一种传导冷却式高温超导电动悬浮磁体结构

摘要

本发明公开了一种传导冷却式高温超导电动悬浮磁体结构，其包括低温容器，低温容器内设置有高温超导磁体，高温超导磁体包括线圈盒，线圈盒通过线圈盖封装，线圈盒内设置有若干层相互堆叠的高温超导线圈，高温超导线圈之间通过导冷盘隔开；高温超导线圈的内侧和外侧分别设置有内铝块和外铝块，内铝块套在线圈骨架上，外铝块外设置有紧固件；线圈盒固定在磁体传力杆上，磁体传力杆内设置有顶杆，顶杆的一端与低温容器的薄壁面接触，顶杆的另一端穿过低温容器的厚壁面与支撑机构连接。本发明实现了高温超导电动悬浮磁体在低温容器中的可拆装，限制了低温容器的形变量，提高了高温超导磁体的温度分布均匀性，减少了高温超导磁体闭环运行时的接头数量。

说明书

技术领域

本发明涉及磁悬浮技术领域，具体涉及一种传导冷却式高温超导电动悬浮磁体结构。

背景技术

超导电动磁悬浮技术已经过时速603公里载人运行检验，是未来超高速地面轨道交通技术的主要发展方向之一。

超导电动磁悬浮列车的核心部件是车载超导磁体，分为车载低温超导磁体和车载高温超导磁体。低温超导磁体需采用液氦(4.2K)冷却，其低温结构复杂，制冷成本高；高温超导磁体可采用液氮(77K)、固氮和制冷机传导等方式冷却，其低温结构相对简单、制冷成本低，因此，高温超导磁体在电动磁悬浮列车中更具应用前景。

高温超导材料在20～50K温度区间具备较强的载流能力。液氮温度为77K，不能使高温超导磁体充分发挥超导特性。固氮能够为高温超导磁体提供20～50K温度环境，但固氮降温时间长、机械性能差。制冷机传导冷却可使高温超导磁体工作于20～50K温区，且相对固氮冷却方式降温时间更短、低温结构更加简单。因此，制冷机传导冷却方式更适合高温超导磁体。

电动磁悬浮中车载超导磁体所处工况非常复杂，不仅存在地面轨道线圈和车载低温容器内金属组件的电磁激扰，还存在列车运行中车体的随机振动。因此，为了提高传导冷却式高温超导电动悬浮磁体系统的稳定性，需解决以下问题：

(1)如何提高超导磁体的温度分布均匀性；

(2)超导磁体的电磁力如何传递到低温容器；

(3)如何降低超导磁体的闭环运行电阻；

(4)如何限制低温容器的形变量。

针对这些问题，本发明提出一种传导冷却式高温超导电动悬浮磁体及其低温结构。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种传导冷却式高温超导电动悬浮磁体结构，实现电动悬浮磁体在低温容器中的可拆装，限制低温容器的形变量，提高超导磁体的温度分布均匀性，减少高温超导电动悬浮磁体闭环运行时的接头数量。

为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

提供一种传导冷却式高温超导电动悬浮磁体结构，其包括低温容器，低温容器内设置有高温超导磁体，高温超导磁体包括线圈盒，线圈盒通过线圈盖封装，线圈盒内设置有若干层相互堆叠的高温超导线圈，每层高温超导线圈之间通过导冷盘隔开；高温超导线圈的内侧和外侧分别设置有内铝块和外铝块，内铝块套在线圈骨架上，外铝块外设置有紧固件；线圈盒固定在磁体传力杆上，磁体传力杆内设置有顶杆，顶杆的一端与低温容器的薄壁面接触，顶杆的另一端穿过低温容器的厚壁面与支撑机构连接。

进一步地，厚壁面的厚度大于薄壁面的厚度，薄壁面与厚壁面的连接处设置有密封圈，薄壁面与厚壁面通过螺钉连接。

进一步地，若干高温超导线圈之间相互串联，导冷盘、内铝块和外铝块的表面均设置有绝缘层。

进一步地，线圈盒与线圈盖之间的接触面上贴有提升导冷效果的铟片或涂抹导热硅脂。

进一步地，高温超导磁体的中心掏空形成中心孔。

进一步地，支撑机构包括固定在厚壁面上的固定法兰、传力法兰和密封法兰，磁体传力杆和顶杆穿过固定法兰与传力法兰固定连接，传力法兰设置在密封法兰内，传力法兰和密封法兰均通过螺栓与固定法兰连接。

进一步地，密封法兰与固定法兰之间设置有密封圈。

进一步地，磁体传力杆与线圈盒和传力法兰之间均采用螺纹连接。

进一步地，线圈盖上也布置有若干导冷盘，若干导冷盘均匀分布，若干导冷盘之间通过导冷带连接，导冷盘与制冷机冷头通过导冷带连接，高温超导磁体外设置有冷屏，冷屏连接制冷机冷头，磁体传力杆与导冷盘之间采用导冷带连接。

进一步地，高温超导线圈与实现其闭环运行的超导开关焊接，且超导开关由高温超导线圈的进线端或出线端绕制。

本发明的有益效果为：

1、高温超导线圈在低温容器中可拆装。高温超导线圈采用螺钉连接的方式固定在线圈盒内，使得高温超导线圈在线圈盒内可拆装；高温超导磁体通过螺栓连接的方式封闭在低温容器内，且低温容器薄壁面与厚壁面之间采用螺钉连接，实现了高温超导磁体在低温容器中的可拆装。

2、低温容器的形变量小。顶杆的一端与传力法兰固定连接，另一端与低温容器薄壁面接触；当低温容器抽真空后，大气压力迫使低温容器发生形变，该形变会使低温容器顶杆产生反作用力，阻碍容器进一步变形。

3、高温超导磁体的温度分布均匀性好。线圈盖上均匀布置有导冷盘，导冷盘之间通过导冷带连接，导冷盘与制冷机冷头通过导冷带连接，制冷机的冷源将通过导冷盘和导冷带有效传递给超导磁体，提高了超导磁体的冷却速率和温度分布均匀性。

4、高温超导磁体闭环运行时接头数量少。高温超导磁体的超导开关采用高温超导线圈的进线端或出线端绕制，因此，每个高温超导线圈与其对应的超导开关之间只有一个接头，降低了高温超导线圈闭环时的电阻。

综上所述，本发明实现了高温超导电动悬浮磁体在低温容器中的可拆装，限制了低温容器的形变量，提高了超导磁体的温度分布均匀性，减少了高温超导磁体闭环运行时的接头数量。本发明在超高速磁悬浮中具有良好的应用前景。

附图说明

图1为传导冷却式高温超导电动悬浮磁体结构的横截面图。

图2为传导冷却式高温超导电动悬浮磁体结构的正视图。

图3为传导冷却式高温超导电动悬浮磁体结构的闭环运行原理图。

图4为传导冷却式高温超导电动悬浮磁体结构在抽真空后的形变量模拟结果图。

图5为传导冷却式高温超导电动悬浮磁体结构在负载工况下的应力分布模拟结果图。

图6为传导冷却式高温超导电动悬浮磁体结构在负载工况下的温度分布模拟结果图。

其中，1、导冷盘，2、高温超导线圈，3、内铝块，4、线圈骨架，5、线圈盒，6、外铝块，7、紧固件，8、螺钉，9、线圈盖，10、固定法兰，11、螺栓，12、密封圈，13、密封法兰，14、传力法兰，15、冷屏，16、低温容器，16a、低温容器薄壁面，16b、低温容器厚壁面，17、高温超导磁体，18、中心孔，19、顶杆，20、磁体传力杆，21、制冷机，22、一级冷头，23、二级冷头，24、导冷带，25、左进线端，26、导电铜块，27、高温超导电流引线，28、铜电极，29、超导开关，30、左接头，31、高温超导带材，32、左出线端，33、铜电桥，34、右出线端，35、加热器，36、右接头，37、右进线端。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1至图3所示，本方案的传导冷却式高温超导电动悬浮磁体结构包括低温容器16，低温容器16内设置有高温超导磁体17，高温超导磁体17包括线圈盒5，线圈盒5通过线圈盖9封装，线圈盒5内设置有若干层相互堆叠的高温超导线圈2，每层高温超导线圈2之间通过导冷盘1隔开。

高温超导线圈2的内侧和外侧分别设置有内铝块3和外铝块6，内铝块3套在线圈骨架4上，外铝块6外设置有紧固件7；线圈盒5通过螺纹连接的方式固定在磁体传力杆20上，磁体传力杆20内设置有顶杆19，顶杆19的一端与低温容器薄壁面16a接触，顶杆19的另一端穿过低温容器厚壁面16b与支撑机构连接。

导冷盘1为铜盘，增强若干层相互堆叠的高温超导线圈2之间的导冷效果；高温超导线圈2采用二代高温超导带材绕制；内铝块3和外铝块6采用高纯铝制作，起到缓解高温超导线圈2径向应力的作用。线圈骨架4和紧固件7采用高强度玻璃纤维材料制作，抵抗高温超导磁体17的冷收缩应力和应变；线圈盒5和线圈盖9采用铝合金材料制作，增强高温超导磁体17的导冷效果，且高温超导磁体17内设置有中心孔18，降低高温超导磁体17的整体重量。

低温容器16包括薄壁面16a和厚壁面16b，厚壁面16b的厚度大于薄壁面16a的厚度，薄壁面16a与厚壁面16b的连接处设置有密封圈12，薄壁面16a与厚壁面16b通过螺钉8连接。

支撑机构包括固定在低温容器厚壁面16b的固定法兰10、传力法兰14和密封法兰13，磁体传力杆20和顶杆19穿过固定法兰10与传力法兰14固定连接，传力法兰14设置在密封法兰13内，传力法兰14和密封法兰13通过螺栓11与固定法兰10连接；密封法兰13与固定法兰10之间设置有密封圈12。

线圈盖9上也布置有若干导冷盘1，若干导冷盘1之间通过导冷带24连接，导冷盘1与制冷机21的二级冷头23通过导冷带24连接，高温超导磁体17外设置有冷屏15，冷屏15连接制冷机21的一级冷头22，磁体传力杆20与导冷盘1之间采用导冷带24连接。

若干高温超导线圈2相互串联，导冷盘1、内铝块3和外铝块6的表面均设置有绝缘层；线圈盒5与线圈盖9之间的接触面上贴有提升导冷效果的铟片或涂抹导热硅脂。

低温容器16采用铝合金材料制作，低温容器薄壁面16a的厚度约4mm，低温容器厚壁面16b的厚度约10mm；冷屏15采用导热性好的铜制作，厚度约1mm；顶杆19和传力法兰14采用钛合金制作，增强其抗弯强度；磁体传力杆20采用高强度玻璃纤维制作，降低其传导漏热，同时增强其抗弯强度；固定法兰10和密封法兰13采用铝合金材料制作；磁体传力杆20、顶杆19、冷屏15的外表面均贴有多层超级绝热材料，降低辐射漏热。

将低温容器16抽真空后，低温容器16在大气压力作用下发生形变，低温容器薄壁面16a上的力通过顶杆19传递给传力法兰14，阻碍低温容器薄壁面16a的进一步变形。在高温超导磁体17的降温、励磁和外界激扰过程中，高温超导磁体17受到的力将首先通过磁体传力杆20传递给传力法兰14，然后通过螺栓11传递到固定法兰10，最终作用于低温容器厚壁面16b上。因传力法兰14被密封在密封法兰13内，因此传力法兰14受力后的变形不会影响低温容器16的密封性。

制冷机21通过一级冷头22将冷源传递给冷屏15，通过二级冷头23将冷源传递给导冷盘1，导冷盘1再将冷源传递给磁体传力杆20和线圈盖9，线圈盖9再将冷源传递给线圈盒5，最终传递给内铝块3、外铝块6和高温超导线圈2。导冷盘1均匀布置在线圈盖9上，保证了线圈盖9和线圈盒5内温度分布均匀；又因为高温超导线圈2被导冷盘1、内铝块3和外铝块6包围，保证了高温超导线圈2内温差小。

使用高温超导线圈2的左进线端25和右出线端34绕制超导开关29，超导开关29的另一端与高温超导线圈2的左出线端32和右进线端37实现焊接，分别形成左接头30和右接头36，左接头30和右进线端37均焊接在铜电桥33上；铜电桥33的上表面设置有多根并联的高温超导带材31，以降低铜电桥的电阻；超导开关29的下表面设置有加热器35；高温超导电流引线27的两端分别连接在铜电极28和导电铜块26上，高温超导线圈2的左进线端25和右出线端34均焊接在导电铜块26上。

高温超导磁体17的闭环运行过程为：启动加热器35，使超导开关29处于失超状态，对高温超导磁体17进行励磁，电流将按方向①流动；达到励磁电流且磁场稳定后，关闭加热器35，待超导开关29恢复到超导态后，逐渐降低励磁电流，直至励磁电流为0；断开外部电源，高温超导磁体17工作于闭环模式，电流将按方向②流动。

图4、图5和图6为本发明的仿真结果。图4表明，低温容器16抽真空后的最大形变量仅为1.31mm，最大形变位置出现在低温容器薄壁面16a上。图5表明，高温超导磁体17的最大温差小于0.1K，温度分布均匀性好。图6表明，负载工况下，高温超导磁体的最大应力小于300MPa，满足强度设计要求。

本发明的高温超导线圈2在低温容器16中可拆装。高温超导线圈2通过螺钉8固定在线圈盒5内，使得高温超导线圈2在线圈盒5内可拆装；高温超导磁体17通过螺栓11封闭在低温容器16内，且低温容器薄壁面16a与厚壁面16b之间采用螺钉8连接，实现了高温超导磁体17在低温容器16中的可拆装。

本发明的低温容器16的形变量小。顶杆19的一端与传力法兰14固定连接，另一端与低温容器薄壁面16a接触；当低温容器16抽真空后，大气压力迫使低温容器16发生形变，该形变会使顶杆19产生反作用力，阻碍低温容器16的进一步变形。

本发明的高温超导磁体17的温度分布均匀性好。线圈盖9上均匀布置有导冷盘1，导冷盘1之间通过导冷带24连接，导冷盘1与制冷机二级冷头23通过导冷带24连接，制冷机21的冷源将通过导冷盘1和导冷带24有效传递给高温超导磁体17，提高了超导磁体17的冷却速率及其温度分布均匀性。

本发明的高温超导磁体17闭环运行时接头数量少。高温超导磁体17的超导开关29采用高温超导线圈2的左进线端25和右出线端34绕制，因此，每个高温超导线圈2与其对应的超导开关29之间只有一个接头，降低了高温超导线圈2闭环运行时的电阻。

综上所述，本发明实现了高温超导电动悬浮磁体在低温容器16中的可拆装，限制了低温容器16的形变量，提高了高温超导磁体17的温度分布均匀性，减少了高温超导磁体17闭环运行时的接头数量。本发明在超高速磁悬浮中具有广阔的应用前景。