CN101244698A - 磁悬浮电动车 - Google Patents

Abstract

一种磁悬浮电动车。在车体底板设置线圈或组合导电体及外围极性相同的车体永磁板，线圈或组合导电体及车体永磁板沿车长方向相互躲开，在它们的正下方是固定在路基上的轨道，导磁轨道座的横截面作成一个上部有开口的圈，在其内壁固结沿厚度方向充磁的轨道永磁板，永磁板离开间隙合围着线圈或组合导电体及车体永磁板，轨道永磁板与车体永磁板同极性平行相对，线圈接直流电源；车因磁斥力而悬浮和导向，车因通电线圈或通电组合导电体与轨道发生电磁作用而被推进。本发明结构简单，漏磁小，磁体利用率高，无铁损，无变化电磁场污染，造价低，易推广。

Description

磁悬浮电动车

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮车，特别是一种磁悬浮电动推进车。

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。日本和德国的磁悬浮列车技术走在前列，尤其是德国的磁悬浮列车已推广到商业运行。磁悬浮车按悬浮方式分为吸浮式和斥浮式。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。

但是以上两种磁悬浮车(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，出现了许多有关磁悬浮列车的发明或实用新型专利，可是实际造价仍较高，离实际应用还有较大差距。

为了进一步改进磁悬浮车的技术，降低成本，本人已提出了名为“永磁力车”、“永磁悬浮及磁轮推进车”、“永磁悬浮及软磁轮推进车”的发明专利申请，这三项申请中的车，都是利用永磁悬浮及导向，用磁轮驱动推进。用磁轮驱动推进，适用于车上的驱动源为机械式发动机(如汽油机、柴油机、天然气发动机、空气压缩机、飞轮储能机、核发动机等)。当驱动源为电力时，若再用电动机带动磁轮，无意中走了弯路，增加了车的造价，浪费了电能，降低了效率。现公开一种磁悬浮电动车，用电力直接驱动。

发明内容

本发明的目的是解决现有磁悬浮列车结构和技术复杂，实际造价昂贵，营运维护费用高，难应用到对现有轨道交通的改造，应用受限制等问题；克服现有的磁悬浮车漏磁大、磁能利用率低、有变化电磁场污染环境等缺陷，进一步改进技术，降低成本。

本发明以下述技术方案实现。

在非磁性车体底板1设置并垂直联接线圈架支架，支架用非磁性材料制作，在线圈架支架的左右两端的腿上各联接一个由高电阻率非磁性金属材料制作的线圈架，线圈架是空心的，线圈架的内壁与外围面同心且平行于线圈架的中心线，线圈架的长度方向沿轨道延伸方向，每个线圈架前后两个端面与路基2水平面垂直，每个线圈架的外围面与其端面垂直，两线圈架的对称中心互相平行，线圈架上绕制绝缘包皮导电线，线圈的外围面与线圈架的外围面平行且同心，支架的左右对称中心就是车体底板的左右对称中心，因而左右线圈架的中心距就是在路基上设置的两条平行轨道的中心距，左右线圈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，线圈的输入端、输出端用带绝缘包皮的导线分别接电源的正极、负极，电由在车上设置的电源或由地面直接提供，要求左右线圈垂直于轨道延伸方向横截面中电流的流转方向相反；所述的线圈架及其线圈，还可用导电体制成有缺口的环与绝缘导热材料制成的有缺口的环，沿轨道延伸方向相间组合固结而成；缺口垂直面的一部分与支架的腿固结，其余部分沿长度方向固结导电条，由以上所述的有缺口的环和导电条组成的导电体简称为组合导电体，它可使流入的电流分布均匀，且散热良好，两个导电条不接触，一个导电条用导线接电源的正极，一个导电条用导线接电源的负极，左右组合导电体中电流的流转方向要求同左右线圈；线绕线圈与由有缺口的环组成的导电体相比，前者工艺简单，而后者刚性优，散热良好；轨道的底座用导磁材料制作，左右底座是导磁联通的，在底座与线圈相对应的平行面上固结沿厚度方向充磁的永磁板，而且左轨道上的永磁板与左线圈相对应的面的极性均相同，右轨道上的永磁板与右线圈相对应面的极性均相同，但与左边的极性相反，线圈的外围面离开永磁板组成的永磁体圈的内壁面一间隙；在车体底板1沿轨道延伸方向，躲开线圈架支架及线圈或组合导电体及支架，设置平行于轨道永磁体的车体永磁体，车体永磁体沿厚度方向充磁，且与轨道永磁体同极性相对，车体永磁体的长度方向与轨道的延伸方向一致，长度小于车长，车体永磁体固定在导磁架上，导磁架与车底板1垂直联接，车体永磁体、导磁架组成车体永磁体构件，车体永磁体构件的对称中心与轨道的对称中心重合，车体永磁体离开轨道永磁体一间隙。

所述的线圈架支架及其线圈或组合导电体及其支架的数量、车体永磁体构件的数量根据实际情况可增减，它们在车体底板沿轨道的延伸方向的位置根据实际情况可灵活变更。

车体永磁体与轨道永磁体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，所以悬浮、导向是自稳定且自适应的。

车的推进原理：电磁学揭露，磁场中的通电导体受到作用力，作用力的大小由关系式F＝BIL计算，其中B表示磁感应强度，I表示导体中的电流强度，L表示与磁场的磁力线垂直的导电体在磁场中的总长度尺寸，对线绕线圈，L等于线圈匝数与每圈平均周长之积，对于组合导电体，L等于所述有缺口的导电环的周向长度；作用力的方向依左手定则判定，即伸开左手，使大拇指与其余四指在同一手掌平面内垂直，让手心正对磁场的N极，四指指向与导电体中的电流方向一致，这时大拇指就指示出导体的受力方向。在本发明中，如图2示，若给左线圈通入的直流电是顺时针方向的，同时，给右线圈通入的同样大小的直流电是逆时针方向的，用左手定则容易判定出，两个线圈的每边受到的作用力方向都离开观看者而去，即垂直指向纸里，所以车按此方向推进，同时改变两个线圈(或两个组合导电体)中的电流方向，车的运动方向就改变。本发明的轨道及车，一旦造就，B、L就为相对的定值，显然，只改变I的大小就可使车随着I的变化加速或减速，而改变I的大小是容易实现的技术。

当车运行时，由于线圈或组合导电体与轨道永磁体之间的电磁感应，在线圈或组合导电体中会产生较稳定的感生电流，其方向与从电源输入的电流方向相反，强度比输入的电流强度小，被电源电流所抑制，因而实际上线圈或组合导电体中无感生电流。当车运行时切断电源，车惯性运动，线圈中的感生电流的磁场与轨道永磁场相互作用，将阻碍车的运动，因而只要减小线圈或组合导电体中的电流强度，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，所以线圈或组合导电体能辅助刹车。由此，可将电源设计制作成具有双向可调功能的——既能给线圈或组合导电体供电，又能从线圈或组合导电体中回收刹车减速过程中的感应电能。

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，配置电源，设计线圈或组合导电体，设计轨道，就能实现车稳定地悬浮、导向及推进，所述车的运行是自稳定且自适应的。

随着科学技术的进步，临界温度越来越高的廉价超导材料将被研制出来，且更优良的廉价制冷设备将被发明，超导体的应用费用会不断降低。那么，所述磁悬浮电动车的线圈或组合导电体可用超导体来作，若给超导线圈或组合超导电体注入电流后断开供电电源，电流将在超导线圈或组合超导电体中无限循环，所以消耗能源极小。当然，要将超导线圈或组合超导电体放入封闭的低温环境中，且要控制超导线圈或组合超导电体中电流的通断及电流的大小、方向，此控制技术和低温技术现已有较成熟的，本发明不涉及。

随着技术的进步，若电磁铁的成本下降很多，车体永磁体和轨道永磁体可用电磁铁来代替，但要注意，电磁铁消耗电能，且会产生有害的热量，要考虑解决之。

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相比，本发明有以下优点：

1、推进装置为创新的直线电机，结构极简单，效率高，而且不产生变化电磁场，不污染环境；

2、涡流损耗和磁滞损耗，即铁损，只发生在车启停过程或调速过程中，车匀速行使时，处在恒定磁场中的线圈或组合导电体中通的是恒稳直流电，也无感生电流，所以无铁损，生热少，节能，效率高；

3、左右轨道的永磁体圈外围面的极性相反，并通过轨道导磁体联通，而且轨道仅在上方有一个缺口，且如图4中虚线所示，车体永磁体与其所在位置的轨道永磁体构成基本上闭合的磁路，所以漏磁小；

4、所述线圈或组合导电体被其所在位置的轨道永磁体基本包围，所以线圈或组合导电体和永磁体的利用率极高；

5、本发明的车受到的悬浮及导向力是斥力型的，因而车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；

6、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(例如申请号为03114974.x的专利公开的技术)节省了大量永磁体和配套材料；

7、适用于将现有的轨道线路改造成为磁悬浮线路；

8、便于维护，且维护量小；

9、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为本发明垂直于车长方向观视的系统结构示意图。

图2为图1的A1-A1剖视图；

图3为图2的C-C剖视图；

图4为图1的B1-B1剖面图；

图5为图1的A2-A2剖视图；

图6为图5的D-D剖视图；

图7为图1的B2-B2剖面图；

图8为图1的A3-A3剖视图；

图9为图8的E-E剖视图；

图10为图8中组合导电体19的主视图；

图11为图10的F-F剖视图

图12为图1的A4-A4剖视图；

图13为图12的G-G剖视图；

图14为图12中组合导电体20的主视图；

图15为图14的H-H剖视图；

图16为具体实施方式五的示意图。

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4所示。在非磁性车体底板1上固定联接线圈架9的非磁性支架6，线圈架9的横截面作成矩形筒状，矩形筒的内壁与外围面同心且平行于筒的中心线，线圈架9的两端与线圈架支架6固接，在线圈架9的外围面上绕制绝缘包皮导线，绕成的线圈8横截面的轮廓为矩形状，线圈8的外围面与线圈架9的外围面平行且同心；线圈8的输入端、输出端用带绝缘包皮的导线4、5分别接电源3的正极、负极，导线4、5放置在线圈架支架6的槽内，并要求左右线圈垂直于轨道延伸方向截面中电流的流转方向相反；在导磁座7-1上固结沿厚度方向充磁的永磁板7-2以构成轨道7构件，而且左轨道上的永磁板7-2与左线圈8平行相对应的面的极性均相同，右轨道上的永磁板7-2与右线圈8平行相对应面的极性均相同，但与左边的极性相反，永磁板7-2由四块永磁板拼接而成，或者用整体永磁圈沿厚度方向多极充磁而成；永磁板7-2的内面离开线圈8的外围面一间隙；车体永磁体10沿厚度方向充磁，且与轨道永磁体7-2同极性平行离开一间隙相对，车体永磁体10由四块永磁板拼接而成，或者用整体永磁圈沿厚度方向多极充磁而成；车体永磁体固定在导磁架11上，导磁架11与车底板1垂直联接，车体永磁体10、导磁架11组成车体永磁体构件。

车体永磁体10与轨道永磁体7-2同极性平行相对，因此车被悬浮和导向；给左右线圈8同时通一同样大小但流转方向相反的直流电，就发生电磁作用，则车被推进。

具体实施方式二：如图1、图5至图7所示。将轨道座的内壁、轨道永磁体、车体永磁体的横截面均作成圆形上方有一缺口的，而线圈架、线圈、车体导磁架与车体永磁体相配合部分的横截面均作成圆形，即轨道座为12-1、轨道永磁体为12-2、线圈架为14、线圈为15、车体永磁体为17，其制作方法及要求与具体实施方式一中的相同，其它也同具体实施方式一，轨道构件为12，线圈架支架为非磁性支架13，车体导磁架为16。

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1，图8至图11所示。保留具体实施方式一中的车体底板1、轨道构件7、车体永磁体10、车体导磁架11不变，将具体实施方式一中的线圈8及线圈架9，换成横截面为有缺口的矩形导电环19-1及有缺口的矩形绝缘导热环19-2，导电环19-1与绝缘导热环19-2沿轨道延伸方向相间组合固结成一体，在缺口垂直面的下面一部分沿长度方向固结导电条19-3，导电环19-1、绝缘导热环19-2、导电条19-3构成组合导电体19；将具体实施方式一中的线圈架支架6换为非磁性支架18，组合导电体19缺口垂直面的上部与支架18的腿联结，支架18与车体底板1的联接方法及要求、左右组合导电体19与电源3的连接方法及要求均按具体实施方式一中相应件联接方法和要求。

车的悬浮、导向、推进原理与具体实施方式一所述的相同。

具体实施方式四：如图1、图12至图15所示。保留具体实施方式二中的车体底板1、轨道构件12、车体永磁体17、车体导磁架16不变，将具体实施方式二中的线圈15及线圈架14，换成横截面为有缺口的导电环20-1及有缺口的绝缘导热环20-2，导电环20-1与绝缘导热环20-2沿轨道延伸方向相间组合固结成一体，在缺口垂直面的下面一部分沿长度方向固结导电条20-3，导电环20-1、绝缘导热环20-2、导电条20-3构成组合导电体20；将具体实施方式二中的线圈架支架13换为非磁性支架21，组合导电体20缺口垂直面的上部与支架21的腿固结，支架21与车体底板1的联接方法及要求、左右组合导电体20与电源3的连接方法及要求均按具体实施方式二中相应件联接方法和要求。

车的悬浮、导向、推进原理与具体实施方式一所述的相同。

具体实施方式五：所述磁悬浮电动车的线圈或组合导电体和连接导线均用超导材料来作。仅举一例，如图16示，将图8中的组合导电体19的支架18改制成非磁性且保温的支架22，将图8中的组合导电体19中的导电环19-1改成超导材料，从而制成组合超导电体24，在组合超导电体24周围离开一间隙制作保温封闭套筒23，套筒23上部与支架22联结，支架22上的密闭过线槽和组合超导电体24的内腔及套筒23与组合超导电体24的空腔相连通，组合超导体24的输入输出端分别用带绝缘包皮的超导线25、28连接后从车体底板1穿孔引到制冷室26，制冷室26的壳与车体底板1密封焊接，制冷室26内部通过车体底板1的超导线25、28的过孔与支架22上的过线槽相通，27为液氦或液氮或其它低温媒介，低温媒介与制冷设备(图中省略)连接。至于超导线25、28如何与外界电源通断，如何使组合超导体24与外界电源断开后形成循环电流，用已有较成熟的技术，不赘述。

Claims (8)

1. 一种磁悬浮电动车，其特征是：在非磁性车体底板(1)设置并垂直联接线圈架支架，支架用非磁性材料制作，在线圈架支架的左右两端的腿上各联接一个由高电阻率非磁性金属材料制作的线圈架，线圈架是空心的，线圈架的内壁与外围面同心且平行于线圈架的中心线，线圈架的长度方向沿轨道延伸方向，每个线圈架前后两个端面与路基(2)水平面垂直，每个线圈架的外围面与其端面垂直，两线圈架的对称中心互相平行，线圈架上绕制绝缘包皮导电线，线圈的外围面与线圈架的外围面平行且同心，支架的左右对称中心就是车体底板的左右对称中心，因而左右线圈架的中心距就是在路基上设置的两条平行轨道的中心距，左右线圈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，线圈的输入端、输出端用带绝缘包皮的导线分别接电源的正极、负极，电由在车上设置的电源或由地面直接提供，要求左右线圈垂直于轨道延伸方向横截面中电流的流转方向相反；所述的线圈架及其线圈，还可用导电体制成有缺口的环与绝缘导热材料制成的有缺口的环，沿轨道延伸方向相间组合固结而成；缺口垂直面的一部分与支架的腿固结，其余部分沿长度方向固结导电条，由以上所述的有缺口的环和导电条组成的导电体简称为组合导电体，它可使流入的电流分布均匀，且散热良好，两个导电条不接触，一个导电条用导线接电源的正极，一个导电条用导线接电源的负极，左右组合导电体中电流的流转方向要求同左右线圈；线绕线圈与由有缺口的环组成的导电体相比，前者工艺简单，而后者刚性优，散热良好；轨道的底座用导磁材料制作，左右底座是导磁联通的，在底座与线圈相对应的平行面上固结沿厚度方向充磁的永磁板，而且左轨道上的永磁板与左线圈相对应的面的极性均相同，右轨道上的永磁板与右线圈相对应面的极性均相同，但与左边的极性相反，线圈的外围面离开永磁板组成的永磁体圈的内壁面一间隙；在车体底板(1)沿轨道延伸方向，躲开线圈架支架及线圈或组合导电体及支架，设置平行于轨道永磁体的车体永磁体，车体永磁体沿厚度方向充磁，且与轨道永磁体同极性相对，车体永磁体的长度方向与轨道的延伸方向一致，长度小于车长，车体永磁体固定在导磁架上，导磁架与车底板(1)垂直联接，车体永磁体、导磁架组成车体永磁体构件，车体永磁体构件的对称中心与轨道的对称中心重合，车体永磁体离开轨道永磁体一间隙；所述的线圈架支架及其线圈或组合导电体及其支架的数量、车体永磁体构件的数量根据实际情况可增减，它们在车体底板沿轨道的延伸方向的位置根据实际情况可灵活变更。

2. 根据权利要求1所述的磁悬浮电动车，其特征是：在非磁性车体底板(1)上固定联接线圈架(9)的非磁性支架(6)，线圈架(9)的横截面作成矩形筒状，矩形筒的内壁与外围面同心且平行于筒的中心线，线圈架(9)的两端与线圈架支架(6)固接，在线圈架(9)的外围面上绕制绝缘包皮导线，绕成的线圈(8)横截面的轮廓为矩形状，线圈(8)的外围面与线圈架(9)的外围面平行且同心；线圈(8)的输入端、输出端用带绝缘包皮的导线(4)、(5)分别接电源(3)的正极、负极，导线(4)、(5)放置在线圈架支架(6)的槽内，并要求左右线圈垂直于轨道延伸方向截面中电流的流转方向相反；在导磁座(7-1)上固结沿厚度方向充磁的永磁板(7-2)以构成轨道(7)构件，而且左轨道上的永磁板(7-2)与左线圈(8)平行相对应的面的极性均相同，右轨道上的永磁板7-2与右线圈(8)平行相对应面的极性均相同，但与左边的极性相反，永磁板(7-2)由四块永磁板拼接而成，或者用整体永磁圈沿厚度方向多极充磁而成；永磁板(7-2)的内面离开线圈(8)的外围面一间隙；车体永磁体(10)沿厚度方向充磁，且与轨道永磁体(7-2)同极性平行离开一间隙相对，车体永磁体(10)由四块永磁板拼接而成，或者用整体永磁圈沿厚度方向多极充磁而成；车体永磁体固定在导磁架(11)上，导磁架(11)与车底板(1)垂直联接，车体永磁体(10)、导磁架(11)组成车体永磁体构件。

3. 根据权利要求1或2所述的磁悬浮电动车，其特征是：将轨道座的内壁、轨道永磁体、车体永磁体的横截面均作成圆形上方有一缺口的，而线圈架、线圈、车体导磁架与车体永磁体相配合部分的横截面均作成圆形，即轨道座为(12-1)、轨道永磁体为(12-2)、线圈架为(14)、线圈为(15)、车体永磁体为(17)，其制作方法及要求与权利要求2中所述的相同，其它也同权利要求2中所述，轨道构件为(12)，线圈架支架为非磁性支架(13)，车体导磁架为(16)。

4. 根据权利要求1或2所述的磁悬浮电动车，其特征是：保留或权利要求2中所述的车体底板(1)、轨道构件(7)、车体永磁体(10)、车体导磁架(11)不变，将权利要求2中所述的线圈(8)及线圈架(9)，换成横截面为有缺口的矩形导电环(19-1)及有缺口的矩形绝缘导热环(19-2)，导电环(19-1)与绝缘导热环(19-2)沿轨道延伸方向相间组合固结成一体，在缺口垂直面的下面一部分沿长度方向固结导电条(19-3)，导电环(19-1)、绝缘导热环(19-2)、导电条(19-3)构成组合导电体(19)；将权利要求2中所述的线圈架支架(6)换为非磁性支架(18)，组合导电体(19)缺口垂直面的上部与支架(18)的腿联结，支架(18)与车体底板(1)的联接方法及要求、左右组合导电体(19)与电源(3)的连接方法及要求均按权利要求2中所述的相应件联接方法和要求。

5. 根据权利要求1或3所述的磁悬浮电动车，其特征是：保留权利要求3中所述车体底板(1)、轨道构件(12)、车体永磁体(17)、车体导磁架(16)不变，将权利要求3中所述的线圈(15)及线圈架(14)，换成横截面为有缺口的导电环(20-1)及有缺口的绝缘导热环(20-2)，导电环(20-1)与绝缘导热环(20-2)沿轨道延伸方向相间组合固结成一体，在缺口垂直面的下面一部分沿长度方向固结导电条(20-3)，导电环(20-1)、绝缘导热环(20-2)、导电条(20-3)构成组合导电体(20)；将权利要求3中所述的线圈架支架(13)换为非磁性支架(21)，组合导电体(20)缺口垂直面的上部与支架(21)的腿固结，支架(21)与车体底板(1)的联接方法及要求、左右组合导电体(20)与电源(3)的连接方法及要求均按权利要求3中所述相应件联接方法和要求。

6. 根据权利要求1-5中任一项所述的磁悬浮电动车，其特征是：所述磁悬浮电动车的线圈或组合导电体和连接导线均用超导材料来作；仅举一例，将组合导电体(19)的支架(18)改制成非磁性且保温的支架(22)，将组合导电体(19)中的导电环(19-1)改成超导材料，从而制成组合超导电体(24)，在组合超导电体(24)周围离开一间隙制作保温封闭套筒(23)，套筒(23)上部与支架(22)联结，支架(22)上的密闭过线槽和组合超导电体(24)的内腔及套筒(23)与组合超导电体(24)的空腔相连通，组合超导体(24)的输入输出端分别用带绝缘包皮的超导线(25)、(28)连接后从车体底板(1)穿孔引到制冷室(26)，制冷室(26)的壳与车体底板(1)密封焊接，制冷室(26)内部通过车体底板(1)的超导线(25)、(28)的过孔与支架(22)上的过线槽相通，(27)为液氦或液氮或其它低温媒介，低温媒介与制冷设备连接；至于超导线(25)、(28)如何与外界电源通断，如何使组合超导体(24)与外界电源断开后形成循环电流，用已有较成熟的技术。

7. 根据权利要求1-6中任一项所述的磁悬浮电动车，其特征是：车体永磁体及轨道永磁体可用电磁铁替代。

8. 根据权利要求1-7中任一项所述的磁悬浮电动车，其特征是：其悬浮、导向、推进装置用于其它运动系统。

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