專利名稱：高臨界溫度超導(dǎo)體磁懸浮列車演示裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于物理教學(xué)演示儀器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及超導(dǎo)體磁懸浮演示裝置的設(shè)計。
近年來科學(xué)工作者對超導(dǎo)體的研究不斷深入，人們對高溫超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、超導(dǎo)態(tài)性質(zhì)、正常態(tài)性質(zhì)以及超導(dǎo)電性機理的研究都得到可信結(jié)果，對于高溫超導(dǎo)體在強電和弱電技術(shù)中的應(yīng)用，諸如在能源、電力、機電、交通、醫(yī)療、電子學(xué)、以及計算機等領(lǐng)域應(yīng)用的物理可行性也已得到了證明，而高質(zhì)量高溫超導(dǎo)塊材料本身在磁屏蔽、電流引線、永久磁體和磁懸浮系統(tǒng)上的應(yīng)用可能首先實現(xiàn)。能無機械接觸地高速運行的磁懸浮列車則是人們致力研究的課題之一。1977年日本采用超導(dǎo)同步線性同步電機驅(qū)動。磁懸浮和非接觸導(dǎo)向系統(tǒng)的磁懸浮列車試驗成功。1979年時速達到500km／h，原西德也有類似的試驗記錄。由于當時的超導(dǎo)材料均為第Ⅰ類超導(dǎo)體(金屬類)，所以懸浮力的產(chǎn)生是靠在機車車箱內(nèi)的LHe或制冷機將機車內(nèi)的超導(dǎo)磁體冷卻到4.2k才能產(chǎn)生，列車軌道無論是由常規(guī)磁體或超導(dǎo)磁體構(gòu)成，其費用都非常昂貴。
高臨界溫度超導(dǎo)體的出現(xiàn)，由于它具有的第Ⅱ類超導(dǎo)體的磁通釘扎效應(yīng)，使之有可能成為強磁體。省去了昂貴的超導(dǎo)線圈，和昂貴的液氦。因此使高臨界溫度超導(dǎo)體磁懸浮列車成為可能。但在融熔織構(gòu)生長法制備Y1Ba2Cu3O7－σ超導(dǎo)體材料的工藝發(fā)現(xiàn)之前；高臨界溫度超導(dǎo)體的臨界電流密度很低，實現(xiàn)磁懸浮還有困難。只是在1992年用融熔織構(gòu)生長法制備的超導(dǎo)材料在4T強磁場77K下具有大于1×104A／cm2的臨界電流密度，才使研制成本比較低廉的磁懸浮列車成為可能。
本實用新型的目的在于設(shè)計出一種采用高質(zhì)量高溫超導(dǎo)體的磁懸浮列車演示裝置，使其直觀地演示出高溫超導(dǎo)體與磁鐵的排斥(上懸浮)現(xiàn)象，吸引(倒掛懸浮)現(xiàn)象以及在外磁場作用下沿磁導(dǎo)軌無接觸地運行現(xiàn)象。用以開拓觀眾的視野，加深對超導(dǎo)電的基本性質(zhì)的理解，以及對高溫超導(dǎo)體磁懸浮列車最終實現(xiàn)以啟迪。
本實用新型設(shè)計的一種高溫超導(dǎo)體磁懸浮列車演示裝置，由超導(dǎo)體列車模型、環(huán)形磁導(dǎo)軌、加速裝置所構(gòu)成，其特征在于所說的超導(dǎo)體列車模型包括一封閉的金屬薄板制成的箱體(金屬薄板可采用抗磁或順磁很弱的金屬材料如鋁、銅等)，內(nèi)裝一高溫超導(dǎo)體塊，隔熱材料制成的填充物置于所說的超導(dǎo)體塊與箱體板之間；所說的環(huán)形磁導(dǎo)軌由并排的磁性相間的三條永磁材料制成的磁導(dǎo)軌組成(磁極按S－N－S，或N－S－N排列)，所說的加速裝置可以采用對應(yīng)放置在所說磁導(dǎo)軌兩側(cè)的兩組直線電機，所說的兩組直線電機由多對交流電勵磁的電磁鐵組成，每對電磁鐵相角差為90°。也可采用放置在磁導(dǎo)軌之上的旋轉(zhuǎn)永磁體，所說的旋轉(zhuǎn)永磁體是由鑲嵌在一由抗磁材料制成的園柱體壁上的四塊均勻分布的永磁體塊構(gòu)成，每塊磁鐵的磁極均為N極朝外或S極朝外，該園柱體與一電機相連。列車模型可置于該旋轉(zhuǎn)永磁體之下。該磁導(dǎo)軌可與一翻轉(zhuǎn)支架板固定在一起，使磁導(dǎo)軌可方便地置于支架之上或支架之下，以利演示超導(dǎo)體的上懸浮現(xiàn)象和倒掛懸浮現(xiàn)象。所說的環(huán)形磁導(dǎo)軌可以是園形或橢園形，也可是其他形狀的頭尾相接封閉的導(dǎo)軌。所說的磁導(dǎo)軌由多塊相同寬度、厚度的永磁鐵塊拼接而成，該磁導(dǎo)軌吸附在相應(yīng)形狀的環(huán)形鐵軌上，該鐵軌與一可拆御支架板固定在一起。所說超導(dǎo)體塊外還可緊密包一層金屬錫泊，以增加列車模型演示懸浮時間。
本實用新型結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉，可以方便地進行高溫超導(dǎo)體各種物理性能的直觀演示，特別是能實現(xiàn)列車模型在環(huán)形軌道下方被磁環(huán)吸引而“倒掛懸浮”運動的直觀演示。本裝置可廣泛地就用于學(xué)校的教學(xué)演示實驗中，也可作為各種科普性博物館、展覽館、科技活動中心的演示模型。
附圖簡要說明


圖1為本實用新型一種實施例總體結(jié)構(gòu)示意圖；本實用新型設(shè)計出一種高溫超導(dǎo)體磁懸浮列車演示裝置實施例，其總體結(jié)構(gòu)如
圖1所示。結(jié)合附圖對該裝置各部分結(jié)構(gòu)及工作原理詳細描述如下本實施例包括高溫超導(dǎo)體列車模型1、環(huán)形磁軌道2、環(huán)形鐵軌3、基板4及支架5、旋轉(zhuǎn)磁體加速裝置6及直線電機組7各部分。其中，高溫超導(dǎo)體列車模型為用薄鋁皮制成的封閉箱體11，箱體上蓋可開合。放于該箱體內(nèi)的高質(zhì)量高溫超導(dǎo)體12，采用具有細徽彌散y系211相的釔鋇銅氧YBa2Cu3O7－0用融熔織構(gòu)生長法制成的超導(dǎo)塊材，尺寸為φ18×10mm。這種樣品在2TESLA的磁場強度下仍有2×104A／cm2的臨界電流密度。箱體與超導(dǎo)體塊之間用聚乙烯塑料發(fā)泡材料13填充隔離，以降低室溫對超導(dǎo)體塊樣品的熱輻射，超導(dǎo)體塊還可再緊密包一層錫箔14，使演示時間進一步加長。當超導(dǎo)體塊放置好后蓋上蓋并用銅針將上蓋與箱體固定、封閉。
本實施例的環(huán)形磁軌道2由三排NdFeB永磁材料并排構(gòu)成；三排永磁材料的磁極按S－N－S排列以形成磁束縛；以使演示列車不從軌道上滑出。磁軌道的直線部分用長×寬×厚為30×10×6mm中心表磁場強度為0.4T的永磁材料，而曲線部分用稍短一些16～23mm，但寬與厚相同的永磁材料構(gòu)成，以減小拼接時磁體之間的縫隙。三排磁軌道都吸附在30mm寬，10mm厚的環(huán)形鐵軌3上，鐵軌由低碳鋼材料加工而成，表面鍍鉻。整個軌道約2米長。鐵軌放置并用螺釘固定在一基板4上，該基板與一支架5固定，并可根據(jù)演示需要，使基板翻轉(zhuǎn)(磁軌道朝下)與支架固定以便演示超導(dǎo)體列車下懸浮現(xiàn)象。
旋轉(zhuǎn)磁體6及直線電機組7均是用于推動列車模型向前運動的加速裝置。旋轉(zhuǎn)磁體加速裝置為在高分子材料制成的園柱體61壁上均勻嵌入四塊釹鐵硼NdFeB永磁體62，其磁極均為S朝內(nèi)N朝外。一直流電機63的轉(zhuǎn)軸與園柱體相連可帶動其旋轉(zhuǎn)，形成旋轉(zhuǎn)磁場。該加速裝置通過一支架64放置在磁導(dǎo)軌上方，使列車模型從該加速裝置下面通過。直線電機組加速裝置7由八對，每對相角差為90°的交流電勵磁的磁鐵組成，它們依次對應(yīng)固定放置在環(huán)形磁導(dǎo)軌直線區(qū)域內(nèi)兩側(cè)。旋轉(zhuǎn)磁體和直線電機都是利用磁場在列車模型的鋁殼上產(chǎn)生渦流，這個渦流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場將產(chǎn)生一個推動列車模型向前運動的力。當直線電機工作時，列車模型二側(cè)鋁板將產(chǎn)生感應(yīng)磁場；推動列車模型沿軌道運動；當旋轉(zhuǎn)磁體工作時，列車上蓋鋁板產(chǎn)生感應(yīng)磁場，由此產(chǎn)生切向力推動列車模型前進。而底面的鋁板也由于磁環(huán)形導(dǎo)軌產(chǎn)生磁阻而使列車行駛平穩(wěn)。
本實施例演示前需將列車模型置于液氮中冷卻。冷卻完畢可使放到環(huán)形磁軌道上的列車模型懸浮高度接點1cm，演示時間約2分鐘，列車可在磁軌道上連續(xù)不停運轉(zhuǎn)40圈。
權(quán)利要求1.一種高溫超導(dǎo)體磁懸浮列車演示裝置，由超導(dǎo)體列車模型，環(huán)形磁導(dǎo)軌，加速裝置所構(gòu)成，其特征在于所說的超導(dǎo)體列車模型包括一封閉的金屬薄板制成的箱體，該箱體內(nèi)裝一高溫超導(dǎo)體塊，隔熱材料制成填充物置于所說的超導(dǎo)體塊與箱體板之間；所說的環(huán)形磁導(dǎo)軌由并排的極性相間的三條永磁材料制成磁導(dǎo)軌組成。
2.如權(quán)利要求1所述的演示裝置，其特征在于所說的加速裝置為對應(yīng)放置在所說磁導(dǎo)軌兩側(cè)的兩組直線電機。
3.如權(quán)利要求2所述的演示裝置，其特征在于所說的兩組直線電機由多對交流電勵磁的電磁鐵組成，每對電磁鐵相角差為90°。
4.如權(quán)利要求1所述的演示裝置，其特征在于所說的加速裝置為放置在所說磁導(dǎo)軌之上的旋轉(zhuǎn)永磁體。
5.如權(quán)利要求4所述的演示裝置，其特征在于所說的旋轉(zhuǎn)永磁體是由鑲嵌在一由抗磁材料制成的園柱體壁上的四塊均勻分布的永磁體塊構(gòu)成，每塊磁鐵的磁極均為N極朝外或S極朝外，該園柱體與一電機相連。
6.如權(quán)利要求1所示的演示裝置，其特征在于所說的磁導(dǎo)軌由多塊相同寬度、厚度的永磁鐵塊拼接而成，該磁導(dǎo)軌吸附在相應(yīng)形狀的環(huán)形鐵軌上，該鐵軌與一可拆御支架板固定在一起。
7.如權(quán)利要求1、2、3、4、5或6所示的演示裝置，其特征在于所說的高溫超導(dǎo)體塊外緊包一層錫箔。
專利摘要本實用新型屬于超導(dǎo)體磁懸浮列車裝置的設(shè)計領(lǐng)域。本裝置包括封閉在一金屬箱體內(nèi)的超導(dǎo)體組成的磁懸浮列車模型，由三條極性相間的永磁材料制成的磁軌道與磁軌道吸附固定在一起的鐵軌，固定鐵軌的支架及安裝在磁軌道上的加速裝置等組成部分。本裝置可方便直觀地演示高溫磁導(dǎo)體的上、下磁懸浮現(xiàn)象及在磁場中無機械接觸地運動現(xiàn)象。本裝置可做為物理教學(xué)演示裝置，也可適用于科普性博物館、展覽館、科技活動中心等公共場合。
文檔編號G09B23/18GK2173981SQ9324415
公開日1994年8月10日 申請日期1993年11月12日 優(yōu)先權(quán)日1993年11月12日
發(fā)明者劉夢林, 方家光, 揭秋明, 郭增 申請人:清華大學(xué)