[发明专利]一种适用于高速超导磁悬浮系统的复合聚磁型永磁导轨机构

说明书

技术领域

本发明属于高温超导磁悬浮技术，涉及一种适用于高速超导磁悬浮系统的复合聚磁型永磁导轨机构。

背景技术

与分别以电磁吸力和电磁感应斥力为基础的电磁悬浮（EMS）与电动悬浮（EDS）技术相比，高温超导磁悬浮技术依靠高温超导块材与外部磁场激励之间的电磁感应作用产生的永久电流实现稳定的自悬浮，无需主动控制，结构简单，原理可靠，成为实用磁悬浮技术的理想选择之一，在高速轨道交通、大规模电磁储能技术、电磁弹射与发射、磁悬浮轴承等诸多应用领域具有广阔的应用前景，其所具备的低能耗、高可靠性、无污染等诸多优势也使其成为发展绿色能源产业的理想选择之一。

高温超导磁悬浮列车是高温超导磁悬浮技术在轨道交通领域应用的代表，由于其克服了轮轨系统的粘滞摩擦力，且无需主动控制或外部能源供给即可实现稳定悬浮与导向，消除了采用主动控制技术的磁悬浮轨道交通系统在高速或超高速运行状态下可能存在的控制响应时滞问题，因而是高速或超高速轨道交通系统的理想选择。2000年底，载人高温超导磁悬浮实验车“世纪号”在中国成都实验成功，标志着高温超导磁悬浮技术在轨道交通应用领域的重大突破。

在高温超导磁悬浮系统中，需要外部磁激励源与高温超导块材共同作用感应产生维持稳定悬浮所必须的永久电流。与电磁铁相比，具有高磁能积和强矫顽力的永磁体是现有技术条件下产生该外部磁激励源的最优选择，其不仅具有高能量密度，在提供相同外部磁场激励能量的前提下所需体积更小，重量更轻，能有效减少系统占用空间和重量，而且无需引入能源供给装置和通风散热装置，节省了大量相关设备投入，降低了系统的复杂性，提高了系统的安全和运行可靠性。

由于高温超导磁悬浮系统的特殊要求，永磁体所提供的外部磁场激励需要满足在某个特定方向具有高磁场强度和磁场梯度，而在另一特定方向则需要满足无磁场梯度以及具备高磁场均匀度的特殊要求，因而不能仅依靠单块永磁体提供该磁场激励，而需要引入特殊的永磁组合结构，将多块永磁体拼接组装起来，构成一个完成的永磁机构，当应用于超导磁悬浮列车时，通常称之为永磁导轨。

目前广泛采用的高温超导磁悬浮列车用永磁导轨为铁聚磁型结构，即利用磁化方向相反的永磁体对置组合产生强的磁压力，以铁磁性材料聚集磁场并将永磁体对置组合的磁力线引导发散至高温超导块材的工作区域，其典型结构和磁场分布如图1所示。永磁导轨所提供的磁场不仅需要具有高的磁场梯度，以便高温超导块材产生较大的竖直悬浮力，同时也需要具有高的磁场强度，以便高温超导块材发生侧向位移时能够产生较大的水平恢复力。载人高温超导磁悬浮实验车“世纪号”所使用的该永磁机构为导轨形式，且目前在全世界同类系统中得到了广泛的应用。需要注意的是，图1所示永磁导轨有三个聚磁铁，其中中间聚磁铁为主聚磁极，其所承担的作用是将磁力线聚集并发散到较高的空间区域，左右两侧聚磁铁为辅助聚磁极，其主要对主聚磁极所发散的磁力线起到聚集、回收的作用，以便于磁力线更快、更集中的进入图1所示两块水平对置的永磁体磁路中，减小磁能的无效发散空间。在某些非必要的情况下，可以省略左右两侧的辅助聚磁铁，其并不会对永磁导轨的主磁路造成明显影响。

在实际使用中，由于生产出来的永磁体为块状材料，并受材料结构强度、充磁空间等因素影响，自身几何尺寸有一定长度限制，因此构成图1所示永磁导轨的两块水平对置的永磁体在沿纵向方向，即超导磁浮列车的前进方向（即垂直于本说明书的页面方向）是由分段的永磁块组成的。以钕铁硼（NdFeB）磁体为例，其纵向长度通常为80—100mm，因此一段1m长的永磁导轨通常要包含10—12个左右的永磁段。

如此多的永磁段在生产、加工和装配时必然存在一定误差，因此会在永磁导轨的纵向方向上造成磁场梯度。当高温超导块材悬浮于永磁导轨上方并沿纵向方向快速运行时，该磁场梯度会引发高温超导块材内部的磁通运动并造成损耗，降低超导磁悬浮系统的性能，速度越快，其影响越显著，严重时可能会造成高温超导块材内部的局部失效，直接威胁到系统的安全性能。此外，即便在低速运行场合下，如果该磁场梯度较大，也会对超导磁悬浮系统的平稳运行造成显著干扰，影响磁悬浮系统的运行稳定性和舒适性。

图1所示的传统永磁导轨由于采用聚磁铁作为主聚磁极，依靠聚磁铁的磁导率高，可以极大地抑制由于分段永磁块误差所带来的磁场梯度影响，因此该类型的永磁导轨比较适合于高速运行的超导磁悬浮系统。图1所示的传统永磁导轨采用铁磁性材料作为主聚磁极，两块水平对置的永磁体产生磁压力，主磁路由铁磁性材料引导，因此该类型永磁机构可被称为铁聚磁型。