CN2173981Y - 高临界温度超导体磁悬浮列车演示装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于超导体磁悬浮列车装置的设计
领域。本装置包括封闭在一金属箱体内的超导体组
成的磁悬浮列车模型，由三条极性相间的永磁材料制
成的磁轨道与磁轨道吸附固定在一起的铁轨，固定铁
轨的支架及安装在磁轨道上的加速装置等组成部
分。本装置可方便直观地演示高温磁导体的上、下磁
悬浮现象及在磁场中无机械接触地运动现象。本装
置可做为物理教学演示装置，也可适用于科普性博物
馆、展览馆、科技活动中心等公共场合。
Description
本实用新型属于物理教学演示仪器技术领域，特别涉及超导体磁悬浮演示装置的设计。
近年来科学工作者对超导体的研究不断深入，人们对高温超导体的晶体结构、电子结构、超导态性质、正常态性质以及超导电性机理的研究都得到可信结果，对于高温超导体在强电和弱电技术中的应用，诸如在能源、电力、机电、交通、医疗、电子学、以及计算机等领域应用的物理可行性也已得到了证明，而高质量高温超导块材料本身在磁屏蔽、电流引线、永久磁体和磁悬浮系统上的应用可能首先实现。能无机械接触地高速运行的磁悬浮列车则是人们致力研究的课题之一。1977年日本采用超导同步线性同步电机驱动。磁悬浮和非接触导向系统的磁悬浮列车试验成功。1979年时速达到500km／h，原西德也有类似的试验记录。由于当时的超导材料均为第Ⅰ类超导体（金属类），所以悬浮力的产生是靠在机车车箱内的LHe或制冷机将机车内的超导磁体冷却到4.2k才能产生，列车轨道无论是由常规磁体或超导磁体构成，其费用都非常昂贵。
高临界温度超导体的出现，由于它具有的第Ⅱ类超导体的磁通钉扎效应，使之有可能成为强磁体。省去了昂贵的超导线圈，和昂贵的液氦。因此使高临界温度超导体磁悬浮列车成为可能。但在融熔织构生长法制备Y1Ba2Cu3O7－σ超导体材料的工艺发现之前；高临界温度超导体的临界电流密度很低，实现磁悬浮还有困难。只是在1992年用融熔织构生长法制备的超导材料在4T强磁场77K下具有大于1×104A／cm2的临界电流密度，才使研制成本比较低廉的磁悬浮列车成为可能。
本实用新型的目的在于设计出一种采用高质量高温超导体的磁悬浮列车演示装置，使其直观地演示出高温超导体与磁铁的排斥（上悬浮）现象，吸引（倒挂悬浮）现象以及在外磁场作用下沿磁导轨无接触地运行现象。用以开拓观众的视野，加深对超导电的基本性质的理解，以及对高温超导体磁悬浮列车最终实现以启迪。
本实用新型设计的一种高温超导体磁悬浮列车演示装置，由超导体列车模型、环形磁导轨、加速装置所构成，其特征在于所说的超导体列车模型包括一封闭的金属薄板制成的箱体（金属薄板可采用抗磁或顺磁很弱的金属材料如铝、铜等），内装一高温超导体块，隔热材料制成的填充物置于所说的超导体块与箱体板之间；所说的环形磁导轨由并排的磁性相间的三条永磁材料制成的磁导轨组成（磁极按S－N－S，或N－S－N排列），所说的加速装置可以采用对应放置在所说磁导轨两侧的两组直线电机，所说的两组直线电机由多对交流电励磁的电磁铁组成，每对电磁铁相角差为90°。也可采用放置在磁导轨之上的旋转永磁体，所说的旋转永磁体是由镶嵌在一由抗磁材料制成的园柱体壁上的四块均匀分布的永磁体块构成，每块磁铁的磁极均为N极朝外或S极朝外，该园柱体与一电机相连。列车模型可置于该旋转永磁体之下。该磁导轨可与一翻转支架板固定在一起，使磁导轨可方便地置于支架之上或支架之下，以利演示超导体的上悬浮现象和倒挂悬浮现象。所说的环形磁导轨可以是园形或椭园形，也可是其他形状的头尾相接封闭的导轨。所说的磁导轨由多块相同宽度、厚度的永磁铁块拼接而成，该磁导轨吸附在相应形状的环形铁轨上，该铁轨与一可拆御支架板固定在一起。所说超导体块外还可紧密包一层金属锡泊，以增加列车模型演示悬浮时间。
本实用新型结构简单、造价低廉，可以方便地进行高温超导体各种物理性能的直观演示，特别是能实现列车模型在环形轨道下方被磁环吸引而“倒挂悬浮”运动的直观演示。本装置可广泛地就用于学校的教学演示实验中，也可作为各种科普性博物馆、展览馆、科技活动中心的演示模型。
附图简要说明：
图1为本实用新型一种实施例总体结构示意图；
本实用新型设计出一种高温超导体磁悬浮列车演示装置实施例，其总体结构如图1所示。结合附图对该装置各部分结构及工作原理详细描述如下：
本实施例包括高温超导体列车模型1、环形磁轨道2、环形铁轨3、基板4及支架5、旋转磁体加速装置6及直线电机组7各部分。其中，高温超导体列车模型为用薄铝皮制成的封闭箱体11，箱体上盖可开合。放于该箱体内的高质量高温超导体12，采用具有细徽弥散y系211相的钇钡铜氧YBa2Cu3O7－0用融熔织构生长法制成的超导块材，尺寸为φ18×10mm。这种样品在2TESLA的磁场强度下仍有2×104A／cm2的临界电流密度。箱体与超导体块之间用聚乙烯塑料发泡材料13填充隔离，以降低室温对超导体块样品的热辐射，超导体块还可再紧密包一层锡箔14，使演示时间进一步加长。当超导体块放置好后盖上盖并用铜针将上盖与箱体固定、封闭。
本实施例的环形磁轨道2由三排NdFeB永磁材料并排构成；三排永磁材料的磁极按S－N－S排列以形成磁束缚；以使演示列车不从轨道上滑出。磁轨道的直线部分用长×宽×厚为30×10×6mm中心表磁场强度为0.4T的永磁材料，而曲线部分用稍短一些16～23mm，但宽与厚相同的永磁材料构成，以减小拼接时磁体之间的缝隙。三排磁轨道都吸附在30mm宽，10mm厚的环形铁轨3上，铁轨由低碳钢材料加工而成，表面镀铬。整个轨道约2米长。铁轨放置并用螺钉固定在一基板4上，该基板与一支架5固定，并可根据演示需要，使基板翻转（磁轨道朝下）与支架固定以便演示超导体列车下悬浮现象。
旋转磁体6及直线电机组7均是用于推动列车模型向前运动的加速装置。旋转磁体加速装置为在高分子材料制成的园柱体61壁上均匀嵌入四块钕铁硼NdFeB永磁体62，其磁极均为S朝内N朝外。一直流电机63的转轴与园柱体相连可带动其旋转，形成旋转磁场。该加速装置通过一支架64放置在磁导轨上方，使列车模型从该加速装置下面通过。直线电机组加速装置7由八对，每对相角差为90°的交流电励磁的磁铁组成，它们依次对应固定放置在环形磁导轨直线区域内两侧。旋转磁体和直线电机都是利用磁场在列车模型的铝壳上产生涡流，这个涡流产生的感应磁场将产生一个推动列车模型向前运动的力。当直线电机工作时，列车模型二侧铝板将产生感应磁场；推动列车模型沿轨道运动；当旋转磁体工作时，列车上盖铝板产生感应磁场，由此产生切向力推动列车模型前进。而底面的铝板也由于磁环形导轨产生磁阻而使列车行驶平稳。
本实施例演示前需将列车模型置于液氮中冷却。冷却完毕可使放到环形磁轨道上的列车模型悬浮高度接点1cm，演示时间约2分钟，列车可在磁轨道上连续不停运转40圈。
Claims (7)
1、一种高温超导体磁悬浮列车演示装置，由超导体列车模型，环形磁导轨，加速装置所构成，其特征在于所说的超导体列车模型包括一封闭的金属薄板制成的箱体，该箱体内装一高温超导体块，隔热材料制成填充物置于所说的超导体块与箱体板之间；所说的环形磁导轨由并排的极性相间的三条永磁材料制成磁导轨组成。
2、如权利要求1所述的演示装置，其特征在于所说的加速装置为对应放置在所说磁导轨两侧的两组直线电机。
3、如权利要求2所述的演示装置，其特征在于所说的两组直线电机由多对交流电励磁的电磁铁组成，每对电磁铁相角差为90°。
4、如权利要求1所述的演示装置，其特征在于所说的加速装置为放置在所说磁导轨之上的旋转永磁体。
5、如权利要求4所述的演示装置，其特征在于所说的旋转永磁体是由镶嵌在一由抗磁材料制成的园柱体壁上的四块均匀分布的永磁体块构成，每块磁铁的磁极均为N极朝外或S极朝外，该园柱体与一电机相连。
6、如权利要求1所示的演示装置，其特征在于所说的磁导轨由多块相同宽度、厚度的永磁铁块拼接而成，该磁导轨吸附在相应形状的环形铁轨上，该铁轨与一可拆御支架板固定在一起。
7、如权利要求1、2、3、4、5或6所示的演示装置，其特征在于所说的高温超导体块外紧包一层锡箔。
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