採用高溫超導塊材磁體的直線懸浮推進系統的製作方法

2023-04-27 08:37:36 3

專利名稱：採用高溫超導塊材磁體的直線懸浮推進系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於高溫超導磁體應用技術領域，特別是一種採用高溫超導塊材磁體的直 線懸浮推進系統；該懸浮推進系統可廣泛作為運輸機械、磁懸浮列車的磁懸浮和推進系統 用。
背景技術：
目前已採用的應用高溫超導磁懸浮機構的直線磁懸浮推進系統包括由動子和定 子組成的直線電機推進機構及由永磁導軌和高溫超導塊材磁體組成的磁懸浮機構，以及設 於直線電機與兩側磁懸浮機構之間的支承杆。其中 在直線電機中直線感應電機應用較為廣泛，因為它的次級結構簡單，安裝、維修和 除屑容易，次級可以是整塊均勻的金屬材料，適宜於做得較長，但直線感應電動機採用電激 磁，因此效率低，發熱大，次級也需要冷卻，氣隙公差嚴格，通常只有0. lmm，工藝性差，且需 要複雜的矢量變換技術，生產成本高。而直線同步電機分為電磁式、永磁式和磁阻式，其中 永磁式直線同步電動機具有較好的發展空間，在速度、定位精度、效率等方面與直線感應電 機相比有一定優勢。但在實際應用中，大多永磁直線同步電動機都將初級作為動子，次級作 為定子，一方面可降低電機的製造成本，減少電機的運行損耗；但另一方面，由於初級三相 繞組處於運動當中，為此動子必須帶拖鏈式電纜一起運動，既不方便、又易發生故障；且常 規永磁直線同步電動機的初級與次級之間有很強的法向力，為了克服法向力的影響、保持 直線電機初級與次級之間穩定的氣隙，直線電機兩側需要安裝直線導軌，使動子保持滑動 推進狀態，這又加大了系統的靜摩擦力和滑動摩擦力，增加了能耗；此外，目前所用的永久 磁體(如釹鐵硼磁體)，磁場強度遠不能達到1T (特斯拉)， 一般在0. 5T左右，這也就制約 了永磁直線同步電動機的推力的進一步提高，因而、永磁直線同步電動機又難以滿足需要 大推力的直線懸浮推進系統的要求。 而磁懸浮列車的磁懸浮機構按其懸浮原理分主要有電磁型(電磁吸力型)和電 動型(電動斥力型)兩種；前者在車體內裝有電磁鐵，軌道為一導磁體，電磁鐵繞組中電流 的大小根據間隙傳感器的信號進行調節，使車體與軌道間保持一定距離，但由於車體較重， 懸浮氣隙較小，出於安全考慮，還需設有應急備用車輪；而後者則在車體內安裝超導線圈， 軌道上分布有按一定規則排列的短路鋁(銅)環，當超導線圈內通電時就產生強磁場，在列 車以一定速度前進時，該強磁場就在路軌的鋁環內產生感應電流，兩者相互排斥而產生上 浮力，速度愈大這個排斥力就愈大，當速度超過一定值(時速80km以上)時，列車就脫離軌 道表面；這種結構產生的磁場， 一是若不加屏蔽，則會增加環境的電磁汙染，二是在低速行 駛時，列車還需輪軌系統支撐，且側向穩定性問題也需另加控制設備給予保證。目前國內外 已有將高溫超導塊材和常規永磁體軌道組成的磁懸浮系統應用到磁懸浮列車中，這種磁懸 浮系統具有自懸浮、自導向功能，在靜止條件下，也能實現穩定的懸浮，且無需導向控制等 特點。但到目前為止，此類磁懸浮列車都還只是採用常規直線感應電動機實現推進，因此仍 舊難以擺脫前面闡述的常規直線電動機自身的缺點。懸浮系統對永磁軌道的要求是希望永磁軌道提供儘可能強的按一定規律分布的磁場，而現有技術為永磁軌道主要由永磁體、鐵 磁物體兩部分組成，永磁體產生的磁場在鐵磁物體中得到聚集，從而在永磁軌道上方產生 較強磁場；但目前由於永磁體和鐵磁體組成的永磁軌道安裝複雜、難度大，為了使永磁體和 鐵磁體能穩定固定，需要用螺栓將永磁體和鐵磁體橫向貫穿後栓緊，這既增加了永磁體的 加工難度、又破壞了磁路結構，且安裝精度要求高；在運行中由於永磁體和螺栓的長期相互 摩擦，亦將損傷磁體性能及其穩定性。 因而，上述背景技術存在直線電機採用初級作為動子、次級作為定子，其動子必 須連帶拖鏈式電纜一起運動，既不方便、行程受限，又易發生故障；且常規永磁直線同步電 動機的初級與次級之間有很強的法向力，電機兩側需要安裝直線導軌來保持直線電機初級 與次級之間穩定的氣隙、維持動子的滑動推進狀態，從而增加了能耗，以及難以滿足需大推 力的直線懸浮推進系統的要求；而磁懸浮機構需採用橫向螺栓貫穿永磁體和鐵磁體來進行 固定、既增加了永磁體的加工及安裝難度、又破壞了磁路結構，且在運行中亦將對磁體性能 及穩定性造不利影響等缺陷。

發明內容
本發明的目的是針對背景技術存在的缺陷，研究設計一種採用高溫超導塊材磁體 的直線懸浮推進系統，以提高直線懸浮推進系統的推力、速度、效率及運行的可靠性等綜合 性能，降低能耗、減小直線同步電動機的體積和重量；提高永磁導軌的聚磁效果、軌道上方 磁場的強度，降低永磁軌道的安裝難度；實現懸浮穩定、無摩擦懸浮推進，控制簡單，不需導 向控制及推力大等目的。 本發明的解決方案是採用直線同步電動機的初級作為定子，設於底座平臺上，次 級作為動子、設於定子的上方，以克服背景技術動子必須帶拖鏈式電纜一起運動所帶來的 弊端，同時採用高溫超導塊材磁體作為次級、鐵心或空心三相繞組作初級，以提高直線同步 電動機的推力、速度、效率等綜合性能，降低能耗、減小其體積和重量；高溫超導磁懸浮機構 仍採用永磁軌道和高溫超導塊材磁體組成的磁懸浮機構，但永磁軌道中的永磁體和聚磁用 鐵磁體之間則採用嵌入式卡入式固定，而鐵磁體則通過地腳螺栓與非導磁體支座緊固成一 體，以限制永磁體的軸向位移並降低永磁導軌的安裝難度，提高永磁導軌運行的可靠性、聚 磁效果及軌道上方的磁場強度。因此，本發明直線懸浮推進系統包括由動子和定子組成的 直線電機推進機構及由永磁軌道和高溫超導塊材磁體組成的磁懸浮機構，設於直線電機與 兩側磁懸浮機構之間的支承杆，關鍵在於直線同步電動機的次級含低溫恆溫器、沿運動方 向相對定子頂部平行或傾斜設置的高溫超導塊材磁體及高導磁性背鐵、並將其作為動子， 初級採用鐵心或空心三相繞組作為定子；高溫超導塊材磁體設於低溫恆溫器內腔底部並與 低溫恆溫器緊固成一體、背鐵則置於高溫超導塊材磁體上部並通過磁力緊貼於其上表面， 而永磁軌道中的聚磁用鐵磁體通過螺栓與軌道支座緊固、永磁體則採用嵌入式或卡入式與 聚磁用鐵磁體固定連接。 上述沿運動方向相對定子頂部平行或傾斜設置的高溫超導塊材磁體；其傾斜設置 時，當高溫超導塊材磁體沿運動方向的長度1為0.42T《1-0.96 t "為極矩)時，傾斜 角為15° -65° ，同時在與之配套的低溫恆溫器底部對應於各塊材磁體設置相對獨立的傾 斜式卡槽、各卡槽底部傾斜角亦為15。
-65° 、並在各卡槽上部兩側各設一與槽底平行的
4限位條及一 自鎖裝置用於限制塊材磁體垂向及沿斜槽傾斜方向的自由度、而側向自由度則 由其中部帶液氮槽兩側邊限定。所述永磁軌道中永磁體採用嵌入式或卡入式與聚磁用鐵磁 體固定連接，其連接方式為各永磁體軸向(順軌道方向)兩側面採用正梯形斜面、與之配合 的聚磁用鐵磁體則採用倒梯形斜面，或永磁體兩軸向側面與聚磁用鐵磁體配合面互為凸、 凹形圓弧面，或永磁體兩軸向側面為正階梯形、而聚磁用鐵磁體配合面為倒階梯形。而所述 設於直線電機與兩側磁懸浮機構之間的支承杆為滑杆或帶輪滑杆及增設於底部的滑槽。
本發明因高溫超導塊材磁體直線同步電動機採用初級作定子、次級作動子，既提 高了直線同步電動機的推力、速度、效率等綜合性能，降低了能耗、減小了體積和重量，而 且克服了以初級作為動子必須帶拖鏈式電纜一起運動所帶來的弊端，將電動機中的高溫 超導塊材磁體沿運動方向傾斜設置又可將直線電動機的法向吸引力降低至水平設置時的 23. 5% -55% ;永磁軌道中永磁體與聚磁用鐵磁體採用嵌入式或卡入式連接，既降低了永磁 軌道的安裝難度，又不會破壞永磁體的磁路結構、提高了永磁軌道運行的可靠性、聚磁效果 及軌道上方的磁場強度。因而本發明具有直線懸浮推進系統推力大、速度及效率高、能耗 低，不需導向控制裝置、運行可靠性高，可實現懸浮穩定及無摩擦懸浮推進，控制簡單；以及 電動機動子不需帶拖鏈式電纜；永磁軌道安裝簡便、可靠，軌道上方磁場的強度高、聚磁效 果好等特點。


圖1為本發明高溫超導塊材磁體直線懸浮推進系統總體結構示意圖； 圖2為本發明實施例1電動機動子橫截面結構示意圖(A-A剖視圖)；
圖3為圖2的側視圖(B-B剖視圖)； 圖4為實施例1永磁軌道橫截面結構及永磁體與聚磁用鐵磁體連接配合示意圖；
圖5為實施例2電動機動子橫截面結構示意圖(C-C剖視圖)；
圖6為圖5的側視圖(D-D剖視圖)； 圖7為實施例2永磁軌道橫截面結構及永磁體與聚磁用鐵磁體連接配合示意圖；
圖8為實施例3永磁軌道橫截面結構及永磁體與聚磁用鐵磁體連接配合示意圖。
圖中1.電動機定子，2.電動機動子、2-1.低溫恆溫器、2-2.高溫超導塊材磁體、 2-3.限位條、2-4.高導磁性背鐵、2-5.液氮腔、2-6.液氮槽，3.永磁軌道、3-1.非導磁體支 座、3-2.聚磁用鐵磁體、3-3.永磁體、3-4.螺栓、3-5/3-6.卡條/卡槽，4.懸浮體、4-1.低 溫恆溫器、4-2.高溫超導塊材磁體，5.底座，6.聯接固定板、6-1.液氮加入孔，7.滑杆，7-1. 滑槽。
具體實施例方式
實施例1 :直線同步電動機定子(初級)l為帶鐵心的三相繞組，鐵心(高X 寬)100X 100mm、極距45mm，氣隙長度6mm ;動子(次級)2中的低溫恆溫器2-1為(長X 寬X高)250X100X82mm上部敞口的箱體、箱體底部對應於各塊材磁體2-2設置8個傾斜 式卡槽(橫向4排、縱向2列)、各卡槽底部傾斜角36.9。、卡槽上部兩側各設一與槽底平行 的限位條2-3以限制塊材磁體垂向自由度、兩側邊中部各設一液氮槽2-6，高溫超導塊材磁 體2-2例採用傾斜設置、各磁體(長X寬X高)36X33X24mm、磁體度傾斜角亦為36.9。，橫向設4排、縱向設2列，各磁體通過脈衝充磁至場強1. 2T、分別置於箱體底部各卡槽內固 定，其上高導磁性背鐵2-4(長X寬X高)180X70X29.6mm、與各磁體2-2的兩上表面卡 入式緊貼，整套動子2通過螺栓與聯接固定板6密封固定；永磁軌道3順軌道方向採用兩 列上、下底寬分別為20mm、24mm、高20mm的正梯形永磁體3-3，軌道上表面寬76mm、有效面 寬64mm、高26mm，左右兩側聚磁用鐵磁體3-2頂部及底部寬分別為8mm及6mm、中部聚磁鐵 磁體頂部及底部寬分別為8mm及4mm，永磁軌道3與懸浮體4之間氣隙長度亦為3mm ;懸浮 體低溫恆溫器4-l(長X寬X高)250X121X68mm、高溫超導塊材磁體4-2(長X寬X 高)36 X 33 X 24mm兩者之間的裝配與背景技術同，滑杆7帶輪滑杆、滑槽7_1其槽口為縮口 以將滑輪限制在滑槽內，從而進一步保證直線同步電動機運行的穩定性和安全性。
本實施例工作頻率為10Hz、電壓幅值為50V時，直線電動機推力達到1618N，法向 力為6813N，較之水平放置時，法向力可較水平放置時的17450N降低61. 0%。
實施例2:直線同步電動機定子(初級)l採用空心三相銅導線繞組，動子(次 級)2中的低溫恆溫器2-1 (長X寬X高)250 X 100 X 82mm、箱體底部設兩條(長X寬X 高)180 X 33 X 30mm用於嵌入各高溫超導塊材磁體2-2及高導磁性背鐵2-4的槽體、槽體兩 側壁中部亦各設一橫截面為(高X寬)12X5mm液氮槽，高溫超導塊材磁體2-2本實施例 採用常規水平設置、各磁體(長X寬X高)45X33X24mm、橫向亦設4排、縱向設2列、各 磁體2-2採用高場直流電磁體場冷充磁至1. 2T、各磁體與低溫恆溫器之間採用常規自鎖裝 置固定，高導磁性背鐵2-4為(長X寬X高)180X70X 10mm矩形板體；而永磁軌道3中 的軌道面寬76mm、有效面寬64mm，永磁體3_3、聚磁用鐵磁體3_2高均為20mm、兩者之間的 配合面採用弧形結構，即永磁體3-3左右兩側為凸弧形結構、各聚磁用鐵磁體3-2內側(與 永磁體配合面)均為凸弧形、圓弧半徑均為R40mm，永磁體3_3上、下表面寬亦均為20mm。其 餘磁懸浮機構的懸浮體4、滑杆7及其滑槽7-1等均與實施例1相同。 本實施例工作頻率為10Hz時、電壓幅值為50V時，直線電動機推力達到425. 4N，而 採用同規格場強為0. 4T的常規永磁體時，直線電動機推力僅45N ;本實施例電機的推力可 較之提高8倍。 實施例3 :本實施例直線同步電動機的定子1、動子2及磁懸浮機構的懸浮體4、滑 杆7及其滑槽7-1均與實施例1相同；永磁軌道3中的軌道面寬76mm、有效面寬64mm，永磁 體3-3、上表面寬20mm，下表面寬24mm、兩(軸向)側面與上表面交匯聚處各開一條橫截面 為(高X寬)2X2mm的槽3_6，聚磁用鐵磁體3_2高均為20mm，左右兩側聚磁用鐵磁體上 表面寬8mm，下表面寬6mm、上部卡條的橫截面亦為(高X寬)2 X 2mm，中部聚磁用鐵磁體的 橫截面採用"T"字形結構、兩側卡條的橫截面亦為(高X寬)2X2mm。
權利要求
一種採用高溫超導塊材磁體的直線懸浮推進系統，包括由動子和定子組成的直線電機推進機構及由永磁軌道和高溫超導塊材磁體組成的磁懸浮機構，設於直線電機與兩側磁懸浮機構之間的支承杆，其特徵在於直線同步電動機的次級含低溫恆溫器、沿運動方向相對定子頂部平行或傾斜設置的高溫超導塊材磁體及高導磁性背鐵、並將其作為動子，初級採用鐵心或空心三相繞組作為定子；高溫超導塊材磁體設於低溫恆溫器內腔底部並與低溫恆溫器緊固成一體、背鐵則置於高溫超導塊材磁體上部並通過磁力緊貼於其上表面，而永磁軌道中的聚磁用鐵磁體通過螺栓與軌道支座緊固、永磁體則採用嵌入式或卡入式與聚磁用鐵磁體固定連接。
2. 按權利要求1所述採用高溫超導塊材磁體的直線懸浮推進系統，其特徵在於所述沿 運動方向相對定子頂部平行或傾斜設置的高溫超導塊材磁體，當傾斜設置時、高溫超導塊 材磁體沿運動方向的長度l為0.42T《1《0.96t時，傾斜角為15。
-65° ，同時在與之配套的低溫恆溫器底部對應於各塊材磁體設置相對獨立的傾斜式卡槽、各卡槽底部傾斜 角亦為15° -65° 、並在各卡槽上部兩側各設一與槽底平行的限位條及一自鎖裝置用於限 制塊材磁體垂向及沿斜槽傾斜方向的自由度、而側向自由度則由其中部帶液氮槽兩側邊限 定。
3. 按權利要求1所述採用高溫超導塊材磁體的直線懸浮推進系統，其特徵在於所述永 磁軌道中永磁體採用嵌入式或卡入式與聚磁用鐵磁體固定連接，其連接方式為各永磁體軸 向兩側面採用正梯形斜面、與之配合的聚磁用鐵磁體則採用倒梯形斜面，或永磁體兩軸向 側面與聚磁用鐵磁體配合面互為凸、凹形圓弧面，或永磁體兩軸向側面為正階梯形、而聚磁 用鐵磁體配合面為倒階梯形。
4. 按權利要求1所述採用高溫超導塊材磁體的直線懸浮推進系統，其特徵在於所述設 於直線電機與兩側磁懸浮機構之間的支承杆為滑杆或帶輪滑杆及增設於底部的滑槽。
全文摘要
該發明屬於一種採用高溫超導塊材磁體的直線懸浮推進系統，包括初級作定子、次級採用高溫超導塊材磁體作動子的直線電機推進機構及由永磁軌道和高溫超導塊材磁體組成的磁懸浮機構，滑架及其滑槽；該發明作動子的塊材磁體採用傾斜設置以減小其法向力，而永磁軌道中的永磁體則採用嵌入式或卡入式與聚磁用鐵磁體連接。從而具有直線懸浮推進系統推力大、速度及效率高、能耗低，不需導向控制裝置、運行可靠性高，可實現懸浮穩定及無摩擦懸浮推進，控制簡單；以及電動機動子不需帶拖鏈式電纜、永磁軌道安裝簡便、可靠，軌道上方磁場的強度高、聚磁效果好等特點；克服了背景技術直線電機推力小、法向力強及永磁軌道安裝工藝性及運行的穩定性差等弊病。
文檔編號H02N15/00GK101771327SQ200810148080
公開日2010年7月7日 申請日期2008年12月29日 優先權日2008年12月29日
發明者鄭陸海, 金建勳 申請人:電子科技大學