專利名稱：一種提高磁懸浮系統(tǒng)性能的方法及其磁懸浮系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高溫超導(dǎo)磁懸浮領(lǐng)域，具體來講是一種利用高溫超導(dǎo)體材料的各向異性特性來提高磁懸浮系統(tǒng)性能的方法及其磁懸浮系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
對(duì)于高溫超導(dǎo)體材料YBa2Cu3CVx(簡(jiǎn)稱=YBCO)的晶體結(jié)構(gòu)而言，其內(nèi)部有兩種Cu-O面載流子庫層Cu-O面和導(dǎo)電層Cu-O面，目前已公認(rèn)的超導(dǎo)電流主要發(fā)生在導(dǎo)電層Cu-O面上。導(dǎo)電層Cu-O面被彼此隔開，整個(gè)晶體好像由若干二維導(dǎo)電平面疊合而成，這就決定了高溫超導(dǎo)體導(dǎo)電性能的各向異性。在導(dǎo)電層Cu-O面以面)內(nèi)，導(dǎo)電率極高，在垂直于導(dǎo)電層Cu-O面的方向(c軸方向)上導(dǎo)電率則低得多。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)平行于M面的臨界電流密度是沿c軸方向臨界電流密度的3倍左右。
在目前中國、德國、俄羅斯、巴西、日本、意大利等國的高溫磁懸浮車系統(tǒng)中，高溫超導(dǎo)塊材^面均設(shè)計(jì)為平行于永磁軌道擺放，一方面充分利用了永磁軌道中間鐵磁材料聚磁極帶來的強(qiáng)磁場(chǎng)；另一方面由于塊材飽和高度的限制，面尺寸要大于c軸方向尺寸，對(duì)于同一塊塊材而言，塊材M面正對(duì)外磁場(chǎng)擺放可以鋪滿更大的磁場(chǎng)區(qū)域，從而節(jié)約塊材數(shù)量和成本。研究發(fā)現(xiàn)，基于常規(guī)的塊材設(shè)計(jì)擺放，塊材處于永磁軌道豎直分量磁場(chǎng)最大的位置時(shí)將獲得最大的懸浮力，而處于水平分量磁場(chǎng)最大的位置時(shí)將獲得最大的導(dǎo)向力。這一結(jié)果說明在實(shí)際應(yīng)用過程中可以根據(jù)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)塊材的擺放方向，以達(dá)到系統(tǒng)磁懸浮性能最優(yōu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用高溫超導(dǎo)體c軸排布提高磁懸浮系統(tǒng)性能的方法，提高其磁懸浮性能。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，構(gòu)造一種提高磁懸浮系統(tǒng)性能的方法，其特征在于
(1)提高懸浮性能將高溫超導(dǎo)塊材c軸方向與所在工作位置處的主導(dǎo)磁場(chǎng)方向平行布置，即，水平分量磁場(chǎng)主導(dǎo)的區(qū)域?qū)⒏邷爻瑢?dǎo)塊材c軸方向水平布置，豎直分量磁場(chǎng)主導(dǎo)的區(qū)域?qū)⒏邷爻瑢?dǎo)塊材c軸方向豎直布置；
(2)提高導(dǎo)向性能將高溫超導(dǎo)塊材c軸方向與所在工作位置處的主導(dǎo)磁場(chǎng)方向垂直布置，即，水平分量磁場(chǎng)主導(dǎo)的區(qū)域中將高溫超導(dǎo)塊材c軸方向豎直布置，豎直分量磁場(chǎng)主導(dǎo)的區(qū)域中將高溫超導(dǎo)塊材c軸方向水平布置。一種利用上述方法構(gòu)建的磁懸浮系統(tǒng)，其特征在于包括由永磁體及聚磁材料等構(gòu)成的軌道、固定于車體架子中的低溫容器，低溫容器內(nèi)固定有高溫超導(dǎo)塊材，高溫超導(dǎo)塊材按其c軸方向與所在工作位置處的主導(dǎo)磁場(chǎng)方向平行布置。一種利用上述方法構(gòu)建的另一磁懸浮系統(tǒng)，其特征在于包括由永磁體及聚磁材料等構(gòu)成的軌道、固定于車體架子中的低溫容器，低溫容器內(nèi)固定有高溫超導(dǎo)塊材，高溫超導(dǎo)塊材按其c軸方向與所在工作位置處的主導(dǎo)磁場(chǎng)方向垂直布置。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明中通過改變塊材c軸方向的排布來改善其磁懸浮性能，在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)實(shí)際需要(提高懸浮力還是導(dǎo)向力)和永磁軌道結(jié)構(gòu)及其磁場(chǎng)分布來設(shè)計(jì)塊材的c軸方向排布，以實(shí)現(xiàn)方案目標(biāo)。本發(fā)明不限于永磁軌道的類型及其磁場(chǎng)分布結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，適用于目前廣泛應(yīng)用的單極和多級(jí)磁場(chǎng)分布結(jié)構(gòu)。


圖Ia為對(duì)應(yīng)提高懸浮性能的高溫超導(dǎo)塊材排列示意圖，其中超導(dǎo)塊材中的細(xì)箭頭表示其c軸方向，軌道中的粗箭頭表示永磁體的磁化方向。圖Ib為對(duì)應(yīng)提高導(dǎo)向性能的高溫超導(dǎo)塊材排列示意圖，其中超導(dǎo)塊材中的細(xì)箭頭表示其C軸方向，軌道中的粗箭頭表示永磁體的磁化方向。圖2a為圖Ia對(duì)應(yīng)磁懸浮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其中超導(dǎo)塊材中的細(xì)箭頭表示其c軸、方向，軌道中的粗箭頭表示永磁體的磁化方向。圖2b為圖Ib對(duì)應(yīng)磁懸浮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其中超導(dǎo)塊材中的細(xì)箭頭表示其c軸方向，軌道中的粗箭頭表示永磁體的磁化方向。圖3為驗(yàn)證用Halbach永磁軌道結(jié)構(gòu)及磁通線分布，其中箭頭表示永磁體的磁化方向。圖4為驗(yàn)證用Halbach永磁軌道上方15 mm處磁場(chǎng)分布合磁場(chǎng)、法向和切向磁場(chǎng)分量。圖5a、b為不同c軸方向擺放的超導(dǎo)塊材與水平外磁場(chǎng)作用不意圖。圖中101、軌道，102、低溫容器，103、高溫超導(dǎo)塊材。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做出詳細(xì)說明
本發(fā)明在此提供一種提高磁懸浮系統(tǒng)性能的方法，其利用高溫超導(dǎo)體c軸排布提高磁懸浮系統(tǒng)的性能。(I)提高懸浮性能將高溫超導(dǎo)塊材c軸方向與所在工作位置處的主導(dǎo)磁場(chǎng)方向平行布置，即，水平分量磁場(chǎng)主導(dǎo)的區(qū)域?qū)⒏邷爻瑢?dǎo)塊材c軸方向水平布置，豎直分量磁場(chǎng)主導(dǎo)的區(qū)域?qū)⒏邷爻瑢?dǎo)塊材c軸方向豎直布置；
(2)提高導(dǎo)向性能將高溫超導(dǎo)塊材c軸方向與所在工作位置處的主導(dǎo)磁場(chǎng)方向垂直布置，即，水平分量磁場(chǎng)主導(dǎo)的區(qū)域中將高溫超導(dǎo)塊材c軸方向豎直布置，豎直分量磁場(chǎng)主導(dǎo)的區(qū)域中將高溫超導(dǎo)塊材c軸方向水平布置。—種利用上述方法構(gòu)建的磁懸浮系統(tǒng),如圖2a,該系統(tǒng)包括有由永磁體及聚磁材料等構(gòu)成的軌道101、固定于車體架子中的低溫容器102，低溫容器內(nèi)固定有高溫超導(dǎo)塊材103，高溫超導(dǎo)塊材103按其c軸方向與所在工作位置處的主導(dǎo)磁場(chǎng)方向平行布置。該系統(tǒng)相對(duì)于原有系統(tǒng)而言懸浮性能將得到大幅提高。一種利用上述方法構(gòu)建的另一磁懸浮系統(tǒng)，其特征在于包括有由永磁體及聚磁材料等構(gòu)成的軌道101、固定于車體架子中的低溫容器102，低溫容器內(nèi)固定有高溫超導(dǎo)塊材103，高溫超導(dǎo)塊材103按其c軸方向與所在工作位置處的主導(dǎo)磁場(chǎng)方向平行布置。該系統(tǒng)相對(duì)于原有系統(tǒng)而言導(dǎo)向性能將得到大幅提高。
在高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)中，超導(dǎo)塊材的所受的電磁力與外磁場(chǎng)的大小和梯度密切相關(guān)。其中，外磁場(chǎng)的梯度變化決定超導(dǎo)體內(nèi)部的感應(yīng)電流大小，感應(yīng)電流和外磁場(chǎng)兩者決定最終的洛侖茲力，而懸浮力和導(dǎo)向力分別對(duì)應(yīng)洛侖茲力的豎直和水平分量。因此，為了使塊材發(fā)揮出最佳的磁懸浮性能，必須根據(jù)外磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)塊材的擺放形式。圖3和4分別給出了實(shí)施例用Halbach永磁軌道的磁通線分布及距表面15mm處的磁場(chǎng)分布，從圖4可以看出在兩永磁體磁極位置處豎直磁場(chǎng)分量最大,在永磁軌道中間水平磁場(chǎng)分量最大。磁極位置處，塊材i面正對(duì)永磁軌道擺放時(shí)(塊材c軸與磁場(chǎng)方向平行)效果最佳；但在永磁軌道中間位置處，磁通線幾乎都是沿水平方向，即塊材c軸與磁場(chǎng)方向垂直，此時(shí)具有更大電流密度的^面并未與外磁場(chǎng)充分作用，如圖5所示，當(dāng)把塊材的c軸擺放方向與外磁場(chǎng)方向相同時(shí)，如圖 5(b),作用效果將更佳。為驗(yàn)證這種設(shè)計(jì)思想，對(duì)不同擺放形式的單塊塊材在不同位置處的磁懸浮性能進(jìn)行實(shí)施驗(yàn)證。為敘述方便，把豎直分量磁場(chǎng)最大的磁極處稱為波峰，軌道中心豎直磁場(chǎng)分量最小的地方稱為波谷，波谷也是水平磁場(chǎng)分量最大的地方。利用高溫超導(dǎo)磁懸浮測(cè)試裝置對(duì)波峰和波谷處水平擺放(常規(guī)形式)和豎直擺放的單塊塊材的懸浮力和導(dǎo)向力進(jìn)行測(cè)試，超導(dǎo)塊材樣品的尺寸為長(zhǎng)64mm,寬32mm,高13_ ;測(cè)試的時(shí)候塊材的長(zhǎng)度方向與軌道縱向方向平行。實(shí)施驗(yàn)證顯示當(dāng)塊材水平擺放時(shí)，波峰處懸浮力大于波谷處懸浮力；而塊材豎直擺放時(shí)，波谷處懸浮力大于波峰處懸浮力；且波谷處豎直擺放的塊材懸浮力要大于水平擺放塊材的懸浮力。實(shí)施結(jié)果說明將原波谷位置處水平擺放的塊材換成豎直擺放時(shí)是可以提高其懸浮性能。考慮到塊材水平擺放占據(jù)正對(duì)永磁軌道的寬度為32_，而豎直擺放后，此寬度變?yōu)樵瓉韷K材的高度13_(如圖5所示)，即在同樣的空間下，塊材至少可以豎直擺放2塊。根據(jù)近似疊加的原理可以推算出豎直擺放2塊塊材時(shí)的懸浮力。在波谷位置處，當(dāng)豎直擺放2塊塊材時(shí)，在測(cè)試高度IOmm處的最大懸浮力近似為104. 6NX2 = 209. 2N，遠(yuǎn)大于水平擺放的92. IN。這說明在波谷處采用豎直擺放形式，使具有更大電流密度的塊材M面與軌道切向分量磁場(chǎng)充分作用，塊材的懸浮性能還有很大的上升空間。導(dǎo)向力方面，當(dāng)塊材水平擺放時(shí)，波谷處導(dǎo)向力最大，波峰處導(dǎo)向力較?。粔K材豎直擺放時(shí)，情況相反，波峰處的導(dǎo)向力要大于波谷處的導(dǎo)向力。以上結(jié)果說明，若想提高原有磁懸浮系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，可將原波峰位置處水平擺放的塊材換成豎直擺放。在測(cè)試高度18mm、最大橫向偏移5mm處，在波峰位置處，當(dāng)塊材從水平擺放變成豎直擺放時(shí)，其最大導(dǎo)向力將從-3. 4N增加到-17. 3N。若考慮同樣寬度區(qū)域的塊材，豎直擺放時(shí)還可以近似考慮乘以系數(shù)2，此時(shí)的導(dǎo)向力提高效率將進(jìn)一步增大。表I場(chǎng)冷高度30mm時(shí)塊材在不同擺放方式和測(cè)試位置處最大懸浮力和導(dǎo)向力 表I給出典型的工作條件(場(chǎng)冷高度30_)下塊材在不同擺放方式和測(cè)試位置的最大
懸浮力和導(dǎo)向力數(shù)據(jù)，從表I中可以看出通過改變塊材c軸方向的排布來改善其磁懸浮性能的方法可行且效果顯著。波谷位置處將塊材的水平擺放變成豎直擺放之后，塊材的懸浮力將近似獲得從92. IN— 209. 2 N的提升，增大2. 27倍；而在波峰位置時(shí)豎直擺放之后，導(dǎo)向力近似獲得從3. 4 N - 34. 6 N的提高，增大10. 2倍。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)實(shí)際需求(提高懸浮力或者導(dǎo)向力)，結(jié)合永磁軌道的結(jié)構(gòu)及其磁場(chǎng)分布來設(shè)計(jì)塊材的c軸方向排布，以實(shí)現(xiàn)方案目標(biāo)。
本專利除實(shí)施例所示案例外，還包括對(duì)各類具有單極、多級(jí)磁場(chǎng)分布特征的永磁 軌道等應(yīng)用場(chǎng)合。
權(quán)利要求
1.一種提高磁懸浮系統(tǒng)性能的方法，其特征在于(I)提高懸浮性能將高溫超導(dǎo)塊材C軸方向與所在工作位置處的主導(dǎo)磁場(chǎng)方向平行布置，即，水平分量磁場(chǎng)主導(dǎo)的區(qū)域?qū)⒏邷爻瑢?dǎo)塊材C軸方向水平布置，豎直分量磁場(chǎng)主導(dǎo)的區(qū)域?qū)⒏邷爻瑢?dǎo)塊材C軸方向豎直布置；(2)提高導(dǎo)向性能將高溫超導(dǎo)塊材c軸方向與所在工作位置處的主導(dǎo)磁場(chǎng)方向垂直布置，即，水平分量磁場(chǎng)主導(dǎo)的區(qū)域中將高溫超導(dǎo)塊材c軸方向豎直布置，豎直分量磁場(chǎng)主導(dǎo)的區(qū)域中將高溫超導(dǎo)塊材c軸方向水平布置。
2.一種利用權(quán)利要求I所述方法構(gòu)建的磁懸浮系統(tǒng)，其特征在于包括由永磁體及聚磁材料等構(gòu)成的軌道(101 )、固定于車體架子中的低溫容器(102)，低溫容器內(nèi)固定有高溫超導(dǎo)塊材(103)，高溫超導(dǎo)塊材(103)按其c軸方向與所在工作位置處的主導(dǎo)磁場(chǎng)方向平行布置。
3.一種利用權(quán)利要求I所述方法構(gòu)建的磁懸浮系統(tǒng)，其特征在于包括由永磁體及聚磁材料等構(gòu)成的軌道(101 )、固定于車體架子中的低溫容器(102)，低溫容器內(nèi)固定有高溫超導(dǎo)塊材(103)，高溫超導(dǎo)塊材(103)按其c軸方向與所在工作位置處的主導(dǎo)磁場(chǎng)方向垂直布置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種提高磁懸浮系統(tǒng)性能的方法，即利用高溫超導(dǎo)體材料的各向異性特性來提高超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)的懸浮和導(dǎo)向能力，其特征在于(1)提高懸浮性能將水平分量磁場(chǎng)主導(dǎo)的區(qū)域?qū)⒏邷爻瑢?dǎo)塊材c軸方向水平布置，豎直分量磁場(chǎng)主導(dǎo)的區(qū)域?qū)⒏邷爻瑢?dǎo)塊材c軸方向豎直布置；(2)提高導(dǎo)向性能將水平分量磁場(chǎng)主導(dǎo)的區(qū)域中將高溫超導(dǎo)塊材c軸方向豎直布置，豎直分量磁場(chǎng)主導(dǎo)的區(qū)域中將高溫超導(dǎo)塊材c軸方向水平布置。本發(fā)明通過應(yīng)用外磁場(chǎng)的磁場(chǎng)分布特征來設(shè)計(jì)超導(dǎo)塊材的c軸方向排布，達(dá)到提高系統(tǒng)懸浮能力或者導(dǎo)向能力的目的，采用該方法的磁懸浮系統(tǒng)承載能力或?qū)蚰芰梢缘玫匠杀兜奶岣?，可滿足實(shí)際應(yīng)用中的重載或者曲線運(yùn)行場(chǎng)合需求。
文檔編號(hào)B60L13/04GK102717724SQ20121020889
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月25日
發(fā)明者王家素, 王素玉, 鄧自剛, 鄭珺 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)