高温超导带材曲面堆叠单元及方法、阵列、磁悬浮系统
阅读：1020发布：2020-12-14
专利汇可以提供高温超导带材曲面堆叠单元及方法、阵列、磁悬浮系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了高温超导带材曲面堆叠单元及方法、阵列、磁悬浮系统，由若干层高温超导带材沿曲面堆叠形成高温超导带材曲面堆叠单元。相较于 现有技术 中的高温超导带材都是采用平面堆叠的研究思路，本 申请 突破了传统思路的桎梏，显著提高了高温超导带材的悬浮性能，能够使得高温超导带材在工程上具有更大、更广泛的应用价值，从而同时解决现有技术中高温超导 块 材临界 电流 密度 低、热 稳定性 差、易受潮变质断裂损坏等 缺陷 ，高温超导带材又悬浮性能不足的问题，真正实现了用高温超导带材替换高温超导块材在工程上进行应用的效果。，下面是高温超导带材曲面堆叠单元及方法、阵列、磁悬浮系统专利的具体信息内容。
1.高温超导带材曲面堆叠单元，其特征在于，若干层高温超导带材沿曲面堆叠。
2.根据权利要求1所述的高温超导带材曲面堆叠单元，其特征在于，在横截面上，任意层高温超导带材的弯曲走向均与所处空间的应用外磁场的标量磁势等值曲线一致。
3.根据权利要求1所述的高温超导带材曲面堆叠单元，其特征在于，所述高温超导带材为ReBCO高温超导材料。
4.根据权利要求1所述的高温超导带材曲面堆叠单元，其特征在于，所述曲面为圆弧面。
5.基于权利要求1至4中任一所述的高温超导带材曲面堆叠单元的曲面堆叠方法，其特征在于，包括：
(I)绕制带材圆饼；
(II)依次对带材圆饼进行整体固定、浇注、固化封装；
(III)对带材圆饼进行切割整形，得到曲面堆叠单元。
6.根据权利要求5所述的高温超导带材曲面堆叠方法，其特征在于，所述带材圆饼的内、外径，根据所需曲面堆叠单元所处空间的应用外磁场的标量磁势等值曲线进行确定，使得到的曲面堆叠单元的内、外表面尽量与各自对应的标量磁势等值曲线重合。
7.基于权利要求1至4中任一所述的高温超导带材曲面堆叠单元的堆叠阵列，其特征在于，若干个曲面堆叠单元依次并排形成曲面堆叠组，若干曲面堆叠组依次并排；其中各曲面堆叠组的并排方向，与单个曲面堆叠组内各曲面堆叠单元的并排方向相互垂直。
8.基于权利要求1至4中任一所述的高温超导带材曲面堆叠单元的堆叠阵列，其特征在于，若干个曲面堆叠单元依次并排形成曲面堆叠组；还包括由若干竖直堆叠单元依次并排形成的竖直堆叠组，所述竖直堆叠单元由若干层竖直分布的高温超导带材堆叠而成；所述曲面堆叠组与竖直堆叠组交替并排。
9.基于权利要求7或8所述堆叠阵列的磁悬浮系统，其特征在于，所述堆叠阵列位于永磁轨道上方，所述永磁轨道用于提供应用外磁场。
10.根据权利要求9所述的磁悬浮系统，其特征在于，所述永磁轨道为三极halbach阵列结构。
高温超导带材曲面堆叠单元及方法、阵列、磁悬浮系统
技术领域
[0001] 本发明涉及高温超导磁浮技术领域，具体涉及高温超导带材曲面堆叠单元及方法、阵列、磁悬浮系统。
背景技术
[0002] 传统的高温超导磁浮技术利用YBa2Cu3O7-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，使磁浮列车在静态与动态下均能实现自稳定的悬浮与导向。目前，高温超导块材磁浮技术已在小比例磁浮原型车上实现载人，例如：西南交通大学的“Super-Maglev”磁浮原型车及巴西里约热内卢联邦大学的“Maglev-Cobra”磁浮原型车，均采用了高温超导块材磁浮技术(IEEE Trans.Appl.Supercond.,2018,28(4):3601605)，相比于ReBa2Cu3O7-x(ReBCO)高温超导带材磁浮技术的应用更加成熟。现有技术中，文献(IEEE Trans.Appl.Supercond.,2015,25(1):3600106)报道的高性能YBCO高温超导块材磁浮系统，采用双极halbach阵列永磁轨道，永磁材料截面积为3000mm2，超导块材在场冷高度为30mm，悬浮间隙为10mm下的悬浮力密度(单位高温超导材料水平截面积提供的悬浮力)达到4.05N/cm2。然而，随着高温超导块材应用研究的深入，也暴露了其临界电流密度低、热稳定性差、易受潮变质断裂损坏等缺点。
[0003] 与YBCO块材比较，ReBCO高温超导带材具有更高的临界电流密度与机械强度，液氮温区下的电流密度与抗拉应力分别达5MA/cm2与400MPa以上，且已实现在电力电缆领域内的商业化应用，具有稳定的产能与质量保证，因此，高温超导带材在业内被视作未来替代高温超导块材的重要材料。
[0004] 目前，高温超导带材在磁悬浮技术中的应用研究已经展开，如CN201610644793、CN201610508613、CN201820525838、CN201910300376，但是这些现有的研究都是基于高温超导带材的平面堆叠技术(如图6a所示)，悬浮力密度有限，始终难以达到传统高温超导块材的悬浮能力、难以进行工程应用。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供高温超导带材曲面堆叠单元及方法、阵列、磁悬浮系统，以解决现有技术中高温超导带材所提供的悬浮力密度较低、工程应用价值较弱的问题，实现提高高温超导带材的悬浮能力，改善高温超导带材的工程应用价值的目的。
[0006] 本发明通过下述技术方案实现：
[0007] 高温超导带材曲面堆叠单元，若干层高温超导带材沿曲面堆叠。
[0008] 申请人在对高温超导带材磁悬浮技术的研究过程中发现，由永磁轨道提供的应用外磁场，在水平磁化与竖直磁化永磁体区域上方的磁场流线并不是简单的水平分布与竖直分布，当采用平面堆叠时，只有少数磁场流线与带材表面垂直，如图3a所示；而应用外磁场方向对高温超导块材或带材的悬浮性能具有显著影响，也就是说当高温超导块材c轴方向(生长方向)及高温超导带材表面法向(堆叠方向)与正对永磁轨道区域的磁化方向一致时，系统将获得更高的悬浮性能。这正是现有技术中的高温超导带材的平面堆叠技术始终难以达到传统高温超导块材的悬浮能力、难以进行工程应用的主要原因。在此研究结果的支撑下，申请人特提出本申请中的高温超导带材曲面堆叠单元，由若干层高温超导带材沿曲面堆叠而成，能使更多的磁场流线与带材表面正交，从而获得更大的悬浮性能，如图3b所示。相较于现有技术中的高温超导带材都是采用平面堆叠的研究思路，本申请突破了传统思路的桎梏，显著提高了高温超导带材的悬浮性能，能够使得高温超导带材在工程上具有更大、更广泛的应用价值，从而同时解决现有技术中高温超导块材临界电流密度低、热稳定性差、易受潮变质断裂损坏等缺陷，高温超导带材又悬浮性能不足的问题，真正实现了用高温超导带材替换高温超导块材在工程上进行应用的效果，因此，本申请相较于现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步。
[0009] 在横截面上，任意层高温超导带材的弯曲走向均与所处空间的应用外磁场的标量磁势等值曲线一致。理论上来看，高温超导带材所在的曲面完全与所处空间的应用外磁场的标量磁势等值曲线重叠时，会具有最好的提高悬浮能力的效果。然而由于空间中的应用外磁场的标量磁势等值曲线并非是标准曲线，因此要使各高温超导带材与各自对应的标量磁势等值曲线完全重合在实际工程应用中几乎是难以实现的。为此，本方案作为优选，保证横截面上任意层高温超导带材的弯曲走向，与所处空间的应用外磁场的标量磁势等值曲线一致。本优选方案虽然不能得到最大的悬浮能力，但是已经能够使得高温超导带材所提供的悬浮力密度轻松达到甚至超过传统高温超导块材的悬浮力密度；并且还由于弯曲方式简单、精度要求不高，无需大量精确的建模计算与模具备铸，因此十分适用于在工程上大范围、大面积的推广运用，如在磁悬浮列车、磁悬浮轴承及电磁弹射系统等领域均可广泛运用。
[0011] 所述曲面为圆弧面。圆弧面为工程上最易得到的曲面形式，且能够轻易满足任意层高温超导带材的弯曲走向与所处空间的应用外磁场的标量磁势等值曲线一致，更加有利于高温超导带材走出实验室、运用至实际工程上。
[0012] 高温超导带材曲面堆叠方法，包括：
[0013] (I)绕制带材圆饼；
[0014] (II)依次对带材圆饼进行整体固定、浇注、固化封装；
[0015] (III)对带材圆饼进行切割整形，得到曲面堆叠单元。
[0016] 现有的高温超导带材均是平面堆叠，因此仅需简单的进行叠压封装即可，而本申请中首次提出高温超导带材的曲面堆叠，因此对于堆叠方法与现有技术完全不同，具体的，首先将高温超导带材绕制成紧密的圆饼状，再依次对带材圆饼进行整体固定、浇注、固化封装，之后在带材圆饼的截面上进行切割、整形，从而得到完整的曲面堆叠单元，确保曲面堆叠单元中各层高温超导带材的堆叠效果。
[0017] 所述带材圆饼的内、外径，根据所需曲面堆叠单元所处空间的应用外磁场的标量磁势等值曲线进行确定，使得到的曲面堆叠单元的内、外表面尽量与各自对应的标量磁势等值曲线重合。带材圆饼需要绕制成多大，其内径、外径各为多少，都根据所需要的曲面堆叠单元来进行设计即可。同理，曲面堆叠单元的内、外表面与各自对应的标量磁势等值曲线重合得越多，则所提供的悬浮力就越大，因此使得曲面堆叠单元的内、外表面尽量与各自对应的标量磁势等值曲线重合，有利于尽量提高悬浮力的大小。
[0018] 基于高温超导带材曲面堆叠单元的堆叠阵列，若干个曲面堆叠单元依次并排形成曲面堆叠组，若干曲面堆叠组依次并排；其中各曲面堆叠组的并排方向，与单个曲面堆叠组内各曲面堆叠单元的并排方向相互垂直。本方案中的堆叠阵列，完全由曲面堆叠单元组成，具有极高的悬浮能力，是悬浮能力最大的方案。
[0019] 基于高温超导带材曲面堆叠单元的堆叠阵列，若干个曲面堆叠单元依次并排形成曲面堆叠组；还包括由若干竖直堆叠单元依次并排形成的竖直堆叠组，所述竖直堆叠单元由若干层竖直分布的高温超导带材堆叠而成；所述曲面堆叠组与竖直堆叠组交替并排。本方案中的堆叠阵列，由曲面堆叠单元与竖直堆叠单元组成，其中一排曲面堆叠单元组成一个曲面堆叠组，一排竖直堆叠单元组成一个竖直堆叠组，曲面堆叠组与竖直堆叠组交替并排。本方案相对完全使用曲面堆叠单元的方式，悬浮能力相对较弱，但优势在于减少曲面堆叠单元的用量，局部使用简单的平面堆叠之一的竖直堆叠单元，在对悬浮力需求相对较低的工程应用上，有利于降低前期准备时间与工程成本。
[0020] 磁悬浮系统，所述堆叠阵列位于永磁轨道上方，所述永磁轨道用于提供应用外磁场。
[0021] 所述永磁轨道为三极halbach阵列结构。与双极halbach阵列结构相比，三极halbach阵列结构永磁轨道能提供更宽、更均匀的应用外磁场，使系统获得更高的悬浮性能。
[0022] 本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0023] 1、本发明高温超导带材曲面堆叠单元及方法、阵列、磁悬浮系统，相较于现有技术中的高温超导带材都是采用平面堆叠的研究思路，本申请突破了传统思路的桎梏，显著提高了高温超导带材的悬浮性能，能够使得高温超导带材在工程上具有更大、更广泛的应用价值，从而同时解决现有技术中高温超导块材临界电流密度低、热稳定性差、易受潮变质断裂损坏等缺陷，高温超导带材悬浮性能不足的问题，真正实现了用高温超导带材替换高温超导块材在工程上进行应用的效果。
[0024] 2、本发明高温超导带材曲面堆叠单元及方法、阵列、磁悬浮系统，高温超导带材已经在电力电缆行业实现商业化应用，其产能与质量均比YBCO高温超导块材更加可靠与成熟，从而使得本申请与传统高温超导块材具有更高的工程应用价值和优势。附图说明
[0025] 此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
[0026] 图1a为本发明具体实施例高温超导带材曲面堆叠单元的结构示意图；
[0027] 图1b为本发明具体实施例带材圆饼尺寸选择过程的示意图；
[0028] 图1c为本发明具体实施例带材圆饼的结构示意图；
[0029] 图1d为本发明具体实施例曲面堆叠组的结构示意图；
[0030] 图1e为本发明具体实施例中堆叠阵列的结构示意图；
[0031] 图2a为平面堆叠方式下高温超导带材磁浮工作原理图；
[0032] 图2b为曲面堆叠方式下高温超导带材磁浮工作原理图；
[0033] 图3a为平面堆叠方式下高温超导带材磁浮最小系统示意图；
[0034] 图3b为曲面堆叠方式下高温超导带材磁浮最小系统示意图；
[0035] 图4为本发明具体实施例中永磁轨道应用外磁场流线及其标量磁势曲线；
[0036] 图5为本发明具体实施例中高温超导带材曲面堆叠磁悬浮系统的结构示意图；
[0037] 图6a为平面堆叠方式下磁浮系统的仿真模型；
[0038] 图6b为曲面堆叠方式下磁浮系统的仿真模型；
[0039] 图7a为平面堆叠方式下感应电流密度分布仿真结果；
[0040] 图7b为曲面堆叠方式下感应电流密度分布仿真结果；
[0041] 图8a为平面堆叠方式下合成磁场流线分布仿真结果；
[0042] 图8b为曲面堆叠方式下合成磁场流线分布仿真结果；
[0043] 图9为悬浮力曲线仿真结果；
[0044] 图10为本发明具体实施例中堆叠阵列的示意图。
[0045] 附图中标记及对应的零部件名称：
具体实施方式
[0047] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0048] 实施例1：
[0049] 如图1a所示的高温超导带材曲面堆叠单元，由若干层高温超导带材沿曲面堆叠而成。
[0050] 本发明涉及的理论基础及所采用技术方案具体如下：
[0051] 如图2a所示，为现有的平面堆叠方式下高温超导带材磁浮工作原理图，假设永磁轨道沿纵向(y轴方向)无限长，忽略磁场沿纵向上的不均匀性，可以将系统的三维模型简化为二维模型，当带材在外磁场B中发生相对位移时，带材表面生成垂直于z-x平面的感应电流J，根据洛伦兹力的积分公式可以得到带材堆叠单元在永磁轨道上方受到的作用力为：
[0052]
[0053] 式中，L是模型沿纵向上的长度，S是带材堆叠单元在z-x平面上的截面积，进一步得到系统的悬浮力与导向力的大小分别为：
[0054] Fl＝L∫SJBxdS
[0055] Fg＝L∫SJBzdS
[0056] 根据上式，当带材堆叠截面积与纵向长度一定时，增大感应电流与磁场可以提高系统的悬浮导向性能。E-J曲线的幂指数模型与Jc-B曲线的Kim模型表明，提高临界电流密度Jc可以获得更大的感应电流 ，同时，Jc受磁场大小的影响，根据文献(Supercond.Sci.Technol.,31(2018):015013)报道，在永磁轨道上方，带材的水平与竖直摆放对其悬浮导向性能具有显著影响，进而推断Jc对带材表面与磁场的夹角θ具有高度敏感性，于是，将夹角θ计入对Jc的影响，则Kim模型调整为：
[0057]
[0058] 式中，k和α均是小于1的参数，当θ＝0°时，磁场方向与带材表面平行，Jc取值最小；当θ＝90°时，磁场方向与带材表面正交，Jc取值最大。当磁场方向随空间变化时，可以对带材进行弯曲堆叠，当带材表面与磁场最大程度处处正交时，可以使带材堆叠磁浮系统获得优异的悬浮导向性能，如图2b所示。
[0059] 如图3a、图3b所示，分别是平面堆叠与曲面堆叠方式下高温超导带材磁浮最小系统，为了提高永磁轨道外磁场性能，减小永磁材料用量，其截面结构采用halbach阵列沿横向排列，图中给出了磁场流线分布。与图3a所示的带材平面堆叠磁浮系统比较，图3b所示的弧形带材曲面堆叠，可以使带材表面与磁场更大程度正交，从而使高温超导带材磁浮系统获得更高的悬浮导向性能。
[0060] 优选的，在横截面上，任意层高温超导带材的弯曲走向均与所处空间的应用外磁场的标量磁势等值曲线一致。
[0061] 优选的，所述高温超导带材为ReBCO高温超导材料。
[0062] 优选的，所述曲面为圆弧面。
[0063] 实施例2：
[0064] 高温超导带材曲面堆叠单元的曲面堆叠方法，包括：(I)绕制带材圆饼；(II)依次对带材圆饼进行整体固定、浇注、固化封装；(III)对带材圆饼进行切割整形，得到曲面堆叠单元。
[0065] 优选的，所述带材圆饼的内、外径，根据所需曲面堆叠单元所处空间的应用外磁场的标量磁势等值曲线进行确定，使得到的曲面堆叠单元的内、外表面尽量与各自对应的标量磁势等值曲线重合。
[0066] 如图1b、图1c所示，受高温超导带材宽度的限制，其曲面堆叠单元采用带材圆饼制作，具体技术方案是：利用永磁轨道外磁场流线与其标量磁势曲线的正交性(见图4)，参考永磁轨道上方10～20mm高度区域的标量磁势曲线，经过比对确定带材圆饼的内外圆直径d与D，采用圆柱形骨架与数控绕线机绕制带材圆饼，通过机械夹具与环氧树脂胶依次对圆饼进行整体固定、浇注、固化封装，采用线切割对圆饼进行切割整形，得到曲面堆叠单元。
[0067] 本实施例中，受现有高温超导带材宽度的限制，带材圆饼内圆直径d＝19mm、外圆直径D＝55mm，切割后的堆叠单元尺寸为40×10×12mm3。
[0068] 实施例3：
[0069] 基于高温超导带材曲面堆叠单元的堆叠阵列，如图1d、图1e所示，若干个曲面堆叠单元依次并排形成曲面堆叠组，若干曲面堆叠组依次并排；其中各曲面堆叠组的并排方向，与单个曲面堆叠组内各曲面堆叠单元的并排方向相互垂直。
[0070] 本实施例即将若干曲面堆叠单元分别通过纵向与横向排列，得到带材曲面堆叠阵列。
[0071] 实施例4：
[0072] 基于高温超导带材曲面堆叠单元的堆叠阵列，若干个曲面堆叠单元依次并排形成曲面堆叠组；还包括由若干竖直堆叠单元依次并排形成的竖直堆叠组，所述竖直堆叠单元由若干层竖直分布的高温超导带材堆叠而成；所述曲面堆叠组与竖直堆叠组交替并排。本实施例如图10所示，下部为永磁轨道，其中箭头方向为永磁块的磁化方向。
[0073] 实施例5：
[0074] 磁悬浮系统，如图5所示，带材曲面堆叠排列1采用曲面堆叠单元分别沿纵向与横向进行阵列，其中，横向排列数量与竖直磁化永磁体24横向排列数量相同，且正对竖直磁化永磁体24放置。4块水平磁化永磁体23与3块竖直磁化永磁体24沿横向按照halbach阵列结构进行交替组装，采用“L”形角铁21锁紧后，固定到不锈钢基底22上，最后再沿纵向排列，构成永磁轨道。
[0075] 假设永磁轨道沿运行方向(y轴方向)无限长，且不考虑磁场沿运行方向上的不均匀性，可以将系统的三维模型转化为二维模型求解。首先，采用等效电流法，求解永磁轨道外磁场的解析解，基于软件COMSOL，在永磁轨道与高温超导带材性能参数相同的条件下，采用H法依次建立如图6a、图6b所示的平面堆叠排列磁浮系统(Type-E)与曲面堆叠排列磁浮系统(Type-C)的间接耦合模型，同时，采用E-J曲线的幂指数模型与Jc-B曲线的Kim模型，其中，Kim模型同时考虑磁场大小、带材表面与磁场夹角对临界电流密度Jc的影响。基于以上理论、仿真模型，分别对Type-E、Type-C磁浮系统的感应电流密度分布、合成磁场流线分布及悬浮力曲线进行数值计算，结果如图7a、图7b、图8a、图8b、图9所示。
[0076] 优选的，本实施例的应用领域包括但不限于磁悬浮列车、磁悬浮轴承及电磁弹射系统；堆叠单元采用不锈钢覆层的ReBa2Cu3O7-x(ReBCO，Re为稀土元素)二代高温超导带材(包括单面与双面超导带材)进行弯曲堆叠构成，使堆叠单元分别沿纵向与横向阵列排布，横向排布数量与竖直磁化永磁体数量相等，并正对竖直永磁体上方放置。
[0077] 应用外磁场由永磁轨道在内的磁场源(电流、电荷)提供，具体可为永磁体、电磁体及超导磁体中的一种或多种组合提供的应用外磁场。
[0078] 优选的，永磁轨道采用三极halbach阵列结构，由4块水平磁化与3块竖直磁化永磁体单元沿横向交替排列，永磁材料采用高性能钕铁硼永磁材料，横向截面积为2800mm3，永磁体单元尺寸为20×20×100mm3。
[0079] 本实施例中，Type-E仿真模型为采用现有的平面堆叠方式进行的对照参考。Type-C模型才是根据本申请中曲面堆叠方式进行的仿真模拟。在相同参数条件下，分别计算了以上两种系统的感应电流密度分布、合成磁场流线分布及悬浮力曲线，详见图7a、图7b、图8a、图8b及图9。仿真结果表明，采用带材曲面堆叠排列(Type-C)可以获得更高的悬浮性能，与带材平面堆叠(Type-E)比较，在30mm间隙场冷、10mm工作悬浮间隙下的悬浮力提高近87.22％，具体数值见下表1：
[0080] 表1不同悬浮工作间隙下的悬浮力(模型纵向长度L＝100mm)
[0081]
[0082] 可以看出，与现有高温超导带材平面堆叠磁浮系统比较，本发明的有益效果包括：在相同永磁轨道外场及带材性能条件下，采用带材的弧形曲面堆叠，在10mm工作悬浮间隙
2
下的悬浮力提高近87.22％，悬浮力密度与单位长度悬浮力分别达到了7.6N/cm和9127N/m，且永磁材料截面积仅2800mm2，同时，也优于背景技术中提到的YBCO高温超导块材磁浮系统。此外，高温超导带材已经实现在电力电缆领域的商业化应用，其产能与质量均比YBCO高温超导块材更加可靠与成熟，从而具有更高的工程应用价值和优势。
2
下的悬浮力提高近87.22％，悬浮力密度与单位长度悬浮力分别达到了7.6N/cm和9127N/m，且永磁材料截面积仅2800mm2，同时，也优于背景技术中提到的YBCO高温超导块材磁浮系统。此外，高温超导带材已经实现在电力电缆领域的商业化应用，其产能与质量均比YBCO高温超导块材更加可靠与成熟，从而具有更高的工程应用价值和优势。
[0083] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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