专利名称：一种提高磁悬浮系统性能的方法及其磁悬浮系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及高温超导磁悬浮领域，具体来讲是一种利用高温超导体材料的各向异性特性来提高磁悬浮系统性能的方法及其磁悬浮系统。
背景技术：
对于高温超导体材料YBa2Cu3CVx(简称=YBCO)的晶体结构而言，其内部有两种Cu-O面载流子库层Cu-O面和导电层Cu-O面，目前已公认的超导电流主要发生在导电层Cu-O面上。导电层Cu-O面被彼此隔开，整个晶体好像由若干二维导电平面叠合而成，这就决定了高温超导体导电性能的各向异性。在导电层Cu-O面以面)内，导电率极高，在垂直于导电层Cu-O面的方向(c轴方向)上导电率则低得多。实验中发现平行于M面的临界电流密度是沿c轴方向临界电流密度的3倍左右。
在目前中国、德国、俄罗斯、巴西、日本、意大利等国的高温磁悬浮车系统中，高温超导块材^面均设计为平行于永磁轨道摆放，一方面充分利用了永磁轨道中间铁磁材料聚磁极带来的强磁场；另一方面由于块材饱和高度的限制，面尺寸要大于c轴方向尺寸，对于同一块块材而言，块材M面正对外磁场摆放可以铺满更大的磁场区域，从而节约块材数量和成本。研究发现，基于常规的块材设计摆放，块材处于永磁轨道竖直分量磁场最大的位置时将获得最大的悬浮力，而处于水平分量磁场最大的位置时将获得最大的导向力。这一结果说明在实际应用过程中可以根据磁场结构来设计块材的摆放方向，以达到系统磁悬浮性能最优。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用高温超导体c轴排布提高磁悬浮系统性能的方法，提高其磁悬浮性能。本发明是这样实现的，构造一种提高磁悬浮系统性能的方法，其特征在于
(1)提高悬浮性能将高温超导块材c轴方向与所在工作位置处的主导磁场方向平行布置，即，水平分量磁场主导的区域将高温超导块材c轴方向水平布置，竖直分量磁场主导的区域将高温超导块材c轴方向竖直布置；
(2)提高导向性能将高温超导块材c轴方向与所在工作位置处的主导磁场方向垂直布置，即，水平分量磁场主导的区域中将高温超导块材c轴方向竖直布置，竖直分量磁场主导的区域中将高温超导块材c轴方向水平布置。一种利用上述方法构建的磁悬浮系统，其特征在于包括由永磁体及聚磁材料等构成的轨道、固定于车体架子中的低温容器，低温容器内固定有高温超导块材，高温超导块材按其c轴方向与所在工作位置处的主导磁场方向平行布置。一种利用上述方法构建的另一磁悬浮系统，其特征在于包括由永磁体及聚磁材料等构成的轨道、固定于车体架子中的低温容器，低温容器内固定有高温超导块材，高温超导块材按其c轴方向与所在工作位置处的主导磁场方向垂直布置。
本发明的优点在于本发明中通过改变块材c轴方向的排布来改善其磁悬浮性能，在实际应用中，可以根据实际需要(提高悬浮力还是导向力)和永磁轨道结构及其磁场分布来设计块材的c轴方向排布，以实现方案目标。本发明不限于永磁轨道的类型及其磁场分布结构特点，适用于目前广泛应用的单极和多级磁场分布结构。
图Ia为对应提高悬浮性能的高温超导块材排列示意图，其中超导块材中的细箭头表示其c轴方向，轨道中的粗箭头表示永磁体的磁化方向。图Ib为对应提高导向性能的高温超导块材排列示意图，其中超导块材中的细箭头表示其C轴方向，轨道中的粗箭头表示永磁体的磁化方向。图2a为图Ia对应磁悬浮系统结构示意图，其中超导块材中的细箭头表示其c轴、方向，轨道中的粗箭头表示永磁体的磁化方向。图2b为图Ib对应磁悬浮系统结构示意图，其中超导块材中的细箭头表示其c轴方向，轨道中的粗箭头表示永磁体的磁化方向。图3为验证用Halbach永磁轨道结构及磁通线分布，其中箭头表示永磁体的磁化方向。图4为验证用Halbach永磁轨道上方15 mm处磁场分布合磁场、法向和切向磁场分量。图5a、b为不同c轴方向摆放的超导块材与水平外磁场作用不意图。图中101、轨道，102、低温容器，103、高温超导块材。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做出详细说明
本发明在此提供一种提高磁悬浮系统性能的方法，其利用高温超导体c轴排布提高磁悬浮系统的性能。(I)提高悬浮性能将高温超导块材c轴方向与所在工作位置处的主导磁场方向平行布置，即，水平分量磁场主导的区域将高温超导块材c轴方向水平布置，竖直分量磁场主导的区域将高温超导块材c轴方向竖直布置；
(2)提高导向性能将高温超导块材c轴方向与所在工作位置处的主导磁场方向垂直布置，即，水平分量磁场主导的区域中将高温超导块材c轴方向竖直布置，竖直分量磁场主导的区域中将高温超导块材c轴方向水平布置。—种利用上述方法构建的磁悬浮系统,如图2a,该系统包括有由永磁体及聚磁材料等构成的轨道101、固定于车体架子中的低温容器102，低温容器内固定有高温超导块材103，高温超导块材103按其c轴方向与所在工作位置处的主导磁场方向平行布置。该系统相对于原有系统而言悬浮性能将得到大幅提高。一种利用上述方法构建的另一磁悬浮系统，其特征在于包括有由永磁体及聚磁材料等构成的轨道101、固定于车体架子中的低温容器102，低温容器内固定有高温超导块材103，高温超导块材103按其c轴方向与所在工作位置处的主导磁场方向平行布置。该系统相对于原有系统而言导向性能将得到大幅提高。
在高温超导磁悬浮系统中，超导块材的所受的电磁力与外磁场的大小和梯度密切相关。其中，外磁场的梯度变化决定超导体内部的感应电流大小，感应电流和外磁场两者决定最终的洛仑兹力，而悬浮力和导向力分别对应洛仑兹力的竖直和水平分量。因此，为了使块材发挥出最佳的磁悬浮性能，必须根据外磁场结构来设计块材的摆放形式。图3和4分别给出了实施例用Halbach永磁轨道的磁通线分布及距表面15mm处的磁场分布，从图4可以看出在两永磁体磁极位置处竖直磁场分量最大,在永磁轨道中间水平磁场分量最大。磁极位置处，块材i面正对永磁轨道摆放时(块材c轴与磁场方向平行)效果最佳；但在永磁轨道中间位置处，磁通线几乎都是沿水平方向，即块材c轴与磁场方向垂直，此时具有更大电流密度的^面并未与外磁场充分作用，如图5所示，当把块材的c轴摆放方向与外磁场方向相同时，如图 5(b),作用效果将更佳。为验证这种设计思想，对不同摆放形式的单块块材在不同位置处的磁悬浮性能进行实施验证。为叙述方便，把竖直分量磁场最大的磁极处称为波峰，轨道中心竖直磁场分量最小的地方称为波谷，波谷也是水平磁场分量最大的地方。利用高温超导磁悬浮测试装置对波峰和波谷处水平摆放(常规形式)和竖直摆放的单块块材的悬浮力和导向力进行测试，超导块材样品的尺寸为长64mm,宽32mm,高13_ ;测试的时候块材的长度方向与轨道纵向方向平行。实施验证显示当块材水平摆放时，波峰处悬浮力大于波谷处悬浮力；而块材竖直摆放时，波谷处悬浮力大于波峰处悬浮力；且波谷处竖直摆放的块材悬浮力要大于水平摆放块材的悬浮力。实施结果说明将原波谷位置处水平摆放的块材换成竖直摆放时是可以提高其悬浮性能。考虑到块材水平摆放占据正对永磁轨道的宽度为32_，而竖直摆放后，此宽度变为原来块材的高度13_(如图5所示)，即在同样的空间下，块材至少可以竖直摆放2块。根据近似叠加的原理可以推算出竖直摆放2块块材时的悬浮力。在波谷位置处，当竖直摆放2块块材时，在测试高度IOmm处的最大悬浮力近似为104. 6NX2 = 209. 2N，远大于水平摆放的92. IN。这说明在波谷处采用竖直摆放形式，使具有更大电流密度的块材M面与轨道切向分量磁场充分作用，块材的悬浮性能还有很大的上升空间。导向力方面，当块材水平摆放时，波谷处导向力最大，波峰处导向力较小；块材竖直摆放时，情况相反，波峰处的导向力要大于波谷处的导向力。以上结果说明，若想提高原有磁悬浮系统的稳定性能，可将原波峰位置处水平摆放的块材换成竖直摆放。在测试高度18mm、最大横向偏移5mm处，在波峰位置处，当块材从水平摆放变成竖直摆放时，其最大导向力将从-3. 4N增加到-17. 3N。若考虑同样宽度区域的块材，竖直摆放时还可以近似考虑乘以系数2，此时的导向力提高效率将进一步增大。表I场冷高度30mm时块材在不同摆放方式和测试位置处最大悬浮力和导向力 表I给出典型的工作条件(场冷高度30_)下块材在不同摆放方式和测试位置的最大
悬浮力和导向力数据，从表I中可以看出通过改变块材c轴方向的排布来改善其磁悬浮性能的方法可行且效果显著。波谷位置处将块材的水平摆放变成竖直摆放之后，块材的悬浮力将近似获得从92. IN— 209. 2 N的提升，增大2. 27倍；而在波峰位置时竖直摆放之后，导向力近似获得从3. 4 N - 34. 6 N的提高，增大10. 2倍。因此，在实际应用中，可以根据实际需求(提高悬浮力或者导向力)，结合永磁轨道的结构及其磁场分布来设计块材的c轴方向排布，以实现方案目标。
本专利除实施例所示案例外，还包括对各类具有单极、多级磁场分布特征的永磁 轨道等应用场合。
权利要求
1.一种提高磁悬浮系统性能的方法，其特征在于(I)提高悬浮性能将高温超导块材C轴方向与所在工作位置处的主导磁场方向平行布置，即，水平分量磁场主导的区域将高温超导块材C轴方向水平布置，竖直分量磁场主导的区域将高温超导块材C轴方向竖直布置；(2)提高导向性能将高温超导块材c轴方向与所在工作位置处的主导磁场方向垂直布置，即，水平分量磁场主导的区域中将高温超导块材c轴方向竖直布置，竖直分量磁场主导的区域中将高温超导块材c轴方向水平布置。
2.一种利用权利要求I所述方法构建的磁悬浮系统，其特征在于包括由永磁体及聚磁材料等构成的轨道(101 )、固定于车体架子中的低温容器(102)，低温容器内固定有高温超导块材(103)，高温超导块材(103)按其c轴方向与所在工作位置处的主导磁场方向平行布置。
3.一种利用权利要求I所述方法构建的磁悬浮系统，其特征在于包括由永磁体及聚磁材料等构成的轨道(101 )、固定于车体架子中的低温容器(102)，低温容器内固定有高温超导块材(103)，高温超导块材(103)按其c轴方向与所在工作位置处的主导磁场方向垂直布置。
全文摘要
本发明公开了一种提高磁悬浮系统性能的方法，即利用高温超导体材料的各向异性特性来提高超导磁悬浮系统的悬浮和导向能力，其特征在于(1)提高悬浮性能将水平分量磁场主导的区域将高温超导块材c轴方向水平布置，竖直分量磁场主导的区域将高温超导块材c轴方向竖直布置；(2)提高导向性能将水平分量磁场主导的区域中将高温超导块材c轴方向竖直布置，竖直分量磁场主导的区域中将高温超导块材c轴方向水平布置。本发明通过应用外磁场的磁场分布特征来设计超导块材的c轴方向排布，达到提高系统悬浮能力或者导向能力的目的，采用该方法的磁悬浮系统承载能力或导向能力可以得到成倍的提高，可满足实际应用中的重载或者曲线运行场合需求。
文档编号B60L13/04GK102717724SQ20121020889
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月25日 优先权日2012年6月25日
发明者王家素, 王素玉, 邓自刚, 郑珺 申请人:西南交通大学