高温超导磁悬浮启停系统的制作方法

本发明涉及磁悬浮技术领域，尤其涉及一种高温超导磁悬浮启停系统。

背景技术：

随着科技不断进步，高速磁悬浮列车在社会生活中的使用需求日益增加。从悬浮方式的角度来说，美国空军holloman试验基地以及日本山梨线采用了电动悬浮的方式，其中日本山梨线采用的是直线电机推进以及8字感应线圈的方式速度达到了603km/h。

一般来说，高速电动磁悬浮系统利用长定子直线感应电机来提供无接触驱动力，尽管可以通过改变定子线圈中的通流方式进行反接制动，但从能耗与可靠性角度上来说都需要增加其他的制动方式。除了反接制动以外，一般采用列减速段增加涡流制动器进行磁涡流制动。这种制动方式的原理是：当车载磁体划过涡流感应板时，磁体产生的磁感线在金属感应板中被金属切割，产生涡流，从而形成与车载磁体磁极相反的涡流磁场对车载磁体进行制动作用。由于金属感应板具有电阻，其形成的涡流强度具有局限，同时涡流形成所带来的感应板发热问题为涡流感应板的制造与设计带来问题。同时，电动悬浮方式的磁悬浮列车需要在列车达到一定的速度时才能悬浮起来，启动段仍需要铺设钢轨等辅助设备。

技术实现要素：

本发明提供了一种高温超导磁悬浮启停系统，能够解决现有技术中悬浮感应板涡流局限和发热以及无法实现无接触悬停接驳的技术问题。

本发明提供了一种高温超导磁悬浮启停系统，其中，该系统包括车载部件和轨道梁部件，所述车载部件包括在车体两侧对称设置的车载动力磁体、在车体下部表面四角处设置的车载悬停磁体和在车体下部表面中部位置沿车体运动方向通长设置的车载感应单元，所述轨道梁部件包括轨道梁侧壁装置和轨道梁底部装置，所述轨道梁侧壁装置包括常规悬浮推进区轨道梁侧壁装置、以及所述常规悬浮推进区轨道梁侧壁装置之间沿车体运动方向依次设置的制动区轨道梁侧壁装置、悬停区轨道梁侧壁装置、感应电机推进区轨道梁侧壁装置和无供电检测区轨道梁侧壁装置，所述轨道梁底部装置设置在与设置有所述悬停区轨道梁侧壁装置和感应电机推进区轨道梁侧壁装置的轨道梁侧壁对应的轨道梁底部，且所述轨道梁底部装置包括对应所述车载悬停磁体设置的底部超导块材磁体和对应车载感应单元设置的启动定子线圈，所述常规悬浮推进区轨道梁侧壁装置、所述感应电机推进区轨道梁侧壁装置和所述无供电检测区轨道梁侧壁装置包括侧壁感应单元，所述制动区轨道梁侧壁装置包括高温超导线圈磁体和高温超导块材磁体，所述悬停区轨道梁侧壁装置包括高温超导块材磁体。

优选地，制动区轨道梁侧壁上除高温超导线圈磁体以外的区域均为高温超导块材磁体。

优选地，制动区轨道梁侧壁上的高温超导线圈磁体沿车体运动方向布置的多个超导线圈的尺寸逐渐减小，使得该高温超导线圈磁体呈梯形状。

优选地，制动区轨道梁侧壁上的高温超导线圈磁体沿车体运动方向布置的多个超导线圈尺寸相同，使得该高温超导线圈磁体呈矩形状。

优选地，所述车载动力磁体为以下中至少一者：导磁体、永磁体和电磁铁。

优选地，所述车载悬停磁体为以下中至少一者：永磁体和电磁铁。

优选地，所述车载感应单元为车载感应板。

优选地，所述侧壁感应单元为侧壁感应线圈或侧壁感应板。

通过上述技术方案，可以在车体运动方向上进行分区(包括常规悬浮推进区以及常规悬浮推进区之间的制动区、悬停区、感应电机推进区和无供电检测区)，并设置对应的车载部件以及针对不同分区的轨道梁部件，车载部件和对应的轨道梁部件相互作用以对车体进行制动和启动。由此，可以利用超导材料绕制的超导闭环线圈替代涡流感应制动板，同时用高温超导块材的钉扎特性进行列车启停状态的稳定悬浮，解决了悬浮感应板涡流局限和发热问题，同时在磁悬浮列车制动到启动过程中实现无接触悬停接驳，进而实现了磁悬浮列车全速段悬浮状态。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的一种高温超导磁悬浮启停系统示意图；

图2为根据本发明实施例的一种区域划分示意图；

图3为根据本发明实施例的一种制动区轨道梁侧壁装置示意图；

图4为根据本发明实施例的一种第二代高温超导块材工作原理示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1为根据本发明实施例的一种高温超导磁悬浮启停系统示意图。

在图1中，示出了车体(列车)截面结构和轨道梁结构。

图2为根据本发明实施例的一种区域划分示意图。

其中，本发明实施例所述的高温超导磁悬浮启停系统可以用于高速磁悬浮列车。

如图1所示，本发明实施例提供了一种高温超导磁悬浮启停系统，其中，该系统包括车载部件和轨道梁部件，所述车载部件包括在车体两侧对称设置的车载动力磁体1、在车体下部表面四角处设置的车载悬停磁体2和在车体下部表面中部位置沿车体运动方向通长设置的车载感应单元3，所述轨道梁部件包括轨道梁侧壁装置4(即，设置在轨道梁侧壁上)和轨道梁底部装置(即，设置在轨道梁底部)；

所述轨道梁侧壁装置4包括常规悬浮推进区轨道梁侧壁装置、以及所述常规悬浮推进区轨道梁侧壁装置之间沿车体运动方向依次设置的制动区轨道梁侧壁装置、悬停区轨道梁侧壁装置、感应电机推进区轨道梁侧壁装置和无供电检测区轨道梁侧壁装置；

举例来讲，如图2所示，可以在车体运行方向上进行分区，在常规悬浮推进区之间依次划分制动区、悬停区、感应电机推进区和无供电检测区。其中制动区为列车减速区域；悬停区为列车停靠站点时区域；推进区为列车辅助加速区域；无供电检测区为列车推进系统切换时的速度识别区域。针对不同的区域在轨道梁侧壁上可以设置对应的轨道梁侧壁装置以及选择性地在部分区域(如下所述的悬停区和感应电机推进区)的轨道梁底部设置轨道梁底部装置。

其中，车载动力磁体1可以配合常规悬浮推进区轨道梁侧壁装置进行电磁悬浮推进。

所述轨道梁底部装置设置在与设置有所述悬停区轨道梁侧壁装置和感应电机推进区轨道梁侧壁装置的轨道梁侧壁对应的轨道梁底部，且所述轨道梁底部装置包括对应所述车载悬停磁体2设置的底部超导块材磁体5和对应车载感应单元3设置的启动定子线圈(地面启动定子线圈，可以与车载感应单元共同组成辅助加速感应电机系统)6；

也就是，仅在悬停区轨道梁底部和感应电机推进区轨道梁底部设置轨道梁底部装置，其他区域(常规悬浮推进区、制动区、无供电检测区)轨道梁底部无启动定子线圈与超导块材磁体。

所述常规悬浮推进区轨道梁侧壁装置、所述感应电机推进区轨道梁侧壁装置和所述无供电检测区轨道梁侧壁装置包括侧壁感应单元，所述制动区轨道梁侧壁装置包括高温超导线圈磁体和高温超导块材磁体，所述悬停区轨道梁侧壁装置包括高温超导块材磁体。

通过上述技术方案，可以在车体运动方向上进行分区包括常规悬浮推进区以及常规悬浮推进区之间的制动区、悬停区、感应电机推进区和无供电检测区，并设置对应的车载部件以及针对不同分区的轨道梁部件，车载部件和对应的轨道梁部件相互作用以对车体进行制动和启动。由此，可以利用超导材料绕制的超导闭环线圈替代涡流感应制动板，同时用高温超导块材的钉扎特性进行列车启停状态的稳定悬浮，解决了悬浮感应板涡流局限和发热问题，同时在磁悬浮列车制动到启动过程中实现无接触悬停接驳，进而实现了磁悬浮列车全速段悬浮状态。

在本发明中，所有高温超导块材磁体均满足：所述高温超导磁体包含低温系统，低温系统例如为77k及77k温度以下低温系统，用于冷却所述高温超导块材以使高温超导块材处于超导态；所述高温超导块材在低温系统中可靠固定，磁体间无挤压等内部应力。所有所述高温超导线圈磁体均满足：所述高温超导线圈磁体包含低温系统，低温系统例如为77k及77k温度以下低温系统，高温超导线圈处于超导态，所述高温超导线圈在低温系统中可靠固定。

举例来讲，制动区的轨道梁侧壁上的高温超导块材磁体与高温超导线圈磁体可以连通，处于同一个低温系统中。并且，悬停区的轨道梁侧壁上的高温超导块材磁体也可以与制动区的低温系统连通，与制动区公用一套低温系统。

根据本发明一种实施例，制动区轨道梁侧壁上除高温超导线圈磁体以外的区域均为高温超导块材磁体。

也就是，制动区轨道梁侧壁上包括高温超导线圈磁体区(高温超导线圈区)和高温超导块材磁体区(高温超导块材区)。换言之，高温超导块材磁体区为除超导线圈磁体区以外部分，由高温超导块材排列填充而成，同时可靠固定在低温系统中对应位置，可以与超导线圈公用一套低温系统。

图3为根据本发明实施例的一种制动区轨道梁侧壁装置示意图。

根据本发明一种实施例，如图3所示，制动区轨道梁侧壁上的高温超导线圈磁体沿车体运动方向布置的多个超导线圈的尺寸逐渐减小，使得该高温超导线圈磁体呈梯形状(即，高温超导线圈磁体的多个超导线圈构成的区域呈梯形状)。

其中，梯形状超导线圈可靠固定在低温系统中对应位置。

可替换地，制动区轨道梁侧壁上的高温超导线圈磁体沿车体运动方向布置的多个超导线圈尺寸相同，使得该高温超导线圈磁体呈矩形状。

根据本发明一种实施例，所述车载动力磁体1为以下中至少一者：导磁体、永磁体和电磁铁。

根据本发明一种实施例，所述车载悬停磁体2为以下中至少一者：永磁体和电磁铁。

上述关于车载动力磁体和车载悬停磁体的描述仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。

根据本发明一种实施例，所述车载感应单元3为车载感应板。

根据本发明一种实施例，所述侧壁感应单元为侧壁感应线圈或侧壁感应板。

下面对本发明上述实施例中描述的高温超导磁悬浮启停系统的工作原理进行描述。

在需要对列车进行制动时，在制动过程中，磁悬浮列车从常规悬浮推进区高速驶入制动区。车载动力磁体1可以提供强大稳定的励磁磁场，轨道梁侧壁上的闭环超导线圈在列车运动的过程中，切割运动的车载动力磁体1产生的磁感线，从而在超导线圈中产生强大的涡流，进一步产生涡流磁场反作用于车载动力磁体1，对列车进行涡流制动。由于超导线圈在低温超导态下几乎没有电阻，所以产生的涡流较一般感应线圈或感应板大，从而产生更大的制动力，同时在低温系统中不会产生因电流过大而发热严重等问题，可以通过低温系统进行潜热。在布置的超导线圈尺寸沿列车运动方向不断减小而超导块材区域(超导块材磁体区)不断增大的情况下，因为列车的速度在不断减小，需要的直接制动力在减小，同时缓慢增长的高温超导块材区域为侧面导向维度提供了导向力。此高温超导块材区域提供导向力为负反馈的稳定系统所需要的力。

图4为根据本发明实施例的一种第二代高温超导块材工作原理示意图。

本发明实施例中所述的高温超导块材可以为二代高温超导块材(工作原理如图4所示)。车载磁体的磁场在垂直运动方向具有磁场梯度。冷却后进入超导态的二代高温超导块材磁体，由于自身内部的晶体缺陷如空位、杂质、错位等形成钉扎中心，俘获磁通。当车载磁体接近轨道梁侧壁时，超导磁体块材所处的磁场环境开始变化，超导块材内部产生感应电流，由于超导体具有零电阻特性故电流一直存在。由楞次定律可知，产生的感应电流将产生阻碍运载器进一步向运动方向行进的阻力。若车载磁体距离轨道梁超导块材区域越来越近，其磁场强度越来越强，磁场变化率越来越大，产生的感应电流和因此而产生的导向力也越来越大。

更进一步地，在悬停过程中，列车经过制动区制动后停止在悬停区。利用该区域轨道梁侧壁上的超导块材磁体与车载动力磁体建立车体导向方向稳定态；利用轨道梁底部超导块材磁体与车载悬停磁体建立车体悬浮方向稳定态；同时，由于磁通钉扎原理，侧壁和底部的超导块材磁体系统使列车在行驶方向受到回复力，保证了车体行驶方向的稳定态。

更进一步地，在感应电机推进过程中，列车具有车载感应板与地面启动定子线圈组成的感应电机系统。感应电机将列车在感应电机推进区加速到列车在常规悬浮推进区的起浮速度。本部分感应电机可做牵引系统中独立系统，由于仅加速到起浮速度，所以所需功率较小。同时减少了常规悬浮推进区推进电机低速段推进过程，提高了常规悬浮推进区电机整体效率。

更进一步地，在无供电检测区过程中，列车利用惯性运动，同时车载动力磁体和轨道梁侧壁上的感应单元仍提供列车悬浮所需悬浮力。列车运行此段时可以经定位测速系统监测，将位置与速度信号传递给常规悬浮推进系统电机控制系统，让其提前进行控制策略调整，保证列车平稳进入常规悬浮推进系统，正常行驶。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。