[發(fā)明專利]一種適用于高速超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)的復(fù)合聚磁型永磁導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310073869.4
• 申請(qǐng)日: 2013-03-08
• 公開（公告）號(hào): CN103144547A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉偉;王家素;王素玉;馬光同;鄭珺
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京宇航世紀(jì)超導(dǎo)技術(shù)有限公司
• 主分類號(hào): B60L13/04
• 分類號(hào): B60L13/04
• 代理公司: 北京國(guó)帆知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11334
• 代理人: 龍濤

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)，涉及一種適用于高速超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)的復(fù)合聚磁型永磁導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)。

背景技術(shù)

與分別以電磁吸力和電磁感應(yīng)斥力為基礎(chǔ)的電磁懸浮（EMS）與電動(dòng)懸浮（EDS）技術(shù)相比，高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)依靠高溫超導(dǎo)塊材與外部磁場(chǎng)激勵(lì)之間的電磁感應(yīng)作用產(chǎn)生的永久電流實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的自懸浮，無需主動(dòng)控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原理可靠，成為實(shí)用磁懸浮技術(shù)的理想選擇之一，在高速軌道交通、大規(guī)模電磁儲(chǔ)能技術(shù)、電磁彈射與發(fā)射、磁懸浮軸承等諸多應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，其所具備的低能耗、高可靠性、無污染等諸多優(yōu)勢(shì)也使其成為發(fā)展綠色能源產(chǎn)業(yè)的理想選擇之一。

高溫超導(dǎo)磁懸浮列車是高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用的代表，由于其克服了輪軌系統(tǒng)的粘滯摩擦力，且無需主動(dòng)控制或外部能源供給即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮與導(dǎo)向，消除了采用主動(dòng)控制技術(shù)的磁懸浮軌道交通系統(tǒng)在高速或超高速運(yùn)行狀態(tài)下可能存在的控制響應(yīng)時(shí)滯問題，因而是高速或超高速軌道交通系統(tǒng)的理想選擇。2000年底，載人高溫超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)車“世紀(jì)號(hào)”在中國(guó)成都實(shí)驗(yàn)成功，標(biāo)志著高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)在軌道交通應(yīng)用領(lǐng)域的重大突破。

在高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)中，需要外部磁激勵(lì)源與高溫超導(dǎo)塊材共同作用感應(yīng)產(chǎn)生維持穩(wěn)定懸浮所必須的永久電流。與電磁鐵相比，具有高磁能積和強(qiáng)矯頑力的永磁體是現(xiàn)有技術(shù)條件下產(chǎn)生該外部磁激勵(lì)源的最優(yōu)選擇，其不僅具有高能量密度，在提供相同外部磁場(chǎng)激勵(lì)能量的前提下所需體積更小，重量更輕，能有效減少系統(tǒng)占用空間和重量，而且無需引入能源供給裝置和通風(fēng)散熱裝置，節(jié)省了大量相關(guān)設(shè)備投入，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)的安全和運(yùn)行可靠性。

由于高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)的特殊要求，永磁體所提供的外部磁場(chǎng)激勵(lì)需要滿足在某個(gè)特定方向具有高磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)梯度，而在另一特定方向則需要滿足無磁場(chǎng)梯度以及具備高磁場(chǎng)均勻度的特殊要求，因而不能僅依靠單塊永磁體提供該磁場(chǎng)激勵(lì)，而需要引入特殊的永磁組合結(jié)構(gòu)，將多塊永磁體拼接組裝起來，構(gòu)成一個(gè)完成的永磁機(jī)構(gòu)，當(dāng)應(yīng)用于超導(dǎo)磁懸浮列車時(shí)，通常稱之為永磁導(dǎo)軌。

目前廣泛采用的高溫超導(dǎo)磁懸浮列車用永磁導(dǎo)軌為鐵聚磁型結(jié)構(gòu)，即利用磁化方向相反的永磁體對(duì)置組合產(chǎn)生強(qiáng)的磁壓力，以鐵磁性材料聚集磁場(chǎng)并將永磁體對(duì)置組合的磁力線引導(dǎo)發(fā)散至高溫超導(dǎo)塊材的工作區(qū)域，其典型結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)分布如圖1所示。永磁導(dǎo)軌所提供的磁場(chǎng)不僅需要具有高的磁場(chǎng)梯度，以便高溫超導(dǎo)塊材產(chǎn)生較大的豎直懸浮力，同時(shí)也需要具有高的磁場(chǎng)強(qiáng)度，以便高溫超導(dǎo)塊材發(fā)生側(cè)向位移時(shí)能夠產(chǎn)生較大的水平恢復(fù)力。載人高溫超導(dǎo)磁懸浮實(shí)驗(yàn)車“世紀(jì)號(hào)”所使用的該永磁機(jī)構(gòu)為導(dǎo)軌形式，且目前在全世界同類系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。需要注意的是，圖1所示永磁導(dǎo)軌有三個(gè)聚磁鐵，其中中間聚磁鐵為主聚磁極，其所承擔(dān)的作用是將磁力線聚集并發(fā)散到較高的空間區(qū)域，左右兩側(cè)聚磁鐵為輔助聚磁極，其主要對(duì)主聚磁極所發(fā)散的磁力線起到聚集、回收的作用，以便于磁力線更快、更集中的進(jìn)入圖1所示兩塊水平對(duì)置的永磁體磁路中，減小磁能的無效發(fā)散空間。在某些非必要的情況下，可以省略左右兩側(cè)的輔助聚磁鐵，其并不會(huì)對(duì)永磁導(dǎo)軌的主磁路造成明顯影響。

在實(shí)際使用中，由于生產(chǎn)出來的永磁體為塊狀材料，并受材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、充磁空間等因素影響，自身幾何尺寸有一定長(zhǎng)度限制，因此構(gòu)成圖1所示永磁導(dǎo)軌的兩塊水平對(duì)置的永磁體在沿縱向方向，即超導(dǎo)磁浮列車的前進(jìn)方向（即垂直于本說明書的頁(yè)面方向）是由分段的永磁塊組成的。以釹鐵硼（NdFeB）磁體為例，其縱向長(zhǎng)度通常為80—100mm，因此一段1m長(zhǎng)的永磁導(dǎo)軌通常要包含10—12個(gè)左右的永磁段。

如此多的永磁段在生產(chǎn)、加工和裝配時(shí)必然存在一定誤差，因此會(huì)在永磁導(dǎo)軌的縱向方向上造成磁場(chǎng)梯度。當(dāng)高溫超導(dǎo)塊材懸浮于永磁導(dǎo)軌上方并沿縱向方向快速運(yùn)行時(shí)，該磁場(chǎng)梯度會(huì)引發(fā)高溫超導(dǎo)塊材內(nèi)部的磁通運(yùn)動(dòng)并造成損耗，降低超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)的性能，速度越快，其影響越顯著，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成高溫超導(dǎo)塊材內(nèi)部的局部失效，直接威脅到系統(tǒng)的安全性能。此外，即便在低速運(yùn)行場(chǎng)合下，如果該磁場(chǎng)梯度較大，也會(huì)對(duì)超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行造成顯著干擾，影響磁懸浮系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和舒適性。

圖1所示的傳統(tǒng)永磁導(dǎo)軌由于采用聚磁鐵作為主聚磁極，依靠聚磁鐵的磁導(dǎo)率高，可以極大地抑制由于分段永磁塊誤差所帶來的磁場(chǎng)梯度影響，因此該類型的永磁導(dǎo)軌比較適合于高速運(yùn)行的超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)。圖1所示的傳統(tǒng)永磁導(dǎo)軌采用鐵磁性材料作為主聚磁極，兩塊水平對(duì)置的永磁體產(chǎn)生磁壓力，主磁路由鐵磁性材料引導(dǎo)，因此該類型永磁機(jī)構(gòu)可被稱為鐵聚磁型。