应用于电磁悬浮式高速磁浮列车的高温超导磁体

摘要

本发明是关于高温超导悬浮磁体。一种应用于电磁悬浮式高速磁浮列车的高温超导磁体，包含高温超导励磁绕组和低温液氮容器，其特征在于：该高温超导磁体没有铁芯；该低温液氮容器具有中心距与该高温超导磁体两磁极极距相同的两个封闭环绕空腔；该超导励磁绕组分别设于该两个封闭环绕空腔内，并分别用设置在低温液氮容器外部的两个连接器与外部电路和制冷系统连接。

说明书

技术领域：

本发明是关于高温超导的悬浮磁体，特别是关于一种应用于电磁悬浮式高速磁浮列车的高温超导磁体结构。

背景技术：

在磁悬浮交通领域中，目前主要以德国的TR(Transrapid)技术和日本的HSST(High Speed Surface Transportaion)技术为代表，我国也采用德国的TR技术建筑了一条从浦东龙阳路到国际机场的商业示范运行线路。该TR技术的悬浮系统主要有长定子、悬浮电磁铁和磁极支承铁轭三大组成部分，其中除长定子部分为敷设在固定的轨线上外，悬浮电磁铁和磁极支承铁轭设置在列车底部走行架两侧，且与敷设在轨线上的两列并行的长定子对应。悬浮电磁铁包括磁极铁芯、励磁绕组和车载直线发电机绕组。当励磁绕组通电时，悬浮电磁铁和长定子间产生吸引力，将处于长定子下方的悬浮电磁铁吸引向上，通过磁极支承铁轭使固定在车厢底部的走行架上升，从而将整个列车悬浮在轨线上。在列车运行的过程中，可以根据需要和外界条件的不同来调节励磁绕组的励磁电流，达到稳定的悬浮。

这种常导型悬浮磁铁由于技术成熟，具有一定的优势，但这种常导型悬浮磁铁其励磁电流密度受励磁绕组材料和散热能力所限，其磁场强度不高，最终影响到磁浮列车的悬浮力，也即承载能力受到限制。为此，不少文献资料提出用超导材料和技术来制造磁浮列车的悬浮系统，其中典型的如申请号为200410009084.1，名称为《高温超导磁悬浮装置》的中国发明专利申请，该专利申请中揭示了一种由液氮低温杜瓦、U型铁芯和高温超导线圈构成的高温超导磁体。申请号为99114953.X，名称为《一种超导磁悬浮系统》的中国发明专利申请也公开了一种主要由高温超导磁体绕组、U型铁芯、常导控制线圈、液氮低温容器和液氮低温容器盖组成的磁悬浮装置。这些主要由液氮低温杜瓦或容器、铁芯、高温超导线线圈或绕组构成的高温超导悬浮磁体与由高温超导体块材和永磁导轨组成的悬浮列车系统(如申请号01128867.1，名称为《一种超导磁悬浮列车系统》)相比除了轨道基础建设费用小、无轨道附近铁磁性物质对列车运行的危害的优点外，还在于可以通过控制励磁电流来主动控制列车的悬浮状态。但是这种高温超导悬浮磁体为增加磁场强度而引入铁芯，这就使其自身重量大，在低速磁浮列车来说问题不大，但对高速磁浮列车却成了影响承载能力的重要因素之一。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种应用于电磁悬浮式高速磁浮列车的高温超导磁体，解决具有励磁线圈的高温超导磁体自身重量的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案为：

一种应用于电磁悬浮式高速磁浮列车的高温超导磁体，包含高温超导励磁绕组和低温液氮容器，其特征在于：该高温超导磁体没有铁芯；该低温液氮容器具有中心距与该高温超导磁体两磁极极距相同的两个封闭环绕空腔；该超导励磁绕组分别设于该两个封闭环绕空腔内，并分别用设置在低温液氮容器外部的两个连接器与外部电路和制冷系统连接。

其特征在于：该两个封闭环绕空腔相互连通。

其特征在于：设置有分别位于低温液氮容器两个封闭环绕空腔的中间空穴内用来与磁悬浮列车走行架连接的非磁性安装支架，该非磁性固定支架上安装车载直线发电机绕组。

本发明的有益效果是：

1.巧妙利用超导体在同样断面的条件下可以流过比常规导体大得多的电流特性，因此可以通过加大励磁电流而不必采用铁芯就可获得增强磁场强度的效果。

2.由于无须铁芯，再加上超导励磁绕组能承受的电流密度是常导悬浮磁铁铝箔励磁线圈的10倍以上，其体积小于常导磁体，因此本发明重量大为减轻。

3.由于重量的减轻，既有益于提高承载能力，更有利于减轻列车高速运行中机车自重所产生的各种不利影响。

附图说明：

图1是本发明和长定子导轨整个悬浮系统的结构示意图。

图2是本发明的三维电磁场有限无分析模型。

图3是图2模型有限元分析结果中磁力线的分布情况。

图4是图2模型有限元分析结果中气隙磁通密度的大小。

具体实施方式：

请参阅图1所示，本发明的超导悬浮磁体2包含液氮低温容器6和高温超导励磁绕组3。该低温液氮容器6具有中心距d与该高温超导磁体两磁极距相同的两个封闭环绕空腔61，每一个封闭环绕空腔61中放置由高温超导磁体材料(如鉍系或钇系高温超导体带材或覆膜的YBCO系列的第二代高温超导带材)绕制的高温超导励磁绕组3，且灌满有液氮。这些置于两个封闭环绕空腔61内的高温超导励磁绕组3呈串接连接，并分别通过位于液氮低温容器6两端外的连接器7，将串接起来的各高温超导励磁绕组3与外部电路和制冷设备连接。当上述的高温超导励磁绕组3通以励磁电流后就形成了N、S两个对应的磁极，与位于其正上方的沿轨线敷设的直线感应机的具有定子绕组12的长定子铁芯11的长定子1产生磁吸力，向上吸起本发明，通过将本发明固定的列车的走行架而使整列车辆悬浮在轨线上一定距离位置。

虽然本发明设有能起增强磁场作用的铁芯，但由于超导材料低电阻可通过大电流的特性，很方便地利用增大励磁电流的方法来获得所需磁场强度，通过对由本发明的长定子铁芯11和两组励磁绕组3组成的三维电磁场有限元分析模型(见图2所示)分析所得的磁力线分布情况(见图3)和其气隙在60～100mm及160～200mm时，磁通密度B均达0.7特斯拉(见图4)可充分满足我国引进的德国TR系列磁悬浮列车的需求。

由于本发明没有铁芯，也就没有必要使用现有技术的磁极支承铁轭来固定连接和安装车载直线发电机绕组，为此本发明在液氮低温容器6的两个封闭环绕空腔61的中间空穴内分别设置有一个非磁性安装支架7，藉该非磁性安装支架7将本发明固定连接在磁悬浮列车底部的走行架上，并且将车载直线发电机绕组4也设置在该非磁性安装支架7上的嵌线槽内。该非磁性安装支架7可以使用各种高强度的工程塑料(如聚四氟乙烯等)，或者各种轻质非磁性金属和合金(如铝合金等)材料制造，可进一步减轻本发明的重量。

本发明低温液氮容器6的两个封闭环绕空腔61用通道62相互连通；但也可以将该两个封闭环绕空腔61相邻的中间部分合并在一起形成相互连通。