CN113199944A - 一种超导电动悬浮磁体的传力结构 - Google Patents

Abstract

一种超导电动悬浮磁体的承力结构，内置有超导线圈的两个超导磁体通过左、右对称的两个承力结构设置在低温容器内。该左侧承力结构为：第I类顶杆设置在超导磁体中心，顶靠在低温容器底板和顶板之间，多个第I类复合支撑杆远离两个超导磁体对称面的区域布置，多个第Ⅱ类复合支撑杆靠近两个超导磁体对称面的区域布置，第I类复合支撑杆的第一段和第二段采用螺钉连接，该第一段上部与超导磁体经螺钉连接，第二段下端穿过低温容器底板的开孔和转向架侧板的孔后与螺母连接，波纹管安装在低温容器的开孔与该第二段的台肩之间,第Ⅱ类复合支撑杆的第一段固定在超导磁体与低温容器底板之间，第二段固定在低温容器底板和转向架侧板之间。本发明具有超导磁体方便拆装，电磁力直接传递到转向架侧板，对低温容器强度设计要求低等特点。

Description

一种超导电动悬浮磁体的传力结构

技术领域

本发明涉及磁悬浮技术领域，具体涉及一种超导电动悬浮磁体的传力结构。

背景技术

超导电动悬浮磁体是超导电动悬浮列车的核心部件，列车运行时超导电动悬浮磁体与地面线圈发生电磁耦合产生电磁力，该电磁力通过超导电动悬浮磁体的传力结构传递到列车转向架上，形成推进力、悬浮力、导向力和制动力，分别实现列车的前进、悬浮、导向和制动。

超导电动悬浮磁体需运行在超低温环境，且需对超低温环境进行密封以降低***漏热。将超导电动悬浮磁体的电磁力从一个超低温且密封的腔体内传递给列车转向架侧板，同时不影响腔体的密封性，这对磁体的传力结构提出了较高的要求。

现有超导电动悬浮磁体的传力结构主要采用刚性连接的方式，分为以下两种。一种是将超导磁体的电磁力先传递到低温容器，然后传递给转向架，这类结构要求低温容器具有足够高的强度，势必会增加其成本和重量。另一种是将超导磁体的电磁力直接传递给转向架，而不经过低温容器，这类结构降低了低温容器的强度设计要求。但存在超导磁体冷收缩导致的低温容器应力集中问题，应力集中会加剧低温容器发生机械破坏，进一步影响低温容器的密封性，增加了实现低温容器可拆装功能的难度。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供一种超导电动悬浮磁体的传力结构，旨在满足超导电动悬浮磁体在可拆装条件下实现磁体电磁力向转向架侧板的直接传递，以降低电动悬浮磁体对其低温容器的强度要求，消除超导磁体电磁力对低温容器密封性的影响，解决超导磁体冷收缩带来的低温容器应力集中问题。

为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

一种超导电动悬浮磁体的传力结构，低温容器非工作面的底板经螺钉与低温容器连接，且该底板与低温容器之间压接有密封圈；转向架侧板位于低温容器下方；所述超导电动悬浮磁体内置有超导线圈；两个超导电动悬浮磁体通过左侧和右侧传力结构左右对称地设置在上述低温容器内，右侧传力结构与左侧传力结构的结构相同且左右对称；其中，左侧传力结构为：位于超导磁体中心的第I类顶杆下端旋接在低温容器非工作面的底板上，上端顶靠在低温容器上，多个第I类复合支撑杆和多个第Ⅱ类复合支撑杆左右对称地设置在第I类顶杆左右两侧，第I类复合支撑杆由管状的第I类复合支撑杆的第一段和杆状的第I类复合支撑杆的第二段（通过螺钉连接组成，该第I类复合支撑杆的第一段上部经螺钉固定在超导磁体上，该第I类复合支撑杆的第二段下部向下顺次穿过低温容器非工作面的底板的开孔以及转向架侧板上的孔后再与螺母相旋接，不锈钢波纹管上端焊接在低温容器非工作面的底板的开孔上，下端焊接在第I类复合支撑杆的第二段上，第Ⅱ类复合支撑杆由管状的第Ⅱ类复合支撑杆的第一段和第二类复合支撑杆的第二段组成，第Ⅱ类复合支撑杆的第一段经螺钉固定在超导磁体与低温容器非工作面的底板之间，第II类顶杆下端***第Ⅱ类复合支撑杆的第一段的管体内，并旋接在低温容器非工作面的底板上，第II类顶杆上端顶靠在低温容器上，第II类复合支撑杆的第二段的上端经螺钉固定在低温容器非工作面的底板上，下端向下穿过转向架侧板上的孔后与另一螺母相旋接；

一种超导电动悬浮磁体的传力结构，其特征在于，所述左侧传力结构中，第I类复合支撑杆和第Ⅱ类复合支撑杆均为三个；位于第I类顶杆左侧的三个第I类复合支撑杆按等腰三角形形式布置；位于等腰三角形顶点的第I类复合支撑杆与第I类顶杆二者中心的连线能够交于该等腰三角形的底边的中点。

一种超导电动悬浮磁体的传力结构，其特征在于，所述按等腰三角形形式布置的三个第I类复合支撑杆中，位于等腰三角形顶点的一个第I类复合支撑杆设置在超导线圈内侧，位于等腰三角形另外两个角点的两个第I类复合支撑杆设置在超导线圈外侧。

一种超导电动悬浮磁体的传力结构，其特征在于，所述第I类复合支撑杆的第一段上部台肩经螺钉固定在超导磁体上；第I类复合支撑杆的第二段（上部伸入第I类复合支撑杆的管体内，并采用螺钉将该第二段上的台肩固定在第I类复合支撑杆的第一段的管体环状底面上；所述第Ⅱ类复合支撑杆的第一段上、下端的台肩分别经螺钉固定在超导磁体与低温容器底板之间；所述第Ⅱ类复合支撑杆的第二段由上部大直径圆柱体和下部小直径圆柱体组成。

一种超导电动悬浮磁体的传力结构，其特征在于，所述两个超导磁体的邻接部位相互连接；所述第I类顶杆和第II类顶杆均包覆有多层超级绝热材料；所述第I类复合支撑杆的第一段以及第Ⅱ类复合支撑杆的第一段均为玻璃纤维材质，第I类复合支撑杆的第二段以及第Ⅱ类复合支撑杆的第二段均为不锈钢材质。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、超导磁体在低温容器内可拆装。因为本发明的超导电动悬浮磁体的传力结构主要采用螺纹连接，并非焊接，所以，若干复合支撑杆、若干顶杆、低温容器等均可以实现反复拆装，便于超导磁体的更换。

2、降低了超导电动悬浮磁体对其低温容器的强度要求。超导磁体的电磁力通过复合支撑杆直接传递到转向架侧板上，低温容器不会承受较大的电磁力作用，因此可极大减小低温容器的强度设计要求。基于此，低温容器可以采用密度更小的材料制作或制成超薄壁结构，以降低低温容器的重量。

3、消除了超导磁体电磁力对低温容器密封性的影响。第I类复合支撑杆贯穿低温容器非工作面的底板，并采用波纹管对低温容器进行密封，当复合支撑杆受力变形后，该变形量会被波纹管补偿，避免了低温容器的变形，因此超导磁体电磁力向转向架侧板传递过程中不会影响低温容器的密封性。

4、解决了超导磁体冷收缩导致的应力集中问题。超导磁体在降温过程中会向自身中心（即图2中两个超导磁体的中心，该中心位于图2矩形外轮廓的中点）收缩，该收缩迫使第I类复合支撑杆向超导磁体中心偏移，又因第I类复合支撑杆与转向架侧板是固定连接，因此，第I类复合支撑杆会绕其与转向架侧板之间的固定点偏转，该偏转会带动波纹管发生形变，但该形变不会传递到低温容器上。

综上所述，本发明在满足超导电动悬浮磁体可拆装的条件下实现了超导磁体电磁力向转向架侧板的直接传递，降低了超导电动悬浮磁体对其低温容器的强度要求，消除了超导磁体电磁力对低温容器密封性的影响，解决了超导磁体冷收缩导致的低温容器应力集中问题。

附图说明

图1为超导电动悬浮磁体的传力结构的横截面图（沿图2横向中线剖切，仅示出图2左面超导磁体部分，即图1仅示出1个超导磁体和1个超导线圈）。

图2为超导电动悬浮磁体的传力结构的正视图。

图3为超导电动悬浮磁体的传力结构的模拟结果，其中，（a）为低温容器抽真空的形变量，（b）为负载工况下低温容器的应力分布，（c）为负载工况下超导电动悬浮磁体传力结构的应力分布。

其中，1、低温容器，2、超导线圈，3、超导电动悬浮磁体，4、第I类复合支撑杆的第一段，5、第I类顶杆，6、第II类顶杆，7、第II类复合支撑杆的第一段，8、螺钉，9、密封圈，10、波纹管，11、第I类复合支撑杆的第二段，12、螺母，13、第II类复合支撑杆的第二段，14、转向架侧板，15、低温容器非工作面的底板，16、超导电动悬浮磁体的对称面。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附权利要求限定的精神范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1和图2所示，一种超导电动悬浮磁体的传力结构，超导电动悬浮磁体3内置有超导线圈2；两个超导电动悬浮磁体3通过左侧和右侧传力结构左右对称地设置在低温容器内，右侧传力结构与左侧传力结构的结构相同且左右对称；其中，左侧传力结构为：低温容器非工作面的底板15经螺钉8与低温容器1连接，且底板15与低温容器1之间压接有密封圈9；转向架侧板14位于低温容器下方；位于超导磁体3中心的第I类顶杆5下端旋接在低温容器非工作面的底板15上，上端顶靠在低温容器顶板1上；多个第I类复合支撑杆和多个第II类复合支撑杆左右对称地设置在第I类顶杆5的左右两侧，第I类复合支撑杆由管状的第I类复合支撑杆的第一段4和杆状的第I类复合支撑杆的第二段11通过螺钉8连接组成，该第I类复合支撑杆的第一段4上部经螺钉8固定在超导磁体3上，该第I类复合支撑杆的第二段11下部向下顺次穿过低温容器非工作面的底板15上的开孔以及转向架侧板14上的孔后再与螺母12相旋接，波纹管10上端焊接在低温容器非工作面的底板15的开孔上，下端焊接在第I类复合支撑杆的第二段11上，第Ⅱ类复合支撑杆由管状的第Ⅱ类复合支撑杆的第一段7和第II类复合支撑杆的第二段13组成，第Ⅱ类复合支撑杆的第一段7经螺钉固定在超导磁体3与低温容器底板15之间，第II类顶杆6下端***第Ⅱ类复合支撑杆的第一段的管体内，并旋接在低温容器非工作面的底板15上，第II类顶杆上端顶靠在低温容器顶板1上，第II类复合支撑杆的第二段13的上端经螺钉8固定在低温容器非工作面的底板15上，下端向下穿过转向架侧板14上的孔后与另一螺母12相旋接。

所述左侧传力结构中，第I类复合支撑杆和第Ⅱ类复合支撑杆均为三个；位于第I类顶杆5左侧的三个第I类复合支撑杆按等腰三角形形式布置；位于等腰三角形顶点的第I类复合支撑杆与第I类顶杆5二者中心的连线能够交于该等腰三角形的底边的中点。

所述按等腰三角形形式布置的三个第I类复合支撑杆中，位于等腰三角形顶点的一个第I类复合支撑杆设置在超导线圈2内侧，位于等腰三角形另外两个角点的两个第I类复合支撑杆设置在超导线圈2外侧。

本方案的超导电动悬浮磁体的传力结构包括两类复合支撑杆，两类复合支撑杆均匀布置在超导线圈2的内外侧，第I类复合支撑杆布置在远离超导磁体3的对称面16的区域，第II类复合支撑杆布置在靠近超导磁体3的对称面16的区域。

复合支撑杆包括第I类复合支撑杆和第II类复合支撑杆，第I类复合支撑杆贯穿低温容器非工作面的底板15，分为两段，与超导磁体3连接的第一段4热导率低，采用高强度玻璃纤维制成，与转向架侧板14连接的第二段11机械强度高，采用不锈钢材料制成，第I类复合支撑杆的两段之间通过螺钉8连接。

第II类复合支撑杆被低温容器非工作面的底板15分为两段，第一段7通过螺钉8与超导磁体3和低温容器底板15连接，其热导率低，采用高强度玻璃纤维制成，第二段13与转向架侧板14和低温容器非工作面的底板15分别通过螺母12和螺钉8连接，其机械强度高，采用不锈钢制成。

两类顶杆包括第I类顶杆5和第II类顶杆6，第I类顶杆5为薄壁结构，其热导率低，由高强度玻璃纤维制作，穿过超导磁体3的中心。第II类顶杆6呈细长结构、质量轻，由钛合金制作，置于第II类复合支撑杆的第一段7内。两类顶杆均包覆有多层超级绝热材料（即石棉两面用铝箔纸覆面的材料）。

低温容器1与底板15采用铝合金材料制作，波纹管10采用不锈钢材料制作。

本发明超导电动悬浮磁体的传力结构的安装流程如下：①超导磁体3固定不动，将第I类复合支撑杆的第一段4和第II类复合支撑杆的第一段7通过螺钉8安装到超导磁体3上；②将第I类复合支撑杆的第二段11与其第一段4通过螺钉8连接；③将不锈钢波纹管10的一端焊接在低温容器非工作面的底板15的开孔上；④使第I类复合支撑杆的第二段11穿过低温容器底板15，并采用螺钉8连接低温容器非工作面的底板15与第II类复合支撑杆的第一段7；⑤将第I类顶杆5和第II类顶杆6二者下端采用螺纹连接的形式安装在低温容器非工作面的底板15上；⑥将不锈钢波纹管10的另一端焊接在第I类复合支撑杆的第二段11上；⑦将第II类复合支撑杆的第二段13通过螺钉8与低温容器非工作面的底板15相连接；⑧使超导磁体3可动，并将第I类复合支撑杆的第二段11和第II类复合支撑杆的第二段13采用螺母12固定连接到转向架侧板14上；⑨将密封圈9放置在低温容器1与底板15之间，并采用螺钉8连接低温容器1和底板15。至此，完成超导电动悬浮磁体传力结构的安装。

对超导磁体3进行降温时，松开第I类复合支撑杆与转向架侧板14之间的固定螺母12，允许超导磁体3冷收缩导致的第I类复合支撑杆向超导磁体3中心的偏转。待超导磁体3降到最低温度后，拧紧第I类复合支撑杆与转向架侧板14之间的固定螺母12，使第I类复合支撑杆能够将超导磁体3的电磁力传递到转向架侧板14上。

超导电动悬浮磁体传力结构的拆卸流程如下：①松开低温容器顶板1与底板15之间的螺钉8，取下低温容器顶板1及密封圈9；②松开超导磁体3与两类复合支撑杆之间的螺钉8，取下超导磁体3；③拆下第I类复合支撑杆的第一段4和第II类复合支撑杆的第一段7，拆下第I类顶杆5和第II类顶杆6；④松开第I类复合支撑杆第二段11和第II类复合支撑杆第二段13与转向架侧板14之间的固定螺母12，取下低温容器非工作面的底板15；⑤从低温容器底板15上拆下第II类复合支撑杆的第二段13。因为不锈钢波纹管10的两端分别焊接在第I类复合支撑杆的第二段11和低温容器非工作面的底板15上，因此无需将不锈钢波纹管10和第I类复合支撑杆第二段11从低温容器非工作面的底板15上拆下。至此，完成了超导电动悬浮磁体传力结构的拆卸。

图3为本发明的模拟结果，图3（a）表明，低温容器抽真空后的最大形变量约为1.3mm，最大形变位置出现在低温容器1上，最大变形在允许范围内。图3（b）表明，负载工况下，低温容器的最大应力为86 MPa，有效解决了低温容器的应力集中问题。图3（c）表明，负载工况下，超导电动悬浮磁体的传力结构的最大应力为260 MPa，远小于传力结构的承载能力。综上，本发明超导电动悬浮磁体的传力结构在磁悬浮列车中具有极大的应用价值。

Claims (6)

1.一种超导电动悬浮磁体的传力结构，其特征在于，低温容器非工作面的底板（15）经螺钉（8）与低温容器（1）连接，且该底板与低温容器（1）之间压接有密封圈（9）；转向架侧板（14）位于低温容器下方；所述超导电动悬浮磁体（3）内置有超导线圈（2）；两个超导电动悬浮磁体（3）通过左侧和右侧传力结构左右对称地设置在上述低温容器内，右侧传力结构与左侧传力结构的结构相同且左右对称；其中，左侧传力结构为：位于超导磁体（3）中心的第I类顶杆（5）下端旋接在低温容器非工作面的底板（15）上，上端顶靠在低温容器（1）上，多个第I类复合支撑杆和多个第Ⅱ类复合支撑杆左右对称地设置在第I类顶杆（5）左右两侧，第I类复合支撑杆由管状的第I类复合支撑杆的第一段（4）和杆状的第I类复合支撑杆的第二段（11）通过螺钉连接组成，该第I类复合支撑杆的第一段（4）上部经螺钉固定在超导磁体（3）上，该第I类复合支撑杆的第二段（11）下部向下顺次穿过低温容器非工作面的底板（15）上的开孔以及转向架侧板（14）上的孔后再与螺母（12）相旋接，不锈钢波纹管（10）上端焊接在低温容器非工作面的底板（15）的开孔上，下端焊接在第I类复合支撑杆的第二段的台肩上，第Ⅱ类复合支撑杆由管状的第Ⅱ类复合支撑杆的第一段（7）和第II类复合支撑杆的第二段（13）组成，第Ⅱ类复合支撑杆的第一段（7）经螺钉固定在超导磁体（3）与低温容器非工作面的底板（15）之间，第Ⅱ类顶杆（6）下端***第Ⅱ类复合支撑杆的第一段的管体内，并旋接在低温容器非工作面的底板（15）上，第Ⅱ类顶杆上端顶靠在低温容器（1）上，第II类复合支撑杆的第二段（13）的上端经螺钉固定在低温容器非工作面的底板（15）上，下端向下穿过转向架侧板（14）上的孔后与另一螺母（12）相旋接。

2.根据权利要求1所述的一种超导电动悬浮磁体的传力结构，其特征在于，所述左侧传力结构中，第I类复合支撑杆和第Ⅱ类复合支撑杆均为三个；位于第I类顶杆（5）左侧的三个第I类复合支撑杆按等腰三角形形式布置；位于等腰三角形顶点的第I类复合支撑杆与第I类顶杆（5）二者中心的连线能够交于该等腰三角形的底边的中点。

3.根据权利要求2所述的一种超导电动悬浮磁体的传力结构，其特征在于，所述按等腰三角形形式布置的三个第I类复合支撑杆中，位于等腰三角形顶点的一个第I类复合支撑杆设置在超导线圈（2）内侧，位于等腰三角形另外两个角点的两个第I类复合支撑杆设置在超导线圈外侧。

4.根据权利要求3所述的一种超导电动悬浮磁体的传力结构，其特征在于，所述第I类复合支撑杆的第一段（4）上部台肩经螺钉固定在超导磁体（3）上；第I类复合支撑杆的第二段（11）上部伸入第I类复合支撑杆的管体内，并采用螺钉将该第二段（11）上的台肩固定在第I类复合支撑杆的第一段的管体环状底面上；所述第Ⅱ类复合支撑杆的第一段（7）上、下端的台肩分别经螺钉固定在超导磁体（3）与低温容器非工作面的底板（15）之间；所述第Ⅱ类复合支撑杆的第二段（13）由上部大直径圆柱体和下部小直径圆柱体组成。

5.根据权利要求1所述的一种超导电动悬浮磁体的传力结构，其特征在于，所述两个超导磁体（3）的邻接部位相互连接；所述第I类顶杆（5）和第Ⅱ类顶杆（6）均包覆有多层超级绝热材料；所述第I类复合支撑杆的第一段以及第Ⅱ类复合支撑杆的第一段均为玻璃纤维材质，第I类复合支撑杆的第二段以及第Ⅱ类复合支撑杆的第二段均为不锈钢材质。

6.一种如权利要求1~5任一权利要求所述传力结构的操作方法，其特征在于，所述操作方法如下：对超导磁体（3）进行降温时，松开第I类复合支撑杆与转向架侧板（14）之间的固定螺母（12），允许超导磁体（3）冷收缩带来的第I类复合支撑杆的偏转，待超导磁体（3）降到最低温度后，拧紧第I类复合支撑杆与转向架侧板（14）之间的固定螺母（12），使第I类复合支撑杆能够将超导磁体（3）的电磁力传递到转向架侧板（14）上。

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