[发明专利]高温超导磁悬浮结构及高温超导带材磁悬浮列车

说明书

本发明公开了高温超导磁悬浮结构及高温超导带材磁悬浮列车，包括永磁轨道、位于永磁轨道上方的悬浮架，所述悬浮架的底部设置正对所述永磁轨道的悬浮杜瓦，所述悬浮架包括两个斜面相对的楔形块，两个楔形块的斜面之间通过若干弹性件连接。永磁轨道固定在道床上，所述悬浮架上设置车厢、且车厢与两个楔形块均相连；还包括用于驱动悬浮架在永磁轨道上移动的牵引直线电机。本发明的目的在于提供高温超导磁悬浮结构及高温超导带材磁悬浮列车，悬浮架相比于传统刚性连接具有更高的稳定性和解耦性，且悬浮能力优于现有技术中的高温超导块材磁浮系统，从而具有更高的工程应用价值和优势。

技术领域

本发明涉及磁悬浮领域，具体涉及高温超导磁悬浮结构及高温超导带材磁悬浮列车。

背景技术

现代高速轮轨列车最高商业运营时速达到350km，下一步提速将面临轮轨黏着系统、空气阻力、噪音和震动等因素的限制。磁悬浮列车基于电磁力实现无接触的悬浮与导向，通过直线电机牵引驱动，具有高速、稳定、低噪、节能、低碳、转弯半径小及爬坡能力强等优点，在高速交通运输应用中具有广阔前景。主要的磁浮技术包括：电磁悬浮技术、电动磁浮技术及高温超导块材磁浮技术，前两种技术已有实际应用，分别以长沙中低速磁浮线及日本高速磁浮线为代表。与其它两种技术比较，高温超导块材磁浮技术利用YBa₂Cu₃O_7-x(YBCO)高温超导块材在永磁轨道外磁场中的抗磁性与强磁通钉扎特性，使磁浮列车在静止或运动状态下实现自稳定的悬浮与导向，由于不需要主动控制，其系统结构简单，同时，理论时速可达3000km以上。然而，YBCO高温超导块材的临界电流密度低、热稳定性差、易受潮变质，即便真空封装保护，受外部作用力及热胀冷缩的影响，易产生水平方向上的断裂，长期使用将严重降低磁悬浮列车的悬浮与导向性能。目前，YBCO高温超导块材磁浮列车相关研究主要集中在中国、巴西及德国，国内以西南交通大学牵引动力国家重点实验室的“Super-Maglev”磁浮原型车为代表，国外以巴西里约热内卢联邦大学的“Maglev-Cobra”磁浮原型车为代表，以上原型车的永磁轨道均为双极海尔贝克(halbach)阵列结构，采用单边短初级直线感应电机进行驱动。然而，上述实验室研究中的悬浮杜瓦及YBCO高温超导块材均依赖于德国企业ATZ，可参考文献(IEEE Trans.Appl.Supercond.,2018,28(4):3601605)，该公司的悬浮杜瓦将YBCO高温超导块材放置于真空绝热层内，通过液氮与冷却铜盒对YBCO高温超导块材进行间接冷却，具体结构如图12b所示，这种大范围的镂空结构降低了悬浮杜瓦运行的安全性与稳定性。此外，据文献(IEEE Trans.Appl.Supercond.,2015,25(1):3600106)报道，采用双极halbach阵列永磁轨道，且永磁材料截面积为3000mm²，YBCO高温超导块材在场冷高度为30mm，悬浮间隙为10mm下的悬浮力密度为4.05 N/cm²。

与YBCO块材比较，ReBa₂Cu₃O_7-x(ReBCO，Re为稀土元素)高温超导带材具有优异的自场临界电流密度与机械强度，77 K下的薄膜电流密度与抗拉应力可分别达5 MA/cm²与400MPa以上，同时具有良好的低温高场性能。目前，ReBCO高温超导带材已实现商业化应用，广泛应用于电力、能源、医疗、高能物理等领域。国内生产商以上海超导、上海上创超导及苏州新材料为代表，国外以美国超导公司为代表，具有稳定的产能与质量保证。基于ReBCO高温超导带材的磁浮技术研究，据相关文献(Supercond.Sci.Technol.,31(2018):015013)报道，其主要手段是将带材裁剪为有限长度(100mm)，沿水平及竖直方向进行平面堆叠，得到如图6a、6b所示的悬浮单元，并依据永磁体的磁化方向规律，进行如图7a所示的排列(Type-A)。然而，通过仿真实验对比研究，其悬浮性能明显小于YBCO块材磁浮系统，工程实用价值低。此外，现有的高温超导带材磁悬浮列车，位于永磁轨道上方的悬浮架均为一体刚性连接，稳定性不足、解耦性较差。

发明内容