CN101814871B - 直流静动态对称/不对称磁场发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流静动态对称/不对称磁场发生装置，实现即能产生静态的对称/不对称磁场，也能产生动态的对称/不对称的磁场，包含电磁体和控制单元两部分，其中控制单元采用DSP作为控制芯片对直流电源的电流进行分频斩波实现电磁体的两组线圈的电气参数的控制，包含DSP、直流电源和斩波器；电磁体采用三明治式结构，包括两个用以导磁的圆柱形铁芯，绕在铁芯上的两组线圈，以及用以聚磁的三个铁片。本发明可广泛地用于平移对称式的常规磁悬浮、高温超导磁悬浮、高温超导磁悬浮轴承、高温超导磁悬浮飞轮储能以及高温超导磁悬浮发射的实验装置中。

Description

直流静动态对称/不对称磁场发生装置

所属技术领域

本发明属于电磁场设备，尤其是高温超导磁悬浮实验装置制造领域。

背景技术

随着现代社会的快速发展，交通问题成为社会经济生活中日益突出的问题。伴随着全球范围内的能源和气候问题，以化石燃料为基础的自由交通有着逐渐被以电力驱动为基础的轨道交通所替代的趋势。由于克服了传统轮轨交通的摩擦作用，磁悬浮技术为实现轨道交通的高速化提供了可能，是末来最有前景的交通方式之一。高温超导磁悬浮独有的自稳定特性使其相比于常导和低温超导磁悬浮更适合于超高速，深入研究该方向所涉及的理论与实际问题不仅在学术上具有十分重要的意义，同时具有广阔的应用前景。在高温超导磁悬浮系统中，目前，国内外就外磁场对高温超导体影响的研究主要集中在对称式交流外磁场和平移对称轨道外磁场方面。2004年中科院电工所研究了旋转外磁场对高温超导块材电磁特性的影响，2006年土耳其的A.O ztUrk、2007年比利时Ph Laurent以及俄罗斯B M Smolyak等人也采用圆柱形通电线圈对块材在交流磁场作用下相关电磁特性作了研究。而国内外对高温超导块材所采用平移对称式高温超导磁悬浮永磁轨道的研究主要集中在以下几个方面：

1.三明治式轨道结构，该结构为了增强轨道表面中心附近的磁场，采用磁化方向相反的永磁体通过铁聚磁，轨道两侧磁体的同极相对，磁力线将相互排斥，只能从中间较窄的铁板中挤出，磁力线通过的面积越小，在磁通量一定的情况下，磁感应强度将越大，因此三明治式的永磁轨道结构能够有效地增强轨道表面中心附近的磁场。目前西南交通大学超导技术研究所所研制的高温超导磁悬浮实验车”世纪号”的永磁轨道就采用了此种磁场浓缩的方式，国际上德国固体和材料研究所(IFW)小组、日本产业技术研究所(AIST)小组和巴西联邦里约热内卢大学也采用了三明治轨道结构，只是永磁铁和铁板的尺寸与”世纪号”有所不同。

2.北京航空航天大学于2006年构建了一种用于高温超导磁悬浮发射的永磁轨道结构，相比于三明治式轨道结构，此种轨道结构增加了聚磁极数，成为具有双聚磁极的轨道结构，这有利于改善悬浮系统的稳定性能。

3.西南交通大学超导技术研究所研制的Halbach轨道结构，它主要由五组NdFeB永磁体和铁构成，其中第1、3、5组NdFeB永磁体的磁化方向水平，第2、4组NdFeB永磁体的磁化方向竖直，它们构成双聚磁极磁路。铁被用在这五组NdFeB永磁体的两侧是为了保护永磁体和易于轨道组装。具有正弦结构的Halbach轨道磁场不仅可将大部分磁力线聚集在永磁轨道的上表面，提高轨道永磁材料的利用率，而且有助于提高系统的磁悬浮性能，同时使得轨道的安装方便、容易。这三种轨道在一定程度上改善了轨道的聚磁能力和稳定性，并优化了轨道的结构，但是对轨道磁场的研究都处于静止状态下。目前对轨道磁场处于动态变化时块材性能的研究主要集中在振动方向，1997年日本的K.Nagaya将高温超导块材放入圆柱形电磁线圈中，通过手动调节直流电流的大小对永磁轨道对称磁场进行补偿的方式，研究了高温超导块材的振动控制，2008年北京航空航天大学在振动装置上通过对永磁轨道进行振动研究了高温超导块材的动力特性，2009年西南交通大学超导技术研究所在振动装置上通过对永磁轨道进行水平振动和垂直振动，研究了外磁场的变化频率和振幅对高温超导块材性能的影响进行了研究。但这些研究主要集中在轨道的单一变化上，而对轨道磁场在实际装配中呈现的各种不同变化下对高温超导块材性能的研究，目前尚未见相关报导。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是采用电磁体模拟平移对称式高温超导磁悬浮永磁轨道，通过现代控制变频技术对电磁体中的两个电磁线圈分别输入两个不同变化的直流电流调节外磁场的变化，以模拟永磁体在装配时的不同变化，从而研究轨道呈现各种不均匀磁场情况下对高温超导块材悬浮特性的影响，为确定轨道在装配时所要达到的磁场波动标准提供相应的依据，为高温超导磁悬浮车系统工程的应用、磁悬浮发射能力的提高提供帮助。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

一种直流静、动态对称/不对称磁场发生装置，实现即能产生静态的对称/不对称磁场，也能产生动态的对称/不对称的磁场，包含电磁体和控制单元两部分，其中控制单元采用DSP作为控制芯片对直流电源的电流进行分频斩波实现电磁体的两组线圈的电气参数的控制，包含DSP、直流电源和斩波器；电磁体采用三明治式结构，包括两个用以导磁的圆柱形铁芯，绕在铁芯上的两组线圈，以及用以聚磁的三个铁片。

采用本发明的结构，即能产生静态的对称/不对称磁场，也能产生动态的对称/不对称磁场，使用者可根据自己的需求编写相应的代码，下载到主控器，使电磁体所需的产生磁场，具有使用灵活、应用领域广泛等优点，可用于平移对称式的常规磁悬浮、高温超导磁悬浮、高温超导磁悬浮轴承、高温超导磁悬浮飞轮储能以及高温超导磁悬浮发射的物理实验与研究中，也可适用于常规磁悬浮、高温超导磁悬浮、高温超导磁悬浮轴承和高温超导磁悬浮飞轮储能系统以及高温超导磁悬浮发射或样机的研制应用中。

附图说明

图1是本发明控制单元的结构框图。

图2是本发明电磁体的结构剖视图。

图3是图2结构的另一种工作状态。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示的结构框图，1为220V交流电源；2整流电路；3斩波电路；4为DSP主控模块；5厚膜驱动，控制单元对直流电源的电流进行分频斩波控制，再将控制后的电流导入电磁体的导线中，从而调节电磁器的磁场。6为与受控供电电路相连的电磁体。

电磁体的构造如图2，采用三明治式结构，包括两个用以导磁的圆柱形铁芯7和8，绕在铁芯上的两组铜线圈9和10，以及用以聚磁的上铁片11、中心铁片12、下铁片13，两个圆柱形铁芯和三个铁片构成了整个骨架。改变电流的接入方式可实现如图3的磁场方向。

实施例1：电磁体铁片与铁芯为硅钢材料，其中铁片设计为150*150*10mm，铁芯为d＝30mm，h为70mm的圆柱体，每一组铜线圈为1000匝，均匀密绕满铁片，当对两个绕线组分别通入两个不同电源产生的相同功率240瓦，中心铁片的产生表面磁场强度为0.4特斯拉，达到了在中心铁片上方测试高温超导块材性能所需均匀对称外磁场。

实施例2：电磁体铁片与铁芯为硅钢材料，其中铁片设计为150*150*10mm，铁芯为d＝30mm，h为70mm的圆柱体，每一组铜线圈为1000匝，均匀密绕满铁片，当对两个绕线组分别通入两个不同电源产生的相同功率240瓦，中心铁片的产生表面磁场强度为0.4特斯拉，达到了在中心铁片上方测试高温超导块材性能所需均匀对称外磁场。

实施例3：电磁体铁片与铁芯为硅钢材料，具中铁片设计为150*150*10mm，铁芯为d＝30mm，h为70mm的圆柱体，每一组铜线圈为1000匝，均匀密绕满铁片，当对上、下两个绕线组分别通入两个不同电源产生不同的功率120瓦和240瓦，上、中心、下铁片的产生表面磁场强度分别为0.1、0.3、0.2特斯拉，达到了在中心铁片上方测试高温超导块材性能所需均匀不对称外磁场。

采用本发明的基本结构，在实施中可有不同的具体变化，比如：电磁体上两组线圈即可由铜质也可以又其它材料，如铝材、常温超导材料的导线构成；同样，所述导磁片可为硅铁也可以其它导磁材料。

Claims (4)

1.直流静动态对称/不对称磁场发生装置，实现既能产生静态的对称/不对称磁场，也能产生动态的对称/不对称的磁场，包含电磁体和控制单元两部分，其中控制单元采用DSP作为控制芯片对直流电源的电流进行分频斩波实现电磁体上两组线圈的电气参数的控制，包含DSP、直流电源和斩波器；电磁体采用三明治式结构，包括两个用以导磁的圆柱形铁芯，绕在铁芯上的两组线圈，以及用以聚磁的三个导磁片，所述三个导磁片平行设置限定出两个空间，所述两个圆柱形铁芯分别夹塞于所述的两个空间内并与所述导磁片垂直。

2.根据权利要求1所述之直流静动态对称/不对称磁场发生装置，其特征在于，所述两组线圈分别与受控制单元控制的两组直流电源相连接。

3.根据权利要求1所述之直流静动态对称/不对称磁场发生装置，其特征在于，所述电磁体上两组线圈可由铜质或其它材料导线构成。

4.根据权利要求1所述之直流静动态对称/不对称磁场发生装置，其特征在于，所述导磁片可为硅铁或其它导磁材料。 

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