CN101734170A

CN101734170A - 移动物体静磁磁悬浮和推进系统

Info

Publication number: CN101734170A
Application number: CN 200910168951
Authority: CN
Inventors: 计齐根
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-11-23
Filing date: 2009-09-02
Publication date: 2010-06-16

Abstract

本发明涉及一种全新的磁悬浮和推进机制。这种命名为“静磁磁悬浮(MSS)”的机制能在磁体和软铁磁物质(钢铁)之间产生静磁排斥力。一个应用实体是磁悬浮列车的磁力悬浮和推进系统。磁悬浮列车被静力悬浮在铁轨的上空且悬浮间歇没有限制。磁悬浮列车可以在目前现有的普通铁轨轨道上运行而无需铺设昂贵的感应线圈或平衡控制系统，使得磁悬浮列车系统(车体和路轨)的建造成本大大下降。另一个应用实体是长定子线性电机。由磁体组成的驱动单元可以对一种由铁或软铁磁材料与非铁磁材料块或空气沿着其长度交替相隔组合而成的长定子施加推动力。长程驱动具有结构简单，易实现，控制简单和成本低的特点。第三个应用实体是磁悬浮风力发电机。可以大大提高单位重量磁铁的悬浮出力，并提供一个不同于利用磁体间排斥力悬浮的更稳定的磁悬浮机制。

Description

移动物体静磁磁悬浮和推进系统

本发明的技术领域和背景技术

本发明在大范围上涉及一种磁力悬浮和推进机制，更明确地讲涉及到一种移动物体的悬浮和推进机制。磁力是由磁体(永磁体或电磁铁)与软铁磁体(钢铁)的静磁排斥而产生。在磁悬浮列车的应用上，包括两套子系统：一套是用于磁力悬浮和车体的稳定；另一套是用于车体的推进和速度控制。

目前在磁悬浮列车市场上有两种基本的磁悬浮技术：一种被称为电磁力悬浮技术(EMS)。它是利用永磁体或电磁铁对铁轨的吸引力使得列车车体被悬浮。另外一种是电动力悬浮技术(EDS)。它是利用永磁体或电磁铁以及由他们对铁轨上的非铁磁的导体线圈感应的磁场之间的排斥力使得车体悬浮。另外还有一种新的技术，被称为磁动力悬浮(MDS)。这种技术已经被授予专利，但仅仅被数学计算证实，但是还没有具体设计出实体。它是利用永磁体和铁轨上导磁叠片之间的吸引力平衡来悬浮车体。

在电磁力悬浮(EMS)系统中，与车体相联的电磁铁被置于铁轨之下。由于电磁铁和铁轨之间吸引力的不稳定性质，不得不使用一反馈和调节计算机控制系统对电磁铁的电流不断地进行监控和调节，以保持电磁铁和铁轨的距离恒定和车体的稳定，以避免列车与铁轨的摩擦和碰撞。由于系统整体的内在不稳定性和不得不依靠外在的不断调节来稳定运行的车体，震动不可避免。一个EMS系统可以同时提供车体的悬浮和推进力。推进力由车载的线性电机产生。铁轨上铺设线性电机的定子系统。EMS系统不需要配备启动和着落轮因为车体能被静止浮起。铁轨的建造和复杂的稳定控制系统是相当昂贵并且系统的内在不稳定性是无法消除，而且有时是很危险的。

在电动力悬浮(EDS)系统中，轨道和车体共同产生磁场并且相斥而使得车体浮起。车体提供的磁场由车载的永磁铁或电磁铁(或超导磁体)产生。轨道提供的磁场是由铺设的感应线圈所产生。在低速时，轨道线圈的感应磁场较小，不能完全浮起车体，所以该系统必须配备启动和着落轮，启动时必须使用该轮一直到足够的速度使得车体浮起。同样在减速停车时，也需要该轮支持车体着落。EDS系统只能提供悬浮力，不能提供推进力，所以该系统还需要其他的推进技术配备。车载的线性电机是一个选择。轨道需要铺设该线性电机的定子线圈。但是轨道全程铺设这样的线圈会是相当的昂贵甚至是行不通的。EDS系统不能使得车体静止悬浮。

现行的列车磁悬浮技术都不能提供与现有铁轨系统线匹配的系统，都需要有建造全新的轨道系统。这些新系统必须在轨道全程铺设驱动或感应线圈。这是非常复杂和费用昂贵的。作为比较，目前像TGV这样的常规高速列车可以在降低速度的条件下可以在常规的铁路铁轨系统下运行而可以减少成本，可以铺设部分高速铁轨(与常规铁轨相连)，尤其在不适合铺设高速铁轨的较少运输量的分支段。EMS和EDS中笨重的电磁铁成本和设计也是一个很大的问题。特别对于载重大的车体，浮起它需要很大的磁力。在这个情况下用超导磁体是一个选择。

磁悬浮技术在风力发电机的应用旨在减少机械摩擦和磨损，使得风机在低风速的环境下也能发电。低切入速度和无机械摩擦可以将更多的风能转变为电力。利用磁浮技术风机的风叶在没有机械摩擦接触的环境下运作，需要很少的运行维护和大大提高风机的运行寿命。磁悬浮技术使得大型甚至超大型的风力涡轮机的安装和使用成为可能。磁浮风力涡轮机可以提升比常规机20％以上的电力输出，一台大型机可以取代几百甚至上千台常规风机，出电效率更高，大大减少建造成本和占用更少的土地。目前的磁悬浮风力电机均采用同极磁体磁力相斥原理来悬浮风叶转子总量或平衡转轴，不但单位磁体重量的出力低，悬浮间歇有限制，而且具有悬浮机制的内在不稳定性。

本发明内容和具体实施方式

本发明的目的是提供一种全新的基于永磁铁或电磁铁的静磁力磁悬浮和磁力推进产生(MSS)机制。在该机制中，磁悬浮和推进力是永磁铁或电磁铁与软铁磁材料(例如：钢铁等)之间的静磁排斥力。

本发明的另外一个目的是提供一种全新的磁悬浮列车系统作为本发明静磁磁悬浮(MSS)的一个实体。在该系统中，车体的悬浮力和推进力系统是包括静磁磁悬浮机制，静磁排斥力产生于与磁铁系统相连的车体和铁轨系统。该系统具有更稳定，不需要辅助车轮，静态浮起，匹配常规铁轨系统，构造简单和造价低廉等特点。

本发明进一步的目的是提供一种全新的线性电机系统作为本发明静磁磁悬浮(MSS)的另一个实体。该系统中是一个静磁磁悬浮(MSS)，电机的转子是一磁铁子系统，电机的长定子是一软铁磁和非铁磁材料相隔的轨道梁。驱动力是磁铁与轨道梁之间的静磁排斥力。一电源控制和位置反馈系统用来控制和调节驱动力和速度的大小和制动。

本发明的还有一个目的是提供一种全新的风力发电机的磁悬浮和平衡作为本发明静磁磁悬浮(MSS)的另一个实体。利用最少的磁铁产生一个稳定和高效的悬浮，在减少风机自身重量的同时降低切入速度以适用更宽的风速范围。

本发明的其他优势，目标实体和新颖特性通过下面之间进一步的详细讲述和具体的实体应用会变得更加明显。这势必会让熟悉该行业或技术的人员更好地理解和拓宽应用本发明的原理和精神。

图示说明

图1-1是本发明的三种基本静磁排斥力产生构造示意说明。

图1-2是图1-1三种基本静磁力构造的加强型示意说明。

图2是作为本发明实体之一的新型静磁磁悬浮列车系统(磁悬浮和磁推进)的构造示意说明。

图3-1是静磁磁悬浮系统的截面和侧面构造示意说明。

图3-2是作为本发明的一个实体-静磁磁悬浮系统的另外一种结构的示意说明。

图4是静磁磁推进(长定子线性电机)系统的截面和侧面构造示意说明。

图5是静磁磁力悬浮风力发电机的磁浮构造说明。

本发明的详细描述

图1-1列出本发明三种最基本的静磁排斥力的构造(a)，(b)和(c)。在所有这三种构造中，磁体11，12和13被特别排列成一种对软铁磁材料14能产生排斥力的梯度磁场。构型(a)提供磁体系统11，12和13相对于软铁磁材料14的悬浮力。构型(b)提供磁体系统11，12和13相对于软铁磁材料14的推进力。15是一非磁性的框架材料。构型(c)是一种圆柱形结构，由圆环磁铁11和圆柱磁体13提供软铁磁性材料力轴14以力垫，力缓冲或压力。构造(a)中调节磁体13的磁取向可以改变排斥力的方向，同时提供垂直和水平方向的排斥力分量。如果磁体是永磁体或恒流的电磁铁，那么该排斥力是静磁且恒定的。所有(a)，(b)和(c)中的磁体系统11，12和13可以被连接到要移动物体，同时软铁磁14可以是铁轨或导向梁或线性电机定子。这样磁悬浮和推进力就在两者之间产生了。

由于该静磁排斥力总是发生在磁体系统和被该磁体系统的梯度场磁化的软铁磁之间，该力是跟随移动物体运动而且如果磁体是永磁体或恒流电磁体，则该排斥力的方向和大小始终保持不变的。这使得该力具有内在的稳定性。磁体系统11，12和13可以是，但不仅仅是，永磁体，电磁铁或超导磁铁。一种由前述两者或三者的混合结构在实现某些特定的功能时可能是需要的。磁体系统也不限制于磁铁的数量，大小以及磁体的排列。如果是电磁铁，电流供应的可能是直流，交流或任意波形的电流，视具体要实现的功能而定。软铁磁14通常为含铁的软磁性材料，像钢铁等，但是也可以是其他一些软铁磁材料与其它材料的混合体。

以上对图1-1的描述仅仅是对本发明的一个例样性的示意说明。图1-2(a)，(b)和(c)是对应图1-1中(a)，(b)和(c)三种基本构造的加强型，实际上是由两对基本构造的组合。很多对图1-1和图1-2中所有构造的变体，像磁体的不同排列，磁体的个数，磁体的种类，形状等不应受到以上描述的局限或限制。本发明的原理精神可以被引用于无尽的实体中。目的是应用本发明的原理在磁铁系统组合和软铁磁部件之间产生静磁排斥力来实现具体的实体功能。

涉及本发明静磁排斥力(MSS)的基本概念是：如果置一软铁磁材料(像钢铁)与一个磁体(永磁体或电磁铁)产生的磁场中，那么往往该软铁磁与磁体之间存在吸引力。原因是磁体总是产生一个磁场方向与磁场梯度矢量方向相反的磁场，结果是在该磁场中被磁化的软铁磁材料总是受到一个对磁体的吸引力。在本发明中，通过对一定数量磁体的特别排列，在工作空间产生一个磁场方向与磁场梯度矢量方向相同的磁化场。结果是置于其中的软铁磁体就会受到一个静磁排斥力。

图2给出作为本发明的一个实体-静磁磁悬浮列车系统的示意说明。该系统包含三种具体的本发明实体子系统：MSS磁悬浮系统25；MSS磁推进系统23和车体稳定系统27。车体21和与它底部相联的磁体系统23，25和27被安装在非铁磁导轨22上的铁轨24和铁梁26浮起并推进。车体21和与它底部相联的磁体系统23，25和27被安装在非铁磁导轨22上的铁轨24和铁梁26静磁斥力浮起并推进。为浮起和推进比较重的车体，也许需要安装几套这样的磁悬浮和推进系统。可以看到，铁轨24和铁梁26具有与常规铁轨一样的架构，唯一不同的是需要考虑其尺寸大小以满足一定磁悬浮力和推进力的设计需要。但在现有的铁轨上架设或改进一条满足一定条件的磁悬浮铁轨并非难事。在车体设计时也可以选择尽量利用现有常规铁轨而进行妥协性和兼容性的设计，做到与常规铁轨的相容。本发明的MSS磁悬浮列车系统不像EMS和EDS系统那样与常规铁轨不兼容而需要全新且昂贵的铁轨系统相配合。由于在横向方向的力的不平衡，横向平衡系统27需要安装在车体两侧或底部。

图3-1给出图二中静磁悬浮系统26的更详细的示意说明。软铁磁轨34置于与车体底36部相连的一个倒置的有磁体31，32和33形成的槽口中。磁体31，32和33被用于产生一对软铁磁轨34的静磁排斥力梯度磁场。软铁磁轨34被安装在非铁磁性的路轨35上。用于产生磁悬浮力的磁体通常可以是永磁体(像钕铁硼等)，但是在为实现某些设计或达到某些功能时也可以用电磁铁，超导磁体甚至由前述两者或三者构成的混合体。图3-2给出作为本发明的一个实体-静磁磁悬浮系统的另外一种结构的示意说明。利用图1-2中(a)的加强型构造，MSS磁浮的磁铁系统可以置于铁轨的下方，类似常导型EMS的构造，但是明显的区别是本发明的构造中，磁体是永磁体或永磁体与电磁铁的混合体(电磁铁用于水平调节)，而且提供的悬浮力是稳定的，即悬浮力是随着悬浮体(车体)的重量增加而增加实现稳定的磁悬浮。

图4给出图2中推进系统23的两种最基本的静磁悬浮(MSS)磁力推进构造。构造(a)具有与图2中磁悬浮系统25相类似的结构和磁体的排列，但有着一些明显的不同。该推进系统或长定子线性电机包含作为转子的磁体系统48(由磁体41，42和43组成)和下面的作为定子的软铁磁轨道梁44。要用该构造产生水平的静磁推进力，磁体系统48必须有一个前倾的角度，或者磁体43的磁化取向与垂直方向有个角度。这个构造可以同时产生静磁磁悬浮力和静磁推进力。构造(b)基本上与图1-1中的结构(b)相同。磁体41，42和43有另外一种排列，则可以产生在水平方向的静磁排斥力或推进力。轨道梁44不是由单一物料做成的，而是由软铁磁材料46和非铁磁材料47沿着长度交替建造而成。该梁安装在非铁磁的导轨基座45上。磁体41，42和43通常是电磁铁或超导磁铁，但是一种永磁体和电磁铁或超导磁铁的混合体也可能应用到一具体的实体中。该推进系统或长定子线性电机的冲力，类似于电机的扭矩，取决于磁体的排列取向和磁体的强度。一种类似于图4(c)中波形49的电流需要加载在磁铁48上产生对车体的冲力。该交流电的频率应该与轨道梁的交变软铁磁和非铁磁材料间隔变化频率同步。该频率由安装在车体上的位置传感器检测并反馈到电流控制系统。该同步性的偏移调节可以用来控制磁体的速度和制动。

图5给出作为本发明的另一个实体-静磁磁悬浮风力发电机系统的剖面示意说明。风力涡轮机53的重量依靠一组或多组由磁体54磁轭55和软铁磁材料56构成的增强型(图1-2(a))的MSS磁浮系统51而支撑而实现无摩擦在风力驱动中悬浮旋转。多组系统52用来维持和调节水平方向轴心的偏转的。该系统52可以是磁体系统，也可以是支撑轴承或两者的组合，目的是固定风轮的转轴。风轮与底座间的磁悬浮空间没有限制。磁体被安装在底座和转轴上，从而减轻了风机的重量也减少了转动的惯性。

需要说明的是以上的描述仅仅是为了本发明的原理的理解，并不是局限本发明的实体的应用范围和代表本发明的全部细节。无数的修正和变体在对本发明的精神原理了解之后变成可能。以上所选的几个应用实体例子很好地对本发明的原理实质进行了解释。对熟悉该行业或技术领域的专家来说，在此基础上可以更好地应用本发明在许多具体的应用中，并发展出许多变体和新的应用。

Claims

1.一种静磁悬浮力和推进力的构造(MSS)，利用磁体和软铁磁物体之间的静磁排斥力对移动物体进行磁悬浮和磁推进，至少包括：

一个与移动物体相联的磁体系统，用来磁化和磁力排斥一软铁磁导轨或轴梁或其它结构系统；和

一个软铁磁导轨或轴梁或其它结构系统，用来磁悬浮或推进或加力于上述移动物体系统。

2.在权利1的静磁悬浮和推进构造中，所述磁体系统至少包括一个永磁体，或一恒流或交流电磁铁，或一超导磁体，或者一种包含前述两者或三者的混合磁体，而且所述磁体系统中磁体的排列，磁体的形状等可以是各种各样，并不限制于某一特定的排列或形状，只要其功能是产生一个磁场来磁化并在某个方向排斥被其磁化的含铁或软铁磁材料。

3.在权利1的静磁悬浮和推进构造中，所述软铁磁导轨或轴梁或其它结构系统至少是一种含铁性或软铁磁材料，或一种软铁磁材料和非铁磁材料或其它材料的的混合体或间隔体。

4.在权利1的静磁悬浮和推进构造中，产生的磁排斥力用来提供悬浮，推进，加压，力缓冲和震动吸收等，但不局限于上述的用途。

5.一种应用权利1的静磁悬浮和推进构造(MSS)的磁悬浮列车实体，至少包括：

一个车体；

一个连接于车体的磁体系统，提供车体磁悬浮力和车体的导向稳定和推进；

一个安装在基座上的钢铁或软铁磁材料的铁轨或导梁系统，车体在其上运行。

6.在权利5的磁悬浮列车实体中，所述的磁体系统至少包括一个永磁体，或一个电磁铁，或超导磁体，或前述两者或三者构成的混合磁体，而且所述磁体系统中磁体的排列，磁体的形状等可以是各种各样，并不限制于某一特定的排列或形状，只要其功能是产生一个磁场来磁化并在一个方向排斥被其磁化的含铁或软铁磁材料铁轨或导梁。

7.在权利5的磁悬浮列车实体中，所述的铁轨或软铁磁导梁系统可以是单一含铁或软铁磁材料或一个含铁或软铁磁材料之间或和其他非铁磁材料的混合体。

8.一种应用权利1的静磁悬浮和推进构造(MSS)的长定子线性电机实体，用于提供移动物体或车体的驱动或推进力，至少包括：

一个作为定子的安装在非铁磁轨道基座上的含铁或软铁磁轨道梁系统；和

一个作为转子的与移动物体相连的产生磁悬浮和磁推进力，或单一磁推进力的磁体系统；和

一套电流供应，位置反馈和速度控制和制动系统。

9.在权利8的长定子线性电机实体中，所述的转子磁体系统所述的磁体系统至少包括一个永磁体，或一个电磁铁，或超导磁体，或前述两者或三者构成的混合磁体，而且所述转子磁体系统中磁体的排列，磁体的形状等可以是各种各样，并不限制于某一特定的排列或形状，只要其功能是产生一个磁场来磁化并在某个方向排斥被其磁化的含铁或软铁磁材料铁轨或导梁。

10.在权利8的长定子线性电机实体中，所述的长定子轨道梁系统是一种含铁或软铁磁材料与非铁磁材料块或空气沿着其长度交替相隔组合而成。间隔以及材料块的宽度和形状可以是多样化，只要目的是与磁体系统相配产生推进力，以及速度和制动的控制。

11.在权利8的长定子线性电机实体中，所述的电流，速度，位置反馈和制动控制系统包含至少一个交变电流频率和轨道梁上含铁或软铁磁材料与非铁磁材料交替频率的同步控制，一个位置传感器反馈系统用来检测速度和轨道梁上交替材料的位置。改变该同步度用来控制移动物体的速度，制动以及定位。

12.一种应用权利1的静磁悬浮和推进构造(MSS)的风力涡轮发电机实体，用于进行风能电能的转化，至少包括：

一个作为基础底座的MSS磁体悬浮磁体系统和

一个与软铁磁体材料相连的作为风叶的转动系统。

13.在权利12的风力涡轮发电机实体中，所述的磁浮磁体系统至少包括一个永磁体。磁体系统中磁体的排列，磁体的形状等可以是各种各样，并不限制于某一特定的排列或形状，只要其功能是产生一个磁场来磁化并在某个方向排斥被其磁化的含铁或软铁磁材料铁轨或导梁。