CN101263645A - 磁悬浮运输系统 - Google Patents

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CN101263645A CNA2006800307117A CN200680030711A CN101263645A CN 101263645 A CN101263645 A CN 101263645A CN A2006800307117 A CNA2006800307117 A CN A2006800307117A CN 200680030711 A CN200680030711 A CN 200680030711A CN 101263645 A CN101263645 A CN 101263645A
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    • HELECTRICITY
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    • H02K7/08Structural association with bearings
    • H02K7/09Structural association with bearings with magnetic bearings

Abstract

本发明是一种磁悬浮运输系统,其中悬挂的车辆以固定方式安装到本发明中直线马达系统的平移部分,用于装载乘客和货物,具有为车辆提供悬浮定位、推进和刹车的功能。平移部分以能够移动的方式与直线长铁磁芯子啮合,其中的直线铁磁芯子固定在地面上安装的铁路支撑上。很清楚还有其它方式来支撑和悬挂车辆。电磁铁位于直流直线电动机-发电机的固定直线铁磁芯子的相对侧。在一个典型应用中,这些电磁铁一开始是电气并联的,随后切换成电气串联的,下面将对此进行详细介绍。在并联和串联之间进行切换的这种能力能够获得某些好处。

Description

磁悬浮运输系统相关申请本申请要求2005年8月22日递交的,标题为"Magnetically Levitated Transport System"的第11209916号美国专利申请的国际优 先权。技术领域笼统地说,本发明涉及电动机一发电机。具体而言,本发明涉及 通过电感应工作的直流直线电磁机器。背景技术下文说明这里描述和希望获得专利权的装置所在领域的当前状态。Tu等等的US 2004/0135452公开了一种平面旋转发电机,它包括 用于切割磁力线感应出电流的至少一个环形线圈结构以及与螺旋线 圈平行的至少一个碟形磁极结构。如果包括多个环形线圈结构和碟形 磁性线圈结构,就以交替的方式排列环形线圈结构和碟形磁性线圈结 构。没有给环形线圈结构和碟形磁极结构提供导磁材料。用外力转动 环形线圈结构或者上述至少一个碟形磁极结构时,环形线圈结构切割 穿过其中的磁力线,产生感应电流。Neal的US 2002/0135263公开了 多个定子弧段,它形成用于制作马达的定子组件的环形芯子。在一个 优选实施例中,电流流过缠绕环形芯子上的磁极的导线时,产生多个 磁场。整块相变材料将导体基本上密封起来,使定子弧段在环形芯子 内保持互相接触。还公开了使用马达的硬盘驱动器,以及构建马达和 硬盘驱动器的方法。Rose的US 6803691公开了一种电机,它包括在 转轴中心的导磁环形芯子,并且具有两个轴向的相对侧。线圈以环形方式缠绕在芯子上,并且沿着圆周方向顺序排列。每个线圈都包括分 别在芯子的侧边径向延伸的两个引线端子。在相邻引线端子之间存在 没有线圈的空间。支架具有通过桥接结构连接并且分别靠近线圈第一和第二侧边的第一和第二侧边法兰。Mohler的US 6507257公开了一 种双向闭锁致动器,它包括一个输出轴,在输出轴上面固定地安装着 一个或多个转子。将轴和转子安装成在导磁外壳中转动,在导磁外壳 中安装有圆柱形线圈,由导磁端盖闭合。端盖上安装有定子磁极块。 在一个实施例中,转子有非对称地安装的至少两个相反磁化的永久磁 铁,也就是说,它们在一侧相邻,在另一侧由非磁性空隙隔开。定子 磁极块具有非对称的通量传导率,并且在一个实施例中,在轴向比磁 极块的其余部分厚。相互靠近能够防止转子摆向中性位置(在这个位 置上,转子磁铁在轴向与磁极块的较高传导率部分对齐)。于是,以 磁性方式将转子闭锁在两个位置之一,将它拉向中性位置。用相反极 性的电流给线圈励磁会使转子朝它的相反闭锁位置转动,在这个位置 上它被以磁性方式闭锁。Mohler的US 5337030公开了一种永久磁铁 无刷扭矩致动器,它有一个电磁芯子,受到励磁的时候,这个电磁芯 子能够产生拉长的环形磁通量场。在总的来说是圆柱形的线圈外面是 一个外壳,在每一端有上、下端板。安装在端板上朝对方延伸的是由 空气间隙将它与它的相反磁极块分隔的定子磁极块。永久磁铁转子在 空气间隙中,安装在轴上,而这个轴则安装在每个端板上,并且能够 转动。永久磁铁转子有至少两个永久磁铁,每个永久磁铁覆盖转子的 一个弓形部分,并且具有相反的极性。在一个方向上给线圈励磁能够 使磁极块磁化,从而使两个磁极块中的每一个吸引转子磁铁之一,排 斥转子磁铁中的另一个,在输出轴上产生扭矩。电流反向导致扭矩反 向,以及转子朝相反方向转动。公幵的优选实施例具有多个单元,也 就是多个定子转子定子组合和/或其中在每个定子磁极平面内有多个 磁极块的一些单元。Kloosterhouse等等的US 5191255公开了一种电 磁马达,它包括一个转子,转子上面沿着转子的周边安装有多个磁铁。 最好是相邻的磁铁具有面向外的相反磁极。 一个或多个电磁铁与转子 周边相邻,因此,当转子转动的时候,安装在转子上的磁铁靠近电磁铁的磁极。驱动电路按照与转子的转动具有预定相位关系将电流提供 给电磁铁,从而对于转子的基本上所有角位置,电磁铁的磁极和安装 在转子上的磁铁之间的磁性吸引和排斥迫使转子朝希望的方向转动。 在转子上预定角位置处安装反射材料。驱动电路包括光敏器件,光敏 器件产生信号,信号的值随着器件是否收到从反射材料反射的光而改变。将信号放大来产生电磁铁的驱动电流。Westley的4623809公开 了安装有磁极结构的一种步进马达,在其中每一个都有多个磁极的一 对相同的定子板,与在相反方向伸出来的磁极背靠背放置,这些定子 板位于一对基本相同的定子杯之间,每个定子杯都有多个磁极从后壁 向内伸出,周边侧墙在向外延伸的法兰内终止。每个法兰的主面都与 定子板之一上的面接触,从而保证磁路径具有低磁阻。Fawzy的 4565938公开了一种机电设备,可以将它用作马达或发电机。这种设 备有一个外壳,包括轴承装置用来支撑可转动的轴。提供有碟形磁铁 装置,磁极的布置使得它具有交替极性,将它安装在轴上形成转子。 这种设备包括至少一个第一极靴,这个第一极靴与磁铁装置接触,并 且具有一部分从中径向延伸,从而给出第一极性的一个虚拟磁极室。 还包括至少一个第二极靴,这个第二极靴与磁铁接触,并且有一部分 从中径向延伸,从而给出另一极性的一个虚拟磁极室。环形定子安装 在外壳上,上面有绕组。这个定子环绕碟形磁铁,从而使第一和第二 极靴的虚拟磁极室用交替极性的圆周交替场包围所述绕组的一些部 分。提供有装置用于与定子进行电接触,将这个设备用作发电机的时 候用来取出电流,或者提供电流让这个设备作为马达工作。Fawzy的 4459501公开了一种机电设备,可以将它用作马达或发电机,它有一 个外壳,包括轴承装置用来支撑可转动的轴。 一对碟形磁铁的磁极使 得它们在每一个的两个面上具有相反的极性。这些磁铁面对面一起安 装在轴上形成转子。这个设备包括至少一个第一极靴,这个第一极靴 与每个磁铁的一个面接触,并且有一部分从中径向延伸,从而在它的 优选形式中给出与所述一个面一样具有相同极性的一对虚拟磁极室。 还包括至少一个第二极靴,这个第二极靴与每个磁铁的另一面接触, 并且有一部分从中径向延伸,从而在它的优选形式中给出与另一面一样具有相同极性的一对虚拟磁极室。环形定子安装在外壳上,上面有 绕组。这个定子环绕碟形磁铁,从而使第一和第二极靴的虚拟磁极室 用交替极性的圆周交替场包围所述绕组的一些部分。将这个设备用作 发电机的时候,与定子电接触的装置取出电流,或者提供电流让这个 设备作为马达工作。我们对现有技术的检索以及上面给出的摘要给出了马达和发电机形式的旋转电磁铁机器的启示。因此,现有技术说明了在Neal的 文献中具有径向弧段的环形芯子,在Fawzy的文献中我们看到了 N-N 和S-S磁极面相邻,在Tu等等的文献中N-S和S-N磁极与径向线圈 绕组相邻,在Rose的文献中我们发现径向缠绕的线圈按顺序环绕环 形芯子,并且有N-N和S-S相邻的永久磁铁段。但是,现有技术没 有给出如下直线电磁机器的启示:这种电磁机器提供浸在相反极性单 极永久磁铁场内的电磁场,就象本发明的装置一样;并且以电磁感应 方式工作。本发明与现有技术的区别是下面将描述的在此以前未知的优点。 发明内容本公开在构建和使用中具有特定好处,这些成为下面描述的目的。本发明是一种磁悬浮运输系统,其中悬挂的车辆以固定方式安装 到本发明中直线马达系统的平移部分,用于装载乘客和货物,具有为 车辆提供悬浮定位、推进和刹车的功能。平移部分以能够移动的方式 与直线长铁磁芯子啮合,其中的直线铁磁芯子固定在地面上安装的铁 路支撑上。很清楚还有其它方式来支撑和悬挂车辆。电磁铁位于直流 直线电动机-发电机的固定直线铁磁芯子的相对侧。在一个典型应用 中,这些电磁铁一开始是电气并联的,随后切换成电气串联的,下面 将对此进行详细介绍。在并联和串联之间进行切换的这种能力能够获 得某些好处。上述装置和方法的主要目的是提供现有技术中没有的优点。 另一个目的是提供一种电磁直线机器,它利用电磁感应来产生直
线推进力和悬浮。
另 一个目的是提供可以用于运输的这样一种机器。 另一个目的是提供可以用于在刹车的时候回收电能的这样一种机器。
另一个目的是提供能够维持所希望的车辆方向沿着轴在推进力 的方向上,而不管负荷不平衡或者向心力矢量的这样一种机器。
另一个目的是提供能够产生推进力和刹车力而没有电源直接物 理接触的这样一种机器。
另一个目的是提供能够利用自己携带的电源或外部电源输入或 者它们的组合进行工作的这样一种机器。
通过下面的详细描述,同时参考附图,这里描述的装置和方法的 其它特征和优点将会非常清楚。在这些附图中,以实例的形式说明了 所描述的装置和方法的原理。
附图说明
附图说明本发明的装置的至少一个最佳模式实施例及其使用方 法。在这些附图中:
图1是本发明的垂直正视剖面图,它说明一种运输系统,这种运 输系统具有从支撑系统悬挂下来的车辆,以及用于推动上述车辆的装 置;
图2是后面的附图中使用的符号的符号表;
图3说明所述推进系统——电磁直线马达的固定也就是静止部
分;
图4是所述电磁直线马达移动也就是平移部分的示意图,它说明 与之啮合的车辆;
图5是一个示意图,通过放大图1而来;它说明本发明的原理和 工作机制,并且清楚地说明直线马达静止部分和移动部分之间的相互关系,以及车辆的自动平衡机制。 具体实施方式
上面提到的附图说明至少一个最优、最佳模式实施例中所描述的 装置及其使用方法,下面对它进行详细描述。本领域技术人员能够对 这里描述的内容进行改变和改进,而不会偏离本发明的实质和范围。 因此,必须明白,所给出的内容仅仅是作为实例,不应该将它们看作 是对本发明的装置和方法的范围的限制。
图1~5说明这里描述的装置,这种装置按照代表一项重要申请的 原理工作,这项重要申请作为2005年8月9日递交的第11200920号 美国专利申请中定义的装置的扩展,与它具有共同的理论基础。
图1是一种磁悬浮运输系统的剖面图,它说明本发明中用于装载 乘客和货物,固定地安装在平移器142上的悬挂式车辆10。平移器 142与定子141啮合并且能够移动,如同下面将详细描述的一样,定 子141固定到铁路支撑20上,图1中画出的铁路支撑20之一固定到 地面5并且向上延伸。支撑和悬挂车辆的其它方式对于本领域技术人 员而言都是已知的,可以采用这些其它方式而不会偏离本发明的意图 和目的。
图3示意性地说明铁路支撑20支撑的本发明的铁路系统,并且 说明铁路车辆IO在上面移动的轨道。图中的定子141仅仅是示意性 的。这种实现方式是一种直流直线电动机一发电机。如图3所示,定 子包括通过绕组148互相连接的一个电磁铁147直线序列,在这里, 这些电磁铁中的每一个都是轨道的一个单元。在这个图中,用矩形框 表示电磁铁147。沿着图的顶部的那些实际上位于轨道的垂直中心, 图中底部的那些则位于轨道中心水平方向的左边和右边。除非车辆 IO到达,否则电磁铁不被励磁。
图4说明平移器142和定子141之间的相互作用。在图4的左边, 我们看到几个电磁铁147与图3所示相同的状态。现在,平移器142有多个电磁铁147,这些电磁铁147与定子141中的那些相互作用, 下面将加以说明。当车辆到达定子的每个单元时,这个单元被自动切 换成接受电流,给每个单元励磁。当平移器142通过被励磁的单元时, 平移器142被悬浮起来。定子141和平移器142之间的感应相互作用 产生电动力,驱动车辆前进。
在图5中说明相对于弯曲三角形直线铁磁芯子141,两个边缘处 的行进轴,定子的电磁铁147位于它的侧面和它的顶点。根据使用目 的,这些电磁铁147可以互相串联或并联。铁磁体芯子141,具有连续 的外围缝隙162。绕组148放置在这个缝隙162中。围绕这个铁磁体 芯子141'和电磁铁147,绕组148形成一个连续的电路。
如同针对这个脊柱的每一段所说明的一样,这个直线铁磁芯子的 导线系统互相之间电气串联和/或并联,从而使线圈互相短接,并且 一个总的保护开关,在那里每个线圈都具有相同功能,也就是能量传 输、磁悬浮、导向和推进。
在图5中,我们发现具有几个功能的电磁铁组。首先,定子141 中的电磁铁147A和线圈148用于承载切入的脉动直流电,这些脉动 直流电给定子141中的所有电磁铁励磁。其次,通过电磁铁147A将 脉动电流感应到电磁铁147A,中去。这个感应电流被平移器142上和 车辆10内所有电器获得。电磁铁147B与电磁铁147B'相互作用,提 供横向稳定性,使平移器142位于定子141的中心。还有,电磁铁 147B与电磁铁147C'相互作用,维持平移器】4相对于定子141的悬 浮和垂直稳定性。通过大型电磁铁147D,与线圈148相互作用,产生 感应电动力来提供推进力。
电磁铁147A,、 147B'和147C'具有永久磁铁芯子,在平移器142 没有电流感应,没有电流以及没有向前移动的时候提供悬浮力和稳定 性。
另外,可移动部分提供负载支撑&自动平衡总成190,它撑住这 些负载,也就是乘客、货物,并且让车辆IO根据穿越曲线的需要倾 斜。上面详细描述的实现方式相对于有记录的现有技术而言是新颖 的,并且对于本发明的装置的至少一个方面的操作及其使用方法以及 上面描述的目的而言是至关重要的。不应该按照其普通意思来理解这 一说明书中用来描述实施例的词,而是应该将它们理解成包括:超出 常用意义范围的结构、材料或操作。因此,如果在这一说明书中可以 将一个单元理解成包括一个以上,就应当将它理解成对于这一说明所 支持的所有可能都是通用的。
词的定义或者这里描述的附图单元不仅包括明确提到的单元的 组合,还包括用于以基本相同方式实现基本相同功能获得基本相同结 果的等价结构、材料或操作。因此从这个意义上讲,可以用两个或更 多单元等同替换所描述的和它的各个实施例中的单元中的任何一个, 也可以用一个单元替换权利要求中的两个或多个单元。
不管是现在已知的还是以后想出来的,本领域技术人员对权利要 求主题的改变都在本发明及其各个实施例的范围之内。因此,本领域 技术人员现在知道的或者是以后想出来的显而易见的替换都在给定 单元的范围之内。因此,这一公开包括上面具体说明和描述的在概念 上等价的,能够显而易见地替换的以及结合了上述基本思想的内容。
这一描述涉及的范围只是由后面的权利要求限定,因此很清楚, 所有发明人都认为权利要求中的所有主题都是可以获得专利的。

Claims (6)

1. 一种磁悬浮运输装置,包括:用于装载负载的车辆;安装在平移器上,该平移器以能够移动的方式与固定的定子啮合;所述定子提供铁磁芯子,其中嵌有绕组;多个电磁铁与所述铁磁芯子啮合,与所述绕组形成电路;所述平移器装载与所述定子的电磁铁靠近的多个电磁铁,所述电磁铁通过所述定子的电路收到的脉动直流电提供的磁力相互作用,相对于所述定子给所述平移器提供悬浮、居中和推进力。
2. 如权利要求1所述的装置,其中所述定子电磁铁包括位于中 心用于感应所述脉动直流电的电磁铁, 一对位于侧面的电磁铁用于让 所述平移器在所述定子上居中。
3. 如权利要求2所述的装置,其中所述平移器电磁铁相对于所 述定子电磁铁放置,用于有效的磁相互作用。
4. 如权利要求3所述的装置,其中所述定子包括沿着所述平移 器的行进方向并列排列的多个定子单元。
5. 如权利要求4所述的装置,其中所述单元中的每一个都是电 气独立和磁性独立的。
6. 如权利要求5所述的装置,其中所述单元中的每一个都通过 与所述平移器的存在相联系的接近开关被切换到接受所述脉动直流 电。
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