一种磁浮超导磁体装置、车厢及车辆的制作方法

1.本发明涉及磁悬浮车辆技术领域，特别涉及一种磁浮超导磁体装置、车厢及车辆。


背景技术：

2.中国的高铁通过这十几年的建设，高铁总里程达到3万多公里，技术位于世界前列，然而受轮轨关系、弓网关系、空气动力学及能耗经济性等因素制约，采用轮轨将目前高铁300-350km/h的速度进一步提速难度极大。面对社会高速发展的进一步需求，高速磁悬浮铁路建设需求应运而生，高速磁悬浮铁路可以解决轮轨铁路存在的轮轨黏着、摩擦、振动和高速受流等问题，具有更高的提速潜力(＞600km/h)，近年来逐渐成为地面交通领域的研究热点。
3.根据已有的文献调研可知，截止目前中国、日本、德国、美国等国家在磁浮领域均有一定的技术积累，其中日本在超高速领域尤为突出，以日本东海旅客铁道株式会社(jr东海公司)为例，其长期开展超导磁悬浮列车的研究与实验，目前已具备测试时速高达590km/h的实用化高速磁浮技术，同时该技术已展开工程化建设，预计2027年将建成东京到名古屋的全超导技术路线的高速磁浮线。然而，该领域超导磁体技术几乎完全处于保密、封锁状态。国内前20年更多的将研究方向集中到常规磁悬浮技术方向，先后通过引进德国技术建成了上海磁悬浮列车运行线(430km/h)，其后又独立研制了北京s1线磁悬浮列车(80km/h)、长沙磁悬浮线磁悬浮列车(100km/h)等，可见常规磁悬浮技术列车的运行速度还是相对较低，且相关研究表明其悬浮高度小、承载低，能耗较大，运行成本较高。最近几年受社会对超高速列车需求牵引，相关研究单位及高校相继开展了超导磁悬浮列车的研制工作，相关原理性的成果有一定的报道，然而针对超导磁悬浮整套装置的技术还鲜有报道。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了一种磁浮超导磁体装置、车厢及车辆，用以解决现有技术中常规磁悬浮技术存在悬浮高度小、承载低、能耗大和运行成本高的问题。
5.一方面，本发明实施例提供了一种磁浮超导磁体装置、车厢及车辆，包括：
6.第一磁体装置，包括第一超导线圈和介质槽，第一超导线圈采用超导线材制成，且第一超导线圈设置在介质槽内部，介质槽内部灌注有冷却介质；
7.第二磁体装置，与第一磁体装置相对设置，第一磁体装置和第二磁体装置之间通过连接框架连接，第一磁体装置和第二磁体装置的结构相同。
8.另一方面，本发明实施例还提供了一种车厢，包括厢体和上述的磁浮超导磁体装置，磁浮超导磁体装置设置在厢体底部。
9.另一方面，本发明实施例还提供了一种车辆，包括上述的车厢，多个车厢依次连接。
10.本发明中的一种磁浮超导磁体装置、车厢及车辆，具有以下优点：
11.1、本发明采用超导线材作为线圈材料，利用其临界温度以下，可以无阻载流的优
势，可为磁悬浮磁通提供强大的电磁力，从而可以使悬浮高度达到100mm，极大的增加了车辆高速动态运行环境下的安全性。
12.2、本发明采用电动磁悬浮技术原理，利用车辆上的超导磁体与地面常规导体线圈之间的相对运动产生感应磁场，磁极之间同性相斥、异性相吸使车体悬浮起来。同时，本发明超导线圈又用作推进使用，极大的减小了系统的总体重量，且采用双边磁体技术，提高了车辆的悬浮及推进力的大小，也提高了悬浮系统运行稳定性。
13.3、本发明引线超导闭环开关，解决了超导磁体运行需要一直供电的问题，同时也避免了由于电源出现故障诱发磁体断电失超的风险。超导磁体系统去除电源也是该装置作为超高速发射装置使用时所必须的，这样大大减小了发射系统的质量，从而相同推进力大小的情况下，可以获得更大的加速度。
14.4、本发明提出的磁体冷却装置可以实现冷却介质零挥发，解决了装置运行过程中需要补充冷却介质的困难。
15.5、本发明提出的超导磁体失超保护方案，不仅包括避免因失超产生高压而导致超导线圈局部放电烧毁线圈的保护二极管电路；还包括采用泄压阀的保护方式，避免因磁体失超瞬间释放较大电磁能，导致冷却介质挥发、体积膨胀所导致的介质槽憋压导致的破裂的问题。
16.6、本发明直接将超导线圈的力传递到连接框架上，磁体支撑结构更合理，提高了推进力和悬浮力传递的效率，同时本发明的长悬臂杆形式的连接框架，避免了高速运动过程中刚性冲击载荷对超导线圈磁热稳定性的影响，提高了超导磁体抗冲击载荷的载荷量级，避免超导线圈的失超问题，因此提高了强冲击环境下的超导磁体的安全性、稳定性。
17.7、本发明设计了整流罩，该部件可以减小磁体系统在超高速情况下的气动阻力、噪声等影响。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
19.图1为本发明实施例提供的一种磁浮超导磁体装置整体结构示意图；
20.图2为本发明实施例提供的一种磁浮超导磁体装置的内部结构示意图；
21.图3为本发明实施例提供的第一磁体装置的结构示意图；
22.图4为本发明实施例提供的连接框架的结构示意图；
23.图5为本发明实施例提供的第一冷却装置的结构示意图；
24.图6为本发明实施例提供的第一磁体装置内部的超导线圈和相应的磁场示意图；
25.图7为本发明实施例提供的第一磁体装置和第二磁体装置内部的电气连接结构示意图。
26.附图标记说明：1-第一磁体装置，2-第二磁体装置，3-第一冷却装置，4-第二冷却装置，5-连接框架，6-第一整流罩，7-第二整流罩，8-供电电源，9-电流引线，10-闭环开关，11-保护二极管，101-第一超导线圈，102-介质槽，103-冷屏，104-真空杜瓦，105-引线接口，
106-监测接口，107-真空阀，108-法兰接口， 109-支撑杆，201-第二超导线圈，301-冷却杜瓦，302-制冷机，303-卡箍，304
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连接杆，305-冷却进液管，306-冷却排气管，307-泄压阀，308-磁体进液管，309
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磁体排气管，310-连接管，501-竖杆，502-横杆，503-加强筋，504-配合孔，505
‑ꢀ
连接法兰。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.图1-7为本发明实施例提供的一种磁浮超导磁体装置的结构示意图。本发明实施例提供了一种磁浮超导磁体装置，包括：
29.第一磁体装置1，包括第一超导线圈101和介质槽102，第一超导线圈101 采用超导线材制成，且第一超导线圈101设置在介质槽102内部，介质槽102 内部灌注有冷却介质；
30.第二磁体装置2，与第一磁体装置1相对设置，第一磁体装置1和第二磁体装置2之间通过连接框架5连接，第一磁体装置1和第二磁体装置2的结构相同。
31.示例性地，冷却介质可以使用氦气，其在设定的压力下温度低于沸点时处于液态，而在温度高于沸点时处于气态。当介质槽102内部充满液态的冷却介质时，第一超导线圈101的温度低于临界转变温度，因此处在超导状态，此时第一超导线圈101可以承受较大的电流，并产生强大的磁场，可以提升悬浮高度和承载力，同时由于超导状态下的线圈电阻为零，因此能耗得到降低，进一步降低了运行成本。
32.在一种可能的实施例中，第一磁体装置1还包括：冷屏103，设置在介质槽 102外部。
33.示例性地，冷屏103将介质槽102整体包裹在内，用于减少外部热量进入介质槽102，避免造成介质槽102内部的冷却介质蒸发，以及避免造成介质槽 102内其他部件的热负载。
34.在一种可能的实施例中，第一磁体装置1还包括：真空杜瓦104，设置在冷屏103外部，且真空杜瓦104和冷屏103之间的空间中抽真空。
35.示例性地，真空杜瓦104也将冷屏103整体包裹在内，且真空杜瓦104为密封结构，其内部的气压低于1.0
×
10-5
pa，将真空杜瓦104内部抽真空后，可进一步减少介质槽102内外的热交换，使介质槽102内部稳定处在低温状态。具体地，真空杜瓦104的外侧面上设置有真空阀107，真空阀107用于配合真空设备将真空杜瓦104内部抽真空。
36.在一种可能的实施例中，真空杜瓦104的一端设置有第一整流罩6。
37.示例性地，第二磁体装置2的一端也可以设置第二整流装置7，且第一整流装置6和第二整流装置7均设置在同一方向，该方向为第一磁体装置1和第二磁体装置2移动时的前方。在本发明的实施例中，第一整流罩6个第二整流罩7 的形状相同，均为三角形或类三角形的空心结构，其在远离真空杜瓦104的方向上宽度逐渐减小，最终形成尖端。当第一磁体装置1和第二磁体装置2高速移动时，第一整流罩6和第二整流罩7可以减小气动阻力，同时还具有减少噪音的效果。
38.在一种可能的实施例中，真空杜瓦104外侧面上还设置有引线接口105，引线接口105用于将第一超导线圈101的两端的电流引线9引出至第一磁体装置1 外部，上述电流引线9可使用高温超导线材制成。
39.示例性地，第一超导线圈101的末端被引出第一磁体装置1外部时，可以与位于第一磁体装置1外部的供电电源8连接，以通过该供电电源8向第一超导线圈101供电。在本发明的实施例中，引线接口105需要进行密封处理，以确保真空杜瓦104内部的气压稳定。
40.在一种可能的实施例中，真空杜瓦104外侧面上还设置有监测接口106，监测接口106用于将设置在第一磁体装置1内部的监测传感器的导线引出。
41.示例性地，第一磁体装置1内部设置有用于监测状态的传感器，例如温度传感器、电压传感器、应变传感器、液位计等，传感器引出的导线可通过监测接口106引出至第一磁体装置1外部，并与位于第一磁体装置1外部的监测设备连接，以对第一磁体装置1内部的状态进行实时监控。在本发明的实施例中，监测接口106也需要进行密封处理，以确保真空杜瓦104内部的气压稳定。
42.在一种可能的实施例中，第一磁体装置1和第二冷却装置2的侧面上分别设置有第一冷却装置3和第二冷却装置4，第一冷却装置3和第二冷却装置4的结构相同；第一冷却装置3包括：冷却杜瓦301；磁体进液管308，连接在冷却杜瓦301和第一介质槽102之间，用于将冷却杜瓦301内部液态的冷却介质输入第一介质槽102中；磁体排气管309，连接在冷却杜瓦301和第一介质槽102 之间，用于将第一介质槽102中气态的冷却介质输入冷却杜瓦301中；制冷机 302，设置在冷却杜瓦301的外侧面上，用于将冷却杜瓦内部气态的冷却介质降温成为液态。
43.示例性地，虽然在介质槽102外部设置了冷屏103和真空杜瓦104以减少冷却介质的蒸发，但是无法完全避免蒸发的发生。当介质槽102内部的第一超导线圈101等部件工作时，外部的热量仍能进入介质槽102内部，导致冷却介质蒸发，进而使介质槽102内部的气压增高。蒸发形成的气态冷却介质可以通过磁体排气管309返回到冷却杜瓦301中，具体来说是返回到制冷机302的低温冷凝器中，以将气态的冷却介质再次进行冷凝，形成液态的冷却介质。而液态的冷却介质可以通过磁体进液管308返回至介质槽102内部，做到了冷却介质的零挥发，实现对冷却介质的循环重复利用，进一步减少了运行成本，满足长期稳定运行的需求。
44.在本发明的实施例中，上述制冷机302为g-m制冷机。
45.在一种可能的实施例中，冷却杜瓦301底部设置有连接杆304，连接杆304 的底端连接在第一磁体装置1的外侧面上。
46.示例性地，连接杆304的两端可通过螺栓分别连接在冷却杜瓦301的底面和真空杜瓦104的顶面。
47.在一种可能的实施例中，冷却杜瓦301的外侧面上设置有冷却进液管305 和冷却排气管306，冷却进液管305用于向冷却杜瓦301内部补充液态的冷却介质；冷却进液管305用于将冷却杜瓦301内部气态的冷却介质排出。
48.示例性地，冷却介质在第一冷却装置3和第一磁体装置1之间循环流动时，难免会因为泄露导致冷却介质减少。当泄露导致的气压降低到一定值时，可以通过冷却进液管305向冷却杜瓦301中补充冷却介质。而在介质槽102中的冷却介质大量蒸发导致气压升高，且
制冷机302无法及时处理时，多余的气态冷却介质可以通过冷却排气管306排放到外部的处理设备中。
49.在一种可能的实施例中，冷却排气管306上设置有泄压阀307。
50.示例性地，当第一磁体装置1中的部件，例如第一超导线圈101、介质槽 102、冷屏103、真空杜瓦104等发生故障，导致第一超导线圈101失超时，其中蕴含的大量电磁能量会在短时间内转换为热量，导致介质槽102中的冷却介质大量蒸发。此时制冷机302和冷却排气管306无法将这些气体处理掉，为避免介质槽102因高压发生破裂，泄压阀307可以打开，以将气体快速排出到大气中。由于冷却介质采用氦气，其属于大气成分的一种，因此排放不会引起空气污染。
51.在一种可能的实施例中，冷却杜瓦301和第一磁体装置1之间设置有连接管310，连接管310设置在磁体进液管308和磁体排气管309外部，且连接管 310内部抽真空。
52.示例性地，连接管310使用波纹管，其一端和冷却杜瓦301的底面固定连接，另一端通过卡箍303连接在真空杜瓦104的顶面上。将连接管310内部抽真空后，也可以降低外界环境中的热量对磁体进液管308和磁体排气管309中冷却介质的影响。
53.在一种可能的实施例中，连接框架5包括竖杆501和横杆502，竖杆501固定连接在多个横杆502之间，横杆502的两端分别与第一磁体装置1和第二磁体装置2连接。
54.示例性地，横杆502的数量为四个，竖杆501的数量为两个，四个横杆502 相互平行且等间距依次排列开，两个竖杆501则依次连接在四个横杆502之间，且连接位置位于靠近横杆502两端的位置。横杆502和竖杆501的连接处还设置有加强筋503，以增强连接框架5的强度。
55.在一种可能的实施例中，横杆502为中空结构，其末端开设有配合孔504，且横杆502的末端设置有连接法兰505；第一磁体装置1和第二磁体装置2的侧面上均设置有支撑杆109，支撑杆109上设置有法兰接口108，支撑杆109用于插接在配合孔504中，法兰接口108用于与连接法兰505连接。
56.示例性地，法兰接口108位于支撑杆109和真空杜瓦104连接的位置。当支撑杆109穿过配合孔504完全插入横杆502内部时，连接法兰505也恰好与法兰接口108接触，此时可以使用螺栓将连接法兰505和法兰接口108连接起来，实现第一磁体装置1和连接框架5的连接。第二磁体装置2采用相同的方式与连接框架5连接后，第一磁体装置1和第二磁体装置2即可通过连接框架5 连接起来。
57.采用连接框架5将第一磁体装置1和第二磁体装置2连接后，第一磁体装置1中的第一超导线圈101即可与第二磁体装置2中的第二超导线圈201正对，而相对位置的第一超导线圈101和第二超导线圈201通过对电流方向的控制，可以实现相反的磁极，以形成强大的电磁场b。
58.在一种可能的实施例中，介质槽102内部设置有闭环开关10，闭环开关10 并联在第一超导线圈101的两端，闭环开关10使用低温超导材料制成，第一超导线圈101的两端从第一磁体装置1内部引出后与供电电源8连接。
59.示例性地，当冷却介质被冷却到临界转变温度进而进入超导状态是，首先对闭环开关10进行加热，当其温度升高到临界转变温度以上时从超导状态进入到有阻状态。此时第一超导线圈101，即图7中的coil1-4或coil5-8的短路状态被解除。供电电源8开始向第一
超导线圈101供电，当电流达到目标值后，停止对闭环开关10加热，闭环开关10逐渐降温并重新回到超导状态，将第一超导线圈101短路。此时，供电电源8输出的电流降为0，通过引线接口105将常温部件隔绝在外后，第一超导线圈101和闭环开关10即可进行闭环运行，此时第一超导线圈101产生的磁场b远高于常规导体线圈能够产生的磁场，利用第一超导线圈101和第二超导线圈201产生的磁场，配合地面推进、磁浮和导向线圈，即可实现超高速运行。
60.在一种可能的实施例中，第一超导线圈101两端还并联有保护二极管11，保护二极管11由两个反向并联的二极管组成。
61.示例性地，在第一超导线圈101因故障失超时，超导材料温度的升高使其失去超导电性产生电阻，此时电流在线圈内流通，将产生电压。如果电压过高则线圈将出现高压放电的情况，导致线圈被烧毁，出现不可逆损伤。本发明采用保护二极管11对超导线圈进行保护，限制超导线圈失超时的电压，从而避免因过压导致线圈损坏情况的发生。
62.本发明实施例还提供了一种车厢，包括厢体和上述的磁浮超导磁体装置，磁浮超导磁体装置设置在厢体底部。
63.本发明实施例还提供了一种车辆，包括上述的车厢，多个车厢依次连接。
64.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
65.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。