專利名稱：高溫超導旋轉磁場電動式磁懸浮系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于電磁技術領域，尤其涉及高溫超導旋轉磁場電動式磁懸浮系統。
背景技術：
根據楞次定理，運動的磁場和變化的磁場都能夠在導體中感應出電流，感應電流產生的磁場方向與源運動磁場極性相反，兩磁場的相互作用力表現為斥力。根據這一原理， 各國學者提出了多種利用導體中的渦流電磁場產生的斥力實現磁懸浮的方案，稱為電動式磁懸浮。其中比較具有代表性的是日本MLU超導磁懸浮交通運輸系統，車載超導磁鐵隨列車快速運動產生運動磁場，在兩側軌道安裝的“8”字線圈中感應出渦流，產生斥力性質的復原力實現電動式磁懸浮，這種磁懸浮方案能夠產生較強的懸浮力，應用較為成熟，但這種懸浮方案在列車靜止的情況無法產生懸浮力，只能應用于高速運動狀況。為實現靜止條件下的電動式磁懸浮，20世紀90年代日本九州大學藤井教授提出的立式永磁磁輪，將釹鐵硼永磁材料在沿水平圓周安裝于圓盤形鐵軛上作為永磁盤式電機的轉子，在定子繞組中通入交變電流，帶動永磁轉子做水平圓周運動，轉子背面磁通在氣隙中產生圓周運動的磁場，在鋁導體感應板中感應出渦流，渦流磁場與永磁體旋轉磁場共同作用產生懸浮力，實現電動式磁懸浮。該磁場相對車輛運動，能夠在車輛靜止時產生電動式懸浮力。此種方式雖然實現了靜止條件下固有穩定的電動式磁懸浮，但如果需要磁場運動，則必須附加復雜的機械結構帶動永磁體轉動實現磁場的運動，使整個結構沉重，帶來了巨大的機械振動和機械噪聲。
發明內容
針對上述背景技術中提到現有電動式磁懸浮系統結構復雜、存在機械振動和機械噪音等不足，本發明提出了一種高溫超導旋轉磁場電動式磁懸浮系統。本發明的技術方案是，高溫超導旋轉磁場電動式磁懸浮系統，其特征是該系統包括初級鐵心、初級繞組、杜瓦罐和次級鋁導體板；所述初級繞組安裝在初級鐵心的槽內；初級鐵心置于杜瓦罐的底部；次級鋁導體板位于杜瓦罐的下方，并且次級鋁導體板的面積大于初級鐵心的面積；所述初級繞組接入三相交變電流或多相交變電流；所述杜瓦罐內裝滿液氮。 所述初級繞組采用多層繞組設計。所述初級鐵心為環形硅鋼制成。所述系統運行時，杜瓦罐和次級鋁導體板之間的距離為8毫米到12毫米。所述系統的工作頻率為使得初級繞組輸出較高懸浮力時的最低頻率。所述杜瓦罐采用不導磁的絕緣材料制成。
與現有技術相比，本發明具有以下優點采用電動式斥力磁懸浮，懸浮力隨輸入電流的增大和氣隙長度的減小而增大，屬于固有的穩定系統，不需要復雜的控制系統也能維持懸浮狀態；磁場相對初級做圓周運動， 在初級靜止的情況下也能夠產生懸浮力，靜止時不需要物理支承；不存在機械旋轉機構，可以避免機械損耗，機械振動和陀螺儀效應；能夠通過改變初級電流的大小和頻率改變旋轉磁場的幅值和轉速，懸浮力控制更為便捷有效。
圖1是本發明優選的一種旋轉磁場電動式磁懸浮系統結構原理圖；圖2是本發明優選的一種旋轉磁場電動式磁懸浮系統初級鐵心、繞組和次級導體板的結構示意圖，分別為俯視圖和左視圖；圖3是本發明優選的一種旋轉磁場電動式磁懸浮系統次級導體板疊片結構圖，分別為俯視圖和左視圖。
具體實施例方式下面結合附圖，對優選實施例作詳細說明。應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發明的范圍及其應用。本發明的目的是提供一種超導磁懸浮系統——高溫超導旋轉磁場電動式磁懸浮系統，該系統能夠在不存在任何機械運動的條件下實現靜止的固有穩定的電動式磁懸浮。 在初級繞組中通入交變電流，會在圖1所示的懸浮氣隙中產生旋轉變化的磁場，這一磁場會在次級導體板內感應產生渦流磁場，氣隙磁場和渦流磁場相互作用，在初級和次級之間產生斥力作為系統的懸浮力，穩定工作時，懸浮力與次級的重力相等，使次級穩定懸浮在一定的高度。當初級和次級的垂直距離接近，即懸浮氣隙減小時，這一懸浮力增大，將次級推開，懸浮氣隙增大時，這一懸浮力減小，使次級接近，這一懸浮力的變化趨勢使初級和次級之間的垂直距離能夠穩定在一個固定值附近。為了實現上述功能，本發明公開了一種高溫超導旋轉磁場電動式磁懸浮系統，包括徑向開槽的硅鋼帶卷繞而成的環形初級鐵心；安裝在初級鐵心槽內的多相初級繞組；保持超導必需的低溫環境的液氮和杜瓦罐；充當懸浮系統次級的光滑扁平鋁導體板。初級超導載流繞組可通入對稱三相交變電流或多相交變電流，繞組形式設計應根據初級電流相數相應分布，只能夠采用集中式繞組作為初級繞組，可以采用多層繞組設計。 初級繞組的極對數應盡可能少。通過改變初級電流的幅值和頻率可改變系統輸出的懸浮力。提高初級電流的幅值可以使懸浮力呈平方正比關系迅速增加。可根據初級繞組的設計尺寸，選擇能夠輸出較高懸浮力的最低頻率作為系統工作頻率。懸浮氣隙為包裹初級鐵心的杜瓦罐的下表面與次級導體板之間的距離，系統工作時，初級通電產生的電磁場會對次級產生一個推斥力，這個力在次級與初級接近時增大，遠離時減小，利用這個力，將次級接近初級時，即氣隙減小時，將次級推開，氣隙增大時拉近， 使氣隙維持在1厘米左右，通常誤差范圍為2毫米。即圖1中的懸浮氣隙應根據應用場合合理設計，為保持穩定懸浮，一般要求接近或大于1厘米。開槽的初級鐵心和對稱放置于槽內的初級超導載流繞組完全浸入液氮中，被杜瓦罐包裹，初級鐵心的下表面應盡可能接近杜瓦罐底部。杜瓦罐材料應選用無磁、絕緣材料，且杜瓦厚度在成本允許條件下應盡可能薄。為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明。旋轉磁場電動式磁懸浮系統需要在初級繞組中通入多相對稱電流產生旋轉磁場。 在實際應用中，因為電網電壓都是三相，所以初級繞組宜采用通入三相對稱交變電流的對稱三相繞組。也可以利用變流技術產生兩相對稱交變電流送入該懸浮系統，在初級采用兩相繞組設計。參照圖1示出了優選實施例的結構圖。在杜瓦罐內部底部中心處固定初級鐵心， 鐵心開槽并放置有繞組的一側緊貼杜瓦罐底部內壁；在杜瓦罐內部充滿液氮，以維持超導所需的低溫環境；杜瓦內壁大于初級鐵心和繞組的空間應限制到盡量小，以減少系統初級重量；次級為光滑扁平鋁導體板。參照圖2示出了優選實施例的初級鐵心的結構和繞組形式，初級鐵心沿圓周對稱在徑向開6個槽；在初級鐵心內對稱放置三相超導載流繞組；繞組一律采用集中式初級繞組；為提高槽利用率，繞組采用雙層結構；為提高極距，提高磁場運動速度，繞組采用兩極結構；上下兩層關于中心對稱的繞組通入同一相電流，圖中的三組繞組分別表示三相載流繞組，繞組通入的三相電流對稱，相位相差120°，相序不做限制。其中，初級繞組中通入電流的相數最低為兩相，否則無法產生圓周運動的磁場，系統產生懸浮力的能力將受到限制。輸入電流相數不同時，初級繞組形式和開槽應相應更改。隨著各初級繞組中通入的交變電流幅值隨時間的變化，各繞組線圈產生的磁通也隨之變化，則磁通的分布隨時間變化在初、次級圓周上以一定速度旋轉。根據電機學原理，旋轉磁場的同步轉速為ns = 60f/p其中ns為旋轉磁場的同步轉速；f為頻率；ρ為初級繞組極對數。同時
YlVi = -f-2pr = 2rf
60其中Vs為旋轉磁場的線速度；τ為極距，磁場的同步速度與極距成正比。參照圖3，示出了優選實施例的次級結構圖。次級為光滑扁平鋁導體板，水平方向的結構由應用場合決定；水平方向寬度應大于等于初級鐵心寬度，使初級鐵心全部位于次級正上方；在次級導體板厚度大于1毫米時，應使用多個薄導體板疊片結構，降低對系統產生懸浮力無關的豎直方向渦流電流分量，提高懸浮力發生效率。本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，
5任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
權利要求
1.高溫超導旋轉磁場電動式磁懸浮系統，其特征是該系統包括初級鐵心、初級繞組、杜瓦罐和次級鋁導體板；所述初級繞組安裝在初級鐵心的槽內；初級鐵心置于杜瓦罐的底部；次級鋁導體板位于杜瓦罐的下方，并且次級鋁導體板的面積大于初級鐵心的面積；所述初級繞組接入三相交變電流或多相交變電流；所述杜瓦罐內裝滿液氮。
2.根據權利要求1所述的高溫超導旋轉磁場電動式磁懸浮系統，其特征是所述初級繞組采用多層繞組設計。
3.根據權利要求1所述的高溫超導旋轉磁場電動式磁懸浮系統，其特征是所述初級鐵心為環形硅鋼制成。
4.根據權利要求1所述的高溫超導旋轉磁場電動式磁懸浮系統，其特征是所述系統運行時，杜瓦罐和次級鋁導體板之間的距離為8毫米到12毫米。
5.根據權利要求1所述的高溫超導旋轉磁場電動式磁懸浮系統，其特征是所述系統的工作頻率為使得初級繞組輸出較高懸浮力時的最低頻率。
6.根據權利要求1所述的高溫超導旋轉磁場電動式磁懸浮系統，其特征是所述杜瓦罐采用不導磁的絕緣材料制成。
全文摘要
本發明公開了電磁技術領域中的一種高溫超導旋轉磁場電動式磁懸浮系統。本發明包括初級鐵心、初級繞組、杜瓦罐和次級鋁導體板；初級繞組安裝在初級鐵心的槽內；初級鐵心置于杜瓦罐的底部；次級鋁導體板位于杜瓦罐的下方，并且次級鋁導體板的面積大于初級鐵心的面積；初級繞組接入三相交變電流或多相交變電流；杜瓦罐內裝滿液氮；杜瓦罐采用無磁性的絕緣材料制成。本發明能量損耗小、結構穩定、控制簡單，不存在機械旋轉機構，無機械振動、噪聲和陀螺儀效應，適合大氣隙懸浮場合，能夠實現固有穩定的靜止穩定磁懸浮。
文檔編號H02N15/00GK102522925SQ20111036988
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月18日 優先權日2011年11月18日
發明者朱熙, 李碩, 秦偉, 范瑜 申請人:北京交通大學