超高速高温超导真空管道的磁浮交通设计方案外文翻译资料

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超高速高温超导真空管道的磁浮交通设计方案

Jing JIANG，Xue BAI，Lei WU，Yong ZHANG

(磁悬浮技术和磁悬浮列车重点实验室(中国教育部)，超导和新能源研发中心，西南交通大学，成都610031，)

摘 要：超高速高温超导（HTS）真空管道磁悬浮运输（ETT）是未来一种前景广阔的交通模式。作为HTS磁悬浮车辆的关键部件，我们通过有限元法分析具有不同几何构造和铁轭宽度的永磁体导轨（PMG）。在不同的场冷却高度（FCH）下，由磁悬浮测量系统测量单个机载HTS磁悬浮装置在PMG上的悬浮力。基于设计的PMG和实验结果，本文介绍了地下超高速HTS磁浮ETT的初步方案。HTS磁浮ETT主要由真空管，HTS磁浮车，PMG，推进系统，车站，紧急救援系统等。另外，引入由地基管和真空防空层组成的地下管。为了转换列车内部和外部之间的空气压力差引起的应力，我们车体设计采用多圆形。列车由在一个在地面控制系统控制下的直线电机推进系统运作。长途超高速客运的方案由不同列车组合完成。

关键词：高温超导悬浮 永磁导轨 悬浮力 磁悬浮 真空管道运输

1. 介绍

总所周知，常规地面交通运输的最大速度很大程度上受制于地球表面大气层的影响。当常规地面交通的速度达到350km/h时，空气阻力和行驶噪声都大大增加。这就导致了严重的环境污染问题和能源需求的显著提高。然而，在真空管道里，空气阻力和磁悬浮列车产生的噪音显著减小。一些初步研究表明，真空管道运输（ETT）的驱动功率损耗仅为常规地面交通的2%。

随着高温超导（HTS）技术的发展，HTS在很多机械领域也有极大的应用潜力。作为HTS最流行的一种应用之一，高温超导磁悬浮系统在自稳定、安全、摩损、能耗、运行速度等方面有着很多突出的表现。从磁悬浮车辆发展的角度来看，在空气中进行的运行试验证明，管道式超导磁悬浮导体与块状高温超导体的结合对一个优良的支持系统有着重要作用。西南交通大学设计出第一个载人HTS磁悬浮列车，有望实现载人速度达到600~1000km/h的高速管道交通。Okano等人描述了在真空管道中货物运输系统与超导磁悬浮导轨组的理论。Wang等人提出了HTS磁悬浮车辆的一种超高速的新型地面运输系统。然而，关于设计地下真空管道的超高速HTS磁悬浮列车所做的工作太少。

在本文中，基于永磁导（PMG）的数值计算和HTS磁悬浮系统的实验结果，提出了一种地下超高速HTS磁浮ETT的初步设计方案

2.PMG数值计算

PMG是HTS悬浮列车系统的重要组成部分之一。其磁场分布对悬浮列车的悬浮和引导性能有影响。几何形状和磁化均匀性影响系统的摆动力，引导力和构造成本。因此，有必要去优化高温超导管道真空磁浮列车的永磁导轨的设计。在以前的研究 中，已经使用了许多方法来计算PMG的磁场分布。为了模拟未来高温超导磁浮ETT中的空气阻力，本文采用有限元方法EEM计算磁场分布。

2.1 PMG的材料性质和2D模型

本文构建了PMG的二维（2D）模型，其理想地假设PMG在纵向推进方向上是无限的，并且磁场在该方向上是均匀的。利用此2D模式，研究了PMG的几何配置和铁轭架宽度对磁场的影响。

如图1所示，PMG由永磁（PM）和铁板（IP）组成，作为场源、场集中器和导轨的固定器。在这种模式中使用的PM是具有1045相对磁导率和900kA/m矫顽力的钕铁硼永磁体。模型中IP板的特性具有2000相对磁导率的线性。图1中的箭头表示PM的磁化方向。由于PMG假设是无限长并且具有沿着纵向方向（y轴）的均匀磁场，所以只对PMG的横截面建模。如图1所示，PM和IP的宽度和高度分别由width_PM，width_IP 1，width_IP 2.和height指定。为了研究铁轭宽度和PMG对磁场的影响，我们分析了三种类型的PMG，即PMGI（A），PMG I（B）和PMG II。PMG I（A）和 PMG（B）由两排永磁体和三块铁板组成，中心铁板作为磁场集中器。PMGⅡ由三排磁铁和四块铁板组成，中间两块铁板的宽度在本文中没有改变，这三种PMG的几何参数详见表1。

图1 在zx平面中的PMG的两种配置的2D模型

表一：三种PNG的具体尺寸

2.2结果与讨论

PMG I（A）和PMG II的磁感应强度Bx（z方向的磁通密度）如图2 所示。我们可以看到，磁场分布对于PMG（A）和PMG II沿着z轴和x轴是对称的。铁轭表现出良好的磁集中效应。为了研究铁轭宽度对磁场的影响，通过FEM的PMG I（A）和PMG I（B）的表面磁场分布沿X轴在高于PMG的不同高度的模拟结果如图3所示。我们模拟了PMG在2,10,16,26和36 mm高度处的表面磁场。沿着z轴从z = 0mm到z = 50mm的PMG（A）和PMG（B），其中x = 0mm在图3的插入图片中示出。因为PMG的表面磁场沿z轴以同步方式分布，所以两个PMG的Bx只沿着正x轴，如在图3所示。从图3可以看出，PMG I（A）的中心磁场在2mm的高度处达到1.3T，在该高度达到最大值。然而，在36mm的高度处变得非常小，并且最大值不大于0.3T。PMG I（B）的中心磁场高达0.9T。最大磁场值约为1.2T 并且位置不在PMG的中心，而是在x = 10mm的位置。根据计算结果，除了z = 2mm和z = 10mm的情况外，五个模拟曲线几乎具有类似的形状。发现PMG I（A）与PMG I（B）相比在磁性浓度方面具有优越的性能 。因此，我们可以得出结论，铁轭的宽度会影响表面磁场分布，并且在低处的影响更强。随着高度从PMG的表面增加，这种影响减小。当高度大于10mm时，两个PMG的表面磁场分布几乎相似，几乎忽略其影响。这些结果与从实验模拟获得的结果非常吻合。

此外，为了调查的影响PMG配置对磁场分布，我们也对PMGⅡ进行计算，如图1（b）所示。

图2：PMG的两种配置的磁场轮廓：（a）PMG I（A）的Bz; （b）PMG II的Bz

图3：在PMG I(A)和PMG I(B)表面不同高度对沿着x方向的Bz进行比较。插入图是沿着z轴在两种PMG上方0-50mm处的Bz的中心。

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图4 在PMG II表面上的不同高度处计算沿着x轴和z轴的Bz

从图4可以看出，PMG II的表面磁场在x = 140mm处呈现反对称性。当高度为2mm时，分别在x =100mm和180mm处获得正和负最大磁场。最大值大约为1.4T。PMG上方的高度越大，磁场分布越均匀,最大值随着高度的增加而减小,插图显示出了在铁轭的位置处沿着z轴从z = 0mm到z = 50mm的Bz。如插图所示，随着PMG表面高度的增加，表面磁场也减小。最大磁场在PMG表面上方约1.3T，但是在50mm的高度处磁场仅为约0.1T。

三个PMG的计算结果证实，本2D模型适用于模拟磁场分布并优化PMG的设计。因为在HTS磁悬浮车辆的实际操作中悬浮间隙总是大于10mm，所以在磁悬浮系统的悬浮和引导力的计算期间可以忽略磁轭宽度对磁场分布的影响。上述计算结果表明，PMG I（A）具有良好的磁集中效应和与其他两种PMG相比较大的表面磁场的优点。PMG I（A）不仅结构更简单，而且成本更低，所以PMG I（A）对HTS磁浮抽真空管车辆系统来说是一个很好的选择。

3. PMG悬浮力的实验结果

作为HTS磁浮车辆系统的重要性能参数之一，悬浮力直接决定了车辆的悬浮载能力和悬浮间隙。为了研究HTS块布置和PMG对悬浮力的外场作用的影响。进行了许多实验来测量单个车载HTS磁悬浮装置在所设计的PMG上的悬浮力。车载HTS磁浮装置由YBCO（钇钡铜氧）块和矩形液氮容器组成。设计的PMG具有与PMG I（A）相同的横截面尺寸，PMG的长度为640mm。

YBCO块体都是直径为30mm和高度为18mm的圆柱形。考虑到车辆和PMG表面之间的实际悬浮距离总是大于10mm，液氮容器的底部厚度为6mm，悬浮在场冷却高度（FCH，即HTS的底部与PMG的表面之间的间隙）的条件下测量具有三种不同布置的YBC0块的力为16mm。HTS的三种布置是6行，4行和2行。因为每行的批量为19，所以三种布置的YBCO批量的总数分别为114，76和38。

图5 HTS块体在16 mm FCH下不同排列的悬浮力曲线。插入图是在不同FCH下的38个HTS块的悬浮力曲线

在我们的实验中，所有的悬浮力是用由中国西南交通大学超导和新能源研究中心开发的HTS测量系统测量的。在测量过程中，由伺服电机控制的机载HTS磁悬浮装置可以在PMG上方上下移动，并且所排列的YBC0块的中心正好对准PMG的中心。测量速度为20mm/min，整个测量过程由计算机自动控制。当FCH为16mm时，块体的测量结果如图5所示。图5的插入图显示了在26mm和36mm FCH上的38个HTS块的悬浮力曲线。即具有相同布置，不同FCH的HTS块悬浮力也不同。

从实验结果我们发现，三条曲线具有相同的变化趋势。悬浮力是滞后于运动的，并且与悬浮体间隙呈指数关系。最大总悬浮力为114，76和38块，分别为1650,1105和895N。显然，114块的总悬浮力是最大的，38个块的值是最小的。相反，具有2排的38个体积的单个YBCO体的平均悬浮力是最大值，具有6个行的114个体积的值是最小值。这些现象主要源于外部磁场。从这些准静态结果，我们可以得出，有许多影响悬浮系统悬浮力的因素，包括HTS体积、排列、FCH以及PMG外施加磁场的磁场分布等。

此外，HTS磁悬浮车辆在实践中具有非常高的速度，因此在高速情况下的系统的悬浮力和引导力，在动态状态下，应在以后进行调整。

4. HTS磁浮真空管运输初步方案

作为新型运输系统，HTS磁浮真空管输运可以看作是对地面高速运输的延伸和补充，特别是磁浮车辆系统。HTS磁浮真空管输运主要由真空管，车身 ，永磁导向，推进系统，车站和应急辅助设备。与传统运输系统相比，它在长距离和超速速度运输方面应该更为出色。根据上述数值计算和实验结果，应同时考虑车体和永磁导轨的结构设计，结合HTS阵列和外加磁场，HTS磁悬浮车辆的设计还可以优化。

本文提出了一种HTS磁浮真空管运输的初步方案。利用线性电机推进系统。为了实现长距离超速客运，使用液压连接设备逐一完成车体的连接。这里介绍了一种由地基管和密封层组成的新型地下真空管，分别承受负荷和空气密封。另外，考虑到车体内外气压的显着差异，车辆采用具有矩形截面的多回路体。该方案可以改变因车体内外的空气压力不同而引起的从径向到切向的应力。此外，该结构使得容易安装车辆的驱动和其它辅助设施，极大地提高了车辆的利用效率。两个车辆的连接视图和车辆系统的横截面视图，如图6所示。

“轴承—气密分离装置”作为真空边界用于地下管道中。地下管不仅具有良好的密封性能，而且具有良好的机械性能。这些功能可以通过使用一些简单的技术实现，如钢筋混凝土输送和塑料或橡胶膜气密。另外，由于管内的真空度与车辆的设计速度和建造成本直接相关，因此通过优化的设计和经济分析来确定合理的真空度。然而，由于HTS magIev车辆系统未在实际应用中使用，因此应在之后探讨超高速的优点。

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图6 HTS磁浮真空管车辆系统的主要结构

5. 结论

我们通过FEM计算三个PMG的表面磁场强度，发现铁轭宽度对PMG的表面磁场的影响仅存在于磁场处于低的高度，该影响随着从PMG的表面的高度的增加而减小，当高度大于10mm时，可以忽略该影响。此外，还研究了不同PMG配置对表面磁场的影响。模拟结果证实了该方法的有效性，以此计算PMG的磁场分布。

根据模拟结果，设计出一种PMG用于悬浮力的测量系统。通过测量系统测量了设计的PMG上的三种不同布置的HTS块的悬浮力。实验结果表明，磁浮车辆系统的悬浮力不仅与HTS体积布置有关，而且与外部施加的磁场有关。

此外，基于上述模拟和实验结果描述了地下超高速HTS-magIev真空管道输送的初步方案。HTS磁浮抽真空管运输主要由真空管，HTS磁悬浮车辆，PMG，推进系统，车站和应急救援系统等组成，还介绍了地下管道由地基管和真空防空层组成。为了转换由车辆内侧和外侧的空气压力差引起的应力，设计了多圆形车体。车辆由线性电机推进系统驱动，线性电机推进系统由地面控制系统控制。长距离超高速乘客运输通过不同列车的连接来实现。

致谢：

作者非常感谢中国教育部的PCSIRT（IRT0751），中国国家自然科学基金（编号50588201和50872116），中国国家高技术研究与发展计划（863） 计划：2007AA03Z203），中国高等教育博士研究基金（SRFDP200806130023），中央大学基础研究基金（SWJTU09BR152和SWJTU09ZT24）和西南交通大学博士创新基金会（X1899124710003）。6

6. 参考文献

[1] Y. P. Zhang, D. Oster, M. Kumada, et al., Key vacuum technologies to be solved in evacuated tube transportation, Journal of Modern Transportation, 2011, 19(2):

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