專利名稱：磁浮車輛懸浮磁鐵的冷卻方法和其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于電磁鐵的冷卻方法和裝置，特別是關(guān)于應(yīng)用于磁浮列車的懸浮磁鐵的冷卻方法和裝置。
現(xiàn)有技術(shù)城軌磁浮列車依靠安裝在轉(zhuǎn)向架上的懸浮磁鐵產(chǎn)生懸浮力，來滿足載客需求。車輛由直線感應(yīng)電機(jī)與鋁感應(yīng)板相互作用產(chǎn)生的磁推力驅(qū)動(dòng)，達(dá)到100～200km/h運(yùn)行速度。它以低運(yùn)行噪聲、無污染與節(jié)能、爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、運(yùn)行速度高于現(xiàn)有城軌車輛的特點(diǎn)，應(yīng)用于城市軌道交通。
德國(guó)Transrapid的TR04磁浮列車和US005152227A的HSST磁浮列車，其軌道梁的兩側(cè)為F形鐵磁性軌道，固定在磁浮列車體上的懸浮(兼導(dǎo)向)電磁鐵正好置于F形鐵磁性軌道下方，且鐵芯呈正U形，與F形鐵磁性軌道相對(duì)。車載電網(wǎng)通電時(shí)，電磁鐵與軌道之間的電磁吸引力產(chǎn)生足夠的車輛載客能力，同時(shí)安裝在相鄰電磁鐵之間的間隙傳感器連續(xù)探測(cè)電磁鐵與軌道的間距。通過調(diào)節(jié)電磁鐵的勵(lì)磁電流調(diào)整電磁鐵與軌道之間的引力，以保持電磁鐵與軌道之間的間隙穩(wěn)定在8.0mm左右，保證列車具有良好的乘坐舒適度。當(dāng)列車偏離中心線時(shí)，U形電磁鐵的鐵芯與F形軌道錯(cuò)位，兩者之間的引力傾斜，此時(shí)磁鐵產(chǎn)生一個(gè)與偏離方向相反的橫向分量，迫使列車返回中心線。也就是說，HSST磁浮列車的導(dǎo)向是自動(dòng)的，不需要導(dǎo)向電磁鐵的主動(dòng)控制。
自1972年日本參考了德國(guó)TR04磁浮列車技術(shù)，開發(fā)研究了HSST中低速(100～250km/h)磁浮列車，由于當(dāng)時(shí)還沒有速度達(dá)400-500Km/h的TR08高速磁浮列車出現(xiàn)，所以稱之為中低速磁浮技術(shù)。日本經(jīng)過長(zhǎng)期的研究與論證，確認(rèn)該技術(shù)的可行性與先進(jìn)性，具有商業(yè)應(yīng)用的價(jià)值，可以在城市軌道交通中實(shí)用。但是該城軌磁浮車輛的懸浮能力卻受到限制，不能滿足高峰時(shí)較大客運(yùn)需求。如要通過提高懸浮磁鐵的懸浮能力，來提高列車的載客量，將面臨一個(gè)因磁鐵磁密飽和引起懸浮磁鐵線圈過熱的技術(shù)問題。懸浮磁鐵線圈的結(jié)構(gòu)決定了限定電流和匝數(shù)，從而限定了懸浮能力。如要求在線圈內(nèi)通過較大電流以滿足瞬間的懸浮能力提高，勢(shì)必會(huì)帶來線圈過熱。如何有效的將懸浮線圈過熱產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)散發(fā)到外界大氣，成為城軌磁浮車輛的關(guān)鍵技術(shù)之一。
經(jīng)過近30多年的研究，都未能解決懸浮磁鐵過熱問題。日本JP62-210807專利，提出了在懸浮磁鐵的磁極上開設(shè)許多幾何孔洞，利用列車運(yùn)行的空氣流動(dòng)冷卻懸浮磁鐵線圈的技術(shù)方案?？墒歉鶕?jù)日本愛知世博會(huì)線的車輛技術(shù)資料來看，其現(xiàn)有的磁浮車輛HSST-100L還是沒有解決這一問題，其懸浮能力達(dá)不到所預(yù)期的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種磁浮車輛懸浮磁鐵的冷卻方法和其裝置，解決為提高懸浮能力，在增加懸浮線圈的浮磁電流工況下，確實(shí)有效地冷卻線圈的技術(shù)問題。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下一種磁浮車輛懸浮磁鐵的冷卻方法，其特征在于；利用低溫易蒸發(fā)的流體直接將懸浮磁鐵線圈產(chǎn)生的熱量傳輸至懸浮磁鐵外部的冷凝器，通過該冷凝器的熱交換，凝聚的低溫流體返流入線圈部位重新吸熱蒸發(fā)，形成一個(gè)對(duì)懸浮磁鐵的熱源—線圈進(jìn)行直接冷卻的循環(huán)。
進(jìn)一步，上述的冷卻方法還可以包含利用磁浮車輛運(yùn)行時(shí)的氣流對(duì)懸浮磁鐵的鐵芯進(jìn)行直接冷卻。
一種使用上述冷卻方法的冷卻裝置是設(shè)置在線圈兩側(cè)與線圈密切貼合的銅質(zhì)冷卻套、設(shè)置在車輛轉(zhuǎn)向架外側(cè)的冷凝器、連接上述的冷卻套和冷凝器的傳輸管構(gòu)成的密封冷卻系統(tǒng)，以及灌注在該密封冷卻系統(tǒng)中的流體導(dǎo)熱工質(zhì)。
進(jìn)一步，該冷卻套內(nèi)部設(shè)置有曲折盤繞的流通槽，該流通槽兩端分別設(shè)置有與傳輸管相連的管接頭。
再進(jìn)一步，該線圈為雙線圈，在該雙線圈中間設(shè)置有密切貼合的銅質(zhì)冷卻套。
更進(jìn)一步，在鐵芯內(nèi)側(cè)面設(shè)置有翅狀的散熱器。
又進(jìn)一步，該散熱器是鋁質(zhì)或銅質(zhì)的。
本發(fā)明具有下列特點(diǎn)和有益效果1)針對(duì)懸浮磁鐵加大勵(lì)磁電流后，線圈發(fā)熱占主導(dǎo)地位的特點(diǎn)，直接對(duì)該發(fā)熱源進(jìn)行冷卻，極大地提高了冷卻效果。
2)由于現(xiàn)有懸浮磁鐵線圈的設(shè)計(jì)與制造決定了在線圈的熱量集中在其2/3的高度的范圍內(nèi)，很難將其散發(fā)。本發(fā)明則巧妙地將冷卻套設(shè)置其間，直接將線圈所發(fā)熱量及時(shí)輸出至冷凝器。
3)對(duì)于鐵芯因磁渦流產(chǎn)生的熱量，采用另加與鐵芯內(nèi)側(cè)面緊密貼合的翅狀的散熱器，與日本JP62-210807專利在磁板上開設(shè)許多孔洞以達(dá)風(fēng)冷的技術(shù)方案相比，具有既不影響磁鐵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又大大增加了風(fēng)冷面積，提高冷卻效果的優(yōu)點(diǎn)。
4)可以極大地提高懸浮能力，提供滿足客流高峰時(shí)，對(duì)懸浮車輛承載能力的要求。
5)本發(fā)明不改變現(xiàn)有城軌磁浮列車的原有結(jié)構(gòu)，有利于對(duì)現(xiàn)有城軌磁浮列車的升級(jí)改造。
6)可采用純凈蒸溜水、酒精、煤油、氟利昴等多種流體作導(dǎo)熱工質(zhì)，具有來源廣泛、方便易得的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明的冷卻工作原理示意圖。
圖2-3是本發(fā)明的冷卻裝置在磁浮列車上的安裝示意圖。
圖4是圖2中標(biāo)記A的局部放大示意圖。
圖5是本發(fā)明冷卻套的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明利用在主要由冷卻套和冷凝器構(gòu)成的一個(gè)封閉系統(tǒng)中流動(dòng)的導(dǎo)熱工質(zhì)，通過與懸浮磁鐵線圈緊密接觸的冷卻套將懸浮磁鐵線圈因勵(lì)磁電流產(chǎn)生的熱量吸受汽化，使該線圈溫度下降，而汽化后的導(dǎo)熱工質(zhì)流至冷凝器與外界冷空氣進(jìn)行熱交換，將其吸收的汽化潛熱放出，又呈液態(tài)返流回冷卻套重新吸熱汽化，如此流體的導(dǎo)熱工質(zhì)不斷地在上述封閉系統(tǒng)中進(jìn)行吸熱、放熱的循環(huán)，將線圈工作中所產(chǎn)生的熱量源源輸出，使線圈保持低溫，允許使用大的勵(lì)磁電流，從電磁鐵的電磁力公式FL=μ0(NI)2A(2s)2(1-r2p)---(N)]]>可見電磁力FL與線圈匝數(shù)N和勵(lì)磁電流I的平方成正比，而線圈匝數(shù)N受車輛整體結(jié)構(gòu)的限制，變動(dòng)范圍有限；如果能有效地克服電磁鐵線圈的溫升，使勵(lì)磁電流I加大一倍，在其它條件如磁路間隙S、磁極面積A、磁極寬度P、磁極中心偏差R等相同的情況下則電磁力可以提高3倍。而本發(fā)明除了上述線圈的冷卻外，還輔以對(duì)懸浮磁鐵鐵芯的風(fēng)冷冷卻，采用附加擴(kuò)大散熱面積冷的卻器，使其與鐵芯密切結(jié)合，并用優(yōu)良的導(dǎo)熱材料如銅、鋁質(zhì)金屬制造，這樣就能將鐵芯渦流引起的發(fā)熱充分的散發(fā)到外圍的大氣中，如此就可進(jìn)一步的許可懸浮磁鐵使用更大的勵(lì)磁電流I。本發(fā)明這種冷卻的實(shí)際效果，可以使線圈中的勵(lì)磁電流比無冷卻的高2倍。其懸浮能力的增加是十分巨大的，足以克服現(xiàn)有城規(guī)磁浮車輛懸浮力不足的缺點(diǎn)，完全能滿足客流高峰時(shí)，車輛對(duì)承載能力的要求。
圖2、圖3和圖4顯示了使用本發(fā)明冷卻方法的冷卻裝置，它設(shè)置在車箱12底部的轉(zhuǎn)向架托臂7上，該轉(zhuǎn)向架托臂7則通過其頂部的空氣彈簧10、橫向移動(dòng)裝置11與車廂12兩側(cè)底部連接。兩端設(shè)置有F形磁性軌道8的橫向軌枕8-1架設(shè)在混凝土復(fù)合軌道梁8-2上，該兩F形鐵磁性軌道8頂部平面的鋁感應(yīng)板分別與處于兩側(cè)的轉(zhuǎn)向架托臂7下端面上設(shè)置的直線感應(yīng)電機(jī)相對(duì)。設(shè)置在該轉(zhuǎn)向架托臂7內(nèi)側(cè)下部的懸浮磁鐵5則與F形鐵磁性軌道8的凸面相對(duì)。每個(gè)懸浮磁鐵單元有四個(gè)懸浮磁鐵5。該懸浮磁鐵5由鐵芯1和線圈2構(gòu)成，鐵芯1呈凵形。冷卻裝置的冷卻套3固定在鐵芯1上，它與線圈2的兩個(gè)側(cè)面緊密相貼。該冷卻套3(請(qǐng)參閱圖5)由具有良好導(dǎo)熱性能的銅質(zhì)材料制造，其內(nèi)部設(shè)置有曲折盤繞的流通槽3-1，該流通槽3-1首尾兩端分別設(shè)置有管接頭3-3；并以其中部的安裝孔3-2套設(shè)固定在鐵芯1的磁厄部分上，然后再繞制線圈2。冷卻裝置的冷凝器6設(shè)置在轉(zhuǎn)向架托臂7外側(cè)，并用管道與冷卻套3的兩個(gè)管接頭3-3密封連接，形成一個(gè)封閉的冷卻系統(tǒng)，在該冷卻系統(tǒng)中灌注有低溫易蒸發(fā)的流體，如純凈蒸溜水、酒精、煤油、氟里昂等作導(dǎo)熱工質(zhì)。當(dāng)線圈2因勵(lì)磁電流而發(fā)熱時(shí)，與線圈2側(cè)面緊密相貼的冷卻套3有效地吸收該熱量，使其中的液態(tài)導(dǎo)熱工質(zhì)受熱汽化，通過管道流至冷凝器6。由于冷凝器6具有巨大的冷卻面積，足以迅速地將熱量傳輸至外界大氣，使導(dǎo)熱工質(zhì)放出汽化潛熱而冷凝成液態(tài)，從管道返流至冷卻套3，形成了一個(gè)不斷循環(huán)冷卻過程。此外，車輛在行進(jìn)過程中的氣流，加速了冷凝器6的冷卻過程。
除了上述的主要由冷卻套3和冷凝器6構(gòu)成的封閉冷卻系統(tǒng)外，本發(fā)明還在鐵芯1的內(nèi)側(cè)設(shè)置有冷卻散熱器4。該冷卻散熱器4用具有優(yōu)良導(dǎo)熱性能的銅、鋁質(zhì)材料制造，它有與鐵芯1內(nèi)側(cè)面良好貼合的基體，并在該基體上設(shè)置大量的翅片，以擴(kuò)大散熱面積。冷卻散熱器4能有效及時(shí)地將鐵芯1中因渦流引起的熱量散發(fā)至外界大氣，加強(qiáng)了整個(gè)懸浮磁鐵5的冷卻效果。
為了更進(jìn)一步深化本發(fā)明降低線圈2工作溫度的特點(diǎn)所帶來的有益效果，本發(fā)明將現(xiàn)有每個(gè)懸浮磁鐵5上的單一線圈一分為二，改為兩個(gè)并列的線圈，即所謂的雙線圈，除了在該雙線圈的兩個(gè)外側(cè)面分別設(shè)置有冷卻套3外，在雙線圈的中間再設(shè)置一個(gè)冷卻套3，這樣就可將原來單一線圈中心部位難以向外傳導(dǎo)的熱量也能迅速外傳，更優(yōu)化了本發(fā)明的冷卻方法，冷卻的效果更佳。
權(quán)利要求
1.一種磁浮車輛懸浮磁鐵的冷卻方法，其特征在于；利用低溫易蒸發(fā)的流體直接將懸浮磁鐵線圈產(chǎn)生的熱量傳輸至懸浮磁鐵外部的冷凝器，通過該冷凝器的熱交換，凝聚的低溫流體返流入線圈部位重新吸熱蒸發(fā)，形成一個(gè)對(duì)懸浮磁鐵的熱源-線圈進(jìn)行直接冷卻的循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻方法，其特征在于上述的冷卻方法還可以包含利用磁浮車輛運(yùn)行時(shí)的氣流對(duì)懸浮磁鐵的鐵芯進(jìn)行直接冷卻。
3.一種使用權(quán)利要求1或2所述的冷卻方法的城軌磁浮車輛懸浮磁鐵的冷卻設(shè)置，其特征在于上述冷卻方法的冷卻裝置是設(shè)置在線圈兩側(cè)與線圈密切貼合的銅質(zhì)冷卻套、設(shè)置在車輛轉(zhuǎn)向架外側(cè)的冷凝器、連接上述的冷卻套和冷凝器的傳輸管構(gòu)成的密封冷卻系統(tǒng)，以及灌注在該密封冷卻系統(tǒng)中的流體導(dǎo)熱工質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的冷卻裝置，其特征在于該冷卻套內(nèi)部設(shè)置有曲折盤繞的流通槽，該流通槽兩端分別設(shè)置有與傳輸管相連的管接頭。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的冷卻裝置，其特征在于該線圈為雙線圈，在該雙線圈中間設(shè)置有密切貼合的銅質(zhì)冷卻套。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的冷卻裝置，其特征在于該線圈為雙線圈，在該雙線圈中間設(shè)置有密切貼合的銅質(zhì)冷卻套。
7.根據(jù)權(quán)利要求4、5或6所述的冷卻裝置，其特征在于在鐵芯內(nèi)側(cè)面設(shè)置有翅狀的散熱器。
8.根據(jù)權(quán)利要求4、5或6所述的冷卻裝置，其特征在于該散熱器是鋁質(zhì)或銅質(zhì)的。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的冷卻裝置，其特征在于該散熱器是鋁質(zhì)或銅質(zhì)的。
全文摘要
一種磁浮車輛懸浮磁鐵的冷卻方法，其特征在于；利用低溫易蒸發(fā)的流體直接將懸浮磁鐵線圈產(chǎn)生的熱量傳輸至懸浮磁鐵外部的冷凝器，通過該冷凝器的熱交換，凝聚的低溫流體返流入線圈部位重新吸熱蒸發(fā)，形成一個(gè)對(duì)懸浮磁鐵的熱源—線圈進(jìn)行直接冷卻的循環(huán)。本發(fā)明解決了為提高懸浮能力，在增加懸浮線圈的浮磁電流工況下，確實(shí)有效地冷卻線圈的技術(shù)問題。
文檔編號(hào)B61B13/08GK1736762SQ200510028279
公開日2006年2月22日 申請(qǐng)日期2005年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月29日
發(fā)明者吳祥明, 何大海 申請(qǐng)人:上海磁浮交通工程技術(shù)研究中心