CN211207766U - 一种可驱动控制的交互式磁悬浮列车模型 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种可驱动控制的交互式磁悬浮列车模型，基于高温超导带材(块材)磁浮技术与直线电机驱动技术，由磁浮车、永磁轨道及长初级单边直线电机组成。现有技术的小比例磁悬浮模型车，其外形结构简单，缺少牵引驱动控制，自由悬浮时间短，稳定性差，且成本较高。本专利改进了磁悬浮模型车结构，采用非真空保温层，在一次添加液氮的情况下使磁悬浮模型车能够维持一个小时左右的自由悬浮与导向，采用长初级单边直线电机对磁悬浮模型车进行侧面驱动控制，显著提高了磁悬浮模型车的工作时间及稳定性。在磁悬浮列车的原理演示及科普教育上，具有更高的实用性、展示性及互动性。
Description
技术领域
本实用新型涉及高温超导磁浮技术领域，具体涉及一种可驱动控制的交互式磁悬浮列车模型。
背景技术
高温超导磁浮技术利用ReBa2Cu3O7-x(Re为稀土元素)高温超导材料在永磁轨道外磁场中的抗磁性与强磁通钉扎特性，使磁悬浮列车在静态与动态下实现自稳定的悬浮与导向。与电磁悬浮(EMS)技术及电动磁悬浮(EDS)技术比较，采用高温超导磁浮技术的磁浮车，其悬浮与导向无需电力维持与主动控制，因此，系统结构更加简单，可靠性高，在小比例磁悬浮列车模型的应用中，具有制作简单、演示度高等优点。
目前，现有技术的小比例磁悬浮列车模型车缺少牵引驱动控制、自由悬浮时间短、稳定性差、成本较高。同时，近年来随着磁悬浮列车应用的迅速发展，普通民众对磁悬浮列车认识的不断提高，有关磁悬浮列车的原理展示显得尤为重要。此外，针对学生素质教育水平的不断提升以及各方面均衡发展的需求，各大高校、初、高中及小学等教育机构逐步引入新兴科教产品教学用具，而有关磁悬浮方向的器材在我国较少，所以，磁悬浮列车相关的教具模型具有宽广的市场需求。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是磁悬浮列车模型缺少牵引驱动控制、稳定性差及自由悬浮时间短等问题，目的在于提供一种可驱动控制的交互式磁悬浮列车模型，使得磁悬浮列车模型在无外力的作用下，实现沿轨道长时间自动运行。
本实用新型通过下述技术方案实现：
一种可驱动控制的交互式磁悬浮列车模型，包括磁浮车车体、永磁轨道、电机初级、电机次级和电机初级支架；所述的磁浮车车体悬浮在永磁轨道上；所述的电机初级支架一端连接在永磁轨道的侧面，另一端连接电机初级；所述的电机次级设置在磁浮车车体侧壁的内侧，该侧壁靠近电机初级，所述的电机初级沿永磁轨道连续铺设，电机初级与电机次级共同组成长初级单边直线电机。
进一步地，还包括三轴加速度传感器、杜瓦保温层、冷却剂、高温超导体单元和位置检测器；所述的三轴加速度传感器和杜瓦保温层设置在磁浮车车体的内部；所述的三轴加速度传感器位于杜瓦保温层的顶面；所述的冷却剂填充在杜瓦保温层的内部；所述的高温超导体单元固定在杜瓦保温层的内部；所述的位置检测器设置在两个相邻的电机初级之间。
进一步地，所述的永磁轨道包括永磁轨道护板、永磁轨道基底、永磁轨道连接块、永磁轨道支撑柱和永磁体单元；所述的永磁体单元设置在永磁轨道基底的凹槽里；所述的永磁轨道护板与永磁轨道基底配合固定永磁体单元；所述的永磁轨道连接块设置在两段相邻永磁轨道基底连接处下表面；所述的永磁轨道连接块的下面连接永磁轨道支撑柱。
进一步地，所述的杜瓦保温层包括防渗漏层、绝热层和防辐射层；所述绝热层和防辐射层分别有四层和五层，杜瓦保温层内层为防渗漏层，防渗漏层外设置一层防辐射层，且五层防辐射层与四层防绝热层交替连接。
进一步地，所述的高温超导体单元包括高温超导材料保护层和高温超导材料；所述的高温超导材料为高温超导块材或高温超导堆叠带材，设置在高温超导材料保护层的内部。
进一步地，所述的冷却剂为液氮；所述的液氮填充在杜瓦保温层内腔的下部，杜瓦保温层内腔的上部填充有多孔保温材料。
进一步地，所述的永磁体单元按海尔贝克阵列进行排列。
进一步地，所述的永磁体单元之间采用粘接剂进行组装，并固定到永磁轨道基底上。
进一步地，所述的高温超导体单元通过焊接固定在杜瓦保温层的底部。
进一步地，所述的杜瓦保温层内含有两个及以上高温超导体单元。
本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、通过向杜瓦保温层加入液氮后，高温超导体单元与永磁体单元产生斥力，使得磁浮车车体悬浮在永磁轨道上方，在不进行第二次添加液氮的情况下能够维持一个小时左右的自由悬浮。
2、通过长初级单边直线电机对磁浮车车体进行驱动控制，显著提高了高温超导磁浮模型车的运行时间、展示性与互动性，从而使高温超导磁浮车模型在磁浮技术与磁浮列车的原理演示与科普教育上具有更高、更广泛的应用价值。
3、永磁体单元采用现有技术海尔贝克阵列进行排列，实现用最少量的磁体产生最强的磁场，利用永磁体单元特殊的排列方式，增强永磁轨道表面上方的磁场强度。
4、杜瓦保温层由一层防渗漏层，四层绝热层和五层防辐射层按特定的排位方式组成，有效的限制了杜瓦保温层内部空间与外界进行热量交换，提高了杜瓦保温层的保温性与可靠性，与真空夹层比较，具有制作简单、实用、成本低廉等优点。
5、设置有三轴加速度传感器和位置检测器，能实时的检测磁浮车车体的运行速度，以及所处的位置。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：
图1为高温超导磁浮车模型的横向结构示意图；
图2为高温超导磁浮车模型的纵向结构示意图；
图3为高温超导材料封装保护示意图；
图4为杜瓦保温层结构示意图；
图5为杜瓦内部结构示意图；
图6为多个电机初级分段驱动示意图；
图7为直线与曲线永磁轨道单元组装示意图；
图8为线路结构示意图；
附图中标记及对应的零部件名称：
10-磁浮车车体，11-三轴加速度传感器，12-杜瓦保温层，120-防渗漏层，121-绝热层，122- 防辐射层，13-冷却剂，130-多孔保温材料，131-液氮，14-高温超导体单元，140-高温超导材料保护层，141-高温超导材料，20-永磁轨道护板，21-永磁轨道，22-永磁轨道基底，23-永磁轨道连接块，24-永磁轨道支撑柱，25-限位槽，26-永磁体单元，30-电机次级，31-电机初级， 32-电机初级支架，33-位置检测器。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。
实施例1：
一种可驱动控制的交互式磁悬浮列车模型，整体结构组成如图1所示，由完整的永磁轨道21、磁浮车及长初级单边直线电机组成。磁浮车模型由磁浮车车体10与悬浮的杜瓦保温层12组成，杜瓦保温层12底部固定经过封装保护的高温超导材料141，杜瓦保温层12由非铁磁性材料制作的防渗漏层120与绝热材料制作的绝热层121、防辐射层122组成，该杜瓦保温层12质量更小，同时具有一定的结构强度和保温性，可以储存一定容量的液氮131，在不二次添加液氮131的情况下使高温超导体单元14维持超导态一个小时左右，与真空夹层比较，具有结构简单、实用、成本低廉等优点。永磁轨道21采用的永磁体单元26按海尔贝克阵列结构进行组装，使小比例永磁轨道21表面上方获得更高的磁场强度。利用高温超导体单元14与永磁轨道21间的电磁作用力，使磁浮车自稳定悬浮于轨道上方。
申请人在对高温超导磁浮车模型的设计过程中，采用由多个电机初级31拼接组成的长初级单边直线电机对磁浮模型车进行驱动运行控制，其中电机初级31之间放置位置检测器33，对磁浮车的位置进行实时检测，对磁浮车覆盖区域的电机初级31进行并联供电，其它非覆盖区域的电机初级31不供电，从而减小能耗与电源容量，电机初级31通过电机初级支架32固定在轨道与磁浮车一侧，电机次级30固定在磁浮车侧面，采用铝板、铜板、铜铝复合板或永磁体制作，当电机初级31接入三相交变电流时，与电机次级30之间产生电磁推力或阻力，实现对磁浮车的驱动或制动。
实施例2
如图1所示，磁浮模型车由磁浮车车体10、杜瓦保温层12、冷却剂13与高温超导体单元14组成。为了减小永磁材料用量及获得更高的磁场，采用单轨支撑模型车，轨道截面结构的永磁体单元26按现有技术海尔贝克阵列进行排列，固定到永磁轨道基底22的凹槽内。为了提高直线电机的驱动稳定性，减小磁浮车垂直偏移对电机气隙的影响，通过电机初级支架 32将电机初级31固定到模型车侧面，电机次级30安装在磁浮模型车侧面，通过改变电机初级支架32与永磁轨道基底22间的连接距离可以调节电机气隙。
优选的，所述的电机初级采用带铁心或空心的三相单层整距绕组制作，所述的三相单层整距绕组为极数2p＝4、槽数z＝12、相数m＝3、每极每相槽数q＝1、极距与线圈节距均为3个槽距，线圈匝数N＝100。
优选的，所述的永磁轨道基底22、电机初级支架32采用铝合金板进行加工。
优选的，所述的永磁轨道21，采用钕铁硼永磁体单元26组装。
实施例3：
如图2所示，高温超导体单元14通过焊接固定到杜瓦保温层12内侧底部两端，从而使磁浮车具有更高的运行稳定性。永磁轨道21由若干直轨道单元与曲线轨道单元组成，连接处通过永磁轨道连接块23拼接，进一步通过永磁轨道支撑柱24对轨道整体进行支撑。
实施例4：
如图3所示，高温超导材料141为ReBa2Cu3O7-x(Re为稀土元素)块材或ReBa2Cu3O7-x堆叠带材，为了防止液氮131的直接浸泡，并考虑该材料在空气中易受潮损坏，采用非铁磁性材料对其进行密封封装保护。
实施例5：
如图4所示，杜瓦保温层12由防渗漏层120与保温层构成，其中，保温层由若干防辐射层122与绝热层121交替堆叠组成。
实施例6：
如图5所示，向杜瓦保温层12内注入液氮131，对高温超导材料141进行冷却，并在高温超导材料上方填充多孔保温材料，从而进一步提高杜瓦保温层12的保温性。
实施例7：
如图6所示，电机长初级由若干段电机初级31拼接组成，电机初级31之间放置位置检测器33，对模型车的实时位置进行检测，并通过控制器，对模型车覆盖区域的电机初级31进行并联供电，其它区域的电机初级31不供电。
实施例8：
如图7所示，永磁轨道21包括直线轨道与曲线轨道，考虑单个永磁体尺寸及磁场强度有限，通常采用标准永磁体单元26按海尔贝克阵列结构沿线路方向进行组装，永磁轨道基底 22设置限位槽25，以保证永磁轨道21的组装精度。永磁体单元26之间采用粘接剂进行拼接，并固定到永磁轨道基底22上。
优先的，所述的永磁轨道21，采用标准永磁体单元26进行组装，由于磁体间存在横向间隙d与纵向间隙t，使磁场沿纵向出现不均匀的波动，并随着间隙的增大而增大，严重时直接影响模型车的运行平稳性，为了减小这种磁场纵向不均匀性所带来的影响，采用有限仿真软件建立永磁轨道21模型，对不同间隙下的磁场分布进行计算，结果表明，当横向间隙d与纵向间隙t分别不大于0.5mm与3mm时，可以近似忽略磁场沿纵向上的不均匀性。
优先的，所述的标准永磁体单元，直线轨道中的尺寸为10mm×10mm×20mm，曲线轨道中的尺寸为10mm×10mm×10mm。
实施例9：
如图8所示，永磁轨道21采用直线长度与曲线半径均为R的永磁轨道单元进行自由组装，可以得到不同样式的线路，图中列出了6种典型线路，但不仅限于这6种典型线路，依次分别为：圆环形线路、跑道形线路、圆角矩形线路、”L”形闭合线路、”S”形曲线线路及直线线路。
以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可驱动控制的交互式磁悬浮列车模型，其特征在于，包括磁浮车车体(10)、永磁轨道(21)、电机次级(30)、电机初级(31)和电机初级支架(32)；所述的磁浮车车体(10)悬浮在永磁轨道(21)上；所述的电机初级支架(32)一端连接在永磁轨道(21)的侧面，另一端连接电机初级(31)；所述的电机次级(30)设置在磁浮车车体(10)侧壁的内侧，该侧壁靠近电机初级(31)；所述的电机初级(31)沿永磁轨道(21)连续铺设，电机初级(31)与电机次级(30)共同组成长初级单边直线电机。
2.根据权利要求1所述的一种可驱动控制的交互式磁悬浮列车模型，其特征在于，还包括三轴加速度传感器(11)、杜瓦保温层(12)、冷却剂(13)、高温超导体单元(14)和位置检测器(33)；所述的三轴加速度传感器(11)和杜瓦保温层(12)设置在磁浮车车体(10)的内部；所述的三轴加速度传感器位于杜瓦保温层(12)的顶面；所述的冷却剂(13)填充在杜瓦保温层(12)的内部；所述的高温超导体单元(14)固定在杜瓦保温层(12)的内部；所述的位置检测器(33)设置在两个相邻的电机初级(31)之间。
3.根据权利要求1所述的一种可驱动控制的交互式磁悬浮列车模型，其特征在于，所述的永磁轨道(21)包括永磁轨道护板(20)、永磁轨道基底(22)、永磁轨道连接块(23)、永磁轨道支撑柱(24)和永磁体单元(26)；所述的永磁体单元(26)设置在永磁轨道基底(22)的凹槽里；所述的永磁轨道护板(20)与永磁轨道基底(22)配合固定永磁体单元(26)；所述的永磁轨道连接块(23)设置在两段相邻永磁轨道基底(22)连接处下表面；所述的永磁轨道连接块(23)的下面连接永磁轨道支撑柱(24)。
4.根据权利要求2所述的一种可驱动控制的交互式磁悬浮列车模型，其特征在于，所述的杜瓦保温层(12)包括防渗漏层(120)、绝热层(121)和防辐射层(122)；所述绝热层(121)和防辐射层(122)分别有四层和五层，杜瓦保温层(12)内层为防渗漏层(120)，防渗漏层(120)外设置一层防辐射层(122)，且五层防辐射层(122)与四层绝热层(121)交替连接。
5.根据权利要求2所述的一种可驱动控制的交互式磁悬浮列车模型，其特征在于，所述的高温超导体单元(14)包括高温超导材料保护层(140)和高温超导材料(141)；所述的高温超导材料(141)为高温超导块材或高温超导堆叠带材，设置在高温超导材料保护层(140)的内部。
6.根据权利要求2所述的一种可驱动控制的交互式磁悬浮列车模型，其特征在于，所述的冷却剂(13)为液氮(131)；所述的液氮(131)填充在杜瓦保温层(12)内腔的下部，杜瓦保温层(12)内腔的上部填充有多孔保温材料(130)。
7.根据权利要求3所述的一种可驱动控制的交互式磁悬浮列车模型，其特征在于，所述的永磁体单元(26)按海尔贝克阵列进行排列。
8.根据权利要求3所述的一种可驱动控制的交互式磁悬浮列车模型，其特征在于，所述的永磁体单元(26)之间采用粘接剂进行组装，并固定到永磁轨道基底(22)上。
9.根据权利要求2所述的一种可驱动控制的交互式磁悬浮列车模型，其特征在于，所述的高温超导体单元(14)通过焊接固定在杜瓦保温层(12)的底部。
10.根据权利要求2所述的一种可驱动控制的交互式磁悬浮列车模型，其特征在于，所述的杜瓦保温层(12)内含有两个及以上的高温超导体单元(14)。
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