用于超高速磁悬浮列车的超导磁体论文和设计-周伟

全文摘要

本实用新型涉及磁悬浮和超导应用技术领域，公开了一种用于超高速磁悬浮列车的超导磁体。其中该超导磁体在超高速环境下运行，该超导磁体包括：多个超导线圈、外杜瓦、冷屏、内杜瓦、恒流开关和悬浮支撑部件，超导线圈用于产生磁场，外杜瓦与内杜瓦之间为真空状态，内杜瓦用于存储制冷介质以为超导线圈提供超低温环境，超导线圈与外杜瓦和内杜瓦连接，外杜瓦与列车车体连接，冷屏设置在外杜瓦和内杜瓦之间用于屏蔽外界高频磁场对超导线圈的干扰，悬浮支撑部件穿过冷屏与外杜瓦和内杜瓦连接以用于传递超导线圈悬浮方向的电磁力，恒流开关与超导线圈并联。由此，可以实现能产生安全可靠的磁场、悬浮力较大、能在超高速悬浮列车上安全稳定运行的超导磁体。

主设计要求

1.一种用于超高速磁悬浮列车的超导磁体，其特征在于，该超导磁体在超高速环境下运行，该超导磁体包括：多个超导线圈、外杜瓦、冷屏、内杜瓦、恒流开关和悬浮支撑部件，所述超导线圈用于产生磁场，所述外杜瓦与所述内杜瓦之间为真空状态，所述内杜瓦用于存储制冷介质以为所述超导线圈提供超低温环境，所述超导线圈与所述外杜瓦和所述内杜瓦连接，所述外杜瓦与所述列车的车体连接，所述冷屏设置在所述外杜瓦和所述内杜瓦之间用于屏蔽外界高频磁场对所述超导线圈的干扰，所述悬浮支撑部件穿过所述冷屏与所述外杜瓦和所述内杜瓦连接以用于传递超导线圈悬浮方向的电磁力，所述恒流开关与所述超导线圈并联。

设计方案

2.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，该超导磁体还包括保护电路，所述保护电路与所述超导线圈并联，用于保护所述超导线圈。

3.根据权利要求2所述的超导磁体，其特征在于，所述保护电路包括二极管，在所述超导线圈失超时，所述二极管导通对所述超导线圈进行保护。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的超导磁体，其特征在于，该超导磁体还包括线圈固定件、第一线圈和内杜瓦固定件、第二线圈和内杜瓦固定件、第一线圈固定件、第二线圈固定件和线圈支撑板，所述线圈固定件、所述第一线圈和内杜瓦固定件以及所述第二线圈和内杜瓦固定件共同用于传递预定电磁载荷并承受预定频率和预定加速度的振动，所述第一线圈固定件、所述第二线圈固定件和所述线圈支撑板共同用于传递超导线圈运动方向过载，

所述超导线圈通过线圈固定件、第一线圈和内杜瓦固定件及第二线圈和内杜瓦固定件与所述内杜瓦连接；

所述多个超导线圈之间通过第一线圈固定件、第二线圈固定件和线圈支撑板固定。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的超导磁体，其特征在于，该超导磁体还包括泄压阀，用于对内杜瓦中的气体进行排放。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的超导磁体，其特征在于，该超导磁体还包括法兰，所述法兰与所述外杜瓦连接，并通过转接口与制冷机冷头连接以对所述超导磁体进行制冷。

7.根据权利要求6所述的超导磁体，其特征在于，该超导磁体还包括低温波纹管，所述低温波纹管经由所述法兰穿过所述冷屏和所述内杜瓦直至所述内杜瓦底部，通过所述低温波纹管添加制冷介质至所述内杜瓦。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的超导磁体，其特征在于，该超导磁体还包括传感器，用于检测所述超导线圈的相关参数。

9.根据权利要求8所述的超导磁体，其特征在于，所述传感器包括以下中的至少一者：温度传感器、应变片和霍尔片。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及磁悬浮和超导应用技术领域，尤其涉及一种用于超高速磁悬浮列车的超导磁体。

背景技术

随着社会生活节奏加快，人们出行的方式由火车到高铁，人们对交通工具速度的要求越来越高。高铁300km\/h难以满足现阶段的要求，因此对更高速度的交通工具，即磁悬浮列车的需求越来越大。磁悬浮列车是基于磁悬浮原理把列车悬浮起来，通过线性驱动系统为列车提供动力。当磁悬浮列车的设计速度越高，悬浮高度越大，质量越大，那么用来产生悬浮效应的磁场就越大，因此对能产生高磁场的超导线圈需求越来越大。

目前的磁悬浮列车系统主要有以下几个：

北京S1线磁浮列车：依靠常规线圈与轨道产生悬浮力使列车浮起，运营速度仅为80km\/h；

长沙磁浮快线：依靠常规线圈与轨道产生悬浮力使列车浮起，运营速度仅为100km\/h；

上海磁悬浮列车：依靠电磁铁与轨道产生的电磁吸力使列车浮起，运营速度为430km\/h，速度相对较低；

由此可见，北京及长沙的磁悬浮列车速度都很低，而上海磁悬浮列车依靠电磁铁实现悬浮，其速度相对于超高速(600km\/h以上)而言依旧较低，且悬浮高度较小，列车俯仰振动时容易触轨，另外悬浮力较小，对车体重量限制较大且载客数量有限。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术不足，提供了一种用于超高速磁悬浮列车的超导磁体，能够解决上述现有技术中的问题。

本实用新型的技术解决方案：一种用于超高速磁悬浮列车的超导磁体，其中，该超导磁体在超高速环境下运行，该超导磁体包括：多个超导线圈、外杜瓦、冷屏、内杜瓦、恒流开关和悬浮支撑部件，所述超导线圈用于产生磁场，所述外杜瓦与所述内杜瓦之间为真空状态，所述内杜瓦用于存储制冷介质以为所述超导线圈提供超低温环境，所述超导线圈与所述外杜瓦和所述内杜瓦连接，所述外杜瓦与所述列车车体连接，所述冷屏设置在所述外杜瓦和所述内杜瓦之间用于屏蔽外界高频磁场对所述超导线圈的干扰，所述悬浮支撑部件穿过所述冷屏与所述外杜瓦和所述内杜瓦连接以用于传递超导线圈悬浮方向的电磁力，所述恒流开关与所述超导线圈并联。

优选地，该超导磁体还包括保护电路，所述保护电路与所述超导线圈并联，用于保护所述超导线圈。

优选地，所述保护电路包括二极管，在所述超导线圈失超时，所述二极管导通对所述超导线圈进行保护。

优选地，该超导磁体还包括线圈固定件、第一线圈和内杜瓦固定件、第二线圈和内杜瓦固定件、第一线圈固定件、第二线圈固定件和线圈支撑板，所述线圈固定件、所述第一线圈和内杜瓦固定件以及所述第二线圈和内杜瓦固定件共同用于传递预定电磁载荷并承受预定频率和预定加速度的振动，所述第一线圈固定件、所述第二线圈固定件和所述线圈支撑板共同用于传递超导线圈运动方向过载，

所述超导线圈通过线圈固定件、第一线圈和内杜瓦固定件及第二线圈和内杜瓦固定件与所述内杜瓦连接；

所述多个超导线圈之间通过第一线圈固定件、第二线圈固定件和线圈支撑板固定。

优选地，该超导磁体还包括泄压阀，用于对内杜瓦中的气体进行排放。

优选地，该超导磁体还包括法兰，所述法兰与所述外杜瓦连接，通过转接口与制冷机冷头连接以对所述超导磁体进行制冷。

优选地，该超导磁体还包括低温波纹管，所述低温波纹管经由所述法兰穿过所述冷屏和所述内杜瓦直至所述内杜瓦底部，并通过所述低温波纹管添加制冷介质至所述内杜瓦。

优选地，该超导磁体还包括传感器，用于检测所述超导线圈的相关参数。

优选地，所述传感器包括以下中的至少一者：温度传感器、应变片和霍尔片。

通过上述技术方案，可以设置多个超导线圈、外杜瓦、冷屏、内杜瓦、恒流开关和悬浮支撑部件，利用超导线圈提供稳定可靠的磁场，在所述外杜瓦与所述内杜瓦之间为磁体的运行提供真空环境以减小空气的热传导，从而减小制冷介质的消耗量和系统的热负载，所述内杜瓦用于存储制冷介质以为所述超导线圈提供超低温环境，所述超导线圈与所述外杜瓦和所述内杜瓦连接，所述外杜瓦与所述列车车体连接，所述冷屏设置在所述外杜瓦和所述内杜瓦之间用于屏蔽外界高频磁场对所述超导线圈的干扰，所述悬浮支撑部件穿过所述冷屏与所述外杜瓦和所述内杜瓦连接可以防止由于悬浮力过大导致内杜瓦与冷屏碰撞，所述恒流开关与所述超导线圈并联。由此，可以实现能产生安全可靠的磁场、悬浮力较大、能在超高速(即600km以上)悬浮列车上安全稳定运行的超导磁体。

附图说明

所包括的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本实用新型的实施例，并与文字描述一起来阐释本实用新型的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种用于超高速磁悬浮列车的超导磁体的正视图；

图2为本实用新型实施例提供的一种用于超高速磁悬浮列车的超导磁体的俯视图；

图3为本实用新型实施例中超导线圈基本电路连接图；

图4为本实用新型实施例中超导线圈失超后电压电流随时间变化曲线示意图。

附图标记说明

1电流引线，2外杜瓦，3悬浮支撑部件，4冷屏，5内杜瓦，6法兰，7低温波纹管，8传感器，9超导线圈，10线圈固定件，11恒流开关，12抽真空口，13泄压阀，14第一线圈和内杜瓦固定件，15第二线圈和内杜瓦固定件，16第一线圈固定件，17第二线圈固定件，18保护电路，19线圈支撑板，20航空插座，21直流电源。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本实用新型。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本实用新型。

在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型，在附图中仅仅示出了与根据本实用新型的方案密切相关的设备结构和\/或处理步骤，而省略了与本实用新型关系不大的其他细节。

图1为本实用新型实施例提供的一种用于超高速磁悬浮列车的超导磁体的正视图。

图2为本实用新型实施例提供的一种用于超高速磁悬浮列车的超导磁体的俯视图。

如图1-2所示，本实用新型实施例提供了一种用于超高速磁悬浮列车的超导磁体，其中，该超导磁体在超高速环境下运行，该超导磁体包括：多个超导线圈9、外杜瓦2、冷屏4、内杜瓦5、恒流开关(PCS)11和悬浮支撑部件3，所述超导线圈9用于产生磁场，所述外杜瓦2与所述内杜瓦5之间为真空状态，所述内杜瓦5用于存储制冷介质以为所述超导线圈9提供超低温环境，所述超导线圈9与所述外杜瓦2和所述内杜瓦5连接，所述外杜瓦2与所述列车车体连接，所述冷屏4设置在所述外杜瓦2和所述内杜瓦5之间用于屏蔽外界高频磁场对所述超导线圈9的干扰(并且，由于冷屏4处于外杜瓦2和内杜瓦5的真空层之间，还有减少热辐射漏热以及减小制冷介质的消耗量的作用)，所述悬浮支撑部件3穿过所述冷屏4与所述外杜瓦2和所述内杜瓦5连接以用于传递超导线圈悬浮方向的电磁力，所述恒流开关11与所述超导线圈9并联。

其中，所述超导线圈9在临界温度以下时，通入额定电流后就可以产生稳定可靠的磁场，进而为超高速悬浮列车提供推进力和悬浮力。

此外，超导线圈可以为跑道型形状。由此，可在满足磁场要求的同时，有效地减小空间和改善超导线圈的受力情况。

举例来讲，高温超导线圈的制冷介质可以为液氮，低温超导线圈的制冷介质可以为液氦。

根据本实用新型一种实施例，所述超导线圈9可以通过电流引线1与外部电源连接，以为超导线圈9充电励磁和退磁。

并且，所述电流引线1还与所述外杜瓦2连接。

例如，所述电流引线1与所述外杜瓦2可以为螺纹连接。

举例来讲，电流引线1的材料可以为方便导电的高电导率材料，优选为无氧铜。

根据本实用新型一种实施例，外杜瓦2外部设置有螺纹孔(未示出)，从而可以通过螺钉与螺纹孔配合实现外杜瓦2与磁悬浮列车车体连接。由此，可以实现悬浮力和推进力的传递。

举例来讲，外杜瓦2的材料可以为高强度非导磁材料，优选为高强度铝合金，316L不锈钢，钛合金等。由此，在不干扰超导线圈产生的磁场的同时可以增加外杜瓦的结构强度。

举例来讲，悬浮支撑部件3可以为悬浮支撑杆，其可以可靠固定在外杜瓦2和内杜瓦5之间，并与冷屏4螺纹穿透连接。由此，可以抵抗超导线圈的悬浮力，防止由于悬浮力过大导致内杜瓦5与冷屏4碰撞。

其中，悬浮支撑杆的材料可以为高强度、低导热、非导磁材料，例如可以采用与外杜瓦的材料相同的材料。

由于悬浮列车在超高速下载荷环境非常恶劣，因此可以采用高强度材料缓解高载荷下给超导线圈带来的应变；采用低导热材料可减低超导线圈的漏热，减少制冷介质的挥发量，降低超导线圈失超的风险；采用非导磁材料是因为导磁材料会干扰超导线圈产生的磁场，从而影响超导线圈的输出能力(即，采用非导磁材料可以避免材料本身对超导线圈的磁场的干扰)。

根据本实用新型一种实施例，冷屏4可以采用高电导率材料，优选为银，铜，高纯铝等材料。通过设置冷屏4，可以屏蔽外界高频磁场对超导线圈的影响，从而避免该影响可能导致的超导线圈交流损耗过大引发的失超。

并且，通过增加冷屏4的厚度，可有效增加所屏蔽磁场频率的范围。此外冷屏4处于外杜瓦2和内杜瓦5的真空层之间，还有减少热辐射作用。

根据本实用新型一种实施例，该超导磁体还包括保护电路18(即，失超保护电路)，所述保护电路与所述超导线圈并联，用于保护所述超导线圈。

具体地，保护电路18在超导线圈9出现失超情况时对磁体进行保护，防止磁体产生过高的电压将磁体系统绝缘材料击穿(即，防止超导线圈9发生不可逆的破坏)，同时抑制磁体局部温升过高。

根据本实用新型一种实施例，所述保护电路18可以包括二极管(如图3所示)，在所述超导线圈9失超时，所述二极管导通对所述超导线圈进行保护。

举例来讲，二极管的导通电压可选用2.5V，防止超导线圈9由于电压波形过大而误导通。

虽然图3中示出了保护电路18包括两个二极管，但其仅仅是示例性的，并非用于限定本实用新型。

根据本实用新型一种实施例，该超导磁体还可以包括线圈固定件10、第一线圈和内杜瓦固定件14、第二线圈和内杜瓦固定件15、第一线圈固定件16、第二线圈固定件17和线圈支撑板19，所述线圈固定件、所述第一线圈和内杜瓦固定件以及所述第二线圈和内杜瓦固定件共同用于传递预定电磁载荷(例如，有效传递100kN电磁载荷)并承受预定频率(例如，1000Hz)和预定加速度(例如，2.5g)的振动，所述第一线圈固定件、所述第二线圈固定件和所述线圈支撑板共同用于传递超导线圈运动方向过载(例如，可有效传递35g运动方向过载)，

由此可见，通过设置上述固定件和支撑板，可以在超过35g运动方向过载下安全稳定运行，能在超过100kN以上电磁力下安全稳定运行，能在振动频率超过1000Hz、振动均方根值超过2.5g的振动环境下安全稳定运行，该超导磁体失超后不会发生不可逆损坏，且超导线圈可重复使用。总的来讲，超导线圈内部所受电磁力均可以由高强度支撑部件可靠传递，在有限空间内实现高载荷环境、高安全裕度、低失超几率的超导磁体结构。

所述超导线圈通过线圈固定件10、第一线圈和内杜瓦固定件14及第二线圈和内杜瓦固定件15与所述内杜瓦5连接；

举例来讲，超导线圈9与内杜瓦5通过线圈固定件10、第一线圈和内杜瓦固定件14及第二线圈和内杜瓦固定件15进行可靠固定，从而实现超导线圈在复杂力学载荷下与内杜瓦5的可靠固定。线圈固定件10、第一线圈和内杜瓦固定件14及第二线圈和内杜瓦固定件15可以为螺纹杆。内杜瓦5、线圈固定件10、第一线圈和内杜瓦固定件14及第二线圈和内杜瓦固定件15的材料可以选用高强度材料，如高强度铝合金，316L不锈钢，钛合金等。

例如，超导线圈9与内杜瓦5之间可以通过6个小螺纹(线圈固定件10)和3个大螺纹(第一线圈和内杜瓦固定件14及第二线圈和内杜瓦固定件15)固定连接，保证在超高速下超导线圈与内杜瓦之间无相对位移以及抵抗电磁力引起的超导线圈变形。

所述多个超导线圈9之间通过第一线圈固定件16、第二线圈固定件17和线圈支撑板19固定。

举例来讲，当超导线圈9通入额定电流时，线圈与线圈之间的电磁力会非常大，因此通过设置超导线圈9之间的固定支撑部件(例如，第一线圈固定件16、第二线圈固定件17和线圈支撑板19)，可有效缓解超导线圈9之间的作用力，防止由于作用力过大导致线圈结构的破坏。第一线圈固定件16、第二线圈固定件17和线圈支撑板19可以采用高强度、非导磁且导热系数较低的材料，一般可选用316L不锈钢和钛合金等。

根据本实用新型一种实施例，该超导磁体还包括泄压阀13，用于对内杜瓦5中的气体进行排放。

也就是，制冷介质快速挥发时，泄压阀可以安全可靠地排出气体，确保杜瓦结构的安全。

举例来讲，当超导线圈9失超后，制冷介质将快速挥发，当内杜瓦5内压强高于一定值时，泄压阀将导通，气体可通过泄压阀13对外排放，从而可以有效地防止超导线圈9失超后造成内杜瓦5憋压。

根据本实用新型一种实施例，该超导磁体还包括法兰6，所述法兰6与所述外杜瓦2连接，并通过转接口与制冷机冷头连接以对所述超导磁体9进行制冷。

也就是，法兰是连接制冷机冷头和内杜瓦之间的部件。

举例来讲，法兰6可以通过焊接的方式设置在外杜瓦2上，法兰6通过转接口与制冷机冷头连接，对超导磁体进行制冷。

根据本实用新型一种实施例，该超导磁体还包括低温波纹管7，所述低温波纹管经7由所述法兰6穿过所述冷屏4和所述内杜瓦5直至所述内杜瓦5底部，通过所述低温波纹管7添加制冷介质至所述内杜瓦5。

举例来讲，超导线圈9冷却时可以通过低温波纹管7添加制冷介质，低温波纹管7可以由法兰6一直放置于内杜瓦5底部，穿过冷屏4和内杜瓦5。

根据本实用新型一种实施例，该超导磁体还包括传感器8，用于检测所述超导线圈的相关参数。

其中，相关参数例如可以包括超导线圈电压、温度、磁场、应变和液位。

根据本实用新型一种实施例，所述传感器8可以包括以下中的至少一者：温度传感器、应变片和霍尔片。

具体地，可以利用温度传感器测量超导线圈的表面温度，利用应变片检测超导线圈的表面应变，以及可以利用霍尔片检测超导线圈产生的磁场。

也就是，传感器8可监测超导线圈的电磁和结构性能的变化。

由此，可以实现对超导线圈的实时监控，实时获知超导线圈的状态，便于后续采取相应的操作。

根据本实用新型一种实施例，该超导磁体还可以包括抽真空口12，该抽真空口12可以与抽真空机组连接，可以对外杜瓦2和内杜瓦5之间空间进行抽真空，以为磁体的运行提供真空环境，从而可以防止内杜瓦与外界进行热交换，起绝热作用。

根据本实用新型一种实施例，该超导磁体还可以包括航空插座20，该航空插座20是传感器信号线的输出口，其与外部采集仪相连，可通过多个传感器8检测超导线圈9的电磁和结构性能。

图3为本实用新型实施例中超导线圈基本电路连接图。

在本实用新型中，超导磁体可以包括4个超导线圈9。由于4个超导线圈的电路图一致，因此图3仅为示例的目的示出了一个超导线圈的电路连接图。

对于恒流开关11来说，在超导线圈11励磁结束后，断开外部电源(例如，直流电源21)，短路恒流开关11可以与超导线圈在磁体内建立电流回路。其中，恒流开关11可以由超导材料制作，由外部加热器加热时断开，结束加热即冷却时导通。

举例来讲：

超导线圈9励磁时，恒流开关11加热，处于断开状态(加热可以由外部加热器实现，通过加热触发恒流开关断开)，直流电源21与电流引线1连接，超导线圈9供电励磁，在低温介质下正常工作的超导线圈9两端电压非常小，此时失超保护电路18未导通。

超导线圈9闭环运行时，直流电源21与电流引线1断开，恒流开关11停止加热并在低温介质下导通，此时电流会经过恒流开关11和超导线圈9，形成闭环回路。

超导线圈9退磁时，恒流开关11加热，处于断开状态，直流电源21与电流引线1相连，给超导线圈9降电流退磁，在低温介质下正常工作的超导线圈9两端电压非常小，此时失超保护电路18未导通。

图4为本实用新型实施例中超导线圈失超后电压电流随时间变化曲线示意图。

超导线圈9失超时，两端电压短时间内迅速升高，会超过失超保护电路18的二极管导通电压，导致保护二极管导通，因此电流会经过失超保护电路18和超导线圈9，形成电流回路，并对超导线圈9进行释能，保护超导线圈9。

参考图4为超导线圈失超后，超导线圈9的电压和电流随着时间的变化关系。超导线圈9失超后，电压短时间内从0增加到18.2V，远远小于超导线圈9的击穿电压，超导线圈9不会发生损坏，随后由于失超保护电路，电压会反向，最大值为-2.5V，超导线圈9不会发生损坏。超导线圈9的电流从额定电流短时间内变为0，保证超导线圈不会发生损坏。并且，从图4中可见，超导线圈9失超后，电压和电流变化整个时间不超过3s。

通过在磁悬浮列车上应用上述实施例中所述的超导磁体，可以实现磁悬浮列车安全稳定的超高速(即600km以上)运行。

从上述实施例可以看出，本实用新型所述的超导磁体能产生安全可靠的磁场，悬浮力较大，能在超高速(600km以上)悬浮列车上安全稳定运行；且本实用新型所述的超导磁体结构强度非常高，可在复杂的载荷环境下安全工作；此外，本实用新型所述的超导磁体设置有失超保护电路，可保证超导线圈失超后，不会发生损坏。

如上针对一种实施例描述和\/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和\/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。

应该强调，术语“包括\/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。

这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本实用新型的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。

本实用新型未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

设计图

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