CN101209677A - 永磁悬浮及软磁轮推进车 - Google Patents

Abstract

一种永磁悬浮及软磁轮推进车，在车体底板对称中心上设置驱动源，在其伸出的轴上左右对称地固定软磁轮；在每个软磁轮的正下方是固定在路基上的轨道，轨道上固接永磁板；在车体底部沿轨道延伸方向躲开软磁轮，离开轨道一间隙设置与轨道永磁板同极性平行相对的车上永磁板；软磁轮的一部分、车体永磁板均插入到轨道的槽内，但离开槽壁一间隙不与槽接触，或者软磁轮、车上水磁板均隔一间隙骑在轨道上方；车因磁斥力悬浮和导向，驱动源驱动软磁轮旋转，与轨道发生磁力作用而推进车。

Description

永磁悬浮及软磁轮推进车

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮车，特别是一种永磁悬浮、导向及软磁轮推进车。

背景技术

磁悬浮车具有非接触、振动小、噪音小、安全、快速、能耗小、效率高等优异性能。磁悬浮车按悬浮方式分为吸浮式和斥浮式。德国和日本的磁悬浮技术较先进，德国采取常导吸浮式，而日本采取超导斥浮式。所谓常导吸浮式即用设置于列车上的电磁铁吸引路基下面设置的磁性轨道，使列车悬浮和导向，用同步或异步直线电机推进。中国上海从龙阳路到国际机场磁悬浮列车线就是采用德国的常导吸浮式技术。所谓超导斥浮式即在列车高速行驶时，利用超导强磁体与轨道线圈产生的电磁感应斥力使列车悬浮和导向，用同步直线电机推进。

以上两种磁悬浮车(包括车体、轨道、供电线路、控制系统等)悬浮、导向及推进系统技术复杂，造价极昂贵。为了改进技术，降低建造成本，出现了有关磁悬浮列车的发明或实用新型专利，但大部分存在变化磁场污染问题，而且实际造价仍高，应用受限制。

发明内容

本发明的目的是为了进一步改进技术，降低建造成本，特别是大幅度降低变化磁场污染。本发明能方便应用于对现有轨道交通的改造，应用广泛。

本发明通过下述技术方案实现。

在车体底板对称中心上设置驱动源1，在其左右伸出的轴2上对称地固定软磁轮，软磁轮用软磁材料制作，软磁轮作成齿轮状，左右软磁轮的中心距就是在路基6上设置的两条平行轨道的中心距，左右软磁轮在水平方向上的对称中心及在垂直方向上的对称中心与两条平行轨道的一致，轨道用导磁材料作底座，在底座与软磁轮相对应的面上固结沿厚度方向充磁的永磁板；在车体底部沿轨道延伸方向，躲开软磁轮，设置平行于轨道永磁板的车上永磁板，车上永磁板沿厚度方向充磁，且与轨道永磁板同极性相对，车上永磁板的长度方向与轨道的延伸方向一致，长度小于车长，车上永磁板固定在导磁体上，导磁体通过非磁性垫板与车底板联接，车上永磁板、导磁体、非磁性垫板组成车上永磁板构件，车上永磁板构件的对称中心与轨道的对称中心重合；软磁轮、车上永磁板构件均插入到轨道的槽内，但离开槽壁一间隙不与槽接触，或者隔一间隙骑在轨道上方。

由于车上永磁板与轨道永磁板因同极性相对而产生相互排斥力，因而车被悬浮、被导向，而且由于所产的悬浮力、导向力都是斥力型，所以悬浮、导向是自稳定且自适应的。

根据磁力线总是力图走磁阻最小的路径的特性知，轨道永磁板对软磁轮吸引的磁力线，绝大部分集中在软磁轮的齿上，当软磁轮被驱动旋转时，永磁板对软磁轮齿逆着软磁轮旋转的切向速度方向的吸引力与驱动软磁轮转动的力的合力矩，对驱动源的轴心产生水平推进力，从而车被推进。以图1中的轨道4的永磁板4-2的水平永磁板与软磁轮3的外圆的相互作用为例来说明。如图4、图5示，图中垂线阴影为软磁轮3受轨道4的永磁板4-2的吸引时的大部分磁力线的示意，软磁轮3离4-2的水平永磁板较远的齿，受到的磁引力相对小得多，可不考虑。假设软磁轮3被驱动反时针旋转，在a图所示位置，磁系统静磁能最低，在垂直中心线的左右两侧，软磁轮3受轨道4的永磁板4-2的吸引合力沿软磁轮3的切向分力之和(记作F)为零，软磁轮3空转，对轴2不产生水平分力；软磁轮3从a图所示位置转到b图所示位置，此过程中，磁系统静磁能从最低逐渐达到最高，在垂直中心线的右侧，软磁轮3受轨道4的永磁板4-2的吸引合力沿软磁轮3的向左的切向分力值，大于在垂直中心线的左侧的向右的切向分力值，F值从零开始增加，其方向逆着软磁轮3的旋转的切线方向，此过程中的F跟车轮受到的路面摩擦力一样，F对软磁轮3的作用转矩抵抗驱动源对软磁轮3的驱动转矩，结果对轴2的轴心产生了向左的水平分力，驱动源对软磁轮3作功，车被向左推进；软磁轮3从b图所示位置运动到c图所示位置，此过程中，磁系统静磁能从最高逐渐达到最低，F值连续减小，方向不变，车被继续向左推进，软磁轮3运动到c图所示位置，F等于零；软磁轮3从c图所示位置运动到d图所示位置，此过程中，磁系统静磁能从最低逐渐达到最高，F值从零开始增加，但方向顺着软磁轮3的旋转的切线方向，驱动源和F力共同给软磁轮3储能，轴2的轴心上无水平力，车依惯性向左运动；软磁轮3从d图所示位置运动到e图所示位置，此过程中，磁系统静磁能从最高逐渐达到最低，F值连续减小，方向仍然顺着软磁轮3的旋转的切线方向，车仍然依惯性向左运动。软磁轮3从a图所示位置运动到e图所示位置，相对于软磁轮3的垂直中心，转过了一个齿，即图中的K齿转到J齿原来的位置，且软磁轮3的中心(即轴2的轴心)从a图所示位置平移到e图所示位置。软磁轮3被连续驱动，以上过程循环，车被驱行进。图4中水平箭头所指为磁轮水平移动方向，也即车的运动方向。轨道4的永磁板4-2的垂直(侧)永磁板与软磁轮3的侧(端)面的作用过程及对车产生的推进原理与上述的相同。

软磁轮被轨道上永磁体吸引，车上永磁体被轨道上永磁体排斥，垂直向下的吸引力、垂直向上的排斥力、及车全重(含载重)的关系为：排斥力值＝吸引力值+车全重(含载重)。

由以上所述原理，根据车的全重(含载重)和车速要求，同时考虑到导向力要求，配置驱动源，设计软磁轮大小及数量，设计软磁轮的齿数，设计轨道，就能实现车辆稳定地悬浮、导向和车的推进。

由于轨道永磁板对软磁轮的吸引力，当车运行时，只要降低软磁轮的转速，不但减少了动力，实现自然减速，而且同时产生制动力，实现刹车减速，当软磁轮停止转动时，就获得最大制动力。

本发明的悬浮、导向、推进装置，能用于其它运动系统。

与现有的磁悬浮列车技术或已公开的有关专利相比，本发明有以下优点：

1、车的悬浮、导向、推进都利用轨道上的永磁板，比既要设置悬浮和导向用的永磁轨道，又要设置推进用的永磁轨道的其它全永磁悬浮及永磁推进车(如申请号为03114974.x的专利公开的技术)节省了大量永磁体和配套材料，所以系统结构更简单，建造费用极低；

2、磁轮旋转时和直线电机工作时，在其周围空间产生交变磁场，对环境造成变化磁场污染，必须进行屏蔽，这是磁轮和直线电机的一个缺点，而软磁轮无此缺点，且结构比磁轮或直线电机简单得多，造价极低；

3、靠电磁铁间磁斥力实现悬浮要耗电能，靠永磁铁与感应体相互运动发生的电磁感应产生悬浮，也耗能，而用永磁体悬浮无能耗；

4、本发明的车总是悬浮着，有三个益处：(1)不需要支撑车轮及与支撑轮配套的支撑轨道，减轻了车的重量、体积，节省了建造费用；(2)有支撑轮的车启动过程、低速行驶、停止过程支撑车轮的旋转的摩擦以及它与支撑轨道的摩擦，都损耗能量，而本发明无这摩擦损耗能量；(3)车启动过程、低速行驶、停止过程不存在支撑车轮旋转产生的振动及它与支撑轨道撞击产生的振动、噪音；

5、本发明悬浮及导向力强，悬浮高度大，对轨道建造精度要求低，工艺简单；

6、本发明的车行驶时，受到的悬浮及导向力是斥力型的，因而是自稳定和自适应的，推进平稳，不需要复杂昂贵的控制系统；

7、本发明通过控制软磁轮的转速控制车速，尤其是通过降低软磁轮的转速使车通过减少动力减速的同时产生了制动力，能辅助刹车；

8、本发明特别适用于将现有的轨道线路改造成为磁悬浮线路；

9、本发明便于维护，且维护量少；

10、本发明由于以上所述的优点，因而，车和轨道实际建造费用低，长期的运行成本小，效益显著。

附图说明

图1为具体实施方式一的结构示意图；

图2为图1中软磁轮3的结构示意图；

图3为图2的左视图；

图4为具体实施方式一中软磁轮3与轨道4的永磁板4-2的底板作用推进原理说明示意图；

图5为图4中磁系统能量变化图；

图6为车上永磁板构件安装位置示意图；

图7为具体实施方式一中车上永磁板构件8与轨道4在图6中C1-C1剖面图；

图8为具体实施方式二的结构示意图；

图9为图8中软磁轮9的结构示意图；

图10为图9的A-A剖视图；

图11为具体实施方式二中车上永磁板构件11与轨道10在图6中C2-C2剖面图；

图12为具体实施方式三的结构示意图；

图13为图12中软磁轮12的结构示意图；

图14为图13的左视图；

图15为具体实施方式三中车上永磁板构件14与轨道13在图6中C3-C3剖面图；

图16为具体实施方式四的结构示意图；

图17为图16中软磁轮15的结构示意图；

图18为图17的B-B剖视图；

图19为具体实施方式四中车上永磁板构件17与轨道16在图6中C4-C4剖面图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式进一步说明。

具体实施方式一：如图1至图7所示。

软磁轮3用软磁材料制成齿轮状；轨道4的底座4-1的横截面做成“凹”槽状，用导磁材料制作，在“凹”槽内固结永磁板4-2，“凹”槽底面的永磁板沿垂直方向充磁，“凹”槽侧面的永磁板沿水平方向充磁，轨道4固定在路基6上；车上永磁板构件8由导磁樑8-1、永磁板8-2、永磁板8-3、非磁性垫板8-4联接组成，车上永磁板构件8的永磁板8-2、8-3与轨道4的永磁板4-2同极性平行相对，永磁板构件8通过其非磁性垫板8-4与车体底板5联接；软磁轮3的一部分、车上永磁板构件8均插入到轨道4的“凹”槽内，但留有间隙，不与“凹”槽壁及槽底接触。1为驱动源，2为驱动源的轴，7为车体示意。

车因车上永磁板构件8的永磁板8-2、8-3与轨道4的永磁板4-2同极性平行相对而被悬浮和导向。

车因被驱动的软磁轮3与轨道4的永磁板4-2的相互作用被推进。

具体实施方式二：如图8至图11所示。

将轨道10的底座10-1的截面作成矩形，在其上面、左面、右面固结沿厚度方向充磁的永磁板10-2；软磁轮9作成双齿轮状；车上永磁板构件11由导磁架11-1、永磁板11-2、永磁板11-3、非磁性连接件11-4、非磁性垫板11-5联接组成，永磁板11-2、永磁板11-3均沿厚度方向充磁且与永磁板10-2同极性平行相对，永磁板构件11通过其非磁性垫板11-5与车体底板5联接；软磁轮9、车上永磁板构件11均离开一间隙骑在轨道11的上方。

车的悬浮、导向、推进原理与具体实施方式一所述的相同。

具体实施方式三：如图12至图15所示。

轨道13的导磁轨道座13-1作成上方正中有V型槽，在V型槽固结沿厚度方向充磁的永磁板13-2；软磁轮12作成铁饼齿轮状；车上永磁板构件14由导磁体14-1、永磁板14-2、非磁性垫板14-3联接组成，永磁板14-2沿厚度方向充磁且与永磁板13-2同极性平行相对，永磁板构件14通过其非磁性垫板14-3与车体底板5联接；软磁轮12、车上永磁板构件14均插入到轨道13的V型槽内，但留有间隙，不与V型槽壁接触。

如图15所示，车上永磁板构件14受到轨道13永磁板13-2两个斜向上的磁斥力，每一个磁斥力均能分解为垂直向上的浮力和沿水平方向的导向力，从而实现车的悬浮与导向。

车的推进原理与具体实施方式一所述的相同。

具体实施方式四：如图16至图19所示。

轨道轨道16的导磁轨道座16-1的截面作成等腰三角形，在其两腰表面固结沿厚度方向充磁的永磁板16-2；软磁轮15作成齿顶圆有V型环沟的齿轮状；车上永磁板构件17由导磁架17-1、永磁板17-2、非磁性垫板17-3联接组成，永磁板17-2沿厚度方向充磁且与永磁板16-2同极性平行相对，永磁板构件17通过其非磁性垫板17-3与车体底板5联接；软磁轮15、车上永磁板构件17均离开一间隙骑在轨道16的上方。

如图19所示，车上永磁板构件17受到轨道16永磁板16-2两个斜向上的磁斥力，每一个磁斥力均能分解为垂直向上的浮力和沿水平方向的导向力，从而实现车的悬浮与导向。

车的悬浮、导向、推进原理与具体实施方式三所述的相同。

Claims (6)

1.一种永磁悬浮及软磁轮推进车，其特征是：在车体底板对称中心上设置驱动源(1)，在其左右伸出的轴(2)上对称地固定软磁轮，软磁轮用软磁材料制作，软磁轮作成齿轮状，左右软磁轮的中心距就是在路基(6)上设置的两条平行轨道的中心距，左右软磁轮在水平方向上的对称中心及在垂直方向上的对称中心与两条平行轨道的一致，轨道用导磁材料作底座，在底座与软磁轮相对应的面上固结沿厚度方向充磁的永磁板；在车体底部沿轨道延伸方向，躲开软磁轮，设置平行于轨道永磁板的车上永磁板，车上永磁板沿厚度方向充磁，且与轨道永磁板同极性相对，车上永磁板的长度方向与轨道的延伸方向一致，长度小于车长，车上永磁板固定在导磁体上，导磁体通过非磁性垫板与车底板联接，车上永磁板、导磁体、非磁性垫板组成车上永磁板构件，车上永磁板构件的对称中心与轨道的对称中心重合；软磁轮、车上永磁板构件均插入到轨道的槽内，但离开槽壁一间隙不与槽接触，或者隔一间隙骑在轨道上方。

2.根据权利要求1所述的永磁悬浮及软磁轮推进车，其特征是：软磁轮(3)用软磁材料制成齿轮状；轨道(4)的底座(4-1)的横截面做成“凹”槽状，用导磁材料制作，在“凹”槽内固结永磁板(4-2)，“凹”槽底面的永磁板沿垂直方向充磁，“凹”槽侧面的永磁板沿水平方向充磁，轨道(4)固定在路基(6)上；车上永磁板构件(8)由导磁樑(8-1)、永磁板(8-2)、永磁板(8-3)、非磁性垫板(8-4)联接组成，车上永磁板构件(8)的永磁板(8-2)、(8-3)与轨道(4)的永磁板(4-2)同极性平行相对，永磁板构件(8)通过其非磁性垫板(8-4)与车体底板(5)联接；软磁轮(3)的一部分、车上永磁板构件(8)均插入到轨道(4)的“凹”槽内，但留有间隙，不与“凹”槽壁及槽底接触，(7)为车体示意。

3.根据权利要求1所述的永磁悬浮及软磁轮推进车，其特征是：将轨道(10)的底座(10-1)的截面作成矩形，在其上面、左面、右面固结沿厚度方向充磁的永磁板(10-2)；软磁轮(9)作成双齿轮状；车上永磁板构件(11)由导磁架(11-1)、永磁板(11-2)、永磁极(11-3)、非磁性连接件(11-4)、非磁性垫板(11-5)联接组成，永磁板(11-2)、永磁板(11-3)均沿厚度方向充磁且与永磁板(10-2)同极性平行相对，永磁板构件(11)通过其非磁性垫板(11-5)与车体底板(5)联接；软磁轮(9)、车上永磁板构件(11)均离开一间隙骑在轨道(11)的上方。

4.根据权利要求1所述的永磁悬浮及软磁轮推进车，其特征是：轨道(13)的导磁轨道座(13-1)作成上方正中有V型槽，在V型槽固结沿厚度方向充磁的永磁板(13-2)；软磁轮(12)作成铁饼齿轮状；车上永磁板构件(14)由导磁体(14-1)、永磁板(14-2)、非磁性垫板(14-3)联接组成，永磁板(14-2)沿厚度方向充磁且与永磁板(13-2)同极性平行相对，永磁板构件(14)通过其非磁性垫板(14-3)与车体底板(5)联接；软磁轮(12)、车上永磁板构件(14)均插入到轨道(13)的V型槽内，但留有间隙，不与V型槽壁接触。

5.根据权利要求1所述的永磁悬浮及软磁轮推进车，其特征是：轨道轨道(16)的导磁轨道座(16-1)的截面作成等腰三角形，在其两腰表面固结沿厚度方向充磁的永磁板(16-2)；软磁轮(15)作成齿顶圆有V型环沟的齿轮状；车上永磁板构件(17)由导磁架(17-1)、永磁板(17-2)、非磁性垫板(17-3)联接组成，永磁板(14-2)沿厚度方向充磁且与永磁板(13-2)同极性平行相对永磁板构件(17)通过其非磁性垫板(17-3)与车体底板(5)联接；软磁轮(15)、车上永磁板构件(17)均离开一间隙骑在轨道(16)的上方。

6.根据权利要求1-6中任一要求所述的永磁悬浮及软磁轮推进车，其悬浮、导向、推进装置用于其它运动系统。

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