一种高稳定性高速永磁轨道及磁悬浮系统的制作方法

1.本发明属于高速磁浮及运载技术应用领域，特别涉及一种高稳定性高速永磁轨道及磁悬浮系统。


背景技术：

2.高温超导钉扎磁浮系统理论最高运行速度达3000 km/h，在高速磁浮运输、电磁发射等相关领域具有广阔的应用前景。据有关文献及媒体报道，目前，基于侧向壁挂式永磁轨道的高温超导钉扎磁浮高速环线系统已达到160 km/h下的稳定运行。2018年底，福建师范大学建成全尺寸标准轨距载人永磁轨道试验线路。2021年初，西南交通大学高温超导磁浮工程样车下线。此外，德国、巴西等国外相关单位搭建了可供载人的高温超导磁浮列车试验平台。以上国内外研究进展表明，基于高温超导钉扎磁浮系统的相关研究工作，逐步从小规模基础研究朝向大规模应用研究发展。
3.永磁轨道作为高温超导磁浮列车系统的核心组件，主要为列车提供悬浮与导向，对整个系统的承载性能、可靠性、安全性起到了决定性作用。如图1、图2所示，在现有技术中，永磁轨道主要由永久磁性材料构成，受永磁体尺寸的限制，永磁轨道1通常采用有限长标准矩形磁体单元111沿轨道截面方向（y轴方向）组装得到矩形的永磁轨道模组11，进一步，矩形的永磁轨道模组11沿线路方向（x轴方向）级联铺设，永磁轨道模组间的连接边界使轨道上方磁场衰减，导致磁场沿线路方向不均匀，当超导材料通过时，会带来交流损耗、通过阻力及振动，从而影响系统高速运行下的稳定性与安全性。如图2所示，据相关文献与专利公布，在永磁轨道模组连接处沿轨道侧面（x
‑
z平面）设置斜接与搭接结构，可以减弱磁场沿线路方向上的不均匀性，但仍存在以下不足：由于永磁轨道高度（z轴方向尺寸）通常较小，对轨道侧面（x
‑
z平面）上的斜接与搭接的磁体单元加工精度要求高，此外，斜接与搭接结构直接承受垂直方向（z轴方向）上的作用力f
z
，受热胀冷缩与结构尺寸精度的影响，容易发生挤压断裂，同时，在工程上存在局部模组拆装不便，维护难度大等不足；如图1所示，由于矩形永磁轨道模组11间的连接边界垂直于线路方向（x轴方向），使超导材料2集中通过连接边界，从而带来较大的振动与通过阻力，降低了系统动态运行时的平稳性。


技术实现要素：

4.为了减弱永磁轨道上方磁场沿线路方向上的不均匀性，降低超导材料沿线路方向运行时产生的交流损耗、通过阻力及振动，本发明提供一种高稳定性高速永磁轨道及磁悬浮系统，目的在于提高磁浮系统高速运行下的平稳性、可靠性与安全性。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高稳定性高速永磁轨道，其由若干个永磁轨道模组沿线路方向级联组成，且相邻两个永磁轨道模组间的连接边界沿线路方向设置具有缓冲过渡效果的连接边界位形
结构，所述永磁轨道模组由若干个永磁体单元沿轨道截面方向排列组成。
6.进一步的，所述的连接边界位形结构为直线段、圆弧线段、曲线段及任意二种以上类型线段的组合多线段。
7.进一步的，所述的永磁轨道由若干各平行四边形的永磁轨道模组沿线路方向级联组成，且相邻两个永磁轨道模组间的连接边界沿水平方向呈倾斜θ角。
8.进一步的，所述的永磁轨道由若干个梯形的永磁轨道模组沿线路方向正置与倒置交替级联组成，且相邻两个永磁轨道模组间的连接边界对称交替倾斜。
9.进一步的，所述的永磁轨道由若干“v”形的永磁轨道模组沿线路方向横置级联组成，且相邻两个永磁轨道模组间的连接边界沿水平方向呈横向“v”形。
10.进一步的，所述的磁轨道由若干曲率半径为r的“c”形的永磁轨道模组沿线路方向级联组成，且相邻两个永磁轨道模组间的连接边界沿水平方向呈“c”形。
11.进一步的，所述的永磁轨道由平行四边形的永磁轨道模组、梯形的永磁轨道模组、“v”形的永磁轨道模组、“c”形的永磁轨道模组及任意形状的永磁轨道模组中任意两种及以上的组合结构沿线路方向级联组成，且相邻两个永磁轨道模组间的连接边界沿水平方向呈缓冲过渡的连接边界位形结构。
12.进一步的，所述的永磁轨道模组采用具有对应特征的非标准永磁体单元沿轨道截面方向排列组装，且相邻两个永磁轨道模组间具有连续的连接边界。
13.进一步的，所述的永磁轨道模组采用标准矩形的永磁体单元沿轨道截面方向排列组装，且相邻两个永磁轨道模组间具有连续连接边界对应特征效果的离散连接边界。
14.进一步的，所述的永磁体单元沿轨道截面方向的排列方式为水平方向磁化磁体、垂直方向磁化磁体与任意磁化方向磁体的单一组合排列及任意二种及以上的组合排列。
15.一种磁悬浮系统，包括上述的永磁轨道。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果包括：可以有效降低永磁轨道模组连接边界处的磁通衰减；同时，超导材料局部分散通过永磁轨道模组连接边界，使系统具有更高的机械动力学稳定性，且永磁轨道模组位形设置灵活，便于工程安装与拆卸。
附图说明
17.以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；图1为矩形的永磁轨道模组组成永磁轨道的结构示意图；图2为基于标准矩形永磁体单元的矩形永磁轨道模组组成的永磁轨道的结构示意图；图3为平形四边形的永磁轨道模组组成永磁轨道的结构示意图；图4为不同倾角θ下永磁轨道上方磁场垂直分量b
z
沿纵向（x轴方向）的分布曲线；图5为梯形的永磁轨道模组组成永磁轨道的结构示意图；图6为“v”形永磁轨道模组组成永磁轨道的结构示意图；图7为“c”形永磁轨道模组组成永磁轨道的结构示意图；图8为基于平行四边形永磁体单元的平行四边形永磁轨道模组组成的永磁轨道的结构示意图；图9为基于梯形永磁体单元的梯形永磁轨道模组组成永磁轨道的结构示意图；
图10为基于平行四边形与矩形永磁体单元的“v”形永磁轨道模组组成的永磁轨道结构示意图；图11为基于曲面永磁体单元的“c”形永磁轨道模组组成的永磁轨道结构示意图；图12为基于标准矩形永磁体单元的平行四边形永磁轨道模组组成的永磁轨道结构示意图；图13为基于标准矩形永磁体单元的梯形永磁轨道模组组成的永磁轨道结构示意图；图14为基于标准矩形永磁体单元的“v”形永磁轨道模组组成的永磁轨道结构示意图；图15为基于标准矩形永磁体单元的“c”形永磁轨道模组组成的永磁轨道结构示意图；图16为基于双永磁轨道的磁悬浮系统。
具体实施方式
18.实施例1：如图3、图8所示，永磁轨道1由若干个平行四边形永磁轨道模组12沿线路方向级联组成，平行四边形模组12由若干个平行四边形的永磁体单元121按特定的排列方式沿轨道截面方向组装得到，相邻两个平行四边形模组间的连接边界沿水平方向呈倾斜θ角，可以有效降低连接边界处的磁通衰减，减弱超导材料沿线路方向运行时产生的交流损耗、通过阻力及振动根据图3所示，建立永磁轨道的三维仿真模型，对不同倾角θ下轨道上方磁场垂直分量b
z
沿测量路径122的分布曲线进行模拟计算，结果如图4所示。仿真结果表明，使永磁轨道模组间的连接边界在轨道表面（x
‑
y平面）沿线路方向设置具有缓冲过渡效果的位形，可以有效降低永磁轨道模组连接边界处的磁通衰减；同时，超导材料2局部分散通过永磁轨道模组连接边界，使系统具有更高的机械动力学稳定性，且永磁轨道模组位形设置灵活，便于工呈安装与拆卸。基于以上技术方案，可以减弱超导材料沿线路方向运行时产生的交流损耗、通过阻力及振动，从而实现磁悬浮系统可靠、平稳、安全运行。
19.实施例2：如图5所示，永磁轨道1由若干个梯形的永磁轨道模组13沿线路方向正置与倒置交替级联，且相邻两个永磁轨道模组13间的连接边界对称交替倾斜，可以有效降低连接边界处的磁通衰减，减弱超导材料沿线路方向运行时产生的交流损耗、通过阻力及振动；实施例3：如图6所示，永磁轨道1由若干“v”形的永磁轨道模组14沿线路方向横置级联，且相邻两个永磁轨道模组14间的连接边界沿水平方向呈横向“v”形，可以有效降低连接边界处的磁通衰减，减弱超导材料沿线路方向运行时产生的交流损耗、通过阻力及振动；实施例4：如图7所示，永磁轨道1由若干曲率半径为r的“c”形的永磁轨道模组15沿线路方向级联，且相邻两个永磁轨道模组15间的连接边界沿水平方向呈“c”形，可以有效降低连接边界处的磁通衰减，减弱超导材料沿线路方向运行时产生的交流损耗、通过阻力及振动；
实施例5：如图8、图9、图10、图11所示的永磁轨道结构示意图，实施例1、2、3、4中所述的永磁轨道模组可采用具有对应特征的非标准永磁体单元沿轨道截面方向进行组装，且相邻两个永磁轨道模组间具有连续的连接边界。其中，平行四边形的永磁轨道模组12由平行四边形永磁体单元121构成；梯形的永磁轨道模组13由梯形永磁体单元131构成；“v”形的永磁轨道模组14由平行四边形永磁体单元121与矩形永磁体单元111构成；“c”形的永磁轨道模组15由“c”形曲面永磁体单元151构成。
20.实施例6：如图12、图13、图14、图15所示的永磁轨道结构示意图，实施例1、2、3、4中所述的永磁轨道模组可采用标准矩形永磁体单元111沿轨道截面方向进行组装，且相邻两个永磁轨道模组间具有连续连接边界对应特征效果的离散连接边界。
21.上述各实施例中，永磁体单元为永久磁体、电磁体、超导线（带）圈磁体的单一磁体组合结构或任意二种及以上的组合结构；永磁体单元沿轨道截面方向的特定排列方式为水平方向磁化磁体、垂直方向磁化磁体与任意磁化方向磁体的单一组合排列及任意二种及以上的组合排列，其中，优选的组合排列可以为halbach阵列；实施例7：如图16所示的基于双永磁轨道的磁悬浮系统，所述的永磁轨道1上方依次设置超导材料2与冷源3，冷源3对超导材料2进行冷却，进一步，与永磁轨道1共同构成磁悬浮系统，多个子系统通过悬浮架4进行连接。使永磁轨道模组12间的连接边界沿线路方向设置具有缓冲过渡效果的位形，可以有效降低永磁轨道模组连接边界处的磁通衰减，减弱超导材料沿线路方向运行时产生的交流损耗、通过阻力及振动，从而实现磁悬浮系统可靠、平稳、安全运行。其中，超导材料为reba2cu3o7‑
x
（re为稀土元素）或其它超导材料的块材、带材堆叠、线（带）圈的单一组合结构或任意二种及以上的组合结构；冷源通过恒温器，采用注入液氮、低压固氮处理、制冷机制冷等单一制冷方法或任意二种及以上的组合制冷方法，对超导材料进行直接或间接冷却。
22.上面结合附图对本发明的实施加以描述，但是本发明不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式是示意性而不是加以局限本发明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。