一种大推力高温超导直线电动机的制作方法

本公开属于电动机技术领域，具体为一种大推力高温超导直线电动机。

背景技术：

直线电动机是高速磁悬浮列车驱动系统的重要装置，它包括固定到地面上的定子和固定到列车上的动子，在列车运行的过程中不需要其它的转换设备就可以把电能直接转换为直线运动的机械能。相对于传统的旋转电动机，直线电动机具有结构简单、易于维护、无需接触、低噪音和能够更精确地控制速度的特点。

近年来，随着高速磁悬浮列车驱动系统对直线电动机的大推力、高精度以及运行稳定性需求的不断提高，越来越多的专家开始关注和研究直线电动机的发展与改进。

另一方面，随着超导体材料制备技术和低温制冷技术的不断发展与进步，高温超导直线电动机预期未来能够在超高速磁悬浮列车中被广泛应用。由于高温超导体存在零电阻，能够承载大电流的特点，所以把它运用在大功率的电动机中时，就会在相同的功率等级下使电动机的体积变小、质量变轻、效率变大。

目前，高温超导直线电动机已经应用到了磁悬浮列车上，运行速度最快的为日本的山梨线高速磁悬浮列车，其运行过程最高速度可达603km/h，采用低温超导直线电机驱动列车。但是随着人们对于交通运输速度的要求不断提高，美国、中国等专家学者提出了1000km/h以上的超高速列车研发设想。这些设想和计划对于现有的直线电动机提出了高速度更大推力的需求，现有直线电动机有这样的不足：

1、需要更大推进力的单机直线电动机满足当前超高速列车时速需求；

2、需要更大法向稳定性的直线电动机满足超高速运行的稳定性要求；

3、电动机次级磁体会产生多余的漏磁，磁场利用率低。

技术实现要素：

为了解决上述背景技术提出的问题，本公开提供了一种大推力高温超导直线电动机，适用于超高速磁悬浮轨道列车，该超导直线电机包括动子部分和定子部分，前述动子部分包括低温制冷容器、设置在前述低温制冷容器内的多列高温超导线圈和用于冷却前述多列高温超导线圈的制冷系统；前述定子部分包括轨道主体、多列动力线圈和多列悬浮导向线圈；在垂直于前述动子部分行进的方向上，前述多列高温超导线圈、前述多列动力线圈和前述多列悬浮导向线圈均对称于前述动子部分的中轴线；在垂直于前述动子部分行进的方向上，相邻的两列的前述高温超导线圈之间具有一列前述动力线圈，并且相邻的两列的前述动力线圈之间具有一列前述高温超导线圈，前述多列悬浮导向线圈分布在前述多列高温超导线圈的两侧；在垂直于前述动子部分行进的方向上，每一列前述高温超导线圈与相邻的前述动力线圈和/或前述悬浮导向线圈之间形成有间隙。

可选地，前述定子部分包括至少三列前述动力线圈，至少三列前述动力线圈中的两列为侧边动力线圈，至少三列前述动力线圈中的其它部分为中部动力线圈；所有的前述侧边动力线圈和所有的前述中部动力线圈沿垂直于前述动子部分行进的方向分布，并且两列前述侧边动力线圈分别设置在前述轨道主体的左右两侧。

可选地，每一列前述悬浮导向线圈都包括上部线圈和下部线圈，前述上部线圈、前述下部线圈、前述动力线圈和前述高温超导线圈的轴线均垂直于竖直方向和前述动子部分行进的方向。

可选地，前述高温超导线圈在前述超导直线电机工作的状态下通直流电，并因此使得前述高温超导线圈产生第一磁场；前述侧边动力线圈和前述中部动力线圈在前述超导直线电机工作的状态下通都通正弦交流电，并因此使得前述侧边动力线圈和前述中部动力线圈共同产生沿着正弦轨迹变化的第二磁场，前述第二磁场作用于前述第一磁场时能够驱动前述动子部分行进；前述上部线圈和前述下部线圈在前述超导直线电机工作的状态下通都通正弦交流电，并因此使得前述上部线圈和前述下部线圈分别产生沿着正弦轨迹变化的第三磁场，前述第三磁场作用于前述第一磁场时能够防止前述动子部分左右晃动，对前述动子部分起到导向作用；在竖直方向上对准的前述上部线圈和前述下部线圈彼此之间的电流方向相反，并因此使得前述上部线圈与前述下部线圈之间产生沿着正弦轨迹变化的第四磁场，前述第四磁场作用于前述第一磁场时能够为前述动子部分提供浮力。

可选地，前述轨道主体包括支撑基体、设置在前述支撑基体左右两侧的侧边梁、设置在前述支撑基体中部的中部梁、设置在前述侧边梁上的侧边绕组基板和设置在前述中部梁上的中部绕组基板，前述侧边动力线圈和前述悬浮导向线圈与前述侧边绕组基板固定连接，前述中部动力线圈与前述中部绕组基板固定连接。

可选地，前述制冷系统包括gm制冷机；并且/或者，前述动子部分还包括对前述低温制冷容器进行隔热的保温层。

可选地，前述高温超导线圈是通过带状的超导体材料绕制而成的跑道式线圈；并且/或者，前述动力线圈和前述悬浮导向线圈都是由线状或带状的铜绕制而成的跑道式线圈。

可选地，前述超导体材料是bi-2223或ybco。

可选地，前述低温制冷容器嵌入前述间隙内的部分的前端设置为流线型结构。

可选地，前述轨道主体上设置有与前述动力线圈和前述悬浮导向线圈电连接的多条电线；前述动子部分包括设置有电刷，前述电刷与前述动子部分下方的前述电线和前方的至少一根前述电线滑动接触，以便前述动子部分能够通过前述电刷向前述定子部分提供保证其运行的电能。

优选地，所选超导体材料是bi-2223或ybco涂层超导带材，高温超导体的电场强度e和电流密度j成非线性关系，关系式可表达为：

其中jc为标准电场强度ec决定的临界电流密度，p是表征高温超导体非线性程度的参量。

对公式(1)作进一步变形推导，可得到高温超导体的等效电导率σ：

高温超导直线同步电动机的运行的同步速度υ0为：

υ0＝2τf(3)

其中τ为高温超导直线同步电动机的极距，f为工作频率。

单位体积的载流体在行波磁场中所受到的力为：

f＝j×b(4)

其中，b表示行波磁场的磁感应强度。

本发明中的大推力高温超导直线电动机的次级高温超导线圈磁体受到两边初级绕组三相电流产生的行波磁场的相同的电磁力，所受电磁推力为：

本发明中的大推力高温超导直线电动机可根据实际情况增设m列高温超导线圈，每列设置n个跑道式高温超导线圈磁体，则该直线电动机由m+1列动力线圈构成，运行时产生2m列电磁耦合空间驱动列车运行，(m≥2，且为正整数)所产生的电磁力为：

其中，积分的范围包含整个载流区域，公式中默认材料的相对磁导率μ为1，可根据实际情况中材料与真空度的不同将b用其表达。从公式中能够体现本发明中大推力高温超导直线电动机的高磁场利用率与结构紧密强稳定行的特点。

基于前文的描述，本领域技术人员能够理解的是，在本公开前述的技术方案中，通过将动子部分上的高温超导线圈设置为多列，将定子部分上动力线圈和悬浮导向线圈也都设置为多列，以及在垂直于动子部分行进的方向上，通过使相邻的两列高温超导线圈之间具有一列动力线圈，使得某一列动力线圈产生的磁场能够同时作用于两列高温超导线圈，提高了动力线圈的磁场的利用率。进一步，在垂直于动子部分行进的方向上，通过使相邻的两列动力线圈之间具有一列高温超导线圈，使得每一列高温超导线圈产生的磁场能够同时作用于两列动力线圈，提高了高温超导线圈的磁场的利用率。进一步，在垂直于动子部分行进的方向上，通过使多列悬浮导向线圈分布在多列高温超导线圈的两侧，使得悬浮导向线圈产生的磁场能够作用于高温超导线圈，为动子部分提供浮力和导向力。因此，本公开的超导直线电机能够有效地提高磁场的利用率，从而使得使用本公开超导直线电机的磁悬浮列车能够获得更大的推力，使列车具有更高的运行速度。

本领域技术人员还能够理解的是，在垂直于动子部分行进的方向上，通过使相邻的两列动力线圈之间具有一列高温超导线圈，使得每一列高温超导线圈产生的磁场能够同时作用于两列动力线圈，能够有效地抵消动子部分在法向(左右方向)上所受的力，从而能够保证动子部分在高速运行状态下的稳定性。

进一步，通过使每一列悬浮导向线圈都包括上部线圈和下部线圈，并使上部线圈、下部线圈、动力线圈和高温超导线圈的轴线均垂直于竖直方向和动子部分行进的方向，使得超导直线电机中的所有线圈都沿着动子部分的左右方向依次排列，优化了线圈的排布方式。

进一步，在本公开的优选实施方案中，高温超导线圈在超导直线电机工作的状态下通直流电，并因此使得高温超导线圈产生第一磁场；侧边动力线圈和中部动力线圈在超导直线电机工作的状态下通都通正弦交流电，并因此使得侧边动力线圈和中部动力线圈共同产生沿着正弦轨迹变化的第二磁场，第二磁场作用于第一磁场时能够驱动动子部分行进；上部线圈和下部线圈在超导直线电机工作的状态下通都通正弦交流电，并因此使得上部线圈和下部线圈分别产生沿着正弦轨迹变化的第三磁场，第三磁场作用于第一磁场时能够防止动子部分左右晃动，对动子部分起到导向作用；在竖直方向上对准的上部线圈和下部线圈彼此之间的电流方向相反，并因此使得上部线圈与下部线圈之间产生沿着正弦轨迹变化的第四磁场，第四磁场作用于第一磁场时能够为动子部分提供浮力。因此，本公开可以通过控制定子部分上交流电的变化频率来控制动子部分的行进速度，控制方式更加简单。

综上所述，与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.通过构造多个双边直线电动机电磁耦合结构抵消了法向力，可以增大直线电动机的在超高速运行下的稳定性；

2.通过增加中部侧梁壁绕组，构造了双边多气隙电磁耦合结构，增大了次级高温超导磁体的磁利用率；

3.通过增加超导强磁场利用率，结合增加了多个气隙电磁耦合结构，提高了电动机的功率密度，使直线电动机能够产生更大的电磁推力；

4.高临界电流密度使高温超导线圈磁体可产生相对传统绕组更高的磁场，省去传统的铁芯结构，减少了质量，提高了电动机的效率；

附图说明

下面参照附图并结合超导磁悬浮列车系统来描述本公开的部分实施例，附图中：

图1是本公开第一实施例中超导磁悬浮列车系统的平面效果示意图；

图2是本公开第一实施例中部分线圈的分布效果示意图；

图3是本公开第二实施例中超导磁悬浮列车系统的平面效果示意图；

图4是本公开第二实施例中车体底部的电刷与轨道系统上的线圈之间的位置关系示意图。

附图标记列表：

1、列车系统；11、车体；12、低温制冷容器；13、高温超导线圈；14、gm制冷机；15、保温层；16、电刷；

2、轨道系统；21、轨道主体；211、支撑基体；212、侧边梁；213、中部梁；214、侧边绕组基板；215、中部绕组基板；22、动力线圈；221、侧边动力线圈；222、中部动力线圈；23、悬浮导向线圈；231、上部线圈；232、下部线圈；

3、间隙。

具体实施方式

本领域技术人员应当理解的是，下文所描述的实施例仅仅是本公开的一部分实施例，而不是本公开的全部实施例，该一部分实施例旨在用于解释本公开的技术原理，并非用于限制本公开的保护范围。基于本公开提供的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所获得的其它所有实施例，仍应落入到本公开的保护范围之内。

需要说明的是，在本公开的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“顶部”“底部”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本公开的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

在本公开的第一实施例中：

如图1所示，本实施例的超导磁悬浮列车系统包括列车系统1和轨道系统2，列车系统1的底部嵌入到轨道系统2中。在超导磁悬浮列车系统运行的过程中，列车系统1与轨道系统2之间于水平方向上形成有间隙3(即，气隙)，于竖直方向上形成有高度间隙(图中未标示)。换句话说，在超导磁悬浮列车系统运行的过程中，列车系统1悬浮在轨道系统2上。其中，本实施例的动子部分设置在列车系统1上，定子部分设置在轨道系统2上。

如图1和图2所示，列车系统1包括车体11、设置在车体11底部的低温制冷容器12、设置在低温制冷容器12内的两列高温超导线圈13、作为制冷系统的gm制冷机14和对低温制冷容器12进行保温的保温层15。其中，低温制冷容器12、高温超导线圈13、gm制冷机14和的保温层15共同构成本实施例的动子部分。

如图1所示，低温制冷容器12与车体11固定连接或者一体制成，并且能够支撑自身和车体11的重量。从图1中不难看出，低温制冷容器12为两列，并且每一列低温制冷容器12中分别设置有一列高温超导线圈13。

可选地，低温制冷容器12嵌入间隙3内的部分的前端设置为流线型结构，以便减小低温制冷容器12的风阻和风噪。该流线型结构可以是鱼形结构或子弹头结构。

虽然图中并明确示出，但是高温超导线圈13优选地是采用带状的超导体材料绕制而成的跑道式线圈，以便能够方便高温超导线圈13的加工、制造和安装。进一步优选地，该超导体材料是bi-2223或ybco(钇钡铜氧化物)。

继续参阅图1，gm制冷机14安装到车体11和/或低温制冷容器12上，gm制冷机14用于为低温制冷容器12提供冷量，从而冷却高温超导线圈13，使高温超导线圈13在超导状态下工作。

需要说明的是，gm制冷机是由吉福特(gifford)和麦克马洪(macmahon)二人发明的，其原理是通过西蒙膨胀(绝热放气原理)来实现制冷，其理想热力循环可以分为4个过程：绝热升压、等压进气、绝热放气和等压排气。gm制冷机主要由压缩机组(包括氦气压缩机、低压储气罐、高压储气罐、冷却器)，膨胀机(包括气缸、推移活塞)，配气机构(包括驱动机构、进气阀、排气阀)，蓄冷器和冷头换热器组成。由于gm制冷机是本领域技术人员所熟悉的一种设备，所以此处不再做过多说明。

继续参阅图1，保温层15设置在车体11与低温制冷容器12之间，能够隔绝车体11和低温制冷容器12，不仅能够对低温制冷容器12进行保温，还能够避免车体11内温度过低，影响驾乘人员的乘坐体验。当然，在能够对低温制冷容器12进行保温的情况下，本领域技术人员也可以根据需要，将保温层15设置成其它任意可行的形式，例如使保温层15包裹在低温制冷容器12的外侧，或者内嵌到低温制冷容器12的内部并且完全覆盖低温制冷容器12的内表面。

如图1和图2所示，轨道系统2包括轨道主体21、多列动力线圈22和多列悬浮导向线圈23。其中，动力线圈22和悬浮导向线圈23都是由线状或带状的铜绕制而成的跑道式线圈。其中，轨道主体21、多列动力线圈22和多列悬浮导向线圈23共同构成本实施例的定子部分。

如图1所示，轨道主体21为对称结构，具体地，轨道主体21在水平方向上相对于车体11的中轴线(该中轴线与车体11直线行走时的行进方向平行)对称。该轨道主体21包括支撑基体211、设置在支撑基体211左右两侧的侧边梁212、设置在支撑基体211中部的中部梁213、设置在侧边梁212上的侧边绕组基板214和设置在中部梁213上的中部绕组基板215。本领域技术人员能够理解的是，轨道主体21上的各个部件之间可以采用固定连接的方式连接安装到一起，也可以采用一体制成的方式固定到一起。

如图1和图2所示，轨道系统2包括三列动力线圈22，并且三列动力线圈22中的两列为侧边动力线圈221，三列动力线圈22中的另一列为中部动力线圈222。其中，侧边动力线圈221固定地安装到侧边绕组基板214上，中部动力线圈222固定地安装到中部绕组基板215上。

如图1所示，每一列悬浮导向线圈23都包括一列上部线圈231和一列下部线圈232，并且上部线圈231和下部线圈232在竖直方向上一一对准。

从图1不难看出，上部线圈231、下部线圈232、侧边动力线圈221、中部动力线圈222和高温超导线圈13的轴线(如图1所示的点画线)均垂直于竖直方向和车体11行进的方向。即，上部线圈231、下部线圈232、侧边动力线圈221、中部动力线圈222和高温超导线圈13的轴线均与图1中所示的左右方向平行。并且，低温制冷容器12在左右方向上均与相邻的动力线圈22和/或悬浮导向线圈23之间具有间隙3，以保证低温制冷容器12在列车系统1行走的过程中不会与轨道系统2上的线圈发生碰撞。

在超导磁悬浮列车系统运行的过程中，高温超导线圈13通直流电，并因此使得高温超导线圈13产生第一磁场。侧边动力线圈221和中部动力线圈222通都通正弦交流电，并因此使得侧边动力线圈221和中部动力线圈222共同产生沿着正弦轨迹变化的第二磁场，第二磁场作用于第一磁场时能够驱动列车系统1行进。上部线圈231和下部线圈231通都通正弦交流电，并因此使得上部线圈231和下部线圈232分别产生沿着正弦轨迹变化的第三磁场，第三磁场作用于第一磁场时能够防止11左右晃动，对车体11起到导向作用。在竖直方向上彼此对准的两个上部线圈231和下部线圈232彼此之间的电流方向相反，并因此使得上部线圈231与下部线圈232之间产生沿着正弦轨迹变化的第四磁场，第四磁场作用于第一磁场时能够为列车系统1提供浮力。

本领域技术人员能够理解的是，由于侧边动力线圈221、中部动力线圈222、上部线圈231和下部线圈232在图1中所示的左右方向上同时适配于一个高温超导线圈13，所以侧边动力线圈221、中部动力线圈222、上部线圈231和下部线圈232所通的交流电的频率相同并且同步，以便为该高温超导线圈13同时提供驱动力、浮力和导向力，从而保证列车系统1的正常运行。

进一步，虽然图中并未示出，但是在本实施例中，同一列中的多个侧边动力线圈221彼此之间并联，同一列中的中部动力线圈222彼此之间并联，同一列中的上部线圈231彼此之间并联，同一列中的下部线圈232彼此之间并联，以便每一个侧边动力线圈221、每一个中部动力线圈222、每一个上部线圈231和每一个下部线圈232分别产生与图2所示的磁场相适配的磁场，为列车系统1提供驱动力、浮力和导向力。

本领域技术人员还能够理解的是，在列车系统1行走的过程中，交流电的频率越大，列车系统1行走的速度就越快。

基于前文的描述，本领域技术人员能够理解的是，通过使相邻的两列高温超导线圈13之间具有一列动力线圈22，使得某一列动力线圈22产生的磁场能够同时作用于两列高温超导线圈13，提高了动力线圈的磁场的利用率。通过使相邻的两列动力线圈22之间具有一列高温超导线圈13，使得每一列高温超导线圈13产生的磁场能够同时作用于两列动力线圈22，提高了高温超导线圈13的磁场的利用率。使得，本公开的磁悬浮列车系统能够有效地提高磁场的利用率，从而能够为列车提供更大的推力，使列车具有更高的运行速度。

进一步，在本公开的第一实施例中，所选超导体材料是bi-2223或ybco涂层超导带材，高温超导体的电场强度e和电流密度j成非线性关系，关系式可表达为：

其中，jc为标准电场强度，ec是临界电流密度，h是表征高温超导体非线性程度的参量。

对公式(1)作进一步变形推导，可得到高温超导体的等效电导率σ：

高温超导直线同步电动机的运行的同步速度υ0为：

υ0＝2τf(3)

其中τ为高温超导直线同步电动机的极距，f为工作频率。

单位体积的载流体在行波磁场中所受到的力为：

f＝j×b(4)

其中，b表示行波磁场的磁感应强度。

本发明中的大推力高温超导直线电动机的次级高温超导线圈磁体受到两边初级绕组三相电流产生的行波磁场的相同的电磁力，所受电磁推力为：

本发明中的大推力高温超导直线电动机可根据实际情况增设m列高温超导线圈，每列设置n个跑道式高温超导线圈磁体，则该直线电动机由m+1列动力线圈构成，运行时产生2m列电磁耦合空间驱动列车运行，(m≥2，且为正整数)所产生的电磁力为：

其中，积分的范围包含整个载流区域，公式中默认材料的相对磁导率μ为1。从公式中能够体现本发明中高加速度高稳定性高温超导磁悬浮车系统的高磁场利用率、结构紧密强稳定行、大推力产生高加速度的特点。

驱动控制方面，该高温超导同步直线电机是一个强耦合的非线性系统，三相初级绕组可用表面的无限薄电流层表示，电流层的时空表达式为：

其中，ia为三相交流电的电流有效值；c表示相数；τ表示极距；yω为与三相初级绕组材料相关的参数；g1表示单相绕组匝数；p表示极对数。

在两向旋转坐标系下的dq轴下数学方程为：

dq电压电流数学模型：

磁链方程为：

机械运动方程：

公式中，ff表示负载阻力；s表示粘滞摩擦系数；ud、uq表示定子绕组d、q轴电压；id、iq表示定子绕组d、q轴电流；a表示微分算子；表示定子磁链dq轴分量；ωr、υ表示角速度和线速度。

在本公开的第二实施例中：

如图2所示，与图1中所示的第一实施例的不同之处在于，本实施例的高温超导线圈13为四列，中部梁213、中部绕组基板215和中部动力线圈222均为三列。

需要说明的是，基于前文所记载的第一实施例和第二实施例，本领域技术人员也可以根据需要，将列车系统1上的高温超导线圈13设置为其它任意列数，例如6列、8列、9列等。并根据高温超导线圈13的列数对轨道系统2上动力线圈22和悬浮导向线圈23的列出做出适应性调整。

在本公开的第三实施例中：

如图4所示地，为了降低超导磁悬浮列车系统的电控成本，本实施例对第一实施例和/或第二实施例做出如下改进：

在轨道主体21上设置有与动力线圈22和悬浮导向线圈23电连接的多条电线，在车体11的底部设置有电刷16，并使该电刷16与车体11下方的电线和前方的至少一根电线滑动接触，以便列车系统1能够通过电刷16向轨道系统2提供保证其运行的电能。换句话说，列车系统1能够通过电刷16与位于车体11正下方的线圈(轨道系统2上的线圈)电连接接触，从而可以保证轨道上只有一部分线圈通电，避免其它未起到作用的初级绕组线圈通电造成多余的电能浪费。同时，还能够避免在轨道上设置多个开关的工作(控制每一节导轨上的线圈是否通电的情形)，省去了轨道线圈分段供电时的复杂控制逻辑。提高了列车运行时的稳定性与可靠性。

示例性地，为左右方向(如图1中所示的左右方向)相对应的一个侧边动力线圈221、一个中部动力线圈222、一个上部线圈231和一个下部线圈232共同配置两根电线(一根为正极，一根为负极)。并使车体11上的电刷与车体11下方所有的电线和前方的最近的两根电线(一根为正极，一根为负极)滑动接触。

最后需要说明的是，本公开中所记载的每一列线圈，都是由多个线圈依次排列而成。

基于前文的描述，本领域技术人员能够理解的是，本公开可以通过增加高温超导线圈13、侧边动力线圈221、中部动力线圈222和间隙3的列数来使列车系统1获得更大的电磁推力和运行速度。

至此，已经结合前文的多个实施例描述了本公开的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本公开的保护范围并不仅限于这些具体实施例。在不偏离本公开技术原理的前提下，本领域技术人员可以对上述各个实施例中的技术方案进行拆分和组合，也可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，凡在本公开的技术构思和/或技术原理之内所做的任何更改、等同替换、改进等都将落入本公开的保护范围之内。