CN205930331U - 高温超导磁悬浮系统及磁悬浮列车 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高温超导磁悬浮系统及磁悬浮列车。本实用新型通过摆放超导块，使c轴设置方向恰好与轨道的磁场的方向垂直，从而能够提高了车辆的导向力，并通过增加缓冲机构使车辆能够平稳行驶。

Description

高温超导磁悬浮系统及磁悬浮列车

技术领域

本实用新型涉及高温超导磁悬浮技术领域，尤其涉及一种高温超导磁悬浮系统及磁悬浮列车。

背景技术

高温超导磁悬浮技术，由于高温超导体独特的磁通钉扎特性，具有无源自稳定的悬浮优势，在无摩擦轴承、飞轮储能、轨道交通等领域展现出良好的应用前景。其中，2000年我国世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车的诞生展示了高温超导磁悬浮技术在未来新型(高速、环保、舒适等特点)轨道交通工具的巨大吸引力，引起了国际社会的广泛关注。目前，德国、俄罗斯、巴西、日本等国均研制出高温超导磁悬浮车样机，各国都在努力推进高温超导磁悬浮车的实用化进程。如何进一步提高现有高温超导磁悬浮车系统的承载能力和稳定性能，成为其中一个技术重点。

超导块是高温超导磁悬浮系统中的核心部分之一，通常固定于低温容器中。目前，具有三个均匀分布籽晶轴(c轴)的三籽晶YBa2Cu3O7-x的超导块相比于单籽晶块材在性能上更优，因此广泛应用于高温超导磁悬浮系统中。研究发现，高温超导体材料YBa2Cu3O7-x的晶体内部a-b面上的导电率要明显高于垂直于a-b面的c轴方向上的导电率，前者的临界电流密度大小约为后者的3倍左右。但目前很好利用该特性来提高高温超导磁悬浮系统，或者利用该特性后高温超导磁悬浮系统并没有获得较优的效果。

实用新型内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种高温超导磁悬浮系统及具有该高温超导磁悬浮系统的磁悬浮列车，该高温超导磁悬浮系统能够提高导向性能，而且具有良好的减震性能。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种高温超导磁悬浮系统，包括：磁悬浮机构，其包括由永磁体制成的轨道、设置在所述轨道上方的低温容器以及设置在所述低温容器内的由多个超导块沿所述轨道宽度方向排列形成的超导块层；其中：轨道的磁场的竖直分量的主导区域上方的超导块的c轴水平设置，轨道的磁场的水平分量的主导区域上方的超导块的c轴竖直设置。缓冲机构，其设置在车架与所述低温容器之间以减缓所述车架在竖直方向的运动。

优选地，所述轨道为单峰磁场结构或在宽度方向布置的多峰磁场结构。

优选地，所述缓冲机构包括固定在所述低温容器上部的缸体、设置在所述缸体的腔室中并将所述腔室分别成上腔室和下腔室的活塞以及上端固定在所述车架上，下端伸入所述缸体与所述活塞连接的活塞杆；其中：所述活塞上装设有入口和出口分别对应与所述上腔室和所述下腔室连通的第一单向阀以及入口和出口分别对应与所述下腔室和所述上腔室连通的第二单向阀。

优选地，所述上腔室和所述下腔室内分别设置有上减震弹簧和下减震弹簧。

本实用新型还公开了一种磁悬浮列车，包括车架，还包括设置在所述车架和轨道之间的上述的高温超导磁悬浮系统。

与现有技术相比，本实用新型的高温超导磁悬浮系统及磁悬浮列车的有益效果是：本实用新型通过摆放超导块，使c轴设置方向恰好与轨道的磁场的方向垂直，从而能够提高了车辆的导向力，并通过增加缓冲机构使车辆能够平稳行驶。

附图说明

图1为本实用新型的高温超导磁悬浮系统的结构示意图；

图2实验用Halbach永磁轨道结构及磁通线分布，其中箭头方向表示永磁体的磁化方向；

图3实验用Halbach永磁轨道上方15mm处磁场分布：合磁场、法向和切向磁场分量；

图4为超导块的c轴方向垂直于外磁场的作用示意图；

图5为超导块的c轴方向平行于外磁场的作用示意图；

图6为图1的局部A的放大视图。

图中：

10-轨道；20-低温容器；30-超导块层；31-超导块；40-缓冲机构；41-缸体；42-活塞；43-活塞杆；44-下减震弹簧；45-第一单向阀；46-第二单向阀；47-上减震弹簧；50-车架。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作详细说明。

本实用新型的优选实施例提供了一种提高车辆磁悬浮性能的方法，包括以下步骤：S10：使轨道的磁场的竖直分量占主导的位置处的超导块31的c轴水平设置，使轨道的磁场的水平分量占主导的位置处的超导块31的c轴竖直设置；S20：使车辆在竖直方向获得减震功能。本实用新型通过摆放超导块31，使c轴设置方向恰好与轨道10的磁场的方向垂直，从而能够提高了车辆的导向力，并通过增加竖直方向上的减震功能使车辆能够平稳行驶。

在高温超导磁悬浮系统中，超导块31的所受的悬浮力与外磁场的大小和梯度密切相关。其中，外磁场的梯度变化决定超导块31内部的感应电流大小，感应电流和外磁场两者决定最终的洛仑兹力，悬浮力和导向力分别对应洛仑兹力的竖直和水平分量。因此，为了使超导块31发挥出最佳的磁悬浮性能，需要根据块材的组合形式来提供一个合理的外磁场结构。图2和图3分别给出了实验用Halbach永磁轨道的磁通线分布及表面15mm处的磁场分布，从图中可以看出在永磁体磁极位置处竖直磁场分量Bn最大，永磁轨道中间水平磁场分量Bt最大。如图4所示，磁极位置处，超导块31的ab面正对永磁轨道摆放时(超导块31的c轴与磁场方向平行)效果最佳；但在永磁轨道中间位置处，磁通线几乎都是沿水平方向，即超导块31的c轴与磁场方向呈90°夹角，此时具有更大电流密度的ab面并未与外磁场充分作用，如图5所示，当把超导块31的c轴摆放方向与外磁场方向相同时，作用效果将更佳。

为了验证这种设计思想，对不同摆放形式的超导块31在不同位置处的磁悬浮性能进行了实施验证。为了叙述方便，把竖直分量磁场最大的磁极处称为波峰，轨道中心竖直磁场分量最小的地方称为波谷，波谷也是水平磁场分量最大的地方。利用高温超导磁悬浮测试装置对波峰和波谷处水平摆放(常规形式)和竖直摆放的超导块31的导向力进行了测试。

实施验证显示当超导块31水平摆放时，波谷处导向力最大，波峰处导向力较小；超导块31竖直摆放时，情况相反，波峰处的导向力要大于波谷处的导向力。以上结果证明了波谷处超导块31水平摆放形式导向力最佳。同时说明了，若想提高原有磁悬浮系统的稳定性能，可将原波峰位置处水平摆放的超导块31换成竖直摆放。在最大横向偏移5mm处，在波峰位置处，当超导块31从水平摆放变成竖直摆放时，其最大导向力将从-3.4N增加到-17.3N。若考虑同样宽度区域的超导块31，竖直摆放时还可以近似考虑乘以系数2，此时的导向力提高效率将进一步增大。

表1场冷高度30mm块材在不同摆放方式和测试位置处最大导向力

注：表中竖直摆放行中的(×2)表示占据同样的宽度时，可以竖直摆放两块，故乘以系数2。

表1给出典型的工作条件(场冷高度FCH30mm)下超导块31在不同摆放方式和测试位置的最大导向力数据，从表1中可以看出通过改变超导块31c轴方向的排布来改善其磁悬浮性能的方法可行且效果显著。在波峰位置时将超导块31竖直摆放之后，导向力近似获得从3.4N→34.6N的提高，增大10.2倍。因此，在实际应用中，可以根据实际需求，结合永磁轨道的结构及其磁场分布来设计超导块31的c轴方向排布，以实现方案目标。

如图1所示，本实用新型的优选实施例公开了一种基于上述方法的高温超导磁悬浮系统，该高温超导磁悬浮系统可应用于轨道10交通车辆但不限于应用于此。该高温超导磁悬浮系统包括磁悬浮机构和缓冲机构40，磁悬浮机构用于为车辆提供悬浮力和导向力以使车辆在承载一定载荷情况下行驶，缓冲机构40用于减缓车辆在竖直方向上的运动以缓冲车辆在行驶过程中出现的震动。其中，磁悬浮机构具体包括轨道10、低温容器20以及多个超导块31，低温容器20设置在轨道10的正上方，多个超导块31置于低温容器20内并沿轨道10的宽度方向排列而形成超导块层30，本实用新型的关键在于：轨道10的磁场的竖直分量的主导区域上方的超导块31的c轴水平设置，轨道10的磁场的水平分量的主导区域上方的超导块31的c轴竖直设置。本实用新型通过摆放超导块31，使c轴设置方向恰好与轨道10的磁场的方向垂直，从而能够提高了车辆的导向力，并通过增加缓冲机构40使车辆能够平稳行驶。

对于高温超导磁悬浮系统应用于车辆的情况而言，轨道10与超导块31之间的磁力作用虽然能够为车辆的震动提供部分缓冲作用，但若要最大程度的减小车辆的震动还需单独加装缓冲机构40，这也是本实用新型将缓冲系统引入高温超导磁悬浮系统的原因。

具有减震作用的缓冲机构40的结构或组成可以有多种，如减震弹簧，即在低温容器20与车架50之间设置减震弹簧，利用减震弹簧在受到机械力时发生弹性变形而对车辆起到减震作用。然而减震弹簧存在至少两方面的缺陷：一是，减震弹簧对于震动过程中能够因明显阻止车辆竖直向下运动而起到明显的缓冲作用，而对于在震动过程中车辆竖直向上运动时，因减震弹簧对车辆竖直向上运动的阻止能力不强(减震弹簧受压效果好，而受拉效果差)而起到的缓冲作用不强；二是，减震弹簧因频繁的发生弹性变形而容易失效，甚至疲劳破坏，进而导致缓冲作用减弱甚至失效。

为提高车辆的减震性能，本实用新型的一个优选实施例提供了一种减震效果优良的缓冲机构40，如图6并结合图1所示，具体地，缓冲机构40包括固定在低温容器20上部的缸体41、设置在缸体41的腔室中并将腔室分别成上腔室(上腔室内设置有液压介质)和下腔室(下腔室内设置有液压介质)的活塞42以及上端固定在车架50上，下端伸入缸体41与活塞42连接的活塞杆43，上腔室和下腔室内分别设置有上减震弹簧47和下减震弹簧44。其中：活塞42上装设有入口和出口分别对应与上腔室和下腔室连通的第一单向阀45以及入口和出口分别对应与下腔室和上腔室连通的第二单向阀46，并且使第二单向阀46的导通压力条件设置为当活塞杆43和活塞42承受整个车辆的重力时，第二单向阀46仍处于关闭状态，而当承受的力为大于车辆重力某一数值时，第二单向阀46导通，对于第一单向阀45的导通条件可以设定为任意压力值。

上述缓冲机构40能够起到减震作用的原因在于：当车辆在竖直方向上未发生震动时，下腔室内的液压介质因承受整个车辆的重力而具有一定压力，活塞42上的第二单向阀46因未达到导通条件而关闭，而第一单向阀45因具有逆止功能，从而使下腔室内的液压介质无法通过第一单向阀45和第二单向阀46进入上腔室，从而使得活塞杆43在竖直方向上保持不动，车辆在水平方向上平稳行驶。当因某种原因(如轨道10铺设不平整)缸体41下方的行走部分(如低温容器20和超导块31)在竖直方向上发生震动时，当行走部分突然竖直向上运动时，下腔室内的液压介质受到活塞42的挤压而压力升高，当压力升高到第二单向阀46的导通条件时，第二单向阀46导通，下腔室内的液压介质通过第二单向阀46进入上腔室，缸体41随行走部分向上运动，行走部分和缸体41不会带动活塞42、活塞杆43以及车辆向上运动或是活塞42、活塞杆43以及车辆缓慢的向上运动，从而达到缓冲的目的，当行走部分突然竖直向下运动时，上腔室内的液压介质受到活塞42的挤压而压力升高，当压力升高到第一单向阀45的导通条件时，第一单向阀45导通，上腔室内的液压介质通过第一单向阀45进入下腔室，缸体41随行走部分向下运动，行走部分和缸体41不会带动活塞42、活塞杆43以及车辆向下运动或是活塞42、活塞杆43以及车辆缓慢的向下运动，从而达到缓冲的目的。

上述缓冲机构40利用液压介质在第一单向阀45和第二单向阀46的控制下于上腔室和下腔室之间流动，从而使缸体41与活塞杆43形成相对运动，进而实现对车辆的缓冲，这种液压式减震方式相比减震弹簧的减震方式具有缓冲柔和的特点，更重要的是不存在弹性失效的缺陷，且能够克服减震弹簧对竖直向上运动的车辆缓冲效果不好的缺陷。

对于上述的第二单向阀46的导通条件可以解释为：当车辆平稳运行时，第二单向阀46必须保持断开状态，只有这样才能使下腔室的液压介质支撑车辆，而当行走部分突然向上运动时，活塞42挤压下腔室，此时下腔室内的液压介质的压力要高于车辆平稳运行时的压力，将第二单向阀46的导通条件设置在升高的某一压力值上就会使得行走部分在向上运动到某一程度时，第二单向阀46导通。

从上述解释可以看出，第二单向阀46所设定的导通条件越接近车辆平稳运行时下腔室的液压介质的压力，缓冲机构40的缓冲效果越好。

为进一步提高缓冲机构40的减震效果，在本实用新型的一个优选实施例中，上腔室和下腔室内分别设置有上减震弹簧47和下减震弹簧44，如此，缓冲机构40利用液压方式和机械方式两种减震方式，大大提高了车辆的减震效果。

此外，本实用新型还公开了一种磁悬浮列车，包括车架50，还包括设置在车架50和轨道10之间的上述的高温超导磁悬浮系统。

以上实施例仅为本实用新型的示例性实施例，不用于限制本实用新型，本实用新型的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本实用新型的实质和保护范围内，对本实用新型做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种高温超导磁悬浮系统，其特征在于，包括：

磁悬浮机构，其包括由永磁体制成的轨道、设置在所述轨道上方的低温容器以及设置在所述低温容器内的由多个超导块沿所述轨道宽度方向排列形成的超导块层；其中：

轨道的磁场的竖直分量的主导区域上方的超导块的c轴水平设置，轨道的磁场的水平分量的主导区域上方的超导块的c轴竖直设置，

缓冲机构，其设置在车架与所述低温容器之间以减缓所述车架在竖直方向的运动。

2.如权利要求1所述的高温超导磁悬浮系统，其特征在于，所述轨道为单峰磁场结构或在宽度方向布置的多峰磁场结构。

3.如权利要求1所述的高温超导磁悬浮系统，其特征在于，所述缓冲机构包括固定在所述低温容器上部的缸体、设置在所述缸体的腔室中并将所述腔室分别成上腔室和下腔室的活塞以及上端固定在所述车架上，下端伸入所述缸体与所述活塞连接的活塞杆；其中：

所述活塞上装设有入口和出口分别对应与所述上腔室和所述下腔室连通的第一单向阀以及入口和出口分别对应与所述下腔室和所述上腔室连通的第二单向阀。

4.如权利要求3所述的高温超导磁悬浮系统，其特征在于，所述上腔室和所述下腔室内分别设置有上减震弹簧和下减震弹簧。

5.一种磁悬浮列车，包括车架，其特征在于，还包括设置在所述车架和轨道之间的如权利要求1至4任意一项所述高温超导磁悬浮系统。