零磁通电动悬浮线圈单元及超导磁悬浮系统的制作方法

1.本实用新型涉及高速磁悬浮交通技术领域，尤其涉及一种零磁通电动悬浮线圈单元及超导磁悬浮系统。


背景技术：

2.由零磁通线圈和超导磁体组成的超导磁悬浮系统具有浮阻比高、悬浮导向自稳定、悬浮间隙大等优点，在未来高速、超高速磁悬浮轨道交通中具有广阔的应用前景。
3.零磁通线圈由上下反向绕制的两个线圈串联而成，在磁体高速掠过线圈时产生感应电流和感应磁场，与磁体相互作用产生悬浮和导向力，由于其为被动悬浮，不需要主动控制，因此系统具有很高的可靠性。
4.与零磁通线圈相互作用为车体提供悬浮导向力的超导磁体在受到结构振动和谐波涡流损耗时，容易引起超导线圈温度升高导致线圈失超，从而使电动悬浮系统失效，因此减少地面线圈在超导磁体表面产生的谐波磁场对降低磁体振动、发热，进而提高磁体稳定性有很大帮助。
5.现有零磁通线圈方案主要有60
°
相带/120
°
相带单层布置的零磁通线圈方案、加长节距倾斜层叠布置的零磁通线圈方案和加长节距双层布置的方案。前者为常规零磁通线圈方案，在此基础上还衍生出上下线圈高度不等的不对称零磁通方案以提高悬浮导向刚度；后两者为消除地面线圈谐波、加长单个线圈节距而设计的两种线圈布置方案。
6.传统的单层零磁通线圈其感应电流在空间中会产生较大幅值的高次谐波，如以60
°
相带布置的单层零磁通线圈会在空间产生幅值较大的五次谐波，以120
°
相带布置的零磁通线圈会在空间产生幅值较大的二次谐波，上述谐波在超导磁体高速运行时会在磁体外杜瓦产生较大的涡流损耗引起杜瓦发热，且谐波磁场与超导磁体恒定磁场相互作用还会产生较大的结构振动，容易导致超导磁体失超，不利于磁悬浮列车，尤其是运行于低真空环境、散热困难的磁悬浮列车长期稳定运行。
7.加长单个线圈节距的倾斜层叠布置结构可以较为有效的降低主要谐波磁场含量，但会导致其他阶次谐波磁场的增加。如以60
°
相带布置的零磁通线圈，当节距增加到线圈距的1.16倍时可以有效降低五次谐波幅值，但会引起七次谐波幅值增大，由于七次谐波更容易引起磁体的整体振动，因此该拓扑结构会在降低磁体涡流损耗的同时增大磁体整体悬浮、导向振动。
8.加长单个线圈节距的方案在层叠布置和双层布置两种结构下均会导致所占用的导向空间大幅增大，由于零磁通线圈后方还设置有作为推进用的推进线圈，因此该方案会极大增加推进线圈与超导磁体间的电磁间隙，从而影响直线电机的功率因数和容量。并且，由于零磁通线圈感应反电势与阻抗之比即感应电流随速度变化而变化，因此加长单个线圈节距的双层布置方案还会在超导磁体上引入额外的同频振动，不利于超导磁体的稳定运行。


技术实现要素：

9.本实用新型提供了一种零磁通电动悬浮线圈单元及超导磁悬浮系统，能够解决现有技术中的技术问题。
10.本实用新型提供了一种零磁通电动悬浮线圈单元，其中，该零磁通电动悬浮线圈单元包括在导向方向上靠近超导线圈的靠近侧零磁通线圈和远离超导线圈侧的远离侧零磁通线圈，所述靠近侧零磁通线圈和所述远离侧零磁通线圈在航向方向上相互错开预定距离，所述靠近侧零磁通线圈包括靠近侧零磁通上线圈和靠近侧零磁通下线圈，所述远离侧零磁通线圈包括远离侧零磁通上线圈和远离侧零磁通下线圈，所述靠近侧零磁通上线圈与所述远离侧零磁通上线圈串联且在产生感应电流时电流流向和电流幅值均相同，所述靠近侧零磁通下线圈与所述远离侧零磁通下线圈串联且在产生感应电流时电流流向和电流幅值均相同，所述靠近侧零磁通上线圈与所述远离侧零磁通上线圈二者以及所述靠近侧零磁通下线圈与所述远离侧零磁通下线圈二者电流流相反且电流幅值相同。
11.优选地，所述靠近侧零磁通线圈的匝数小于所述远离侧零磁通线圈的匝数。
12.优选地，所述靠近侧零磁通线圈的单匝导体截面积与所述远离侧零磁通线圈的单匝导体截面积相同。
13.优选地，所述靠近侧零磁通上线圈与所述远离侧零磁通上线圈以及所述靠近侧零磁通下线圈与所述远离侧零磁通下线圈均为单饼线圈，所述靠近侧零磁通上线圈与所述远离侧零磁通上线圈分别在内侧引出线端后串联形成上线圈内部串联点，所述靠近侧零磁通下线圈与所述远离侧零磁通下线圈分别在内侧引出线端后串联形成下线圈内部串联点。
14.优选地，所述靠近侧零磁通上线圈和所述远离侧零磁通上线圈分别引出一根并联引线，并分别沿所述靠近侧零磁通下线圈的外围和所述远离侧零磁通下线圈的外围绕至底部形成半匝绕组后分别与所述靠近侧零磁通上线圈和所述远离侧零磁通上线圈各自外部的并联引线在底部焊接并联。
15.本实用新型还提供了一种超导磁悬浮系统，其中，该系统包括超导线圈和上述的零磁通电动悬浮线圈单元。
16.通过上述技术方案，可以得到在航向方向上互错预定距离的前后双层零磁通线圈，且前后双层线圈为串联关系，消除了前后匝线圈电流间的相位差以及不同速度下基波电流不相等引入的附加空间磁场波动等问题，并且可以有效消除每一阶高次空间磁场谐波且不引入新的谐波成分。也就是，可以使谐波总能量最小化的同时确保各次谐波幅值相比现有技术的单层布置方案均有降低，且导向方向空间占用率远小于同等电密下的加长节距层叠布置零磁通线圈方案。
附图说明
17.所包括的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本实用新型的实施例，并与文字描述一起来阐释本实用新型的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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。
18.图1示出了根据本实用新型实施例的一种零磁通电动悬浮线圈单元的示意图；
19.图2示出了根据本实用新型实施例的一种零磁通电动悬浮线圈单元的布置示意
图；
20.图3a和3b示出了根据本实用新型实施例的零磁通电动悬浮线圈单元中单个零磁通上、下线圈的示意图；
21.图4a和4b示出了根据本实用新型实施例的一种零磁通电动悬浮线圈单元的双层错位间距与空间谐波幅值及其能量关系示意图。
具体实施方式
22.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，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，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
23.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技术的示例性实施方式。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。
24.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实用新型的范围。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。
25.图1示出了根据本实用新型实施例的一种零磁通电动悬浮线圈单元的示意图。
26.图2示出了根据本实用新型实施例的一种零磁通电动悬浮线圈单元的布置示意图。
27.如图1
‑
2所示，本实用新型实施例提供了一种零磁通电动悬浮线圈单元，其中，该零磁通电动悬浮线圈单元包括在导向方向上靠近超导线圈1的靠近侧零磁通线圈2和远离超导线圈侧的远离侧零磁通线圈3，所述靠近侧零磁通线圈2和所述远离侧零磁通线圈3在航向方向上相互错开预定距离，所述靠近侧零磁通线圈2包括靠近侧零磁通上线圈21和靠近侧零磁通下线圈22，所述远离侧零磁通线圈3包括远离侧零磁通上线圈31和远离侧零磁通下线圈32，所述靠近侧零磁通上线圈21与所述远离侧零磁通上线圈31串联且在产生感应电流时电流流向和电流幅值均相同，所述靠近侧零磁通下线圈22与所述远离侧零磁通下线圈32串联且在产生感应电流时电流流向和电流幅值均相同，所述靠近侧零磁通上线圈21与所述远离侧零磁通上线圈31二者以及所述靠近侧零磁通下线圈22与所述远离侧零磁通下线圈32二者电流流相反且电流幅值相同。
28.举例来讲，参考图2，在前的一个靠近侧零磁通线圈2和在后的一个远离侧零磁通
线圈3作为一组线圈，多组线圈相对于超导线圈沿航向方向依次布置。其中，一组线圈中的上线圈与上线圈串联，下线圈与下线圈串联。在产生感应电流时，一组线圈中的两个上线圈的电流流向和电流幅值相同，两个下线圈的电流流向和电流幅值相同，两个上线圈的电流流向与两个下线圈的电流流向相反，两个上线圈的电流幅值与两个下线圈的电流幅值相同。
29.通过上述技术方案，可以得到在航向方向上互错预定距离的前后双层零磁通线圈，且前后双层线圈为串联关系，消除了前后匝线圈电流间的相位差以及不同速度下基波电流不相等引入的附加空间磁场波动等问题，并且可以有效消除每一阶高次空间磁场谐波且不引入新的谐波成分。也就是，可以使谐波总能量最小化的同时确保各次谐波幅值相比现有技术的单层布置方案均有降低，且导向方向空间占用率远小于同等电密下的加长节距层叠布置零磁通线圈方案。
30.根据本实用新型一种实施例，所述靠近侧零磁通线圈2的匝数小于所述远离侧零磁通线圈3的匝数。
31.由此，确保了在更远的电磁间隙下前后两层线圈对超导磁体基波悬浮、导向磁场一致(幅值相同)，因此不会在超导磁体上产生基波悬浮、导向力波动。
32.根据本实用新型一种实施例，所述靠近侧零磁通线圈2的单匝导体截面积与所述远离侧零磁通线圈3的单匝导体截面积相同。
33.由此，可以保证前后两层线圈发热速度、损耗相同，避免了发热不均匀的问题。
34.根据本实用新型一种实施例，如图2和3(其中，图3a为上线圈，图3b为下线圈)所示，所述靠近侧零磁通上线圈21与所述远离侧零磁通上线圈31以及所述靠近侧零磁通下线圈22与所述远离侧零磁通下线圈32均为单饼线圈，所述靠近侧零磁通上线圈21与所述远离侧零磁通上线圈31分别在内侧引出线端后串联形成上线圈内部串联点4，所述靠近侧零磁通下线圈22与所述远离侧零磁通下线圈32分别在内侧引出线端后串联形成下线圈内部串联点5。
35.其中，上下线圈的绕制方向相同。
36.根据本实用新型一种实施例，如图2和3所示，所述靠近侧零磁通上线圈21和所述远离侧零磁通上线圈31分别引出一根并联引线6，并分别沿所述靠近侧零磁通下线圈22的外围和所述远离侧零磁通下线圈32的外围绕至底部形成半匝绕组后分别与所述靠近侧零磁通上线圈21和所述远离侧零磁通上线圈31各自外部的并联引线6在底部焊接并联。
37.也就是，所述靠近侧零磁通上线圈21从外部引出一根并联引线6，并沿所述靠近侧零磁通下线圈22的外围绕至底部形成半匝绕组后与所述靠近侧零磁通上线圈21外部的并联引线6在底部焊接并联。同理，所述远离侧零磁通上线圈31引出一根并联引线6，并沿所述远离侧零磁通下线圈32的外围绕至底部形成半匝绕组后与所述远离侧零磁通上线圈31外部的并联引线6在底部焊接并联。
38.由此，通过上述的优选绕制方式，可以使单组双层错位零磁通线圈导体焊接点最少化，减少焊接引入的额外电阻。
39.本实用新型实施例还提供了一种超导磁悬浮系统，其中，该系统包括超导线圈和上述实施例中所述的零磁通电动悬浮线圈单元。
40.继续参考图2，一组线圈中的靠近侧零磁通线圈2和远离侧零磁通线圈3在航向上
相互错开的预定距离为d1，同一层(同一侧，例如，靠近侧)相邻两个零磁通线圈(靠近侧零磁通线圈)间距为d2，在不同相带布置下，0.5＜d1/d2＜1。并且，在图2中，靠近侧与远离侧的前后线圈为串联关系(即，a1与a2串联，b1与b2串联，c1与c2串联，d1与d2串联，e1与e2串联，f1与f2串联)，同一侧的线圈间无连接关系(即，a1、b1、c1、d1、e1和f1之间无连接关系，a2、b2、c2、d1、e2和f2之间无连接关系)。
41.以60
°
相带布置的零磁通线圈为例，如图4(其中，图4a为双层错位间距与空间谐波幅值的关系示意图，图4b为双层错位间距与谐波能量占比的关系示意图)所示，当d1/d2＝0.6，远离侧与靠近侧匝数比为1.17:1时，零磁通线圈感应电流对超导磁体谐波磁场能量之和最小。此时前后线圈产生的五次、七次谐波均近似为幅值相同、相位相反的状态，可以在相对超导磁体的合成磁场中相互抵消。
42.从上述实施例可以看出，本实用新型上述结构相比于现有技术中的双层方案，在导体用量增加10％以内条件下，可以使谐波磁场的能量消除95％以上，在不过度增加地面线圈成本的基础上，可以极大提高长期运行的高速磁悬浮列车，尤其散热困难的低真空管道高速磁浮列车的超导磁体运行稳定性。
43.在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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实用新型保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
44.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。
45.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实用新型保护范围的限制。
46.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。