程结束后，采用环氧树脂浸渍工艺进行绝热层的固化，以提高超级绝热材料的结构强度并使其与金属骨架更紧密的贴合； 
在所述非导磁金属材料骨架1内还可添加复合纤维材料与环氧树脂混合后的液态物质，待其凝固后可提高金属骨架强度，以避免覆裹过程中对非导磁金属材料骨架产生较大应力而导致其形变；上述高强度支撑物质可由碳纤维、玻璃纤维或石墨纤维材料组成；在完成覆裹后，采用环氧树脂浸渍工艺或低温胶涂抹工艺进行固化定形，使超级绝热材料4可以紧密包裹于非导磁金属材料骨架1上； 
所述高温超导块材紧固装置2直接使用紧固螺丝10固定在非导磁金属材料骨架1内侧； 
所述非导磁金属材料骨架1底部主要承受来自于超级绝热材料4覆裹所产生的应力以及高温超导块材紧固装置2进行螺丝紧固时通过高温超导块材5所传递的挤压力，这两个力在垂直方向具有一定的抵消作用；同时，在高温超导块材处于悬浮工作状态时，其产生的悬浮力垂直向上，且主要通过高温超导块材紧固装置2和非导磁金属材料骨架1侧壁进行传递，最终作用在非导磁金属材料骨架底部的合力较小，因而对非导磁金属材料骨架底部支撑强度要求不高，所述非导磁金属材料骨架底部厚度可选择为1mm；当低温容器整体尺寸较大时，非导磁金属材料骨架1底部厚度较小会造成一定程度上的弯曲、变形，故在设计时可增加一些厚度或者支撑装置，但厚度(Thickness)H不超过3mm； 
所述低温容器盖7，用于延长保温时间，并且可以防止剧烈抖动时液氮外泄；并且在盖子上预留了通气孔8，用以排放挥发的氮气； 
必要时，在所述紧固螺丝10与所述高温超导块材5之间增加一块力传导板11，该力传导板11使用环氧树脂非金属材料，以避免电涡流的产生； 
当非导磁金属材料骨架1侧壁无法满足支撑要求时，可以在所述无磁低温容器内添加力传导辅助装置6，其位于力传导板8与低温容器盖7之间，可以直接将高温超导块材5所产生的电磁悬浮力通过低温容器盖7传递到车体上； 
在对底部空间要求严格的场合，可利用覆裹的绝热材料直接作为底部支撑；当低温容器中的高温超导块材处于工作状态时，其受力基本上处于垂直向上和侧面向外，且主要传导于车体上，低温容器底部实际受力很小。故低温容器底部支撑需要满足的力指标主要来自于高温超导块材未进入工作状态时的自重和液氮重量；如果利用覆裹的绝热材料直接作为底部支撑，则可将低温容器侧部和顶部进行一体化设计，即所述低温容器盖7与非导磁金属材料骨架1联接为一体，但需要增加相应的活动式力传导装置，具体可参见图3； 
如图4所示，在低温容器内部空腔体积要求较低时，所述非导磁金属材料骨架1侧壁可开设真空隔热腔9，并且在非导磁金属材料骨架1外部覆裹更大厚度的超级绝热材料4，以进一步增强低温容器的保温性能。 
本发明同时公开了一种用于高速运行高温超导磁悬浮系统的无磁低温容器的制造方法，其特征在于：利用高强度的非导磁金属材料构建整个低温容器的支撑骨架；在非导磁金属材料支撑骨架的基础上，采取覆裹技术，根据不同需要，缠绕不同厚度的二氧化硅纳米孔等超级绝热材料，以达到隔热保温的目的；并对非导磁金属骨架底面采取特殊工艺阻止电涡流产生，以满足高温超导磁悬浮系统高速运行要求； 
所述非导磁金属骨架1采用顺磁性金属材料，如紫铜，铝合金或不锈钢，要求其相对磁导率≈1；上述非导磁金属骨架加工过程中，采取锻压工艺，减少焊接工艺的使用；如果需要焊接，应使焊接处避开靠近低温容器底部的区域，保证焊接后焊接部位的相对磁导率≈1； 
在所述超级绝热材料的覆裹过程中，可引入碳纤维、玻璃纤维以及石墨纤维等高强度纤维材料，采用类似于传统纺织工业中的多层编织方法，将绝热材料和高强度纤维材料混编为绝热层，以提高绝热层的结构强度； 
上述的超级绝热材料覆裹工艺可以采用直接缠绕，或分层换向缠绕，具体应视实际使用材料而定。如果使用具有良好隔热和拉伸强度的纤维材料，还可使用编织工艺，并可结合金属线材一起进行混合织造，以进一步提高其结构强度； 
上述绝热层混编工艺完成后，自身没有机械支撑强度，对于某些需要绝热层起到支撑作用的场合，例如底厚非常薄的低温容器，可采取环氧树脂浸渍工艺或低温胶涂抹工艺以达到绝热层固化定型目的； 
在外部磁场绝对值较低或不均匀性较小时，可以在低温容器侧壁覆裹二氧化硅纳米孔等超级绝热材料的同时，使用真空隔热技术，以增强低温容器工作 效能； 
在外部磁场绝对值较高，或外部磁场不均匀性较大，或磁悬浮系统运行速度极高时，对低温容器侧壁采取类似于低温容器底部的镂空，刻蚀或编织等特殊工艺处理，在保证垂向和侧向支撑强度的同时，尽可能减小低温容器侧壁上所产生的感应电涡流； 
上述的低温容器底部非导磁金属骨架采取的特殊工艺处理具体方法包括金属板材镂空、蚀刻或者金属线材编织工艺，通过减小感应电涡流的流动区域来削弱其对悬浮系统产生的不利影响；当使用金属线材编织工艺时，可在编织前先对金属线材进行氧化锆等绝缘材料涂覆，以阻断金属线材连接或叠压部位可能出现的感应电涡流回路； 
上述非导磁金属骨架在设计时必须满足支撑强度要求，主要包括高温超导磁悬浮系统处于悬浮工作状态时所产生的垂向悬浮力以及发生水平偏移时所产生的侧向恢复力；图2、3、4中Fz和Fx分别表示垂向悬浮力和侧向恢复力，此外在图1中增加了h用以表示磁悬浮列车的有效悬浮高度。 

Claims (11)

1.一种用于高速运行高温超导磁悬浮系统的无磁低温容器，包括非导磁金属材料骨架（1），高温超导块材紧固装置（2），低温容器固定法兰（3），超级绝热材料（4），低温容器盖（7），通气孔（8），其特征在于，超级绝热材料（4）覆裹于非导磁金属材料骨架（1）外部；低温容器盖（7）通过低温容器固定法兰（3）与非导磁金属材料骨架（1）及超级绝热材料（4）连接,形成一个空腔；高温超导块材（5）位于该空腔内部；通气孔（8）开设于低温容器盖（7）上；低温容器固定法兰（3）通过螺栓固定的方式与磁悬浮列车车体固定在一起；非导磁金属材料骨架（1）底部厚度不超过3mm。 
2.如权利要求1所述的无磁低温容器，其特征在于，非导磁金属骨架（1）采用顺磁性金属材料，其相对磁导率≈1。 
3.如权利要求1所述的无磁低温容器，其特征在于，所述非导磁金属材料骨架（1）的底部经采取镂空、刻蚀或者编织工艺特殊工艺处理，将非导磁金属材料骨架（1）的底部的导电层分割成小区域。 
4.如权利要求1所述的无磁低温容器，其特征在于，所述超级绝热材料（4）采用二氧化硅纳米孔材料；在覆裹过程中，采用直接缠绕、分层换向缠绕或者纤维编织工艺；在超级绝热材料的覆裹过程中，引入碳纤维、玻璃纤维以及石墨纤维高强度纤维材料，采用多层编织方法，将绝热材料和高强度纤维材料混编为高强度绝热层用于覆裹；覆裹完成后，采用环氧树脂浸渍工艺进行绝热层的固化，以提高超级绝热材料的结构强度。 
5.如权利要求4所述的无磁低温容器，其特征在于，对于底厚极薄的磁浮轴承用低温容器，使用环氧树脂固化后的高强度混编绝热层直接作为容器底部，其具备较高机械强度。 
6.如权利要求1所述的无磁低温容器，其特征在于，所述高温超导块材紧固装置（2）直接使用紧固螺丝（10）固定在非导磁金属材料骨架（1）内侧。 
7.如权利要求1所述的无磁低温容器，其特征在于，所述非导磁金属材料骨架底部厚度为1mm～3mm。 
8.如权利要求1所述的无磁低温容器，其特征在于，所述非导磁金属材料骨架（1）侧壁可开设真空隔热腔（9），并且在非导磁金属材料骨架（1）外部覆裹更大厚度的超级绝热材料（4），以进一步增强低温容器的保温性能。 
9.如权利要求1所述的无磁低温容器，其特征在于，在所述紧固螺丝（10）与所述高温超导块材（5）之间增加一块力传导板（11），该力传导板（11）使用环氧树脂非金属材料，以避免电涡流的产生。 
10.如权利要求1所述的无磁低温容器，其特征在于，在所述无磁低温容器内添加力传导辅助装置（6），其位于力传导板（8）与低温容器盖（7）之间，可以直接将高温超导块材（5）所产生的电磁悬浮力通过低温容器盖(7)传递到车体上。 
11.如权利要求1所述的无磁低温容器，其特征在于，将低温容器侧部和顶部进行一体化设计，即所述低温容器盖（7）与非导磁金属材料骨架（1）联接为一体。 
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