一种提高车辆磁悬浮性能的方法、高温超导磁悬浮系统及磁悬浮列车的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种提高车辆磁悬浮性能的方法、高温超导磁悬浮系统及磁悬浮列车。本发明通过摆放超导块，使c轴设置方向恰好与轨道的磁场的方向平行，从而能够提高车辆的悬浮能力，并通过增加缓冲机构使车辆能够平稳行驶。
【专利说明】
一种提高车辆磁悬浮性能的方法、高温超导磁悬浮系统及磁 悬浮列车
技术领域
[0001] 本发明涉及高温超导磁悬浮技术领域，尤其涉及一种提高车辆磁悬浮性能的方 法、高温超导磁悬浮系统及磁悬浮列车。
【背景技术】
[0002] 高温超导磁悬浮技术，由于高温超导体独特的磁通钉扎特性，具有无源自稳定的 悬浮优势，在无摩擦轴承、飞轮储能、轨道交通等领域展现出良好的应用前景。其中，2000年 我国世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车的诞生展示了高温超导磁悬浮技术在未来新型 (高速、环保、舒适等特点)轨道交通工具的巨大吸引力，引起了国际社会的广泛关注。目前， 德国、俄罗斯、巴西、日本等国均研制出高温超导磁悬浮车样机，各国都在努力推进高温超 导磁悬浮车的实用化进程。如何进一步提高现有高温超导磁悬浮车系统的承载能力和稳定 性能，成为其中一个技术重点。
[0003] 超导块是高温超导磁悬浮系统中的核心部分之一，通常固定于低温容器中。目前， 具有三个均匀分布籽晶轴（c轴）的三籽晶YBa2Cu307-x的超导块相比于单籽晶块材在性能 上更优，因此广泛应用于高温超导磁悬浮系统中。研究发现，高温超导体材料YBa2Cu307-x 的晶体内部a-b面上的导电率要明显高于垂直于a-b面的c轴方向上的导电率，前者的临界 电流密度大小约为后者的3倍左右。但目前很好利用该特性来提高高温超导磁悬浮系统，或 者利用该特性后高温超导磁悬浮系统并没有获得较优的效果。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种高温超导磁悬浮系统及 具有该高温超导磁悬浮系统的磁悬浮列车，该高温超导磁悬浮系统能够提高磁悬浮性能， 而且具有良好的减震性能。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0006] -种提高车辆磁悬浮性能的方法，包括以下步骤:S10:使轨道的磁场的竖直分量 占主导的位置处的超导块的C轴竖直设置，使轨道的磁场的水平分量占主导的位置处的超 导块的c轴水平设置以提高车辆的悬浮力;S20:使车辆在竖直方向获得减震功能。
[0007] 本发明还公开了一种高温超导磁悬浮系统，包括:磁悬浮机构，其包括由永磁体制 成的轨道、设置在所述轨道上方的低温容器以及设置在所述低温容器内的由多个超导块沿 所述轨道宽度方向排列形成的超导块层;其中：轨道的磁场的竖直分量的主导区域上方的 超导块的c轴竖直设置，轨道的磁场的水平分量的主导区域上方的超导块的c轴水平设置。 缓冲机构，其设置在车架与所述低温容器之间以减缓所述车架在竖直方向的运动。
[0008] 优选地，所述轨道为单峰磁场结构或在宽度方向布置的多峰磁场结构。
[0009] 优选地，所述缓冲机构包括固定在所述低温容器上部的缸体、设置在所述缸体的 腔室中并将所述腔室分别成上腔室和下腔室的活塞以及上端固定在所述车架上，下端伸入 所述缸体与所述活塞连接的活塞杆;其中：所述活塞上装设有入口和出口分别对应与所述 上腔室和所述下腔室连通的第一单向阀以及入口和出口分别对应与所述下腔室和所述上 腔室连通的第二单向阀。
[0010] 优选地，所述上腔室和所述下腔室内分别设置有上减震弹簧和下减震弹簧。
[0011] 本发明还公开了一种磁悬浮列车，包括车架，还包括设置在所述车架和轨道之间 的上述的高温超导磁悬浮系统。
[0012] 与现有技术相比，本发明的提高车辆磁悬浮性能的方法、高温超导磁悬浮系统及 磁悬浮列车的有益效果是:本发明通过摆放超导块，使c轴设置方向恰好与轨道的磁场的方 向平行，从而能够提高了车辆的悬浮力，并通过增加缓冲机构使车辆能够平稳行驶。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明的高温超导磁悬浮系统的结构示意图；
[0014]图2实验用Halbach永磁轨道结构及磁通线分布，其中箭头方向表示永磁体的磁化 方向；
[0015]图3实验用Halbach永磁轨道上方15mm处磁场分布:合磁场、法向和切向磁场分量； [0016]图4为超导块的c轴方向垂直于外磁场的作用示意图；
[0017]图5为超导块的c轴方向平行于外磁场的作用示意图；
[0018] 图6为图1的局部A的放大视图。
[0019] 图中：
[0020] 10-轨道;20-低温容器;30-超导块层；31-超导块;40-缓冲机构；41-缸体;42-活 塞;43-活塞杆;44-下减震弹簧;45-第一单向阀;46-第二单向阀;47-上减震弹簧;50-车架。
【具体实施方式】
[0021] 为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方 式对本发明作详细说明。
[0022] 本发明的优选实施例提供了一种提高车辆磁悬浮性能的方法，包括以下步骤： S10:使轨道的磁场的竖直分量占主导的位置处的超导块31的c轴竖直设置，使轨道的磁场 的水平分量占主导的位置处的超导块31的c轴水平设置;S20:使车辆在竖直方向获得减震 功能。本发明通过摆放超导块31，使c轴设置方向恰好与轨道10的磁场的方向平行，从而能 够提高了车辆的悬浮力，并通过增加竖直方向上的减震功能使车辆能够平稳行驶。
[0023] 在高温超导磁悬浮系统中，超导块31的所受的悬浮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块31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，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 超导块31发挥出最佳的磁悬浮性能，需要根据块材的组合形式来提供一个合理的外磁场结 构。图2和图3分别给出了实验用Halbach永磁轨道的磁通线分布及表面15mm处的磁场分布， 从图中可以看出在永磁体磁极位置处竖直磁场分量Bn最大，永磁轨道中间水平磁场分量Bt 最大。如图4所示，磁极位置处，超导块31的ab面正对永磁轨道摆放时（超导块31的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，即超导块 31c轴与磁场方向呈90°夹角，此时具有更大电流密度的ab面并未与外磁场充分作用，如图5 所示，当把超导块31的c轴摆放方向与外磁场方向相同时，作用效果将更佳。
[0024]为了验证这种设计思想，对不同摆放形式的超导块31在不同位置处的磁悬浮性能 进行了实施验证。为了叙述方便，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)和竖直摆放的超导块31的悬浮力进行了测试。 [0025] 实施验证显示当超导块31水平摆放时，波峰处悬浮力大于波谷处悬浮力；而超导 块31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超导块31悬浮力 要大于水平摆放超导块31的悬浮力。实验结果再次证明了波峰处超导块31水平摆放形式悬 浮力最佳，同时说明将原波谷位置处水平摆放的超导块31换成竖直摆放时是可以提高其悬 浮性能。考虑到超导块31水平摆放占据正对永磁轨道的宽度为32mm，而竖直摆放后，此宽度 变为原来超导块31的高度13mm(如图5所示），即在同样的空间下，超导块31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块超导块31时的悬浮力。在波谷位置处， 当竖直摆放2块超导块31时，在测试高度10mm处的最大悬浮力近似为：104.6N X 2 = 209.2N， 远大于水平摆放的92.1N。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超导 块31ab面与轨道切向分量磁场充分作用，超导块31的悬浮性能还有很大的上升空间。
[0026] 表1场冷高度30mm超导块3131在不同摆放方式和测试位置处最大悬浮力和导向力
[0028] 注:表中竖直摆放行中的（X 2)表示占据同样的宽度时，可以竖直摆放两块，故乘 以系数2。
[0029] 表1给出典型的工作条件(场冷高度FCH30mm)下超导块31在不同摆放方式和测试 位置的最大悬浮力，从表1中可以看出通过改变超导块31c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。波谷位置处将超导块31的水平摆放变成竖直摆放之后，超导块 31的悬浮力将近似获得从92.1N-209.2N的提升，增大2.27倍。因此，在实际应用中，可以根 据实际需求，结合永磁轨道的结构及其磁场分布来设计超导块31的c轴方向排布，以实现方 案目标。
[0030] 如图1所示，本发明的优选实施例公开了一种基于上述方法的高温超导磁悬浮系 统，该高温超导磁悬浮系统可应用于轨道10交通车辆但不限于应用于此。该高温超导磁悬 浮系统包括磁悬浮机构和缓冲机构40,磁悬浮机构用于为车辆提供悬浮力和导向力以使车 辆在承载一定载荷情况下行驶，缓冲机构40用于减缓车辆在竖直方向上的运动以缓冲车辆 在行驶过程中出现的震动。其中，磁悬浮机构具体包括轨道10、低温容器20以及多个超导块 31，低温容器20设置在轨道10的正上方，多个超导块31置于低温容器20内并沿轨道10的宽 度方向排列而形成超导块层30,本发明的关键在于:轨道10的磁场的竖直分量的主导区域 上方的超导块31的c轴竖直设置，轨道10的磁场的水平分量的主导区域上方的超导块31的c 轴水平设置。本发明通过摆放超导块31，使c轴设置方向恰好与轨道10的磁场的方向平行， 从而能够提高了车辆的悬浮力，并通过增加缓冲机构40使车辆能够平稳行驶。
[0031 ]优选地，轨道10为单峰磁场结构或在宽度方向布置的多峰磁场结构。
[0032] 对于高温超导磁悬浮系统应用于车辆的情况而言，轨道10与超导块31之间的磁力 作用虽然能够为车辆的震动提供部分缓冲作用，但若要最大程度的减小车辆的震动还需单 独加装缓冲机构40,这也是本发明将缓冲系统引入高温超导磁悬浮系统的原因。
[0033]具有减震作用的缓冲机构40的结构或组成可以有多种，如减震弹簧，即在低温容 器20与车架50之间设置减震弹簧，利用减震弹簧在受到机械力时发生弹性变形而对车辆起 到减震作用。然而减震弹簧存在至少两方面的缺陷:一是，减震弹簧对于震动过程中能够因 明显阻止车辆竖直向下运动而起到明显的缓冲作用，而对于在震动过程中车辆竖直向上运 动时，因减震弹簧对车辆竖直向上运动的阻止能力不强(减震弹簧受压效果好，而受拉效果 差)而起到的缓冲作用不强;二是，减震弹簧因频繁的发生弹性变形而容易失效，甚至疲劳 破坏，进而导致缓冲作用减弱甚至失效。
[0034]为提高车辆的减震性能，本发明的一个优选实施例提供了一种减震效果优良的缓 冲机构40,如图6并结合图1所示，具体地，缓冲机构40包括固定在低温容器20上部的缸体 41、设置在缸体41的腔室中并将腔室分别成上腔室（上腔室内设置有液压介质）和下腔室 (下腔室内设置有液压介质）的活塞42以及上端固定在车架50上，下端伸入缸体41与活塞42 连接的活塞杆43,上腔室和下腔室内分别设置有上减震弹簧47和下减震弹簧44。其中：活塞 42上装设有入口和出口分别对应与上腔室和下腔室连通的第一单向阀45以及入口和出口 分别对应与下腔室和上腔室连通的第二单向阀46,并且使第二单向阀46的导通压力条件设 置为当活塞杆43和活塞42承受整个车辆的重力时，第二单向阀46仍处于关闭状态，而当承 受的力为大于车辆重力某一数值时，第二单向阀46导通，对于第一单向阀45的导通条件可 以设定为任意压力值。
[0035]上述缓冲机构40能够起到减震作用的原因在于：当车辆在竖直方向上未发生震动 时，下腔室内的液压介质因承受整个车辆的重力而具有一定压力，活塞42上的第二单向阀 46因未达到导通条件而关闭，而第一单向阀45因具有逆止功能，从而使下腔室内的液压介 质无法通过第一单向阀45和第二单向阀46进入上腔室，从而使得活塞杆43在竖直方向上保 持不动，车辆在水平方向上平稳行驶。当因某种原因（如轨道10铺设不平整)缸体41下方的 行走部分(如低温容器20和超导块31)在竖直方向上发生震动时，当行走部分突然竖直向上 运动时，下腔室内的液压介质受到活塞42的挤压而压力升高，当压力升高到第二单向阀46 的导通条件时，第二单向阀46导通，下腔室内的液压介质通过第二单向阀46进入上腔室，缸 体41随行走部分向上运动，行走部分和缸体41不会带动活塞42、活塞杆43以及车辆向上运 动或是活塞42、活塞杆43以及车辆缓慢的向上运动，从而达到缓冲的目的，当行走部分突然 竖直向下运动时，上腔室内的液压介质受到活塞42的挤压而压力升高，当压力升高到第一 单向阀45的导通条件时，第一单向阀45导通，上腔室内的液压介质通过第一单向阀45进入 下腔室，缸体41随行走部分向下运动，行走部分和缸体41不会带动活塞42、活塞杆43以及车 辆向下运动或是活塞42、活塞杆43以及车辆缓慢的向下运动，从而达到缓冲的目的。
[0036]上述缓冲机构40利用液压介质在第一单向阀45和第二单向阀46的控制下于上腔 室和下腔室之间流动，从而使缸体41与活塞杆43形成相对运动，进而实现对车辆的缓冲，这 种液压式减震方式相比减震弹簧的减震方式具有缓冲柔和的特点，更重要的是不存在弹性 失效的缺陷，且能够克服减震弹簧对竖直向上运动的车辆缓冲效果不好的缺陷。
[0037] 对于上述的第二单向阀46的导通条件可以解释为：当车辆平稳运行时，第二单向 阀46必须保持断开状态，只有这样才能使下腔室的液压介质支撑车辆，而当行走部分突然 向上运动时，活塞42挤压下腔室，此时下腔室内的液压介质的压力要高于车辆平稳运行时 的压力，将第二单向阀46的导通条件设置在升高的某一压力值上就会使得行走部分在向上 运动到某一程度时，第二单向阀46导通。
[0038] 从上述解释可以看出，第二单向阀46所设定的导通条件越接近车辆平稳运行时下 腔室的液压介质的压力，缓冲机构40的缓冲效果越好。
[0039]为进一步提高缓冲机构40的减震效果，在本发明的一个优选实施例中，上腔室和 下腔室内分别设置有上减震弹簧47和下减震弹簧44，如此，缓冲机构40利用液压方式和机 械方式两种减震方式，大大提高了车辆的减震效果。
[0040] 此外，本发明还公开了一种磁悬浮列车，包括车架50，还包括设置在车架50和轨道 10之间的上述的高温超导磁悬浮系统。
[0041] 以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围 由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各 种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种提高车辆磁悬浮性能的方法，其特征在于，包括以下步骤： S10:使轨道的磁场的竖直分量占主导的位置处的超导块的C轴竖直设置，使轨道的磁 场的水平分量占主导的位置处的超导块的C轴水平设置以提高车辆的悬浮力； S20:使车辆在竖直方向获得减震功能。2. -种基于权利要求1所述方法的高温超导磁悬浮系统，其特征在于，包括： 磁悬浮机构，其包括由永磁体制成的轨道、设置在所述轨道上方的低温容器以及设置 在所述低温容器内的由多个超导块沿所述轨道宽度方向排列形成的超导块层;其中： 轨道的磁场的竖直分量的主导区域上方的超导块的c轴竖直设置，轨道的磁场的水平 分量的主导区域上方的超导块的c轴水平设置。 缓冲机构，其设置在车架与所述低温容器之间以减缓所述车架在竖直方向的运动。3. 如权利要求2所述的高温超导磁悬浮系统，其特征在于，所述轨道为单峰磁场结构或 在宽度方向布置的多峰磁场结构。4. 如权利要求2所述的高温超导磁悬浮系统，其特征在于，所述缓冲机构包括固定在所 述低温容器上部的缸体、设置在所述缸体的腔室中并将所述腔室分别成上腔室和下腔室的 活塞以及上端固定在所述车架上，下端伸入所述缸体与所述活塞连接的活塞杆;其中： 所述活塞上装设有入口和出口分别对应与所述上腔室和所述下腔室连通的第一单向 阀以及入口和出口分别对应与所述下腔室和所述上腔室连通的第二单向阀。5. 如权利要求4所述的高温超导磁悬浮系统，其特征在于，所述上腔室和所述下腔室内 分别设置有上减震弹簧和下减震弹簧。6. -种磁悬浮列车，包括车架，其特征在于，还包括设置在所述车架和轨道之间的如权 利要求2至5任意一项所述高温超导磁悬浮系统。
【文档编号】B60L13/04GK106080256SQ201610626916
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月3日 公开号201610626916.7, CN 106080256 A, CN 106080256A, CN 201610626916, CN-A-106080256, CN106080256 A, CN106080256A, CN201610626916, CN201610626916.7
【发明人】邓自刚, 郑珺
【申请人】西南交通大学