高温超导磁悬浮装置的制作方法
专利名称：高温超导磁悬浮装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁悬浮轨道交通技术领域。
背景技术：
本发明“一种高温超导磁悬浮装置”是为了提供一种安全、建造简单、高环保、和节约能源的低速磁悬浮轨道交通工具，它适用于在城市、旅游景点内部进行短距离人员或物品输运。本发明最主要的特点是采用Bi-2223/Ag或其他高温超导线材取代常规导线制作磁体来实现这一目的。
在本发明之前，磁悬浮轨道交通工具，根据磁悬浮磁体与轨道导轨之间受力的特点，可分为常导电磁吸引式和磁斥式两种方式。常导电磁吸引式(EMS)也称主动吸引式，其原理是利用悬浮体下方使用常规导线绕制的磁体并配合一个铁芯，与一条铁磁性导轨相吸引；在吸引力与悬浮体重力相平衡；在磁体铁芯与铁磁性导轨间有一固定间隙时实现悬浮体倒挂悬浮。悬浮间隙高度通常约为10mm，为了保持恒定的悬浮高度，必须配备一个传感器用以测量悬浮间隙的变化，同时加以励磁电流反馈系统来控制悬浮间隙高度以实现稳定悬浮。
常导电磁吸引式磁悬浮，其代表产品是德国FRG公司领导开发的Transrapid系列车型。1971研制的Transrapid-01型车，车重为5.8吨，在一总长660m的实验线路上达到90公里/小时的行驶速度。80年代初，FRG公司在Emsland修建了一条长31公里的闭合实验线路。车型也发展为Transrapid-06型。车体共有2节车厢，可载196位乘客，最高时速可达400公里/小时。在将近十年的试运行过程中，总共行程已达到100万公里。2001年，德国FRG公司利用这项技术，在上海浦东建造了一条30公里长的常导电磁吸引式线路并实现了首次商业运行，最高时速可达500公里/小时。另一条颇具代表性的常导电磁吸引式磁悬浮线路是由日本航空赞助研制的HSST系列。1978研制成功的HSST-01系列；在一条1.3公里的实验线路上时速达到了307.8公里。其中载人型的HSST-03系列，在一条短距离的实验线上，已实现裁人100万人次。
上述以常规导线绕制磁体的磁悬浮列车，一个共同的缺点是悬浮高度太低(约10mm)。这种不足来自常规导线的能耗限制了导线的通电流能力，导致磁体无法提供足够的与铁磁轨道的吸引力而达到提高悬浮高度的目的。导线的通电流能力差、磁悬浮列车悬浮高度低等不足带来了一系列问题由于悬浮高度低，造成对轨道基础建设上要求的提高；由于常规导线存在电阻发热，导致电磁体体积、重量大，耗能高，效率很低。另外，这一磁悬浮列车设计为高速运行，对车体、轨道和控制的要求很高，使得整个系统的结构复杂、造价很高。
基于这种磁悬浮原理，考虑到在减小磁悬浮列车制作磁体使用常规导线的能耗，美国的Grumman Cooperation公司于1992提出一种利用低温超导磁体与常规导线磁体混合使用的磁悬浮方式。其中工作在液氦温度的低温超导磁体通以直流电流以提供主要的磁悬浮力，以减少能耗。同时在磁路当中还配有两个由常规导线绕制的磁体用作磁悬浮列车的姿态调整。在这个设计中，低温超导磁体中的电流变化始终被控制在1Hz之内，这主要是因为工作在交流环境下的非理想第二类超导体会有交流损耗，由交流损耗带来的热量会引起磁体局部工作点的升温，由于低温超导材料的工作区间温度很低，局部的升温会很快引起制备低温超导磁体的超导线材局部失超，进而造成整个磁体的失超，甚至可能烧毁整个磁体。所以工作在液氦温区的低温超导磁体无法承载大于1Hz的交流电流，而一般控制信号频率约在1-1000Hz之间，也就是说，低温超导磁体无法直接工作在可控制的状态下。同时，我们还必须考虑由于附加的常规导线控制线圈产生的磁场，可能对低温超导线圈的超导性能带来的破坏作用。为了保持低温超导线圈中的电流变化频率不高于1Hz这一目的，还必须在控制线路上配以相关的电路，由此也带来线路上的复杂。由于低温设备的引入带来的造价高、稳定性差的缺点，也是低温超导磁体与常规导线磁体混合使用的磁悬浮方式所无法避免的。
与磁吸引的方式相对的还有一种悬浮电动式(EDL)也称磁斥式磁悬浮方案，悬浮电动式磁悬浮是利用一个大的低温超导磁体产生的高磁场在运动过程中在车体下方的金属导轨或线圈上产生涡流，这个涡流产生的磁场与超导磁体产生的磁场相互作用从而产生一个向上的斥力。此类悬浮方式其悬浮高度可达30cm。
磁斥式磁悬浮列车其代表产品是由Japanese National Railway在70年代初支持研发的ML-100系列，到了70年代末，ML-500型在一条7公里的实验线路上，创出513公里/小时的当时轨道列车运行最快的世界记录。1994年在东京以西128公里处建成了一条43公里长的实验线路。其中跑道型的超导线圈用低温铌钛超导线材绕制，超导线圈产生2-3T的磁场。根据Japanese National Railway计划，这条线路将来将成为东京至大阪商业运行线路的一部分。
磁斥式磁悬浮列车的缺点是低温超导线材工作在液氦温区。在运行过程中必须配备制冷机，制冷机的引入必然会增大磁体的尺寸并带来运行维护费用的增加。同时由于磁斥式磁悬浮方式没有铁磁性介质形成磁路，磁场不能被很好的约束，一部分发散磁通将会进入载人车厢内部，造成对人体的损害。因此在磁斥式磁悬浮列车实施上也须要加以磁屏蔽的装置，以防止发散磁通造成对人体的损害，这将加大磁斥式磁悬浮系统的复杂性。
除了上述两种磁悬浮方式之外，2002年3月，由我国西南交通大学使用YBCO高温超导块材在超导态下对磁通的钉扎效应，研制成功的“世纪号”高温超导磁悬浮实验车，并在“863”十五周年成果展覧会上展出。这辆高温超导磁悬浮实验车可乘坐5人，永磁导轨长15.5米，最大悬浮重量达700公斤，是迄今为止世界上悬浮重量最大的载人高温超导块材磁悬浮实验车。
高温超导块材磁悬浮车的缺点是轨道完全由永磁体铺设而成，用于轨道的基础建设费用过于高昂。而且永磁体轨道会吸附杂散在路基附近的铁磁性物质，清除这些物质增加了线路运行维护费用，而且非常困难，残留在轨道上的铁磁性物质增加了磁悬浮车运行的危险性。这种利用磁通钉扎效应形成的磁悬浮，无法实现对磁悬浮实验车悬浮高度的主动控制，也是高温超导块材磁悬浮车不能克服的缺点。
考虑到以上因素，由此我们提出了一种利用高温超导磁体提供磁动势并可承受交流变化电流的高温超导磁体，通过采用先进鲁棒控制理论的位置反馈系统，控制流过高温超导磁体的励磁电流来调整磁体与铁磁轨道间的吸引力，从而主动控制悬浮状态的一种电磁吸引式高温超导磁悬浮装置。该装置可作为一种城市及游览娱乐用的低能耗、低振动、低噪音、环保的交通运输工具。
发明内容
1.发明目的本发明的目的在于实现一种城市及游览娱乐用的低能耗、低振动、低噪音、环保的交通运输工具。
2、发明特征本发明涉及一种高温超导磁悬浮装置，该装置含有高温超导磁体、车体、导轨、位置传感器和电压控制电流源。本发明的特征在于由高温超导导线绕制成的高温超导磁体是可控的，其控制电流的交流成分的频率在0-1000Hz范围内。电压控制电流源是采用交直流叠加的方式，其输出交流电流与输入交流电压之间的相位差不大于10°，所述的电压控制电流源含有a.依次串接的运算放大器和功率放大器，其中运算放大器的输入端接直流电路的输出端，功率放大器的输出端接负载；b.比例微分运算电路，它的输入端与负载一端相连，它的输出端与运算放大器的另一个引入端相连。
高温超导磁体分别位于车体下侧的两端，它们与车体用加固件相连接，所述的高温超导磁体各含有a.铁芯；b.内装液氮的低温杜瓦，低温杜瓦上有圆柱型孔洞，圆柱状孔洞中填有铁芯，与铁芯的两臂靠近部分低温杜瓦的厚度比其四周和底部的厚度略小；c.高温超导线圈工作温度在80K以下，它由多个Bi系高温超导饼状线圈组成，套在一个公共的轴上。
铁芯可采用叠片式U型铁芯。饼状线圈是一种由单根超导线绕制成的螺线管式的线圈。各线圈之间可以用锡焊连接。高温超导线圈所用的超导线材是Bi-2223/Ag超导带材或覆膜的YBCO系列的第二代高温超导带材中的任何一种。本发明中的导轨是经导轨加固件加固的，它平行地位于车体的长度方向，与上述高温超导磁体中的铁芯的两极间有一固定的气隙，两根导轨两端的底面支撑着导轨框架。位置传感器能实时测量悬浮间隙的变化，同时加以励磁电流反馈系统来控制悬浮间隙高度以实现稳定悬浮。位置传感器是一种电涡流传感器，它经过传感器托架分别固定在上述导轨和高温超导磁体的上端面。车体可安有轮子起支撑作用，也可安装永磁体起支撑作用，也可同时使用轮子和永磁体起支撑作用，并且也可不用轮子支撑。
2.实验证明本发明具有以下优点1.本发明的高温超导磁体可以工作在交变信号下，通过控制流过高温超导磁体的励磁电流来调整磁体与铁磁轨道间的吸引力，从而主动控制磁悬浮装置的悬浮状态。与人们认知的控制流过超导磁体的励磁电流的变化频率小于1Hz；须另加常规导线磁体实现磁悬浮装置的悬浮状态控制相比，无疑大为简化了车载磁悬浮控制系统，减小了控制设备的功率和成本，还可以使磁悬浮车体的自重进一步减小。
2.本发明的高温超导磁体在交变信号下工作的频带宽度为0～1000Hz，如此宽的频带可快速实现磁悬浮装置产生微小位移时的位置调整。
3.本发明所实施的高温超导磁体线圈的特征在于当控制悬浮高度的电流变化频率小于1000Hz时，超导磁体电流和超导磁体磁场只有小于10度的磁场滞后，从而可以很好的实现高温超导线圈磁场对励磁电流变化的快速响应。控制原理的方框图如图6所示。
4.提供高温超导磁体励磁电流的电源具有很好的交流特性，它具备以下特点①在0～1000Hz范围内，交流输出电流幅值满足高温超导磁体感性负载励磁电流的要求，②在0～1000Hz范围内，输出交流电流与输入交流电压之间的相位差不大于10°，③在0～1000Hz范围内，输出交流电流与输入交流电压之间的增益波动不超过5％。电源的原理接线图如图7所示。
5.高温超导磁体的超导线圈由工作在液氮温区的高温超导导线绕制而成，线圈采用单线双并、焊锡接头、匝间绝缘、浸漆固定的方法制备。如图8所示。也可采用不需焊接的螺线管绕制方法制备。与常规铜导线绕制的电磁体相比、可极大地减少励磁线圈的能量损耗、减轻重量和减小体积。
6.车体采用框架结构，使用轻金属材料或非金属高强度材料制成，在保证结构强度的同时减低车体自重，通过采用悬挂减震使车体在运动中更加平稳。
7.为了增加高温超导磁体磁场强度，引入U型磁芯提供磁路，两个高温超导线圈放置在U型铁芯的两个竖臂上(也可以放置在横臂上)。U型铁芯与车体固定，U型铁芯的两极与导轨之间有一个间隙，这个间隙的大小也就是所需要主动控制的悬浮高度。将U型磁芯提供给磁路，将降低了发散磁通对其它车体另件和磁悬浮装置载运物体的不良影响。高温超导磁悬浮装置的位置信号可由距离、位置或压力传感器获得，有较宽的硬件可选择性。
8.绕制高温超导线圈的材料为已实现工业化生产的Bi系高温超导线材。随着科技的发展、第二代高温超导带材-Y系高温超导线材也将可应用于本发明。这将有利于降低高温超导磁悬浮装置的建造成本。
9.高温超导磁体的超导线圈采用液氮冷却。这与工作在液氦温区的低温超导磁悬浮装置相比、发明的超导磁体制冷和绝热装置简单、经济，工作稳定可靠。高温超导磁体的工作环境需要配备一个低温杜瓦。如图9所示。本发明的磁悬浮装置的低温杜瓦选用高分子材料制成，低温杜瓦上有圆柱状洞孔，U型铁芯穿过圆柱状洞孔、不与冷却介质接触。材料的选取将降低材料成本和加工难度，这种室温铁心结构也可节省超导磁体所需的制冷功率。
10.发明的超导磁悬浮车体可不用轮子支撑，也可安有轮子，也可安装永磁体起支撑作用，也可同时使用轮子和永磁体起支撑作用。在安有轮子的情况下、轮子的作用可以在超导磁体不起作用的情况下(例如停车时或者发生事故时)起支撑作用。这可降低能耗和提高安全性。
11.在安有轮子的情况下、轮子的作用也可以是在运动中承受部分压力。这可使本发明的超导磁悬浮装置更加简单易行，安全可靠。与常规的轮轨交通工具相比，本发明的有轮超导磁悬浮装置有能耗低、噪音小、振动低的优点。
图1.高温超导磁悬浮装置整体结构示意图。
图2.高温超导磁体包括内部线圈和提供低温环境的杜瓦剖面图。
图3.高温超导磁悬浮装置实施例照片。
图4.本发明实施例2的结构图。
图5.本发明实施例3的结构图。
图6.压控电流源原理方框图。
图7.压控电流源主要元件关系图。
图8.超导磁体结构示意图。
图9.低温杜瓦结构示意图。
见图1，1是高温超导磁体，2是车体，3是导轨，4是电源，5是空气间隙传感器，6是导轨框架，7是传感器托架，8是加固角钢，9是磁体与车体连接件。
见图2，10是U型铁芯，11是低温杜瓦，12是高温超导线圈。
见图5，13是车轮，14是永久磁体。
实施例实施例(1)一种高温超导磁悬浮装置实施例(1)如图(1)所示，本发明所实施的一种高温超导磁悬浮装置实施例(1)，是一台原理性实验车体，一种高温超导磁悬浮装置其特征在于高温超导磁体组件(1)与车体(2)通过磁体与车体连接件(9)连接。两侧的两个钢制导轨(3)放置在一个由角钢搭建的框架上。为了使钢制导轨变形不至于过大，我们用角钢加固件(8)与框架连接。空气间隙传感器(5)通过连接件(7)与高温超导磁体组件形成一个整体。空气间隙传感器(5)为电涡流传感器，电涡流传感器探测高温超导磁体组件(1)与钢制导轨(3)表面的相对位置，由此实时反映出铁芯磁极与铁轨下表面的距离。车体上方放置电源(4)和其它控制组件。一条电流引线连接车载电源和交流220V市电。
由U型铁芯(10)、高温超导线圈(12)、低温杜瓦(11)共同组成的磁路如图(2)所示。作为一个完整的磁路，在U型铁芯磁极上方还包括一个铁磁性导轨(3)。高温超导线圈(12)环抱在U型铁芯(10)的两臂上，并靠近杜瓦底部。U型铁芯(10)由0.23mm厚的矽钢片经过叠绕、浸漆、加固制成，使用叠片式的铁芯设计主要是考虑抑制变化的磁通给铁芯带来的涡流。U型铁芯(6)的两个磁极与铁磁性导轨之间构成空气间隙。高温超导线圈(12)与U型铁芯(10)之间通过低温杜瓦(11)隔离开。U型铁芯(10)始终处于室温工作环境。一种高温超导磁悬浮装置高温超导线圈(12)工作状态平衡电流为3.2A，该悬浮装置可在5mm的空气间隙表面产生0.21T的磁通密度，对铁磁性导轨可产生72N的垂直悬浮力。
高温超导线圈(12)由61芯的Bi-2223/Ag高温超导带材绕制而成，Bi-2223/Ag高温超导带材表面涂有绝缘漆用于实现高温超导线圈(12)绕制时匝与匝之间的绝缘，绝缘漆的厚度在10μ以下。高温超导线圈(12)由三个单线双饼绕制而成的线饼叠加而成。三个单线双饼之间没有固定的中心定位轴，固定定位轴的省略是为了缩短高温超导线圈(12)与U型铁芯(10)之间的距离，从而减小漏磁。每个线饼需要25米的Bi-2223/Ag高温超导线材，整个线圈使用75米的Bi-2223/Ag高温超导线材。三个单线双饼，饼与饼之间的连接通过普通的Sn-Pb焊料搭焊而成。它们之间的接触电阻可通过磁场衰减法得到精密测量。实验测得一个搭接长度2.6mm的焊接点，其接触电阻可以控制在50nΩ以下。线圈绕制完毕后需要经过整体浸漆工艺，形成了一个整体。
本发明所实施的高温超导线圈(12)，采用动态性能测试方法，这种方法可有效的检验出高温超导线圈内部出现的匝间短路，以及整个磁路中由于磁滞和涡流导致的磁场滞后。经过测量，该线圈激励电流与线圈激励电流形成的线圈中心点磁场之间相位差小于5°。
低温杜瓦(11)的设计的主要出发点是减少涡流损耗，为此，低温杜瓦(11)的所有部分都使用非金属材料。通过泡沫塑料在一个模具中发泡，我们可以一次成型得到低温杜瓦，低温杜瓦(11)如图(2)所示，它的特点是价格经济，重量轻，无涡流并且制作工艺简单。与U-型铁芯两臂靠近部分低温杜瓦(11)的厚度比其四周和底部的厚度略小，这种设计与无固定轴的设计一致，都是为了尽可能的缩短高温超导线圈(12)与U型铁芯(10)之间的距离，从而减少漏磁，提高工作效率。该低温杜瓦(11)可以盛装液氮1.1L，工作在高温超导线圈(12)平衡电流3.2A时，可维持高温超导线圈(12)工作在超导状态至少1.5小时。
一种高温超导磁悬浮装置的驱动、停止和速度控制，可以利用磁悬浮装置上的驱动线圈与轨道上的耦合线圈相互作用实现；也可以采用直接在轨道上设置直线电机的方法实现。一种高温超导磁悬浮装置实施例(1)的驱动装置其特征在于驱动装置为12对驱动线圈，每相临两对驱动线圈驱动电流相位差为120度，利用在本发明所实施的，高温超导磁悬浮装置车体封闭金属板上产生的感生电流产生的反作用力，实施高温超导磁悬浮装置的驱动与控制。
实施例(2)一种高温超导磁悬浮装置实施例(1)如图(1)所示，本发明所实施的一种高温超导磁悬浮装置实施例(1)，是一台原理性实验车体，一种高温超导磁悬浮装置其特征在于高温超导磁体组件(1)与车体(2)通过磁体与车体连接件(9)连接。两侧的两个钢制导轨(3)放置在一个由角钢搭建的框架上。为了使钢制导轨变形不至于过大，我们用角钢加固件(8)与框架连接。空气间隙传感器(5)通过连接件(7)与高温超导磁体组件形成一个整体。空气间隙传感器(5)为电涡流传感器，电涡流传感器探测高温超导磁体组件(1)与钢制导轨(3)表面的相对位置，由此实时反映出铁芯磁极与铁轨下表面的距离。车体上方放置电源(4)和其它控制组件。一条电流引线连接车载电源和交流220V市电。
由U型铁芯(10)、高温超导线圈(12)、低温杜瓦(11)共同组成的磁路如图(2)所示。作为一个完整的磁路，在U型铁芯磁极上方还包括一个铁磁性导轨(3)。高温超导线圈(12)环抱在U型铁芯(10)的两臂上，并靠近杜瓦底部。U型铁芯(10)由0.23mm厚的矽钢片经过叠绕、浸漆、加固制成，使用叠片式的铁芯设计主要是考虑抑制变化的磁通给铁芯带来的涡流。U型铁芯(6)的两个磁极与铁磁性导轨之间构成空气间隙。高温超导线圈(12)与U型铁芯(10)之间通过低温杜瓦(11)隔离开。U型铁芯(10)始终处于室温工作环境。一种高温超导磁悬浮装置高温超导线圈(12)工作状态平衡电流为3.2A，该悬浮装置可在5mm的空气间隙表面产生0.21T的磁通密度，对铁磁性导轨可产生72N的垂直悬浮力。
高温超导线圈(12)由61芯的Bi-2223/Ag高温超导带材绕制而成，Bi-2223/Ag高温超导带材表面涂有绝缘漆用于实现高温超导线圈(12)绕制时匝与匝之间的绝缘，绝缘漆的厚度在10μ以下。高温超导线圈(12)由三个单线双饼绕制而成的线饼叠加而成。三个单线双饼之间没有固定的中心定位轴，固定定位轴的省略是为了缩短高温超导线圈(12)与U型铁芯(10)之间的距离，从而减小漏磁。每个线饼需要25米的Bi-2223/Ag高温超导线材，整个线圈使用75米的Bi-2223/Ag高温超导线材。三个单线双饼，饼与饼之间的连接通过普通的Sn-Pb焊料搭焊而成。它们之间的接触电阻可通过磁场衰减法得到精密测量。实验测得一个搭接长度2.6mm的焊接点，其接触电阻可以控制在50nΩ以下。线圈绕制完毕后需要经过整体浸漆工艺，形成了一个整体。
本发明所实施的高温超导线圈(12)，采用动态性能测试方法，这种方法可有效的检验出高温超导线圈内部出现的匝间短路，以及整个磁路中由于磁滞和涡流导致的磁场滞后。经过测量，该线圈激励电流与线圈激励电流形成的线圈中心点磁场之间相位差小于5°。
低温杜瓦(11)的设计的主要出发点是减少涡流损耗，为此，低温杜瓦(11)的所有部分都使用非金属材料。通过泡沫塑料在一个模具中发泡，我们可以一次成型得到低温杜瓦，低温杜瓦(11)如图(2)所示，它的特点是价格经济，重量轻，无涡流并且制作工艺简单。与U-型铁芯两臂靠近部分低温杜瓦(11)的厚度比其四周和底部的厚度略小，这种设计与无固定轴的设计一致，都是为了尽可能的缩短高温超导线圈(12)与U型铁芯(10)之间的距离，从而减少漏磁，提高工作效率。该低温杜瓦(11)可以盛装液氮1.1L，工作在高温超导线圈(12)平衡电流3.2A时，可维持高温超导线圈(12)工作在超导状态至少1.5小时。
一种高温超导磁悬浮装置实施例(2)主要的特点是通过车轮的支撑力与电磁铁的吸引力共同承担车体的重量。其中车厢(1)的重量由车轮(13)与铁轨(3)的接触支撑力和超导磁体(1)与钢轨(3)的电磁吸引力共同承担。在车辆静止或者超导磁铁发生故障的情况下，车轮(13)将承担车体的所有重量。一种高温超导磁悬浮装置实施例(2)提高了高温超导磁悬浮系统的安全性，降低了高温超导磁体与钢制导轨之间气隙间隔自动控制可靠性的要求。车轮(13)可以是铁制也可以由橡胶制成。
一种高温超导磁悬浮装置的驱动、停止和速度控制，可以利用磁悬浮装置上的驱动线圈与轨道上的耦合线圈相互作用实现；也可以采用直接在轨道上设置直线电机的方法实现。一种高温超导磁悬浮装置实施例(2)的驱动装置其特征在于驱动装置为12对驱动线圈，每相临两对驱动线圈驱动电流相位差为120度，利用在本发明所实施的，高温超导磁悬浮装置车体封闭金属板上产生的感生电流产生的反作用力，实施高温超导磁悬浮装置的驱动与控制。
实施例(3)一种高温超导磁悬浮装置实例(3)如图(5)所示。在实施例(2)的基础上，我们添加了永磁体(14)，作为第三种可提供垂直方向悬浮力的手段。永磁体可以作为U型铁芯的一部分，整合在一个磁路当中，也可以作为单独磁路使用。
相对于高速磁悬浮列车来讲、本发明的超导磁悬浮装置特点之一是车体在低速下运行；适用于短距离城市交通、游览娱乐的低能耗、低振动、低噪音、高环保的交通运输工具，由此将带来该超导磁悬浮装置对技术和基础建设费用的大幅度降低。
权利要求
1.一种高温超导磁悬浮装置，该装置含有高温超导磁体、车体、导轨、位置传感器和电压控制电流源，其特征在于由高温超导导线绕制成的高温超导磁体是可控的，其控制电流的交流成分的频率在0-1000Hz范围内。
2.根据权利要求1所述的高温超导磁悬浮装置，其特征在于电压控制电流源是采用交直流叠加的方式，其输出交流电流与输入交流电压之间的相位差不大于10°，所述的电压控制电流源含有a.依次串接的运算放大器和功率放大器，其中运算放大器的输入端接直流电路的输出端，功率放大器的输出端接负载；b.比例微分运算电路，它的输入端与负载一端相连，它的输出端与运算放大器的另一个引入端相连。
3.根据权利要求1所述的高温超导磁悬浮装置，其特征在于高温超导磁体分别位于车体下侧的两端，它们与车体用加固件相连接，所述的高温超导磁体各含有a.铁芯；b.内装液氮的低温杜瓦，低温杜瓦上有圆柱型孔洞，圆柱状孔洞中填有铁芯，与铁芯的两臂靠近部分低温杜瓦的厚度比其四周和底部的厚度略小；c.高温超导线圈工作温度在80K以下，它由多个Bi系高温超导饼状线圈组成，套在一个公共的轴上。
4.根据权利要求3所述的高温超导磁悬浮装置，其特征在于采用叠片式U型铁芯。
5.根据权利要求3所述的高温超导磁悬浮装置，其特征在于所述饼状线圈是一种由单根超导线绕制成的螺线管式的线圈。
6.根据权利要求3所述的高温超导磁悬浮装置，其特征在于各线圈之间以锡焊连接。
7.根据权利要求3所述的高温超导磁悬浮装置，其特征在于所述高温超导线圈所用的超导线材是Bi-2223/Ag超导带材或覆膜的YBCO系列的第二代高温超导带材中的任何一种。
8.根据权利要求1所述的高温超导磁悬浮装置，其特征在于导轨，它是经导轨加固件加固的，它平行地位于车体的长度方向，与上述高温超导磁体中的铁芯的两极间有一固定的气隙，所述两根导轨两端的底面支撑着导轨框架。
9.根据权利要求1所述的高温超导磁悬浮装置，其特征在于位置传感器能实时测量悬浮间隙的变化，同时加以励磁电流反馈系统来控制悬浮间隙高度以实现稳定悬浮。位置传感器是一种电涡流传感器，它经过传感器托架分别固定在上述导轨和高温超导磁体的上端面。
10.根据权利要求1所述的高温超导磁悬浮装置，其特征在于车体可安有轮子起支撑作用，也可安装永磁体起支撑作用，也可同时使用轮子和永磁体起支撑作用，并且也可不用轮子支撑。
全文摘要
高温超导磁悬浮装置属于低速磁悬浮轨道交通技术领域，其特征在于它由高温超导磁体、位置传感器、交直流叠加式且输出电流的频率在0－1000Hz间的压控电流源、车体和铁磁导轨构成，高温超导磁体的超导线圈由Bi－2223/Ag高温超导导线绕制而成，它利用高温超导磁体与铁磁轨道间的吸引力，抵消或部分抵消车体的压力。它是一种适用于短距离城市交通、低能耗、低速、低振动、低噪音、高环保的交通运输工具上使用的高温超导磁悬浮装置。
文档编号B60L13/04GK1569511SQ20041000908
公开日2005年1月26日 申请日期2004年5月12日 优先权日2004年5月12日
发明者韩征和, 周彤, 尹文生, 宗军, 顾晨, 刘梦林, 刘树立 申请人:清华大学, 北京英纳超导技术有限公司
技术领域：
本发明涉及磁悬浮轨道交通技术领域。
背景技术：
本发明“一种高温超导磁悬浮装置”是为了提供一种安全、建造简单、高环保、和节约能源的低速磁悬浮轨道交通工具，它适用于在城市、旅游景点内部进行短距离人员或物品输运。本发明最主要的特点是采用Bi-2223/Ag或其他高温超导线材取代常规导线制作磁体来实现这一目的。
在本发明之前，磁悬浮轨道交通工具，根据磁悬浮磁体与轨道导轨之间受力的特点，可分为常导电磁吸引式和磁斥式两种方式。常导电磁吸引式(EMS)也称主动吸引式，其原理是利用悬浮体下方使用常规导线绕制的磁体并配合一个铁芯，与一条铁磁性导轨相吸引；在吸引力与悬浮体重力相平衡；在磁体铁芯与铁磁性导轨间有一固定间隙时实现悬浮体倒挂悬浮。悬浮间隙高度通常约为10mm，为了保持恒定的悬浮高度，必须配备一个传感器用以测量悬浮间隙的变化，同时加以励磁电流反馈系统来控制悬浮间隙高度以实现稳定悬浮。
常导电磁吸引式磁悬浮，其代表产品是德国FRG公司领导开发的Transrapid系列车型。1971研制的Transrapid-01型车，车重为5.8吨，在一总长660m的实验线路上达到90公里/小时的行驶速度。80年代初，FRG公司在Emsland修建了一条长31公里的闭合实验线路。车型也发展为Transrapid-06型。车体共有2节车厢，可载196位乘客，最高时速可达400公里/小时。在将近十年的试运行过程中，总共行程已达到100万公里。2001年，德国FRG公司利用这项技术，在上海浦东建造了一条30公里长的常导电磁吸引式线路并实现了首次商业运行，最高时速可达500公里/小时。另一条颇具代表性的常导电磁吸引式磁悬浮线路是由日本航空赞助研制的HSST系列。1978研制成功的HSST-01系列；在一条1.3公里的实验线路上时速达到了307.8公里。其中载人型的HSST-03系列，在一条短距离的实验线上，已实现裁人100万人次。
上述以常规导线绕制磁体的磁悬浮列车，一个共同的缺点是悬浮高度太低(约10mm)。这种不足来自常规导线的能耗限制了导线的通电流能力，导致磁体无法提供足够的与铁磁轨道的吸引力而达到提高悬浮高度的目的。导线的通电流能力差、磁悬浮列车悬浮高度低等不足带来了一系列问题由于悬浮高度低，造成对轨道基础建设上要求的提高；由于常规导线存在电阻发热，导致电磁体体积、重量大，耗能高，效率很低。另外，这一磁悬浮列车设计为高速运行，对车体、轨道和控制的要求很高，使得整个系统的结构复杂、造价很高。
基于这种磁悬浮原理，考虑到在减小磁悬浮列车制作磁体使用常规导线的能耗，美国的Grumman Cooperation公司于1992提出一种利用低温超导磁体与常规导线磁体混合使用的磁悬浮方式。其中工作在液氦温度的低温超导磁体通以直流电流以提供主要的磁悬浮力，以减少能耗。同时在磁路当中还配有两个由常规导线绕制的磁体用作磁悬浮列车的姿态调整。在这个设计中，低温超导磁体中的电流变化始终被控制在1Hz之内，这主要是因为工作在交流环境下的非理想第二类超导体会有交流损耗，由交流损耗带来的热量会引起磁体局部工作点的升温，由于低温超导材料的工作区间温度很低，局部的升温会很快引起制备低温超导磁体的超导线材局部失超，进而造成整个磁体的失超，甚至可能烧毁整个磁体。所以工作在液氦温区的低温超导磁体无法承载大于1Hz的交流电流，而一般控制信号频率约在1-1000Hz之间，也就是说，低温超导磁体无法直接工作在可控制的状态下。同时，我们还必须考虑由于附加的常规导线控制线圈产生的磁场，可能对低温超导线圈的超导性能带来的破坏作用。为了保持低温超导线圈中的电流变化频率不高于1Hz这一目的，还必须在控制线路上配以相关的电路，由此也带来线路上的复杂。由于低温设备的引入带来的造价高、稳定性差的缺点，也是低温超导磁体与常规导线磁体混合使用的磁悬浮方式所无法避免的。
与磁吸引的方式相对的还有一种悬浮电动式(EDL)也称磁斥式磁悬浮方案，悬浮电动式磁悬浮是利用一个大的低温超导磁体产生的高磁场在运动过程中在车体下方的金属导轨或线圈上产生涡流，这个涡流产生的磁场与超导磁体产生的磁场相互作用从而产生一个向上的斥力。此类悬浮方式其悬浮高度可达30cm。
磁斥式磁悬浮列车其代表产品是由Japanese National Railway在70年代初支持研发的ML-100系列，到了70年代末，ML-500型在一条7公里的实验线路上，创出513公里/小时的当时轨道列车运行最快的世界记录。1994年在东京以西128公里处建成了一条43公里长的实验线路。其中跑道型的超导线圈用低温铌钛超导线材绕制，超导线圈产生2-3T的磁场。根据Japanese National Railway计划，这条线路将来将成为东京至大阪商业运行线路的一部分。
磁斥式磁悬浮列车的缺点是低温超导线材工作在液氦温区。在运行过程中必须配备制冷机，制冷机的引入必然会增大磁体的尺寸并带来运行维护费用的增加。同时由于磁斥式磁悬浮方式没有铁磁性介质形成磁路，磁场不能被很好的约束，一部分发散磁通将会进入载人车厢内部，造成对人体的损害。因此在磁斥式磁悬浮列车实施上也须要加以磁屏蔽的装置，以防止发散磁通造成对人体的损害，这将加大磁斥式磁悬浮系统的复杂性。
除了上述两种磁悬浮方式之外，2002年3月，由我国西南交通大学使用YBCO高温超导块材在超导态下对磁通的钉扎效应，研制成功的“世纪号”高温超导磁悬浮实验车，并在“863”十五周年成果展覧会上展出。这辆高温超导磁悬浮实验车可乘坐5人，永磁导轨长15.5米，最大悬浮重量达700公斤，是迄今为止世界上悬浮重量最大的载人高温超导块材磁悬浮实验车。
高温超导块材磁悬浮车的缺点是轨道完全由永磁体铺设而成，用于轨道的基础建设费用过于高昂。而且永磁体轨道会吸附杂散在路基附近的铁磁性物质，清除这些物质增加了线路运行维护费用，而且非常困难，残留在轨道上的铁磁性物质增加了磁悬浮车运行的危险性。这种利用磁通钉扎效应形成的磁悬浮，无法实现对磁悬浮实验车悬浮高度的主动控制，也是高温超导块材磁悬浮车不能克服的缺点。
考虑到以上因素，由此我们提出了一种利用高温超导磁体提供磁动势并可承受交流变化电流的高温超导磁体，通过采用先进鲁棒控制理论的位置反馈系统，控制流过高温超导磁体的励磁电流来调整磁体与铁磁轨道间的吸引力，从而主动控制悬浮状态的一种电磁吸引式高温超导磁悬浮装置。该装置可作为一种城市及游览娱乐用的低能耗、低振动、低噪音、环保的交通运输工具。
发明内容
1.发明目的本发明的目的在于实现一种城市及游览娱乐用的低能耗、低振动、低噪音、环保的交通运输工具。
2、发明特征本发明涉及一种高温超导磁悬浮装置，该装置含有高温超导磁体、车体、导轨、位置传感器和电压控制电流源。本发明的特征在于由高温超导导线绕制成的高温超导磁体是可控的，其控制电流的交流成分的频率在0-1000Hz范围内。电压控制电流源是采用交直流叠加的方式，其输出交流电流与输入交流电压之间的相位差不大于10°，所述的电压控制电流源含有a.依次串接的运算放大器和功率放大器，其中运算放大器的输入端接直流电路的输出端，功率放大器的输出端接负载；b.比例微分运算电路，它的输入端与负载一端相连，它的输出端与运算放大器的另一个引入端相连。
高温超导磁体分别位于车体下侧的两端，它们与车体用加固件相连接，所述的高温超导磁体各含有a.铁芯；b.内装液氮的低温杜瓦，低温杜瓦上有圆柱型孔洞，圆柱状孔洞中填有铁芯，与铁芯的两臂靠近部分低温杜瓦的厚度比其四周和底部的厚度略小；c.高温超导线圈工作温度在80K以下，它由多个Bi系高温超导饼状线圈组成，套在一个公共的轴上。
铁芯可采用叠片式U型铁芯。饼状线圈是一种由单根超导线绕制成的螺线管式的线圈。各线圈之间可以用锡焊连接。高温超导线圈所用的超导线材是Bi-2223/Ag超导带材或覆膜的YBCO系列的第二代高温超导带材中的任何一种。本发明中的导轨是经导轨加固件加固的，它平行地位于车体的长度方向，与上述高温超导磁体中的铁芯的两极间有一固定的气隙，两根导轨两端的底面支撑着导轨框架。位置传感器能实时测量悬浮间隙的变化，同时加以励磁电流反馈系统来控制悬浮间隙高度以实现稳定悬浮。位置传感器是一种电涡流传感器，它经过传感器托架分别固定在上述导轨和高温超导磁体的上端面。车体可安有轮子起支撑作用，也可安装永磁体起支撑作用，也可同时使用轮子和永磁体起支撑作用，并且也可不用轮子支撑。
2.实验证明本发明具有以下优点1.本发明的高温超导磁体可以工作在交变信号下，通过控制流过高温超导磁体的励磁电流来调整磁体与铁磁轨道间的吸引力，从而主动控制磁悬浮装置的悬浮状态。与人们认知的控制流过超导磁体的励磁电流的变化频率小于1Hz；须另加常规导线磁体实现磁悬浮装置的悬浮状态控制相比，无疑大为简化了车载磁悬浮控制系统，减小了控制设备的功率和成本，还可以使磁悬浮车体的自重进一步减小。
2.本发明的高温超导磁体在交变信号下工作的频带宽度为0～1000Hz，如此宽的频带可快速实现磁悬浮装置产生微小位移时的位置调整。
3.本发明所实施的高温超导磁体线圈的特征在于当控制悬浮高度的电流变化频率小于1000Hz时，超导磁体电流和超导磁体磁场只有小于10度的磁场滞后，从而可以很好的实现高温超导线圈磁场对励磁电流变化的快速响应。控制原理的方框图如图6所示。
4.提供高温超导磁体励磁电流的电源具有很好的交流特性，它具备以下特点①在0～1000Hz范围内，交流输出电流幅值满足高温超导磁体感性负载励磁电流的要求，②在0～1000Hz范围内，输出交流电流与输入交流电压之间的相位差不大于10°，③在0～1000Hz范围内，输出交流电流与输入交流电压之间的增益波动不超过5％。电源的原理接线图如图7所示。
5.高温超导磁体的超导线圈由工作在液氮温区的高温超导导线绕制而成，线圈采用单线双并、焊锡接头、匝间绝缘、浸漆固定的方法制备。如图8所示。也可采用不需焊接的螺线管绕制方法制备。与常规铜导线绕制的电磁体相比、可极大地减少励磁线圈的能量损耗、减轻重量和减小体积。
6.车体采用框架结构，使用轻金属材料或非金属高强度材料制成，在保证结构强度的同时减低车体自重，通过采用悬挂减震使车体在运动中更加平稳。
7.为了增加高温超导磁体磁场强度，引入U型磁芯提供磁路，两个高温超导线圈放置在U型铁芯的两个竖臂上(也可以放置在横臂上)。U型铁芯与车体固定，U型铁芯的两极与导轨之间有一个间隙，这个间隙的大小也就是所需要主动控制的悬浮高度。将U型磁芯提供给磁路，将降低了发散磁通对其它车体另件和磁悬浮装置载运物体的不良影响。高温超导磁悬浮装置的位置信号可由距离、位置或压力传感器获得，有较宽的硬件可选择性。
8.绕制高温超导线圈的材料为已实现工业化生产的Bi系高温超导线材。随着科技的发展、第二代高温超导带材-Y系高温超导线材也将可应用于本发明。这将有利于降低高温超导磁悬浮装置的建造成本。
9.高温超导磁体的超导线圈采用液氮冷却。这与工作在液氦温区的低温超导磁悬浮装置相比、发明的超导磁体制冷和绝热装置简单、经济，工作稳定可靠。高温超导磁体的工作环境需要配备一个低温杜瓦。如图9所示。本发明的磁悬浮装置的低温杜瓦选用高分子材料制成，低温杜瓦上有圆柱状洞孔，U型铁芯穿过圆柱状洞孔、不与冷却介质接触。材料的选取将降低材料成本和加工难度，这种室温铁心结构也可节省超导磁体所需的制冷功率。
10.发明的超导磁悬浮车体可不用轮子支撑，也可安有轮子，也可安装永磁体起支撑作用，也可同时使用轮子和永磁体起支撑作用。在安有轮子的情况下、轮子的作用可以在超导磁体不起作用的情况下(例如停车时或者发生事故时)起支撑作用。这可降低能耗和提高安全性。
11.在安有轮子的情况下、轮子的作用也可以是在运动中承受部分压力。这可使本发明的超导磁悬浮装置更加简单易行，安全可靠。与常规的轮轨交通工具相比，本发明的有轮超导磁悬浮装置有能耗低、噪音小、振动低的优点。
图1.高温超导磁悬浮装置整体结构示意图。
图2.高温超导磁体包括内部线圈和提供低温环境的杜瓦剖面图。
图3.高温超导磁悬浮装置实施例照片。
图4.本发明实施例2的结构图。
图5.本发明实施例3的结构图。
图6.压控电流源原理方框图。
图7.压控电流源主要元件关系图。
图8.超导磁体结构示意图。
图9.低温杜瓦结构示意图。
见图1，1是高温超导磁体，2是车体，3是导轨，4是电源，5是空气间隙传感器，6是导轨框架，7是传感器托架，8是加固角钢，9是磁体与车体连接件。
见图2，10是U型铁芯，11是低温杜瓦，12是高温超导线圈。
见图5，13是车轮，14是永久磁体。
实施例实施例(1)一种高温超导磁悬浮装置实施例(1)如图(1)所示，本发明所实施的一种高温超导磁悬浮装置实施例(1)，是一台原理性实验车体，一种高温超导磁悬浮装置其特征在于高温超导磁体组件(1)与车体(2)通过磁体与车体连接件(9)连接。两侧的两个钢制导轨(3)放置在一个由角钢搭建的框架上。为了使钢制导轨变形不至于过大，我们用角钢加固件(8)与框架连接。空气间隙传感器(5)通过连接件(7)与高温超导磁体组件形成一个整体。空气间隙传感器(5)为电涡流传感器，电涡流传感器探测高温超导磁体组件(1)与钢制导轨(3)表面的相对位置，由此实时反映出铁芯磁极与铁轨下表面的距离。车体上方放置电源(4)和其它控制组件。一条电流引线连接车载电源和交流220V市电。
由U型铁芯(10)、高温超导线圈(12)、低温杜瓦(11)共同组成的磁路如图(2)所示。作为一个完整的磁路，在U型铁芯磁极上方还包括一个铁磁性导轨(3)。高温超导线圈(12)环抱在U型铁芯(10)的两臂上，并靠近杜瓦底部。U型铁芯(10)由0.23mm厚的矽钢片经过叠绕、浸漆、加固制成，使用叠片式的铁芯设计主要是考虑抑制变化的磁通给铁芯带来的涡流。U型铁芯(6)的两个磁极与铁磁性导轨之间构成空气间隙。高温超导线圈(12)与U型铁芯(10)之间通过低温杜瓦(11)隔离开。U型铁芯(10)始终处于室温工作环境。一种高温超导磁悬浮装置高温超导线圈(12)工作状态平衡电流为3.2A，该悬浮装置可在5mm的空气间隙表面产生0.21T的磁通密度，对铁磁性导轨可产生72N的垂直悬浮力。
高温超导线圈(12)由61芯的Bi-2223/Ag高温超导带材绕制而成，Bi-2223/Ag高温超导带材表面涂有绝缘漆用于实现高温超导线圈(12)绕制时匝与匝之间的绝缘，绝缘漆的厚度在10μ以下。高温超导线圈(12)由三个单线双饼绕制而成的线饼叠加而成。三个单线双饼之间没有固定的中心定位轴，固定定位轴的省略是为了缩短高温超导线圈(12)与U型铁芯(10)之间的距离，从而减小漏磁。每个线饼需要25米的Bi-2223/Ag高温超导线材，整个线圈使用75米的Bi-2223/Ag高温超导线材。三个单线双饼，饼与饼之间的连接通过普通的Sn-Pb焊料搭焊而成。它们之间的接触电阻可通过磁场衰减法得到精密测量。实验测得一个搭接长度2.6mm的焊接点，其接触电阻可以控制在50nΩ以下。线圈绕制完毕后需要经过整体浸漆工艺，形成了一个整体。
本发明所实施的高温超导线圈(12)，采用动态性能测试方法，这种方法可有效的检验出高温超导线圈内部出现的匝间短路，以及整个磁路中由于磁滞和涡流导致的磁场滞后。经过测量，该线圈激励电流与线圈激励电流形成的线圈中心点磁场之间相位差小于5°。
低温杜瓦(11)的设计的主要出发点是减少涡流损耗，为此，低温杜瓦(11)的所有部分都使用非金属材料。通过泡沫塑料在一个模具中发泡，我们可以一次成型得到低温杜瓦，低温杜瓦(11)如图(2)所示，它的特点是价格经济，重量轻，无涡流并且制作工艺简单。与U-型铁芯两臂靠近部分低温杜瓦(11)的厚度比其四周和底部的厚度略小，这种设计与无固定轴的设计一致，都是为了尽可能的缩短高温超导线圈(12)与U型铁芯(10)之间的距离，从而减少漏磁，提高工作效率。该低温杜瓦(11)可以盛装液氮1.1L，工作在高温超导线圈(12)平衡电流3.2A时，可维持高温超导线圈(12)工作在超导状态至少1.5小时。
一种高温超导磁悬浮装置的驱动、停止和速度控制，可以利用磁悬浮装置上的驱动线圈与轨道上的耦合线圈相互作用实现；也可以采用直接在轨道上设置直线电机的方法实现。一种高温超导磁悬浮装置实施例(1)的驱动装置其特征在于驱动装置为12对驱动线圈，每相临两对驱动线圈驱动电流相位差为120度，利用在本发明所实施的，高温超导磁悬浮装置车体封闭金属板上产生的感生电流产生的反作用力，实施高温超导磁悬浮装置的驱动与控制。
实施例(2)一种高温超导磁悬浮装置实施例(1)如图(1)所示，本发明所实施的一种高温超导磁悬浮装置实施例(1)，是一台原理性实验车体，一种高温超导磁悬浮装置其特征在于高温超导磁体组件(1)与车体(2)通过磁体与车体连接件(9)连接。两侧的两个钢制导轨(3)放置在一个由角钢搭建的框架上。为了使钢制导轨变形不至于过大，我们用角钢加固件(8)与框架连接。空气间隙传感器(5)通过连接件(7)与高温超导磁体组件形成一个整体。空气间隙传感器(5)为电涡流传感器，电涡流传感器探测高温超导磁体组件(1)与钢制导轨(3)表面的相对位置，由此实时反映出铁芯磁极与铁轨下表面的距离。车体上方放置电源(4)和其它控制组件。一条电流引线连接车载电源和交流220V市电。
由U型铁芯(10)、高温超导线圈(12)、低温杜瓦(11)共同组成的磁路如图(2)所示。作为一个完整的磁路，在U型铁芯磁极上方还包括一个铁磁性导轨(3)。高温超导线圈(12)环抱在U型铁芯(10)的两臂上，并靠近杜瓦底部。U型铁芯(10)由0.23mm厚的矽钢片经过叠绕、浸漆、加固制成，使用叠片式的铁芯设计主要是考虑抑制变化的磁通给铁芯带来的涡流。U型铁芯(6)的两个磁极与铁磁性导轨之间构成空气间隙。高温超导线圈(12)与U型铁芯(10)之间通过低温杜瓦(11)隔离开。U型铁芯(10)始终处于室温工作环境。一种高温超导磁悬浮装置高温超导线圈(12)工作状态平衡电流为3.2A，该悬浮装置可在5mm的空气间隙表面产生0.21T的磁通密度，对铁磁性导轨可产生72N的垂直悬浮力。
高温超导线圈(12)由61芯的Bi-2223/Ag高温超导带材绕制而成，Bi-2223/Ag高温超导带材表面涂有绝缘漆用于实现高温超导线圈(12)绕制时匝与匝之间的绝缘，绝缘漆的厚度在10μ以下。高温超导线圈(12)由三个单线双饼绕制而成的线饼叠加而成。三个单线双饼之间没有固定的中心定位轴，固定定位轴的省略是为了缩短高温超导线圈(12)与U型铁芯(10)之间的距离，从而减小漏磁。每个线饼需要25米的Bi-2223/Ag高温超导线材，整个线圈使用75米的Bi-2223/Ag高温超导线材。三个单线双饼，饼与饼之间的连接通过普通的Sn-Pb焊料搭焊而成。它们之间的接触电阻可通过磁场衰减法得到精密测量。实验测得一个搭接长度2.6mm的焊接点，其接触电阻可以控制在50nΩ以下。线圈绕制完毕后需要经过整体浸漆工艺，形成了一个整体。
本发明所实施的高温超导线圈(12)，采用动态性能测试方法，这种方法可有效的检验出高温超导线圈内部出现的匝间短路，以及整个磁路中由于磁滞和涡流导致的磁场滞后。经过测量，该线圈激励电流与线圈激励电流形成的线圈中心点磁场之间相位差小于5°。
低温杜瓦(11)的设计的主要出发点是减少涡流损耗，为此，低温杜瓦(11)的所有部分都使用非金属材料。通过泡沫塑料在一个模具中发泡，我们可以一次成型得到低温杜瓦，低温杜瓦(11)如图(2)所示，它的特点是价格经济，重量轻，无涡流并且制作工艺简单。与U-型铁芯两臂靠近部分低温杜瓦(11)的厚度比其四周和底部的厚度略小，这种设计与无固定轴的设计一致，都是为了尽可能的缩短高温超导线圈(12)与U型铁芯(10)之间的距离，从而减少漏磁，提高工作效率。该低温杜瓦(11)可以盛装液氮1.1L，工作在高温超导线圈(12)平衡电流3.2A时，可维持高温超导线圈(12)工作在超导状态至少1.5小时。
一种高温超导磁悬浮装置实施例(2)主要的特点是通过车轮的支撑力与电磁铁的吸引力共同承担车体的重量。其中车厢(1)的重量由车轮(13)与铁轨(3)的接触支撑力和超导磁体(1)与钢轨(3)的电磁吸引力共同承担。在车辆静止或者超导磁铁发生故障的情况下，车轮(13)将承担车体的所有重量。一种高温超导磁悬浮装置实施例(2)提高了高温超导磁悬浮系统的安全性，降低了高温超导磁体与钢制导轨之间气隙间隔自动控制可靠性的要求。车轮(13)可以是铁制也可以由橡胶制成。
一种高温超导磁悬浮装置的驱动、停止和速度控制，可以利用磁悬浮装置上的驱动线圈与轨道上的耦合线圈相互作用实现；也可以采用直接在轨道上设置直线电机的方法实现。一种高温超导磁悬浮装置实施例(2)的驱动装置其特征在于驱动装置为12对驱动线圈，每相临两对驱动线圈驱动电流相位差为120度，利用在本发明所实施的，高温超导磁悬浮装置车体封闭金属板上产生的感生电流产生的反作用力，实施高温超导磁悬浮装置的驱动与控制。
实施例(3)一种高温超导磁悬浮装置实例(3)如图(5)所示。在实施例(2)的基础上，我们添加了永磁体(14)，作为第三种可提供垂直方向悬浮力的手段。永磁体可以作为U型铁芯的一部分，整合在一个磁路当中，也可以作为单独磁路使用。
相对于高速磁悬浮列车来讲、本发明的超导磁悬浮装置特点之一是车体在低速下运行；适用于短距离城市交通、游览娱乐的低能耗、低振动、低噪音、高环保的交通运输工具，由此将带来该超导磁悬浮装置对技术和基础建设费用的大幅度降低。
权利要求
1.一种高温超导磁悬浮装置，该装置含有高温超导磁体、车体、导轨、位置传感器和电压控制电流源，其特征在于由高温超导导线绕制成的高温超导磁体是可控的，其控制电流的交流成分的频率在0-1000Hz范围内。
2.根据权利要求1所述的高温超导磁悬浮装置，其特征在于电压控制电流源是采用交直流叠加的方式，其输出交流电流与输入交流电压之间的相位差不大于10°，所述的电压控制电流源含有a.依次串接的运算放大器和功率放大器，其中运算放大器的输入端接直流电路的输出端，功率放大器的输出端接负载；b.比例微分运算电路，它的输入端与负载一端相连，它的输出端与运算放大器的另一个引入端相连。
3.根据权利要求1所述的高温超导磁悬浮装置，其特征在于高温超导磁体分别位于车体下侧的两端，它们与车体用加固件相连接，所述的高温超导磁体各含有a.铁芯；b.内装液氮的低温杜瓦，低温杜瓦上有圆柱型孔洞，圆柱状孔洞中填有铁芯，与铁芯的两臂靠近部分低温杜瓦的厚度比其四周和底部的厚度略小；c.高温超导线圈工作温度在80K以下，它由多个Bi系高温超导饼状线圈组成，套在一个公共的轴上。
4.根据权利要求3所述的高温超导磁悬浮装置，其特征在于采用叠片式U型铁芯。
5.根据权利要求3所述的高温超导磁悬浮装置，其特征在于所述饼状线圈是一种由单根超导线绕制成的螺线管式的线圈。
6.根据权利要求3所述的高温超导磁悬浮装置，其特征在于各线圈之间以锡焊连接。
7.根据权利要求3所述的高温超导磁悬浮装置，其特征在于所述高温超导线圈所用的超导线材是Bi-2223/Ag超导带材或覆膜的YBCO系列的第二代高温超导带材中的任何一种。
8.根据权利要求1所述的高温超导磁悬浮装置，其特征在于导轨，它是经导轨加固件加固的，它平行地位于车体的长度方向，与上述高温超导磁体中的铁芯的两极间有一固定的气隙，所述两根导轨两端的底面支撑着导轨框架。
9.根据权利要求1所述的高温超导磁悬浮装置，其特征在于位置传感器能实时测量悬浮间隙的变化，同时加以励磁电流反馈系统来控制悬浮间隙高度以实现稳定悬浮。位置传感器是一种电涡流传感器，它经过传感器托架分别固定在上述导轨和高温超导磁体的上端面。
10.根据权利要求1所述的高温超导磁悬浮装置，其特征在于车体可安有轮子起支撑作用，也可安装永磁体起支撑作用，也可同时使用轮子和永磁体起支撑作用，并且也可不用轮子支撑。
全文摘要
高温超导磁悬浮装置属于低速磁悬浮轨道交通技术领域，其特征在于它由高温超导磁体、位置传感器、交直流叠加式且输出电流的频率在0－1000Hz间的压控电流源、车体和铁磁导轨构成，高温超导磁体的超导线圈由Bi－2223/Ag高温超导导线绕制而成，它利用高温超导磁体与铁磁轨道间的吸引力，抵消或部分抵消车体的压力。它是一种适用于短距离城市交通、低能耗、低速、低振动、低噪音、高环保的交通运输工具上使用的高温超导磁悬浮装置。
文档编号B60L13/04GK1569511SQ20041000908
公开日2005年1月26日 申请日期2004年5月12日 优先权日2004年5月12日
发明者韩征和, 周彤, 尹文生, 宗军, 顾晨, 刘梦林, 刘树立 申请人:清华大学, 北京英纳超导技术有限公司
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