专利名称：高温超导旋转磁场电动式磁悬浮系统的制作方法
技术领域：
本发明属于电磁技术领域，尤其涉及高温超导旋转磁场电动式磁悬浮系统。
背景技术：
根据楞次定理，运动的磁场和变化的磁场都能够在导体中感应出电流，感应电流产生的磁场方向与源运动磁场极性相反，两磁场的相互作用力表现为斥力。根据这一原理， 各国学者提出了多种利用导体中的涡流电磁场产生的斥力实现磁悬浮的方案，称为电动式磁悬浮。其中比较具有代表性的是日本MLU超导磁悬浮交通运输系统，车载超导磁铁随列车快速运动产生运动磁场，在两侧轨道安装的“8”字线圈中感应出涡流，产生斥力性质的复原力实现电动式磁悬浮，这种磁悬浮方案能够产生较强的悬浮力，应用较为成熟，但这种悬浮方案在列车静止的情况无法产生悬浮力，只能应用于高速运动状况。为实现静止条件下的电动式磁悬浮，20世纪90年代日本九州大学藤井教授提出的立式永磁磁轮，将钕铁硼永磁材料在沿水平圆周安装于圆盘形铁轭上作为永磁盘式电机的转子，在定子绕组中通入交变电流，带动永磁转子做水平圆周运动，转子背面磁通在气隙中产生圆周运动的磁场，在铝导体感应板中感应出涡流，涡流磁场与永磁体旋转磁场共同作用产生悬浮力，实现电动式磁悬浮。该磁场相对车辆运动，能够在车辆静止时产生电动式悬浮力。此种方式虽然实现了静止条件下固有稳定的电动式磁悬浮，但如果需要磁场运动，则必须附加复杂的机械结构带动永磁体转动实现磁场的运动，使整个结构沉重，带来了巨大的机械振动和机械噪声。
发明内容
针对上述背景技术中提到现有电动式磁悬浮系统结构复杂、存在机械振动和机械噪音等不足，本发明提出了一种高温超导旋转磁场电动式磁悬浮系统。本发明的技术方案是，高温超导旋转磁场电动式磁悬浮系统，其特征是该系统包括初级铁心、初级绕组、杜瓦罐和次级铝导体板；所述初级绕组安装在初级铁心的槽内；初级铁心置于杜瓦罐的底部；次级铝导体板位于杜瓦罐的下方，并且次级铝导体板的面积大于初级铁心的面积；所述初级绕组接入三相交变电流或多相交变电流；所述杜瓦罐内装满液氮。 所述初级绕组采用多层绕组设计。所述初级铁心为环形硅钢制成。所述系统运行时，杜瓦罐和次级铝导体板之间的距离为8毫米到12毫米。所述系统的工作频率为使得初级绕组输出较高悬浮力时的最低频率。所述杜瓦罐采用不导磁的绝缘材料制成。
与现有技术相比，本发明具有以下优点采用电动式斥力磁悬浮，悬浮力随输入电流的增大和气隙长度的减小而增大，属于固有的稳定系统，不需要复杂的控制系统也能维持悬浮状态；磁场相对初级做圆周运动， 在初级静止的情况下也能够产生悬浮力，静止时不需要物理支承；不存在机械旋转机构，可以避免机械损耗，机械振动和陀螺仪效应；能够通过改变初级电流的大小和频率改变旋转磁场的幅值和转速，悬浮力控制更为便捷有效。
图1是本发明优选的一种旋转磁场电动式磁悬浮系统结构原理图；图2是本发明优选的一种旋转磁场电动式磁悬浮系统初级铁心、绕组和次级导体板的结构示意图，分别为俯视图和左视图；图3是本发明优选的一种旋转磁场电动式磁悬浮系统次级导体板叠片结构图，分别为俯视图和左视图。
具体实施例方式下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。本发明的目的是提供一种超导磁悬浮系统——高温超导旋转磁场电动式磁悬浮系统，该系统能够在不存在任何机械运动的条件下实现静止的固有稳定的电动式磁悬浮。 在初级绕组中通入交变电流，会在图1所示的悬浮气隙中产生旋转变化的磁场，这一磁场会在次级导体板内感应产生涡流磁场，气隙磁场和涡流磁场相互作用，在初级和次级之间产生斥力作为系统的悬浮力，稳定工作时，悬浮力与次级的重力相等，使次级稳定悬浮在一定的高度。当初级和次级的垂直距离接近，即悬浮气隙减小时，这一悬浮力增大，将次级推开，悬浮气隙增大时，这一悬浮力减小，使次级接近，这一悬浮力的变化趋势使初级和次级之间的垂直距离能够稳定在一个固定值附近。为了实现上述功能，本发明公开了一种高温超导旋转磁场电动式磁悬浮系统，包括径向开槽的硅钢带卷绕而成的环形初级铁心；安装在初级铁心槽内的多相初级绕组；保持超导必需的低温环境的液氮和杜瓦罐；充当悬浮系统次级的光滑扁平铝导体板。初级超导载流绕组可通入对称三相交变电流或多相交变电流，绕组形式设计应根据初级电流相数相应分布，只能够采用集中式绕组作为初级绕组，可以采用多层绕组设计。 初级绕组的极对数应尽可能少。通过改变初级电流的幅值和频率可改变系统输出的悬浮力。提高初级电流的幅值可以使悬浮力呈平方正比关系迅速增加。可根据初级绕组的设计尺寸，选择能够输出较高悬浮力的最低频率作为系统工作频率。悬浮气隙为包裹初级铁心的杜瓦罐的下表面与次级导体板之间的距离，系统工作时，初级通电产生的电磁场会对次级产生一个推斥力，这个力在次级与初级接近时增大，远离时减小，利用这个力，将次级接近初级时，即气隙减小时，将次级推开，气隙增大时拉近， 使气隙维持在1厘米左右，通常误差范围为2毫米。即图1中的悬浮气隙应根据应用场合合理设计，为保持稳定悬浮，一般要求接近或大于1厘米。开槽的初级铁心和对称放置于槽内的初级超导载流绕组完全浸入液氮中，被杜瓦罐包裹，初级铁心的下表面应尽可能接近杜瓦罐底部。杜瓦罐材料应选用无磁、绝缘材料，且杜瓦厚度在成本允许条件下应尽可能薄。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。旋转磁场电动式磁悬浮系统需要在初级绕组中通入多相对称电流产生旋转磁场。 在实际应用中，因为电网电压都是三相，所以初级绕组宜采用通入三相对称交变电流的对称三相绕组。也可以利用变流技术产生两相对称交变电流送入该悬浮系统，在初级采用两相绕组设计。参照图1示出了优选实施例的结构图。在杜瓦罐内部底部中心处固定初级铁心， 铁心开槽并放置有绕组的一侧紧贴杜瓦罐底部内壁；在杜瓦罐内部充满液氮，以维持超导所需的低温环境；杜瓦内壁大于初级铁心和绕组的空间应限制到尽量小，以减少系统初级重量；次级为光滑扁平铝导体板。参照图2示出了优选实施例的初级铁心的结构和绕组形式，初级铁心沿圆周对称在径向开6个槽；在初级铁心内对称放置三相超导载流绕组；绕组一律采用集中式初级绕组；为提高槽利用率，绕组采用双层结构；为提高极距，提高磁场运动速度，绕组采用两极结构；上下两层关于中心对称的绕组通入同一相电流，图中的三组绕组分别表示三相载流绕组，绕组通入的三相电流对称，相位相差120°，相序不做限制。其中，初级绕组中通入电流的相数最低为两相，否则无法产生圆周运动的磁场，系统产生悬浮力的能力将受到限制。输入电流相数不同时，初级绕组形式和开槽应相应更改。随着各初级绕组中通入的交变电流幅值随时间的变化，各绕组线圈产生的磁通也随之变化，则磁通的分布随时间变化在初、次级圆周上以一定速度旋转。根据电机学原理，旋转磁场的同步转速为ns = 60f/p其中ns为旋转磁场的同步转速；f为频率；ρ为初级绕组极对数。同时
YlVi = -f-2pr = 2rf
60其中Vs为旋转磁场的线速度；τ为极距，磁场的同步速度与极距成正比。参照图3，示出了优选实施例的次级结构图。次级为光滑扁平铝导体板，水平方向的结构由应用场合决定；水平方向宽度应大于等于初级铁心宽度，使初级铁心全部位于次级正上方；在次级导体板厚度大于1毫米时，应使用多个薄导体板叠片结构，降低对系统产生悬浮力无关的竖直方向涡流电流分量，提高悬浮力发生效率。本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，
5任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1.高温超导旋转磁场电动式磁悬浮系统，其特征是该系统包括初级铁心、初级绕组、杜瓦罐和次级铝导体板；所述初级绕组安装在初级铁心的槽内；初级铁心置于杜瓦罐的底部；次级铝导体板位于杜瓦罐的下方，并且次级铝导体板的面积大于初级铁心的面积；所述初级绕组接入三相交变电流或多相交变电流；所述杜瓦罐内装满液氮。
2.根据权利要求1所述的高温超导旋转磁场电动式磁悬浮系统，其特征是所述初级绕组采用多层绕组设计。
3.根据权利要求1所述的高温超导旋转磁场电动式磁悬浮系统，其特征是所述初级铁心为环形硅钢制成。
4.根据权利要求1所述的高温超导旋转磁场电动式磁悬浮系统，其特征是所述系统运行时，杜瓦罐和次级铝导体板之间的距离为8毫米到12毫米。
5.根据权利要求1所述的高温超导旋转磁场电动式磁悬浮系统，其特征是所述系统的工作频率为使得初级绕组输出较高悬浮力时的最低频率。
6.根据权利要求1所述的高温超导旋转磁场电动式磁悬浮系统，其特征是所述杜瓦罐采用不导磁的绝缘材料制成。
全文摘要
本发明公开了电磁技术领域中的一种高温超导旋转磁场电动式磁悬浮系统。本发明包括初级铁心、初级绕组、杜瓦罐和次级铝导体板；初级绕组安装在初级铁心的槽内；初级铁心置于杜瓦罐的底部；次级铝导体板位于杜瓦罐的下方，并且次级铝导体板的面积大于初级铁心的面积；初级绕组接入三相交变电流或多相交变电流；杜瓦罐内装满液氮；杜瓦罐采用无磁性的绝缘材料制成。本发明能量损耗小、结构稳定、控制简单，不存在机械旋转机构，无机械振动、噪声和陀螺仪效应，适合大气隙悬浮场合，能够实现固有稳定的静止稳定磁悬浮。
文档编号H02N15/00GK102522925SQ20111036988
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者朱熙, 李硕, 秦伟, 范瑜 申请人:北京交通大学