專利名稱：采用高溫超導(dǎo)塊材磁體的直線懸浮推進(jìn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高溫超導(dǎo)磁體應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種采用高溫超導(dǎo)塊材磁體的直 線懸浮推進(jìn)系統(tǒng)；該懸浮推進(jìn)系統(tǒng)可廣泛作為運(yùn)輸機(jī)械、磁懸浮列車的磁懸浮和推進(jìn)系統(tǒng) 用。
背景技術(shù)：
目前已采用的應(yīng)用高溫超導(dǎo)磁懸浮機(jī)構(gòu)的直線磁懸浮推進(jìn)系統(tǒng)包括由動子和定 子組成的直線電機(jī)推進(jìn)機(jī)構(gòu)及由永磁導(dǎo)軌和高溫超導(dǎo)塊材磁體組成的磁懸浮機(jī)構(gòu)，以及設(shè) 于直線電機(jī)與兩側(cè)磁懸浮機(jī)構(gòu)之間的支承桿。其中 在直線電機(jī)中直線感應(yīng)電機(jī)應(yīng)用較為廣泛，因為它的次級結(jié)構(gòu)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，適宜于做得較長，但直線感應(yīng)電動機(jī)采用電激 磁，因此效率低，發(fā)熱大，次級也需要冷卻，氣隙公差嚴(yán)格，通常只有0. lmm，工藝性差，且需 要復(fù)雜的矢量變換技術(shù)，生產(chǎn)成本高。而直線同步電機(jī)分為電磁式、永磁式和磁阻式，其中 永磁式直線同步電動機(jī)具有較好的發(fā)展空間，在速度、定位精度、效率等方面與直線感應(yīng)電 機(jī)相比有一定優(yōu)勢。但在實(shí)際應(yīng)用中，大多永磁直線同步電動機(jī)都將初級作為動子，次級作 為定子，一方面可降低電機(jī)的制造成本，減少電機(jī)的運(yùn)行損耗；但另一方面，由于初級三相 繞組處于運(yùn)動當(dāng)中，為此動子必須帶拖鏈?zhǔn)诫娎|一起運(yùn)動，既不方便、又易發(fā)生故障；且常 規(guī)永磁直線同步電動機(jī)的初級與次級之間有很強(qiáng)的法向力，為了克服法向力的影響、保持 直線電機(jī)初級與次級之間穩(wěn)定的氣隙，直線電機(jī)兩側(cè)需要安裝直線導(dǎo)軌，使動子保持滑動 推進(jìn)狀態(tài)，這又加大了系統(tǒng)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(qiáng)度遠(yuǎn)不能達(dá)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(jī)的推力的進(jìn)一步提高，因而、永磁直線同步電動機(jī)又難以滿足需要 大推力的直線懸浮推進(jìn)系統(tǒng)的要求。 而磁懸浮列車的磁懸浮機(jī)構(gòu)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(nèi)裝有電磁鐵，軌道為一導(dǎo)磁體，電磁鐵繞組中電流 的大小根據(jù)間隙傳感器的信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，使車體與軌道間保持一定距離，但由于車體較重， 懸浮氣隙較小，出于安全考慮，還需設(shè)有應(yīng)急備用車輪；而后者則在車體內(nèi)安裝超導(dǎo)線圈， 軌道上分布有按一定規(guī)則排列的短路鋁(銅)環(huán)，當(dāng)超導(dǎo)線圈內(nèi)通電時就產(chǎn)生強(qiáng)磁場，在列 車以一定速度前進(jìn)時，該強(qiáng)磁場就在路軌的鋁環(huán)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，兩者相互排斥而產(chǎn)生上 浮力，速度愈大這個排斥力就愈大，當(dāng)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磁場， 一是若不加屏蔽，則會增加環(huán)境的電磁污染，二是在低速行 駛時，列車還需輪軌系統(tǒng)支撐，且側(cè)向穩(wěn)定性問題也需另加控制設(shè)備給予保證。目前國內(nèi)外 已有將高溫超導(dǎo)塊材和常規(guī)永磁體軌道組成的磁懸浮系統(tǒng)應(yīng)用到磁懸浮列車中，這種磁懸 浮系統(tǒng)具有自懸浮、自導(dǎo)向功能，在靜止條件下，也能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的懸浮，且無需導(dǎo)向控制等 特點(diǎn)。但到目前為止，此類磁懸浮列車都還只是采用常規(guī)直線感應(yīng)電動機(jī)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)，因此仍 舊難以擺脫前面闡述的常規(guī)直線電動機(jī)自身的缺點(diǎn)。懸浮系統(tǒng)對永磁軌道的要求是希望永磁軌道提供盡可能強(qiáng)的按一定規(guī)律分布的磁場，而現(xiàn)有技術(shù)為永磁軌道主要由永磁體、鐵 磁物體兩部分組成，永磁體產(chǎn)生的磁場在鐵磁物體中得到聚集，從而在永磁軌道上方產(chǎn)生 較強(qiáng)磁場；但目前由于永磁體和鐵磁體組成的永磁軌道安裝復(fù)雜、難度大，為了使永磁體和 鐵磁體能穩(wěn)定固定，需要用螺栓將永磁體和鐵磁體橫向貫穿后栓緊，這既增加了永磁體的 加工難度、又破壞了磁路結(jié)構(gòu)，且安裝精度要求高；在運(yùn)行中由于永磁體和螺栓的長期相互 摩擦，亦將損傷磁體性能及其穩(wěn)定性。 因而，上述背景技術(shù)存在直線電機(jī)采用初級作為動子、次級作為定子，其動子必 須連帶拖鏈?zhǔn)诫娎|一起運(yùn)動，既不方便、行程受限，又易發(fā)生故障；且常規(guī)永磁直線同步電 動機(jī)的初級與次級之間有很強(qiáng)的法向力，電機(jī)兩側(cè)需要安裝直線導(dǎo)軌來保持直線電機(jī)初級 與次級之間穩(wěn)定的氣隙、維持動子的滑動推進(jìn)狀態(tài)，從而增加了能耗，以及難以滿足需大推 力的直線懸浮推進(jìn)系統(tǒng)的要求；而磁懸浮機(jī)構(gòu)需采用橫向螺栓貫穿永磁體和鐵磁體來進(jìn)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(jié)構(gòu)，且在運(yùn)行中亦將對磁體性能 及穩(wěn)定性造不利影響等缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對背景技術(shù)存在的缺陷，研究設(shè)計一種采用高溫超導(dǎo)塊材磁體 的直線懸浮推進(jìn)系統(tǒng)，以提高直線懸浮推進(jìn)系統(tǒng)的推力、速度、效率及運(yùn)行的可靠性等綜合 性能，降低能耗、減小直線同步電動機(jī)的體積和重量；提高永磁導(dǎo)軌的聚磁效果、軌道上方 磁場的強(qiáng)度，降低永磁軌道的安裝難度；實(shí)現(xiàn)懸浮穩(wěn)定、無摩擦懸浮推進(jìn)，控制簡單，不需導(dǎo) 向控制及推力大等目的。 本發(fā)明的解決方案是采用直線同步電動機(jī)的初級作為定子，設(shè)于底座平臺上，次 級作為動子、設(shè)于定子的上方，以克服背景技術(shù)動子必須帶拖鏈?zhǔn)诫娎|一起運(yùn)動所帶來的 弊端，同時采用高溫超導(dǎo)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(jī)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(dǎo)磁懸浮機(jī)構(gòu) 仍采用永磁軌道和高溫超導(dǎo)塊材磁體組成的磁懸浮機(jī)構(gòu)，但永磁軌道中的永磁體和聚磁用 鐵磁體之間則采用嵌入式卡入式固定，而鐵磁體則通過地腳螺栓與非導(dǎo)磁體支座緊固成一 體，以限制永磁體的軸向位移并降低永磁導(dǎo)軌的安裝難度，提高永磁導(dǎo)軌運(yùn)行的可靠性、聚 磁效果及軌道上方的磁場強(qiáng)度。因此，本發(fā)明直線懸浮推進(jìn)系統(tǒng)包括由動子和定子組成的 直線電機(jī)推進(jìn)機(jī)構(gòu)及由永磁軌道和高溫超導(dǎo)塊材磁體組成的磁懸浮機(jī)構(gòu)，設(shè)于直線電機(jī)與 兩側(cè)磁懸浮機(jī)構(gòu)之間的支承桿，關(guān)鍵在于直線同步電動機(jī)的次級含低溫恒溫器、沿運(yùn)動方 向相對定子頂部平行或傾斜設(shè)置的高溫超導(dǎo)塊材磁體及高導(dǎo)磁性背鐵、并將其作為動子， 初級采用鐵心或空心三相繞組作為定子；高溫超導(dǎo)塊材磁體設(shè)于低溫恒溫器內(nèi)腔底部并與 低溫恒溫器緊固成一體、背鐵則置于高溫超導(dǎo)塊材磁體上部并通過磁力緊貼于其上表面， 而永磁軌道中的聚磁用鐵磁體通過螺栓與軌道支座緊固、永磁體則采用嵌入式或卡入式與 聚磁用鐵磁體固定連接。 上述沿運(yùn)動方向相對定子頂部平行或傾斜設(shè)置的高溫超導(dǎo)塊材磁體；其傾斜設(shè)置 時，當(dāng)高溫超導(dǎo)塊材磁體沿運(yùn)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恒溫器底部對應(yīng)于各塊材磁體設(shè)置相對獨(dú)立的傾 斜式卡槽、各卡槽底部傾斜角亦為15。
-65° 、并在各卡槽上部兩側(cè)各設(shè)一與槽底平行的
4限位條及一 自鎖裝置用于限制塊材磁體垂向及沿斜槽傾斜方向的自由度、而側(cè)向自由度則 由其中部帶液氮槽兩側(cè)邊限定。所述永磁軌道中永磁體采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(cè)面采用正梯形斜面、與之配合 的聚磁用鐵磁體則采用倒梯形斜面，或永磁體兩軸向側(cè)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(cè)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(shè)于直線電機(jī)與兩側(cè)磁懸浮機(jī)構(gòu)之間的支承桿為滑桿或帶輪滑桿及增設(shè)于底部的滑槽。
本發(fā)明因高溫超導(dǎo)塊材磁體直線同步電動機(jī)采用初級作定子、次級作動子，既提 高了直線同步電動機(jī)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?zhǔn)诫娎|一起運(yùn)動所帶來的弊端，將電動機(jī)中的高溫 超導(dǎo)塊材磁體沿運(yùn)動方向傾斜設(shè)置又可將直線電動機(jī)的法向吸引力降低至水平設(shè)置時的 23. 5% -55% ;永磁軌道中永磁體與聚磁用鐵磁體采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(jié)構(gòu)、提高了永磁軌道運(yùn)行的可靠性、聚磁效果 及軌道上方的磁場強(qiáng)度。因而本發(fā)明具有直線懸浮推進(jìn)系統(tǒng)推力大、速度及效率高、能耗 低，不需導(dǎo)向控制裝置、運(yùn)行可靠性高，可實(shí)現(xiàn)懸浮穩(wěn)定及無摩擦懸浮推進(jìn)，控制簡單；以及 電動機(jī)動子不需帶拖鏈?zhǔn)诫娎|；永磁軌道安裝簡便、可靠，軌道上方磁場的強(qiáng)度高、聚磁效 果好等特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明高溫超導(dǎo)塊材磁體直線懸浮推進(jìn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1電動機(jī)動子橫截面結(jié)構(gòu)示意圖(A-A剖視圖)；
圖3為圖2的側(cè)視圖(B-B剖視圖)； 圖4為實(shí)施例1永磁軌道橫截面結(jié)構(gòu)及永磁體與聚磁用鐵磁體連接配合示意圖；
圖5為實(shí)施例2電動機(jī)動子橫截面結(jié)構(gòu)示意圖(C-C剖視圖)；
圖6為圖5的側(cè)視圖(D-D剖視圖)； 圖7為實(shí)施例2永磁軌道橫截面結(jié)構(gòu)及永磁體與聚磁用鐵磁體連接配合示意圖；
圖8為實(shí)施例3永磁軌道橫截面結(jié)構(gòu)及永磁體與聚磁用鐵磁體連接配合示意圖。
圖中1.電動機(jī)定子，2.電動機(jī)動子、2-1.低溫恒溫器、2-2.高溫超導(dǎo)塊材磁體、 2-3.限位條、2-4.高導(dǎo)磁性背鐵、2-5.液氮腔、2-6.液氮槽，3.永磁軌道、3-1.非導(dǎo)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 溫恒溫器、4-2.高溫超導(dǎo)塊材磁體，5.底座，6.聯(lián)接固定板、6-1.液氮加入孔，7.滑桿，7-1. 滑槽。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1 :直線同步電動機(jī)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中的低溫恒溫器2-1為(長X 寬X高)250X100X82mm上部敞口的箱體、箱體底部對應(yīng)于各塊材磁體2-2設(shè)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(cè)各設(shè)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(cè)邊中部各設(shè)一液氮槽2-6，高溫超導(dǎo)塊材磁 體2-2例采用傾斜設(shè)置、各磁體(長X寬X高)36X33X24mm、磁體度傾斜角亦為36.9。，橫向設(shè)4排、縱向設(shè)2列，各磁體通過脈沖充磁至場強(qiáng)1. 2T、分別置于箱體底部各卡槽內(nèi)固 定，其上高導(dǎo)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(lián)接固定板6密封固定；永磁軌道3順軌道方向采用兩 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(cè)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 體低溫恒溫器4-l(長X寬X高)250X121X68mm、高溫超導(dǎo)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(shù)同，滑桿7帶輪滑桿、滑槽7_1其槽口為縮口 以將滑輪限制在滑槽內(nèi)，從而進(jìn)一步保證直線同步電動機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。
本實(shí)施例工作頻率為10Hz、電壓幅值為50V時，直線電動機(jī)推力達(dá)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(shí)施例2:直線同步電動機(jī)定子(初級)l采用空心三相銅導(dǎo)線繞組，動子(次 級)2中的低溫恒溫器2-1 (長X寬X高)250 X 100 X 82mm、箱體底部設(shè)兩條(長X寬X 高)180 X 33 X 30mm用于嵌入各高溫超導(dǎo)塊材磁體2-2及高導(dǎo)磁性背鐵2-4的槽體、槽體兩 側(cè)壁中部亦各設(shè)一橫截面為(高X寬)12X5mm液氮槽，高溫超導(dǎo)塊材磁體2-2本實(shí)施例 采用常規(guī)水平設(shè)置、各磁體(長X寬X高)45X33X24mm、橫向亦設(shè)4排、縱向設(shè)2列、各 磁體2-2采用高場直流電磁體場冷充磁至1. 2T、各磁體與低溫恒溫器之間采用常規(guī)自鎖裝 置固定，高導(dǎo)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 配合面采用弧形結(jié)構(gòu)，即永磁體3-3左右兩側(cè)為凸弧形結(jié)構(gòu)、各聚磁用鐵磁體3-2內(nèi)側(cè)(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 余磁懸浮機(jī)構(gòu)的懸浮體4、滑桿7及其滑槽7-1等均與實(shí)施例1相同。 本實(shí)施例工作頻率為10Hz時、電壓幅值為50V時，直線電動機(jī)推力達(dá)到425. 4N，而 采用同規(guī)格場強(qiáng)為0. 4T的常規(guī)永磁體時，直線電動機(jī)推力僅45N ;本實(shí)施例電機(jī)的推力可 較之提高8倍。 實(shí)施例3 :本實(shí)施例直線同步電動機(jī)的定子1、動子2及磁懸浮機(jī)構(gòu)的懸浮體4、滑 桿7及其滑槽7-1均與實(shí)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(cè)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(cè)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 橫截面采用"T"字形結(jié)構(gòu)、兩側(cè)卡條的橫截面亦為(高X寬)2X2mm。
權(quán)利要求
一種采用高溫超導(dǎo)塊材磁體的直線懸浮推進(jìn)系統(tǒng)，包括由動子和定子組成的直線電機(jī)推進(jìn)機(jī)構(gòu)及由永磁軌道和高溫超導(dǎo)塊材磁體組成的磁懸浮機(jī)構(gòu)，設(shè)于直線電機(jī)與兩側(cè)磁懸浮機(jī)構(gòu)之間的支承桿，其特征在于直線同步電動機(jī)的次級含低溫恒溫器、沿運(yùn)動方向相對定子頂部平行或傾斜設(shè)置的高溫超導(dǎo)塊材磁體及高導(dǎo)磁性背鐵、并將其作為動子，初級采用鐵心或空心三相繞組作為定子；高溫超導(dǎo)塊材磁體設(shè)于低溫恒溫器內(nèi)腔底部并與低溫恒溫器緊固成一體、背鐵則置于高溫超導(dǎo)塊材磁體上部并通過磁力緊貼于其上表面，而永磁軌道中的聚磁用鐵磁體通過螺栓與軌道支座緊固、永磁體則采用嵌入式或卡入式與聚磁用鐵磁體固定連接。
2. 按權(quán)利要求1所述采用高溫超導(dǎo)塊材磁體的直線懸浮推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于所述沿 運(yùn)動方向相對定子頂部平行或傾斜設(shè)置的高溫超導(dǎo)塊材磁體，當(dāng)傾斜設(shè)置時、高溫超導(dǎo)塊 材磁體沿運(yùn)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恒溫器底部對應(yīng)于各塊材磁體設(shè)置相對獨(dú)立的傾斜式卡槽、各卡槽底部傾斜 角亦為15° -65° 、并在各卡槽上部兩側(cè)各設(shè)一與槽底平行的限位條及一自鎖裝置用于限 制塊材磁體垂向及沿斜槽傾斜方向的自由度、而側(cè)向自由度則由其中部帶液氮槽兩側(cè)邊限 定。
3. 按權(quán)利要求1所述采用高溫超導(dǎo)塊材磁體的直線懸浮推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于所述永 磁軌道中永磁體采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(cè)面采用正梯形斜面、與之配合的聚磁用鐵磁體則采用倒梯形斜面，或永磁體兩軸向 側(cè)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(cè)面為正階梯形、而聚磁 用鐵磁體配合面為倒階梯形。
4. 按權(quán)利要求1所述采用高溫超導(dǎo)塊材磁體的直線懸浮推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于所述設(shè) 于直線電機(jī)與兩側(cè)磁懸浮機(jī)構(gòu)之間的支承桿為滑桿或帶輪滑桿及增設(shè)于底部的滑槽。
全文摘要
該發(fā)明屬于一種采用高溫超導(dǎo)塊材磁體的直線懸浮推進(jìn)系統(tǒng)，包括初級作定子、次級采用高溫超導(dǎo)塊材磁體作動子的直線電機(jī)推進(jìn)機(jī)構(gòu)及由永磁軌道和高溫超導(dǎo)塊材磁體組成的磁懸浮機(jī)構(gòu)，滑架及其滑槽；該發(fā)明作動子的塊材磁體采用傾斜設(shè)置以減小其法向力，而永磁軌道中的永磁體則采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(jìn)系統(tǒng)推力大、速度及效率高、能耗低，不需導(dǎo)向控制裝置、運(yùn)行可靠性高，可實(shí)現(xiàn)懸浮穩(wěn)定及無摩擦懸浮推進(jìn)，控制簡單；以及電動機(jī)動子不需帶拖鏈?zhǔn)诫娎|、永磁軌道安裝簡便、可靠，軌道上方磁場的強(qiáng)度高、聚磁效果好等特點(diǎn)；克服了背景技術(shù)直線電機(jī)推力小、法向力強(qiáng)及永磁軌道安裝工藝性及運(yùn)行的穩(wěn)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(yōu)先權(quán)日2008年12月29日
發(fā)明者鄭陸海, 金建勛 申請人:電子科技大學(xué)