本发明涉及高温超导磁浮技术应用领域，尤其涉及一种高磁浮性能的高温超导磁浮系统。
背景技术：
高温超导磁浮系统具有自稳定的悬浮与导向能力，其平移系统理论最高运行速度可达3000km/h，因此，在地面超高速运输系统中具有广阔的应用前景。然而，高温超导磁浮系统的悬浮承载性能与导向性能相对较弱，提高其悬浮与导向性能是其实用化的关键。现有技术主要包括：
(1)如图1所示，使超导体轴线22(c轴)垂直于正对磁体的磁化方向设置时，系统可以获得更高的导向性能。然而，系统的悬浮性能将极大衰减，如图3所示，使超导体21偏离磁极轴线33距离t进行场冷，进入超导态后超导体21以速度v向下移动，其悬浮力曲线如图4所示，悬浮力随偏离距离t的增加急剧减少，当超导体轴线垂直于正对磁体的磁化方向时，使系统几乎丧失悬浮性能；
(2)如图2所示，使超导体轴线22(c轴)平行于正对磁体的磁化方向设置时，系统可以获得更高的悬浮性能。然而，在实际的应用中，由于超导体性能不均匀、永磁轨道应用外磁场不是理想的对称分布等原因，下压过程中存在导向不稳定性，导致系统横向漂移，进一步使系统的悬浮力衰减，严重时发生脱轨的危险；
(3)通过设置不同的场冷高度，可以调节系统悬浮性能与导向性能的分配。提高系统的场冷高度，系统将获得更高的悬浮性能，但是其导向性能变弱；降低系统的场冷高度，系统将获得更高的导向性能，但是其悬浮性能变弱，且降低了系统的安全工作高度；
(4)其它技术还包括：通过固氮冷却或制冷机降低系统的工作温度、采用高性能超导材料及增加超导材料用量等方法，提高系统的临界电流密度及俘获磁通的能力；通过增加永磁材料用量、剩磁及优化永磁轨道构型等方法，提高永磁轨道的应用外磁场强度。以上方法主要是通过提高材料性能、增加材料用量及系统优化的方式使系统获得更高的悬浮与导向性能，同时，也会带来更高的自重与高昂的成本费用。
技术实现要素：
本发明针对现有技术中高温超导磁浮系统导向性能与悬浮性能不能同时兼顾，系统自重、成本高等不足，提供一种高磁浮性能的高温超导磁浮系统，在不增加系统自重、成本的条件下，实现高温超导磁浮系统导向稳定下的高悬浮性能。
本发明采用的技术方案是：
一种高磁浮性能的高温超导磁浮系统，其包括冷源、超导体排列和永磁轨道；超导体排列和冷源设置在永磁轨道上方，超导体排列由多个超导体组成，超导体的籽晶点面向永磁轨道，冷源连接超导体并对超导体进行冷却，永磁轨道提供应用外磁场；超导体沿永磁轨道的中心轴线对称偏置排列，且偏置距离为0～5mm。
进一步地，当选择合适的偏置距离时，可以抑制导向力的变化，忽略悬浮力的衰减。偏置距离为0mm至3mm可以有效抑制偏置带来的系统悬浮力衰减。
进一步地，在单磁极永磁轨道中，使超导体沿轨道运行方向在单磁极两侧交替对称外偏置排列；当不考虑偏置距离对悬浮力衰减的影响时，可以设置较大的对称偏置距离，使系统在外部干扰下具备更高的导向稳定性。
进一步地，在奇数个多磁极永磁轨道中，在横向上使至少一对超导体沿轨道中心对称分布的磁极轴线进行对称内偏置排列或对称外偏置排列或内外对称偏置的组合排列，其它轨道中心两侧剩余超导体与中心超导体正对磁极设置。
进一步地，在偶数个多磁极永磁轨道中，在横向上使至少一对超导体沿轨道中心对称分布的磁极轴线进行对称内偏置排列或对称外偏置排列或内外对称偏置的组合排列，其它轨道中心两侧剩余超导体正对磁极设置。
进一步地，在双轨道系统中，在横向上使至少一对超导体沿双轨道中心对称分布的磁极轴线进行对称内偏置排列或对称外偏置排列或内外对称偏置的组合排列，其它剩余超导体正对磁极设置。
进一步地，所述的冷源由常压液氮或低压固氮低温容器与制冷机提供，通过液氮、固氮、冷头对超导体进行直接或间接冷却。
进一步地，所述的超导体排列为rebacuo(re为稀土元素)或其它超导材料的块材、薄膜、带材堆叠、带(线)材线圈的单一组合结构或任意二种及以上的组合结构。
进一步地，所述的永磁轨道为永磁体、电磁体、超导线(带)材线圈磁体的单一磁体组合结构或任意二种及以上的组合结构。当永磁轨道采用永磁体单元组装时，其横向结构按磁极水平对顶设置或halbach阵列进行排列。
本发明采用以上技术方案，在单磁极或多磁极永磁轨道中，使超导体沿单磁极轴线或对称分布的多磁极轴线进行对称偏置排列，可以抑制系统下压过程中的导向不稳定性，当选择合适的偏置距离时，可以抑制偏置对悬浮力衰减的影响，从而使系统兼顾稳定性的同时，具有最高的悬浮性能。与现有技术相比，本发明的有益效果是：克服了现有技术悬浮性能与导向性能不能同时兼顾的不足，使系统兼顾导向稳定性的同时，具有更高的悬浮性能。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；
图1超导体c轴垂直于磁化方向设置示意图；
图2超导体c轴平行于磁化方向设置示意图；
图3超导体偏置示意图；
图4超导体在不同偏置距离下的悬浮力曲线图；
图5超导体无偏置下的下压受力示意图；
图6超导体向右偏置下的下压受力示意图；
图7超导体向左偏置下的下压受力示意图；
图8超导体对称偏置下的下压导向力曲线图；
图9单磁极圆形超导体交替对称偏置排列示意图；
图10单磁极方形超导体交替对称偏置排列示意图；
图11三磁极永磁轨道垂直场分布示意图；
图12三磁极超导体内偏置结构示意图；
图13三磁极超导体外偏置结构示意图；
图14双磁极超导体内偏置结构示意图；
图15双磁极超导体外偏置结构示意图；
图16双轨道超导体内偏置结构示意图。
附图中标号的名称：1-冷源，2-超导体排列，21-超导体，22-超导体轴线，23-超导体籽晶点，3-永磁轨道，31-水平磁化磁体，32-垂直磁化磁体，33-磁极轴线，t-超导体偏置距离，gap-悬浮间隙，fl-悬浮力，fg-导向力，b⊥-垂直场。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图9至16之一所示，本发明公开了一种高磁浮性能的高温超导磁浮系统，其包括冷源、超导体排列和永磁轨道；超导体排列和冷源设置在永磁轨道上方，超导体排列由多个超导体组成，超导体的籽晶点面向永磁轨道，冷源连接超导体并对超导体进行冷却，永磁轨道提供应用外磁场；超导体沿永磁轨道的中心轴线对称偏置排列，且偏置距离为0～5mm。
实施例1：如图9、图10所示，在单磁极永磁轨道中，使圆形或方形超导体21沿轨道运行方向在单磁极两侧交替对称外偏置距离t进行排列，选择合适的偏置距离t，可以使基于单磁极永磁轨道的高温超导磁浮系统具备更高的悬浮力密度。
进一步地，当不考虑偏置距离t对悬浮力衰减的影响时，可以设置较大的对称偏置距离t，可以使系统在外部干扰下具备更高的导向稳定性。
实施例2：如图11、图12所示的三磁极永磁轨道及其高温超导磁浮系统，在横向上使超导体21沿轨道中心两侧对称分布的磁极轴线33进行对称内偏置排列，中心超导体正对磁极设置，选择合适的偏置距离t，可以使基于三磁极永磁轨道的高温超导磁浮系统在导向稳定的条件下具备更高的悬浮力密度。
进一步地，如图13所示，使超导体21沿轨道中心两侧对称分布的磁极轴线33进行对称外偏置排列，中心超导体正对磁极设置，选择合适的偏置距离t，可以使基于三磁极永磁轨道的高温超导磁浮系统在导向稳定的条件下具备更高的悬浮力密度；
进一步地，在奇数个多磁极永磁轨道中，在横向上使至少一对超导体沿轨道中心两侧对称分布的磁极轴线进行对称内偏置排列或对称外偏置排列或内外对称偏置的组合排列，其它轨道中心两侧剩余超导体与中心超导体正对磁极设置，可以使基于奇数个多磁极永磁轨道的高温超导磁浮系统在导向稳定的条件下具备更高的悬浮力密度。
实施例3：如图14所示的双磁极永磁轨道高温超导磁浮系统，在横向上使超导体21沿轨道中心两侧对称分布的磁极轴线33进行对称内偏置排列，选择合适的偏置距离t，可以使基于双磁极永磁轨道的高温超导磁浮系统在导向稳定的条件下具备更高的悬浮力密度。
进一步地，如图15所示，使超导体21沿轨道中心两侧对称分布的磁极轴线33进行对称外偏置排列，选择合适的偏置距离t，可以使基于双磁极永磁轨道的高温超导磁浮系统在导向稳定的条件下具备更高的悬浮力密度；
进一步地，在偶数个多磁极永磁轨道中，在横向上使至少一对超导体沿轨道中心两侧对称分布的磁极轴线进行对称内偏置排列或对称外偏置排列或内外对称偏置的组合排列，其它轨道中心两侧剩余超导体正对磁极设置，可以使基于偶数个多磁极永磁轨道的高温超导磁浮系统在导向稳定的条件下具备更高的悬浮力密度。
实施例4：如图16所示的单极永磁双轨道高温超导磁浮系统，在横向上使超导体21沿双轨道中心两侧对称分布的磁极轴线33进行对称内偏置排列，选择合适的偏置距离t，可以使基于双轨道的高温超导磁浮系统在导向稳定的条件下具备更高的悬浮力密度。
进一步地，在多极永磁双轨道系统中，在横向上使至少一对超导体沿双轨道中心两侧对称分布的磁极轴线进行对称内偏置排列或对称外偏置排列或内外对称偏置的组合排列，其它剩余超导体正对磁极设置，可以使基于多极永磁双轨道的高温超导磁浮系统在导向稳定的条件下具备更高的悬浮力密度。
下面就本发明的具体工作原理做详细的说明：
如公式(1)、(2)、(3)所示的高温超导磁悬浮系统基本原理公式，高温超导材料中的感应电流
进一步，通过计算感应电流
fl＝-μ∫∫∫v(jyhx)dv(4)
fg＝μ∫∫∫v(jyhz)dv(5)
其中，jy为：
如图5所示，当超导体轴线22与磁极轴线33重合时，假设超导体21性能均匀，且垂直场b⊥沿磁极轴线两侧对称分布，使超导体以速度v向下移动，将在超导体轴线22两侧区域内产生大小相等方向相反、垂直于纸面的感应电流jy。根据式(4)、(5)、(6)，超导体21受到向上的悬浮力fl，导向力fg则等于零。然而，在实际的应用中，超导体21性能不均匀，且垂直场b⊥不是理想的对称分布，同时，无法严格使超导体轴线22与磁极轴线33完全重合，导致系统下压过程中导向力fg不为零，使超导体21具有偏离磁极轴线33的趋势，即高温超导磁浮系统固有的横向漂移现象。
为了研究导向力fg在系统下压过程中的变化特性，探索稳定的系统构型，设计了如下实验：如图6、图7所示，使超导体分别向右与向左偏离磁极轴线相同距离t进行场冷，进入超导态后使超导体以速度v向下移动，测量导向力随悬浮间隙gap的变化曲线。结果如图8所示，当超导体向右偏离磁极时，下压过程受到向右的导向力，大小随着悬浮间隙的减小而增大；当超导体向左偏离磁极时，下压过程中受到向左的导向力，大小随着悬浮间隙的减小而增大。以上结果表明，超导体偏离磁极轴线场冷，系统下压时会产生与偏离方向同向的导向力，驱使超导体偏离磁极轴线，且对称偏置下的导向力方向相反、大小接近。于是在单磁极与多磁极永磁轨道高温超导磁浮系统中，使超导体对称偏置，可以产生方向相反、大小接近的导向力，达到相互削弱、抑制导向力变化的目的，从而使系统具有更高的导向稳定性。
但是，如图4中所示的超导体在不同偏置距离下的悬浮力曲线图，超导体偏离磁极轴线设置会降低系统的悬浮力，而且随着偏置距离的增加急剧减少，当选择合适的偏置距离(t≤3mm)时，悬浮力的大小几乎不受影响，从而实现系统导向稳定条件下，获得更高的悬浮性能。
本发明采用以上技术方案，在单磁极或多磁极永磁轨道中，使超导体沿单磁极轴线或对称分布的多磁极轴线进行对称偏置排列，可以抑制系统下压过程中的导向不稳定性，当选择合适的偏置距离时，可以抑制偏置对悬浮力衰减的影响，从而使系统兼顾导向稳定性的同时，具有更高的悬浮性能。与现有技术相比，本发明的有益效果是：克服了现有技术悬浮性能与导向性能不能同时兼顾的不足，使系统兼顾导向稳定性的同时，具有更高的悬浮性能。
显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
1.一种高磁浮性能的高温超导磁浮系统，其特征在于：其包括冷源、超导体排列和永磁轨道；超导体排列和冷源设置在永磁轨道上方，超导体排列由多个超导体组成，超导体的籽晶点面向永磁轨道，冷源连接超导体并对超导体进行冷却，永磁轨道提供应用外磁场；超导体沿永磁轨道的中心轴线对称偏置排列，且偏置距离为0~5mm。
2.根据权利要求1所述的一种高磁浮性能的高温超导磁浮系统，其特征在于：偏置距离为0mm至3mm。
3.根据权利要求1所述的一种高磁浮性能的高温超导磁浮系统，其特征在于：永磁轨道为单磁极或多磁极的永磁轨道。
4.根据权利要求3所述的一种高磁浮性能的高温超导磁浮系统，其特征在于：在单磁极永磁轨道中，超导体沿轨道运行方向在单磁极两侧交替对称外偏置排列。
5.根据权利要求3所述的一种高磁浮性能的高温超导磁浮系统，其特征在于：在多磁极永磁轨道中，至少一对超导体在横向上沿轨道中心对称分布的磁极轴线进行偏置排列，偏置排列包括对称内偏置排列或对称外偏置排列或内外对称偏置的组合排列；在奇数个多磁极永磁轨道中，轨道中心的两侧剩余超导体与中心超导体正对磁极设置；在偶数个多磁极永磁轨道中，轨道中心两侧剩余超导体正对磁极设置。
6.根据权利要求1所述的一种高磁浮性能的高温超导磁浮系统，其特征在于：在双轨道系统中，至少一对超导体在横向上沿轨道中心对称分布的磁极轴线进行偏置排列，偏置排列包括对称内偏置排列或对称外偏置排列或内外对称偏置的组合排列；剩余超导体正对磁极设置。
7.根据权利要求1所述的一种高磁浮性能的高温超导磁浮系统，其特征在于：冷源由常压液氮或低压固氮低温容器与制冷机提供，冷源通过液氮、固氮、冷头对超导体进行直接或间接冷却。
8.根据权利要求1所述的一种高磁浮性能的高温超导磁浮系统，其特征在于：超导材料为rebacuo或其它超导材料的块材、带材堆叠、线圈中一种单一组合结构或任意二种以上的组合结构，re为稀土元素。
9.根据权利要求1所述的一种高磁浮性能的高温超导磁浮系统，其特征在于：永磁轨道为永磁体、电磁体、超导线圈磁体中的一种单一磁体结构或任意二种以上的组合结构；当永磁轨道采用永磁体进行组装时，永磁轨道的横向结构按halbach阵列进行排列。
技术总结