帶超導帶材的電磁鐵、電磁軌岔及轉轍方法與流程

2024-03-10 06:27:15 2

本發明涉及電磁軌岔技術，具體涉及帶超導帶材的電磁鐵，採用該電磁鐵結構的電磁軌岔，以及利用該電磁軌岔進行轉轍的方法。

背景技術：

目前關於電磁軌岔用電磁鐵的研究較少，文章「aturnoutswitchforasuperconductivelylevitatedlineartransportsystem」描述了關於電磁軌岔用電磁鐵的相關研究進展。該電磁鐵通過線圈通電產生磁場，用鐵軛聚集磁力線至磁極(即軌道面)，從而產生能實現左轉或右轉所需要的特定磁場。

現有電磁鐵所產生的磁通密度不能達到永磁體磁通密度的大小，從而導致軌道上表面磁場在道岔處不均勻，進而引起高溫超導磁浮車在通過道岔時運行不平穩的現象。cn201610173560.6公開了電磁軌岔用電磁鐵，其包括：鐵芯和線圈，鐵芯包含四個分支，四個分支從左向右依次並排設置，同一側的一端匯集為一體，靠左的兩個分支的另一端匯集後延伸出磁極a，靠右的兩個分支的另一端匯集後延伸出磁極b；每個分支上纏繞一個線圈，四個線圈連接；根據上述連接方式可對靠左的兩個分支和靠右的兩個分支線圈分別通以不同方向的電流。利用該設置分支的鐵芯，纏繞線圈產生較大的磁通密度，調節電磁鐵通電電流大小產生與永磁體匹配的磁通密度。但是，該專利利用電磁體通電線圈難以產生與永磁體相匹配的磁通密度，且通電線圈發熱導致電磁軌岔不能持續性工作。由於磁通線總是選擇磁阻最小的路徑通過，因此專利1中的平行磁極a和磁極b，兩極間的磁通量最大，不利於提高磁極上方的磁通密度。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種電磁軌岔用電磁鐵、電磁軌岔及轉轍方法，以解決電磁軌岔產生磁通密度與永磁軌道的磁通密度相匹配的問題。

本發明專利涉及一種電磁軌岔用電磁鐵，其包括：鐵芯、超導帶材和低溫容器；所述鐵芯包含四個分支，四個分支從左向右依次並排設置，同一側的一端匯集為一體，靠左的兩個分支的另一端匯集後延伸出磁極a，靠右的兩個分支的另一端匯集後延伸出磁極b；每個分支上纏繞一個所述超導帶材，四個所述超導帶材連接；靠左的兩個分支上的線圈的通電方向和靠右的兩個分支上的線圈通電方向不同；所述超導帶材置於所述低溫容器的冷卻液中。

在一些實施例中，優選為，靠左的兩個分支上的超導帶材通電方向相同；靠右的兩個分支的超導帶材通電方向相同。

在一些實施例中，優選為，所述磁極a和所述磁極b之間的距離自分支匯集端向延伸尾端逐漸減小。

在一些實施例中，優選為，所述鐵芯的拐角處倒圓角。

本發明還提供了一種包含所述電磁鐵的電磁軌岔，所述電磁鐵垂直於永磁軌道，電磁軌岔用電磁鐵的磁極嵌入所述永磁軌道內，磁極a和磁極b處於分岔處的中心位置，二者之間相間一塊永磁體大小的空隙。

在一些實施例中，優選為，所述永磁軌道採用釹鐵硼永磁體，且為halbach型永磁軌道。

本發明還提供了一種利用所述的電磁軌岔進行轉轍的方法，其包括：

確定待轉轍方向；

根據待轉轍方向對超導帶材通電，以在待轉轍方向上產生與軌道永磁體相匹配的均勻磁場，在非待轉轍方向上產生不均勻磁場。

在一些實施例中，優選為，所述超導帶材從低溫容器的冷卻液中吸收低溫以處於超導態。

在一些實施例中，優選為，所述根據待轉轍方向對線圈通電的方式為：

當左轉時：靠右的兩個分支上的超導帶材剖面右側通電方向為自紙內向紙外，靠左的兩個分支上的超導帶材剖面右側通電方向為自紙外向紙內；

當右轉時：靠右的兩個分支上的超導帶材剖面右側通電方向為自紙外向紙內，靠左的兩個分支上的超導帶材剖面右側通電方向為自紙內向紙外。

本發明實施例提供的在鐵芯上纏繞超導帶材，由於超導帶材的高臨界電流密度，可以產生更大的磁通密度，足以提供車輛懸浮的磁場。使用低溫液體為超導帶材提供低溫環境，相對現有技術中鐵芯上纏繞的線圈，避免了由於線圈發熱帶來的不可持續性工作的問題。

超導帶材的臨界電流密度高，在繞制於鐵芯通電後，可產生與永磁體相匹配的磁通密度，足以提供懸浮車輛的磁場；同時利用為超導帶材提供低溫環境的冷卻液體，使電磁軌岔可持續性工作。

附圖說明

圖1為本發明一個實施例中左轉時電磁軌岔用電磁鐵的示意圖；

圖2為本發明一個實施例中右轉時電磁軌岔用電磁鐵的示意圖。

具體實施方式

下面通過具體的實施例結合附圖對本發明做進一步的詳細描述。

現有鐵芯圍繞線圈難以產生與永磁體相匹配的磁通密度，且通電線圈發熱導致電磁軌岔不能持續性工作。為此，本發明提供了一種帶超導帶材的電磁鐵、電磁軌岔及轉轍方法。具體為：

電磁軌岔用電磁鐵，包括：鐵芯、超導帶材和低溫容器；鐵芯包含四個分支，四個分支從左向右依次並排設置，同一側的一端匯集為一體，靠左的兩個分支的另一端匯集後延伸出磁極a，靠右的兩個分支的另一端匯集後延伸出磁極b；每個分支上纏繞一個超導帶材，四個超導帶材(3a、3b、3c、3d)連接；可對靠左的兩個分支和靠右的兩個分支線圈分別通以不同方向的電流。

由於超導帶材的高臨界電流密度，可以產生更大的磁通密度，足以提供車輛懸浮的磁場。使用低溫液體為超導帶材提供低溫環境，避免了由於線圈發熱帶來的不可持續性工作的問題。超導帶材的臨界電流密度高，在繞制於鐵芯通電後，可產生與永磁體相匹配的磁通密度，足以提供懸浮車輛的磁場。

而且，採用超導帶材，通電後，產生磁場，磁場沿著鐵芯將磁力線引導到磁極a和b，可獲得比一般通電線圈更大的磁場。

另外，採用保溫容器中的冷卻液體，將超導帶材放在冷卻液體，為超導帶材提供低溫環境，使超導帶材進入到超導狀態，同時該低溫環境保證了道岔可持續性工作。

靠左的兩個分支上的超導帶材通電方向相同；靠右的兩個分支的超導帶材通電方向相同。超導帶材3a,3b為一組，產生同一方向的磁場；3c,3d為一組，產生另一方向的磁場。通過改變超導帶材中的通電電流的方向，改變電磁體磁化的方向，與永磁體軌道磁場結合，實現電磁軌岔的目的。

由於磁通線總是選擇磁阻最小的路徑通過，cn201610173560.6的平行的兩個磁極，兩極間的磁通量最大，不利於提高磁極上方的磁通密度。磁極a和磁極b之間的距離自分支匯集端向延伸尾端逐漸減小。「超導帶材實現的電磁軌岔」中，對電磁體鐵芯的磁極處設置的斜角1，角度為θ，磁極a和b之間下方的氣隙較大，減小漏磁通，提升磁極處的磁通密度。進行了結構優化，減少漏磁場。將鐵芯的磁極設置斜角進行優化後，減少了漏磁，在磁極上方獲得更大的磁通密度。由此，在電磁軌岔上方產生的磁通密度可以和永磁軌道相匹配，保證車輛通過道岔時的平穩性，且工作時長得到保障，可靠性高。

一種包含電磁鐵的電磁軌岔，電磁鐵垂直於分岔處永磁軌道，電磁軌岔用電磁鐵的磁極嵌入永磁軌道內，磁極a和磁極b處於分岔處的中心位置，二者之間相間一塊永磁體大小的空隙。

一種利用電磁軌岔進行轉轍的方法，其包括：確定待轉轍方向；根據待轉轍方向對超導帶材通電，以在待轉轍方向上產生與永磁體相匹配的均勻磁場，在非待轉轍方向上產生不均勻磁場。

該電磁鐵結構包括：鐵芯和超導帶材，鐵芯包含四個分支，四個分支從左向右依次並排設置，實現halbach陣列電磁軌岔最關鍵的部件為電磁鐵，本專利提出了可用於實現halbach陣列的電磁軌岔用電磁鐵的設計方案。同一側的一端匯集為一體，靠左的兩個分支的另一端匯集後延伸出磁極a，靠右的兩個分支的另一端匯集會延伸出磁極b；每個分支上纏繞一個超導帶材，四個超導帶材連接；根據上述連接方式，可對靠左的兩個分支和靠右的兩個分支超導帶材分別通以不同方向的電流。在保證電磁軌岔可行性的基礎上將電磁鐵的三個磁極簡化為兩個磁極，降低了製造電磁鐵所需要的成本；為了保證電磁軌岔的穩定性，電磁鐵的磁通密度需要與永磁體的磁通密度相匹配，該電磁鐵採用上述特殊形狀的鐵芯，採用多個超導帶材以產生更大的磁通密度，根據以上設計可以通過簡單的調節電磁鐵通電電流大小即可達到與永磁體匹配的磁通密度。

下面對要保護的技術進行詳細說明：

halbach陣列具有極強的聚磁能力，是迄今為止能通過最少永磁體用量產生最強磁場的軌道排列方式。目前已經有很多國家的高溫超導磁浮車系統採用halbach陣列作為其永磁軌道的排列方式。永磁軌道是高溫超導磁懸浮系統不可或缺的重要組成部分，目前常用的永磁軌道的排列方式主要有傳統單峰型永磁軌道和halbach型永磁軌道，現有技術對傳統單峰型永磁軌道電磁軌岔用電磁鐵進行了分析設計，halbach因其可採用儘量少的永磁體用量產生較大的磁通密度而被廣泛應用，然而目前還沒有關於halbach型永磁軌道電磁軌岔用電磁鐵的設計，本專利提出了halbach型永磁軌道的電磁軌岔用電磁鐵設計，為以後高溫超導磁懸浮系統電磁軌岔研究提供了重要的設計思路。

目前傳統單峰永磁軌道電磁軌岔用電磁鐵所提供磁通密度較小，導致在道岔部位電磁鐵與永磁體的高磁通密度不匹配，從而導致通過道岔時高溫超導磁浮車輛運行不穩定，本發明就這一缺點做出了以下相應的改進，用以提高電磁鐵所產生的磁通密度。

對現有傳統單峰型永磁軌道電磁軌岔用電磁鐵中鐵芯的拐角處設計不合理，現有的鐵芯拐角處為直角，容易產生漏磁。而漏磁現象使得增大軌道表面磁通密度更加困難。對其進行改進，在電磁鐵的鐵芯拐角處設計倒圓角，減小漏磁通，增大了電磁鐵產生的磁通密度。

鑑於電磁軌岔用電磁鐵的特殊性，該電磁鐵採用具有高飽和磁感應強度和高磁導率的鐵鈷合金，線圈採用銅線圈，進一步增大電磁鐵所產生的磁通密度。

經過上述改進電磁鐵的磁通密度幾乎能與原永磁體形成的永磁軌道所產生的磁通密度相匹配。

將該電磁鐵結構用於設計電磁軌岔，電磁鐵垂直於分岔處永磁軌道，電磁軌岔用電磁鐵的磁極嵌入永磁軌道2內，磁極a和磁極b處於分岔處的中心位置，二者之間相間一塊永磁體大小的空隙。在y字型軌道中，通過在電磁鐵的線圈中通入不同方向的電流，形成在某個特定方向的均勻磁通密度，引導磁懸浮列車朝該方向轉轍，

永磁軌道採用釹鐵硼永磁體，為halbach型永磁軌道，具有極強的聚磁能力，是迄今為止能通過最少永磁體用量產生最強磁場的軌道排列方式。

本發明利用上述電磁軌岔進行轉轍的方法，其包括：

步驟110，確定待轉轍方向；

步驟112，根據待轉轍方向對超導帶材通電，以在待轉轍方向上產生與永磁體相匹配的均勻磁場，在非待轉轍方向上產生不均勻磁場。

在通電過程中，超導帶材從低溫容器的冷卻液中吸收低溫以處於超導態。

其中根據待轉轍方向對線圈通電的方式為：

當左轉時，如圖1所示：靠右的兩個分支上的超導帶材(剖面右側)通電方向為自紙內向紙外，圖中用「·」進行標識；靠左的兩個分支上的超導帶材(剖面右側)通電方向為自紙外向紙內，圖中用「×」進行標識；

當右轉時，如圖2所示：靠右的兩個分支上的超導帶材(剖面右側)通電方向為自紙外向紙內，圖中用「×」進行標識，靠左的兩個分支上的超導帶材(剖面右側)通電方向為自紙內向紙外，圖中用「·」進行標識。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。