CN208622321U - 一种具有磁屏蔽高稳定性的高温超导磁悬浮车模型 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有磁屏蔽高稳定性的高温超导磁悬浮车模型，属于高温超导磁悬浮技术领域，包括设置在永磁轨道上的小车外壳，在小车外壳内设有低温容器，在低温容器内设有超导体，在超导体的上表面使用低温胶粘覆软磁材料，其中，软磁材料和超导体与永磁轨道整体呈现软磁材料‑超导体‑永磁体轨道的三明治结构。本实用新型主要采用“软磁材料‑超导体‑永磁体轨道”三明治结构，软磁材料对永磁体轨道产生的梯度磁场具有聚合效果，从而减小了磁感应线的发散程度，这样超导体表面的磁场梯度将会显著增大，从而导致悬浮力的增大，三明治结构中的软磁材料同时能够实现磁屏蔽的效果，这样磁场将不能进入车厢，从而避免了磁场对车厢内人员的伤害。

Description

一种具有磁屏蔽高稳定性的高温超导磁悬浮车模型

技术领域

本实用新型属于高温超导磁悬浮技术领域，具体涉及一种具有磁屏蔽高稳定性的高温超导磁悬浮车模型。

背景技术

超导体具有零电阻(ρ＝0)和完全抗磁性(χ＝-1，即迈斯纳效应)的两个基本特性。两者相对独立又相互联系，单纯的零电阻并不能保证迈斯纳效应的存在，但零电阻效应又是迈斯纳效应的必要条件。其中，迈斯纳效应是由德国物理学家W.Meissner和R.Ochsebfekd在1933年对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现的。超导体一旦进入超导状态，体内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，且不论对超导体是先降温后加磁场，还是先加磁场后降温，只要进入超导状态，超导体就把体内的全部磁通量排出体外。

磁悬浮技术的研究源于德国，早在1922年，德国工程师赫尔曼·肯佩尔就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁悬浮列车的专利。鉴于技术的复杂性和经济效益性，磁悬浮列车在相当长的时间内并没有得到实际的应用。目前世界上的磁悬浮列车技术主要分为两类：第一类是以德国为代表的常导磁悬浮，其技术特点是常导电磁铁比较容易控制，通常由蓄电池或发电设备给电磁铁和直线电机提供电力，实现列车的悬浮和驱动，所以这种结构又称电磁式悬浮，速度可达400-500Km/h。但由于这种常导系统的电磁吸引力相对较小，列车与轨道之间的缝隙大约10mm,故控制精度要求很高。世界第一辆磁悬浮列车2003年1月开始在上海通车运行，即是采用这种技术，标志着磁悬浮列车投入商业应用。第二类是利用超导体的完全抗磁特性，超导磁悬浮列车由车上的超导磁体产生极强的磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电动斥力将列车悬起，将列车悬浮在空中，悬浮气隙较大，一般为100mm左右，列车运行速度更快，可以实现时速500Km以上运行；缺点是技术复杂，产生的磁场较大对人体有伤害。目前日本正在建设世界上首条城际超导磁悬浮高速铁路，从东京至名古屋全程286公里，设计运行速度每小时505Km，预计2027年正式投入商业化运行。

目前国内高温超导磁悬浮应用的研究有一部分与上述两种类型的磁悬浮技术路线不同，即采用永磁体作为列车运行的轨道基础，根据迈斯纳效应和磁通钉扎效应，高温超导体“锁定”并悬浮在永磁体轨道上方运行。这种磁悬浮方法，延续了超导磁悬浮技术中大的悬浮气隙(100mm左右)，较高的运行速度，在技术操作上也更加方便。但是这种方法也存在着悬浮力相对小，导致不稳定的风险，以及磁场的伤害。

从相关文献中可知，零场冷却超导体所获得的悬浮力要大于场冷却超导体所获得悬浮力。这是因为在场冷情况下，超导体会先俘获一部分磁通，而此磁通与导轨的磁通方向是一致的，可以理解为一块永磁体。由于磁通钉扎效应，当超导体靠近磁轨道时，磁通钉扎阻止更多磁通进入超导体，从而产生悬浮排斥力；而当超导体远离磁轨道时，磁通钉扎阻止磁通流出超导体，从而产生吸引力；因此，在场冷情况下所测得悬浮力，实际为这两个力的合力，形成了稳定的、自锁定的磁悬浮。由于俘获的磁通多少与导轨之间的作用力成正比，当超导体偏离导轨中心位置时，吸引力的水平分量表现为侧向回复力，其作用是阻止超导体偏离中心，使超导体回到导轨中心位置。可见，侧向回复力的大小直接决定着侧向的稳定性，而回复力又取决于俘获的磁通量。随着超导体与永磁体导轨距离的减小，俘获的磁通量增加，吸引力和悬浮斥力都在增大，只是悬浮力比吸引力增加的更快。但距离太小，会影响磁悬浮列车的运行。

因此，增加超导体内的俘获磁通，有利于提高超导体与导轨磁体之间的悬浮力，更有利于磁悬浮系统的稳定性。再者，由悬浮力的公式F∝J_c·d·dB/dz，悬浮力的大小与超导体表面的磁场梯度直接相关，其中Jc和d分别是超导体的临界电流密度和屏蔽电流环的特征长度(对单畴超导块,d等于超导块的直径)。提高超导体表面的磁场梯度，可以显著提高悬浮力。在竖直方向上悬浮力既表现为向下的斥力，同时向上表现为吸引力。即是在稳定的高度上，超导体向上移动被吸引，向下移动被排斥，实现竖直方向的稳定。在竖直方向上移动的难易程度用悬浮刚度表示，即是在稳定点下降单位距离所需要的力，并且在较低位置处，场冷方式下的悬浮刚度比零场冷方式下的悬浮刚度要大。

综上述分析，可知超导磁悬浮的悬浮力、稳定性不是相互独立的，而是彼此制约的关系。

实用新型内容

实用新型目的：为了解决现有技术存在的问题，本实用新型提供一种具有磁屏蔽高稳定性的高温超导磁悬浮车模型，具有高稳定性、可屏蔽车内磁场。

技术方案：为了实现上述实用新型目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种具有磁屏蔽高稳定性的高温超导磁悬浮车模型，包括设置在永磁轨道上的小车外壳，在小车外壳内设有低温容器，在低温容器内设有超导体，在超导体的上表面使用低温胶粘覆软磁材料，其中，软磁材料和超导体与永磁轨道整体呈现软磁材料-超导体-永磁体轨道的三明治结构。

所述的永磁体轨道包括椭圆形纯铁轨道、永磁体以及两个永磁体轨道支架；所述的永磁体吸附在纯铁轨道上，纯铁轨道通过两个永磁体轨道支架固定。

所述的低温容器用来盛液氮，低温容器材质为聚苯乙烯泡沫材料。

所述的低温容器与液氮管道连通，在液氮管道上方设有液氮管道塞子。

所述的小车外壳材质为塑料。

所述的超导体为钇钡铜氧超导体，软磁材料为坡莫合金，永磁体为钕铁硼永磁体。

实用新型原理：一种具有高稳定性、可屏蔽车内磁场的磁悬浮车模型，高稳定性体现在我们采用“软磁材料-超导体-永磁体”三明治结构。第一，软磁材料易于磁化，对永磁体产生的梯度磁场具有聚合效果，从而可以减小了磁感应线的发散程度。这样磁场强度在超导体的局部区域将增强，超导体表面的磁场梯度将显著增加。根据悬浮力公式，悬浮力也将显著增大；第二，我们采用场冷却方式对超导体降温处理，悬浮的超导车厢在较低位置会有较大的悬浮刚度。因此，使用软磁材料，获得更大的悬浮力保证了竖直方向上的稳定性，同时大的悬浮刚度则保证了侧向的稳定性。

软磁材料通常具有很高的磁导率，根据磁路中磁感线在不同磁介质界面的折射规律，当磁感线从磁导率低的磁介质入射到高磁导率的磁介质表面时，磁感线将会发生偏折。三明治结构中的高磁导率的软磁材料，多层叠加就能够实现屏蔽穿过超导体磁场的效果，这样磁场将不能进入车厢，从而避免了磁场对车厢内人员的伤害。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型的一种具有磁屏蔽高稳定性的高温超导磁悬浮车模型，主要采用“软磁材料-超导体-永磁体轨道”三明治结构，软磁材料对永磁体轨道产生的梯度磁场具有聚合效果，从而减小了磁感应线的发散程度，这样超导体表面的磁场梯度将会显著增大，从而导致悬浮力的增大；同时，采用场冷却方式对超导体降温处理，超导体的悬浮刚度大，水平侧向将更稳定；同时，根据磁路中磁感线在不同磁介质界面的折射规律，三明治结构中的软磁材料同时能够实现磁屏蔽的效果，这样磁场将不能进入车厢，从而避免了磁场对车厢内人员的伤害。

附图说明

图1为超导磁悬浮车模型与永磁体轨道的主视图，磁悬浮状态下磁悬浮车模型与永磁轨道之间有1厘米的空气；

图2为超导磁悬浮车模型的俯视图；

图3为超导磁悬浮车模型的右视图；

图4为“软磁材料-超导体-永磁体轨道”简易三明治结构示意图，软磁材料粘覆在超导体的上表面，超导体下表面与永磁体轨道有一定的间距；

图5为永磁轨道及支架俯视图；

图6为永磁直线轨道的磁场分布图；

图7为永磁转弯轨道的磁场分布图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对本实用新型进一步说明。

如图1-7所示，附图标记如下：液氮管道塞子1、液氮管道2、低温容器3、小车外壳4、软磁材料5、超导体6、永磁体7、纯铁轨道8、永磁体轨道支架9；其中，永磁体7吸附在纯铁轨道8上。

附图1-3呈现了超导磁悬浮车模型的三视图。一种具有磁屏蔽高稳定性的高温超导磁悬浮车模型，包括超导体6、软磁材料5、低温容器3和小车外壳4构成。永磁体轨道包括椭圆形纯铁轨道8、永磁体7以及两个永磁体轨道支架9，图6呈现了永磁轨道及永磁体轨道支架9俯视图。

超导体6为钇钡铜氧超导体，软磁材料5为坡莫合金。

软磁材料和超导体6与永磁轨道整体呈现“软磁材料-超导体-永磁体轨道”三明治结构，其中软磁材料5使用低温胶粘覆在超导体6的上表面，超导体6下表面与永磁体轨道有一定的间距如图1和图4所示。

低温容器3用来盛液氮，材质为聚苯乙烯泡沫材料，同时用来放置超导体6；外侧为小车外壳4；小车外壳4材质为塑料；椭圆形纯铁轨道8材质为纯铁。

永磁体7为钕铁硼永磁体。

永磁体7如图4三明治简易图放置S-N-S，铺设在纯铁椭圆形轨道上；椭圆形的纯铁轨道8放置在两个永磁体轨道支架9上。

图6-7分别是图5直轨道和拐弯处轨道上排列的永磁体7的局部磁场线分布示意图，如图排布的永磁轨道，在上下、左右方向上形成了梯度磁场，从而产生了磁悬浮力，并限制了磁悬浮列车在上下、左右方向的运动；而在沿着轨道方向，同一水平高度，磁场是均匀的，不产生磁相互作用力。因此，磁悬浮列车可以并且只能沿着轨道方向自由运动。

工作原理：小车模型先放在永磁轨道上一定高度，向低温容器中注入液氮，钇钡铜氧超导体被冷却到液氮温度(-196℃)时，就从正常态转变为超导态。超导体处于一个沿垂直方向的梯度磁场中，从而在超导体内感应出屏蔽电流。超导体的零电阻效应使屏蔽电流不衰减。由屏蔽电流产生的磁场与永磁轨道磁场相互作用，当排斥力大于重力时，超导体就可以悬浮在空中。在冷却过程中，由于超导体的磁通钉扎效应，超导体得以稳定地悬浮在永磁轨道上方或倒吊于永磁轨道的下方。

当悬浮着的超导体运动时，沿永磁轨道长度方向(即运动方向)几乎没有磁场变化，因此超导体受到的磁阻尼力很小，而沿永磁轨道横向磁场梯度大，超导体受到的磁阻尼力很大，即悬浮刚度很大，所以超导体可以被约束在永磁轨道上运动。由于超导体和永磁轨道之间没有直接的接触摩擦，只要沿永磁轨道延伸方向给超导体一个很小的推动力，超导体就将沿永磁轨道方向运动，在封闭的真空状态下运动，运动速度将不会衰减。

实施例1

选择恰当尺寸的超导体，本实验实例中选择的是直径为25mm高10mm的圆柱形超导体。超导体的大小形状对悬浮力有一定的影响，根据悬浮力公式F∝J_c·d·dB/dz，d为临界电流的特征长度，对于单畴钇钡铜氧超导体，其d即可认为是其直径的大小。

椭圆形的纯铁轨道的周长为4535mm，利用斜拉桥拉索的方式固定在两个支架上。支架避免使用铁磁性材料，以免影响永磁体磁场的分布，考虑使用铝合金，可以减轻整体装置的重量。永磁体如图4-5方式铺设在轨道上，可以保持水平方向的一致性。

把设计安装好的磁悬浮小车放置到永磁轨道上方一定高度，通过液氮管道对低温容器里注入适量液氮，小车即可悬浮起来，借助外力推动，即可在永磁体轨道上运行。

我们测量了两种状态下三种情况下的圆柱形钇钡铜氧超导体上表面的磁场强度；第一种是超导体上面没有软磁材料，测量的是超导体上表面的磁场，其磁场强度如表1-I；第二种是超导体上表面有软磁材料，测量仪器测量的磁场介于软磁材料和超导体上表面之间，其磁场强度如表1-Ⅱ。第三种是超导体上表面有软磁材料，测量仪器测量的磁场是软磁材料上方，其磁场强度如表1-Ⅲ。同时，也测量了正常态下超导体和永磁体轨道直接接触，I和Ⅱ情况下的磁场强度。

表1正常态和超导态不同情况下的磁场强度

状态	I(mT)	Ⅱ(mT)	Ⅲ(mT)	说明:超导体自身厚10mm
					正常态	69.5	92.9	37.3	超导体距离磁轨5mm
正常态	73.7	102.1	42.7	超导体距离磁轨0mm
					超导态	28.3	31.1	2.5	低温容器厚度为5mm

Claims (6)

1.一种具有磁屏蔽高稳定性的高温超导磁悬浮车模型，其特征在于：包括设置在永磁轨道上的小车外壳(4)，在小车外壳(4)内设有低温容器(3)，在低温容器(3)内设有超导体(6)，在超导体(6)的上表面使用低温胶粘覆软磁材料(5)，其中，所述的软磁材料(5)和超导体(6)与永磁轨道整体呈现软磁材料-超导体-永磁体轨道的三明治结构。

2.根据权利要求1所述的一种具有磁屏蔽高稳定性的高温超导磁悬浮车模型，其特征在于：所述的永磁体轨道包括椭圆形纯铁轨道(8)、永磁体(7)以及两个永磁体轨道支架(9)；所述的永磁体(7)吸附在纯铁轨道(8)上，纯铁轨道(8)通过两个永磁体轨道支架(9)固定。

3.根据权利要求1所述的一种具有磁屏蔽高稳定性的高温超导磁悬浮车模型，其特征在于：所述的低温容器(3)用来盛液氮，低温容器(3)材质为聚苯乙烯泡沫材料。

4.根据权利要求3所述的一种具有磁屏蔽高稳定性的高温超导磁悬浮车模型，其特征在于：所述的低温容器(3)与液氮管道(2)连通，在液氮管道(2)上方设有液氮管道塞子(1)。

5.根据权利要求1所述的一种具有磁屏蔽高稳定性的高温超导磁悬浮车模型，其特征在于：所述的小车外壳(4)材质为塑料。

6.根据权利要求2所述的一种具有磁屏蔽高稳定性的高温超导磁悬浮车模型，其特征在于：所述的超导体(6)为钇钡铜氧超导体，软磁材料(5)为坡莫合金，永磁体(7)为钕铁硼永磁体。