CN101877563A - 一种磁阻式磁力悬浮装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种磁阻式磁力悬浮装置，涉及磁悬浮领域。所述磁阻式磁力悬浮装置包括磁体架，磁体架内相对分别固定磁体，磁体之间是轭铁，所述磁体的排列形式是阵列，两列阵列分别固定在非导磁磁体架内两侧，两列阵列之间构成磁力线回路；两列阵列之间是轭铁Ⅰ，轭铁Ⅰ与两侧阵列的气隙相等，轭铁Ⅰ由非导磁的轭铁架支撑。本发明所提供的磁阻式磁力悬浮装置，永磁体按照一定形式排列，磁力大；在常温下即可工作，磁悬浮装置在工作中不需要供电，耗能小。

Description

一种磁阻式磁力悬浮装置

技术领域

本发明属于磁悬浮领域，具体涉及一种磁阻式磁力悬浮装置。

背景技术

磁力悬浮技术在科研、工业、交通等领域有着十分重要的潜在应用，目前常见的悬浮机构有：常导电磁悬浮、超导电磁悬浮以及普通永磁悬浮。常导电悬磁浮装置需要耗电，控制技术复杂，能耗高；超导电磁悬浮装置需要提供超低温环境，能耗高，造价昂贵；普通永磁悬浮是同极相斥磁悬浮，其回复力小，造价高、布局复杂、施工工程量大。

海尔贝克阵列是Halbach发现的一种特殊的磁体排列形式，又叫Halbach阵列，由磁体方向按一定规律变化的单元磁块构成，以使磁体一侧磁场得到加强，而另一侧被削弱几乎为零。

发明内容

本发明要解决的是磁力悬浮装置中能耗高、造价昂贵的问题，提供一种能耗低、造价低、比普通磁体回复力至少大一个数量级的磁阻式磁力悬浮装置。

本发明的技术方案是以下述方法实现的：

一种磁阻式磁力悬浮装置，包括磁体架，磁体架内相对分别固定磁体，磁体之间是轭铁，所述磁体的排列形式是阵列，两列阵列分别固定在非导磁磁体架内两侧，两列阵列之间构成磁力线回路；两列阵列之间是轭铁Ⅰ，轭铁Ⅰ与两侧阵列的气隙相等，轭铁Ⅰ由非导磁的轭铁架支撑。

所述阵列是Halbach阵列。

所述Halbach阵列底端分别固定轭铁Ⅱ，两列Halbach阵列上端固定轭铁Ⅲ。

每列Halbach阵列是3块、5块、7块、9块磁体组成；分别对应是1块、2块、3块、4块轭铁Ⅰ，相邻两个轭铁Ⅰ由非导磁材料连接。

所述阵列是磁体和凸铁交替排列的间隔阵列；每列间隔阵列内，相邻磁体的磁化方向竖直且相反，两列间隔阵列中，处于平行位置的两磁体磁化方向相反。

每列间隔阵列是2块、3块、4块、5块磁体组成；分别对应是1块、2块、3块、4块轭铁Ⅰ，相邻两个轭铁Ⅰ由非导磁材料连接。

所述磁体架是条状槽，所述阵列及轭铁是与条状槽相配合的条状。

所述磁体架是环状槽，所述阵列及轭铁是与环状槽相配合的环状。

磁体架和轭铁架之间、磁体架和轭铁Ⅰ之间设置滑动导靴、滚动导靴之一。

磁体架和轭铁架之间、磁体架和轭铁Ⅰ之间设置滑动导靴、滚动导靴之一。

本发明所提供的磁阻式磁力悬浮装置，永磁体按照一定形式排列，磁力大；在常温下即可工作，磁悬浮装置在工作中不需要供电，耗能小。

附图说明

图1为实施例1剖视示意图；

图2为实施例1中两列Halbach阵列的磁力线分布示意图；

图3为实施例1中轭铁Ⅰ在竖直方向受力最小时磁力线分布示意图；

图4为实施例1中轭铁Ⅰ在竖直方向受力最大时磁力线分布示意图；

图5为实施例1中轭铁Ⅰ所受竖直方向的力随着轭铁Ⅰ与Halbach阵列的相对位移的变化关系示意图；

图6为实施例2剖视示意图；

图7为实施例2中两列Halbach阵列的磁力线分布示意图；

图8为实施例2中轭铁Ⅰ在竖直方向受力最小时磁力线分布示意图；

图9为实施例2中轭铁Ⅰ在竖直方向受力最大时磁力线分布示意图；

图10为每列Halbach阵列的磁体为5组时本发明的剖视示意图；

图11为实施例3剖视示意图；

图12为实施例3中两列间隔阵列的磁力线分布示意图；

图13为实施例3中轭铁Ⅰ在竖直方向受力最小时磁力线分布示意图；

图14为实施例3中轭铁Ⅰ在竖直方向受力最大时磁力线分布示意图；

图15为实施例3中轭铁Ⅰ所受竖直方向的力随着轭铁Ⅰ与间隔阵列的相对位移的变化关系示意图；

图16为每列间隔阵列的磁体为3组时本发明的剖视示意图；

图17为磁体架为条状槽时本发明的侧视示意图；

图18为磁体架为环状槽时本发明剖视示意图；

图19为图18的A-A向剖视图；

图20为带有定位装置的条状磁阻式磁力悬浮装置的剖视示意图；

图21为本发明在磁悬浮列车中应用的主视示意图；

图22为图21的B-B向剖视示意图；

图23为本发明在电梯中应用的剖视示意图；

图24为图23的C-C向剖视示意图。

图25为带有定位装置的环状磁阻式磁力悬浮装置的剖视示意图；

具体实施方式

实施例1

图1中，磁阻式磁力悬浮装置包括磁体架1，非导磁的磁体架1内两侧固定两列以Halbach阵列形式排列的磁体阵列2，两列Halbach阵列2平行、等高排列，每列Halbach阵列2包含三块磁体，其中一列由上到下三块磁体的磁化方向如下：竖直向上、水平向右、竖直向下；与之对应的另一列中由上到下三块磁体的磁化方向如下：竖直向下、水平向右、竖直向上，两列Halbach阵列2之间构成磁力线回路；两列Halbach阵列2之间是导磁的轭铁Ⅰ3，轭铁Ⅰ3与两侧Halbach阵列2的气隙相等，轭铁Ⅰ3由非导磁的轭铁架4支撑。

Halbach阵列是一个特殊的磁体排列形式，阵列的一侧产生很强的磁场，而另一侧磁场很弱。本发明中两列Halbach阵列相互平行且等高，利用两个阵列所产生的强磁场构成磁力线回路，其磁力线分布如图2所示，两个Halbach阵列2中心位置磁场路径最短，上下两端磁场路径最长。由磁路最短原理知道，轭铁Ⅰ3进入或退出这一强磁场时，磁路磁阻变化产生强大的磁阻力，该磁阻力试图使磁场路径向着最短的方向收缩，是一个使运动部分回归到磁阻最小位置即平衡位置的回复力。

图3是轭铁Ⅰ中心线与Halbach阵列2中间磁体的中心线重合时磁力线分布示意图，磁力线以近似直线形式穿过磁轭，此时磁场路径最短，轭铁Ⅰ3竖直方向受力最小；图4是轭铁Ⅰ3下表面与Halbach阵列2中间磁体的上表面平齐时的磁力线分布示意图，磁力线以曲线的形式穿过轭铁Ⅰ3，此时磁场路径最长，根据磁路最短原理，轭铁Ⅰ3受到磁体竖直向下的回复磁力以使经过轭铁Ⅰ3的磁力线最短。同理，轭铁Ⅰ3上表面与Halbach阵列2中间磁体的下表面平行时，轭铁Ⅰ3受到磁体向下的回复力以使经过轭铁Ⅰ3的磁力线最短。

轭铁Ⅰ3受力大小与磁体和轭铁Ⅰ竖直位移之间的关系如图5所示，所述x轴是指磁体和轭铁Ⅰ之间竖直方向相对位移，所述y轴是轭铁Ⅰ3所受到磁体的竖直方向的磁力。图中平衡位置指：轭铁Ⅰ3中心线与Halbach阵列2中间磁体的水平中心线重合位置，当轭铁Ⅰ3向上移动时，轭铁Ⅰ3受到磁体向下的回复力；反之，当轭铁Ⅰ3向下移动时，轭铁Ⅰ3受到磁体向上的回复力，偏离平衡位置越远，轭铁Ⅰ3所受的回复力越大。当轭铁Ⅰ3下表面与Halbach阵列2中间磁体的上表面平行或者轭铁Ⅰ3上表面与Halbach阵列2中间磁体的下表面平行时，轭铁Ⅰ3受到磁体的回复力最大。

如图1～5所示的磁阻式磁力悬浮装置中，所述每列Halbach阵列2中磁体的数量可以是5组，每列Halbach阵列2中有五组磁体，两列Halbach阵列2平行、等高排列，构成磁场回路，对应的轭铁Ⅰ3是两块，两个轭铁Ⅰ3之间由非导磁材料连接，如图10所示。

实施例2

如图6所示，在Halbach阵列2底端固定轭铁Ⅱ8，Halbach阵列2和磁体架1之间固定轭铁Ⅲ9，其它结构同实施例1。

如图7所示，两列Halbach阵列2上、下两端分别固定轭铁Ⅱ8和Ⅲ9之后，两列Halbach阵列2之间的磁力线分布示意图。两个Halbach阵列2中心位置磁场路径最短，上下两端磁场路径最长。同实施例1原理可知，轭铁Ⅰ3水平中心线与Halbach阵列2中中间磁体的中水平心线重合时，轭铁Ⅰ3受到竖直方向力最小。当轭铁Ⅰ3向上移动时，轭铁Ⅰ3受到磁体向下的回复力；反之，当轭铁Ⅰ3向下移动时，轭铁Ⅰ3受到磁体向上的回复力，Halbach阵列2中心位置磁场越远，轭铁Ⅰ3所受的回复力越大，当轭铁Ⅰ3下表面与Halbach阵列2中间磁体的上表面平行或者轭铁Ⅰ3上表面与Halbach阵列2中间磁体的下表面平行时，轭铁Ⅰ3受到磁体的回复力最大。轭铁Ⅰ3在两列Halbach阵列2中竖直方向受力最小时磁力线分布示意图如图8所示，受力最大时如图9所示。同实施例1相比，Halbach阵列2两端加上轭铁Ⅱ8和轭铁Ⅲ9后，漏磁降低，阵列之间的磁场加强，轭铁Ⅰ3所受回复力相应增加

如图6～9所示的磁阻式磁力悬浮装置中，每列Halbach阵列2中磁体的数量是可以5组，每列Halbach阵列2中有五组磁体，两列Halbach阵列2平行、等高排列，构成磁场回路，对应的轭铁Ⅰ3是两块，两个轭铁Ⅰ3之间由非导磁材料连接。

实施例3

如图11所示，磁体架1内两侧固定两列以间隔形式排列的磁体阵列11，两列间隔阵列11之间构成磁力线回路，两列间隔阵列11平行、等高排列，每列间隔阵列11包含两块磁体，两块磁体之间设置凸铁10；两块磁体的磁化方向均为竖直方向且磁化方向相反，两列间隔阵列11中，处于平行位置的两磁体磁化方向相反；两列间隔阵列11之间是导磁的轭铁Ⅰ3，轭铁Ⅰ3与两侧间隔阵列11的气隙相等，轭铁Ⅰ3由非导磁的轭铁架4支撑。

如图12所示，两列间隔阵列11之间的磁力线分布示意图。两个间隔阵列11中心位置磁场路径最短，上下两端磁场路径最长。同实施例1原理可知，轭铁Ⅰ水平中心线与间隔阵列11中凸铁10的中心线重合时，轭铁Ⅰ3受到竖直方向力最小。当轭铁Ⅰ3向上移动时，轭铁Ⅰ3受到磁体向下的回复力；反之，当轭铁Ⅰ3向下移动时，轭铁Ⅰ3受到磁体向上的回复力，偏离间隔阵列11中心磁场越远，轭铁Ⅰ3所受的回复力越大，当轭铁Ⅰ3下表面与凸铁10的上表面平行或者轭铁Ⅰ上表面与凸铁10的下表面平行时，轭铁Ⅰ3受到磁体的回复力最大。轭铁Ⅰ3在两列间隔阵列11中竖直方向受力最小时磁力线分布示意图如图13所示，受力最大时如图14所示。轭铁Ⅰ所受竖直方向的力随着轭铁Ⅰ与间隔阵列的相对位移的变化关系如图15所示。

如图13～15所述磁阻式磁力悬浮装置中，每列间隔阵列11中磁体的数量可以是3组，对应凸铁10是两块；磁体和凸铁10交替排列，相邻磁体的磁化方向相反；两列间隔阵列11中，处于平行位置的两磁体磁化方向相反；对应的轭铁Ⅰ3是两块，两个轭铁Ⅰ3之间由非导磁材料连接，如图16所示。

如图17所示，本发明所述的磁阻式磁力悬浮装置中，磁体架1是条状槽，Halbach阵列2或者间隔阵列11、轭铁Ⅰ、轭铁Ⅱ、轭铁Ⅲ、凸铁是与条状槽相配合的条状。如图20所示，磁体架和轭铁架之间、磁体架和轭铁Ⅰ(3)之间设置滑动导靴(5)。所述滑动导靴可以用滚动导靴替换。

如图18和19所示，本发明所述的磁阻式磁力悬浮装置中，磁体架1是环状槽，Halbach阵列2或者间隔阵列11、轭铁Ⅰ、轭铁Ⅱ、轭铁Ⅲ、凸铁是与环状槽相配合的环状。如图25所示，磁体架和轭铁架之间设置滑动导靴(5)。所述滑动导靴可以用滚动导靴替换。

本发明磁阻式磁力悬浮装置在磁悬浮列车中的应用如图21和图22所示：磁悬浮列车包括车体和轨道，车体和路基之间设置动力装置，车体和轨道之间设置带有定位轮的磁阻式磁力磁悬浮装置，其中磁体架1固定在车体上，轭铁架4固定在轨道上。当磁阻式磁力磁悬浮装置中轭铁Ⅰ处于磁场中心时，磁体受到轭铁Ⅰ竖直方向的力最小，处于磁力平衡位置；当车体向下移动时，磁体受到轭铁Ⅰ竖直向上的回复力，随着偏离平衡位置距离的增加，回复力逐渐达到最大值。随后，随着偏离距离的进一步增大，回复力逐渐减小，限位轮与轭铁Ⅰ上端面接触，限制偏移距离的增大，将列车维持在一个安全运行状态。当车体向上移动时，磁体受到轭铁Ⅰ竖直向下的回复力，利用这个回复拉力，可以有效防止列车脱轨。

本发明磁阻式磁力悬浮装置在电梯中的应用如图23和图24所示：常规的无绳电梯采用双边型永磁直线电机做动力源，由于永磁直线电机的初次级之间存在5～10倍于正常提升力的较大的固有法向吸引力，现在轿厢架7和固定梁6之间固定工作气隙相同、面对面布置的双边型永磁直线电机，以便抵消彼此之间的法向吸引力，减轻轿厢侧倾正压力，减小运动摩擦阻力，增加有效载荷。但电机和轨道的加工、布置不平整带来的双边型直线电机两边的工作气隙不一样，使轿厢承受很大的侧向正压力而向一侧侧斜，气隙变化越大，侧斜正压力越大。在轿厢架和磁体之间设置本发明的磁阻式磁力悬浮装置，磁体架1固定在轿厢架上，轭铁架固定在轨道内侧，轭铁Ⅰ3处于磁场中心。当轿厢承受因直线电机工作气隙变化带来的不平衡压力而向一侧偏移时，磁力平衡机构中产生阻碍轿厢偏移的斥力。磁力平衡机构中产生的阻力动态平衡和消除轿厢承受的因直线电机工作气隙变化带来的不平衡压力，有利于轿厢在轨道中间定位，保证轿厢在轨道中间平稳运行；减小了车厢和轨道之间的摩擦阻力，增加了轿厢的有效载荷。

Claims (10)

1.一种磁阻式磁力悬浮装置，包括磁体架，磁体架内相对分别固定磁体，磁体之间是轭铁，其特征在于：所述磁体的排列形式是阵列，两列阵列分别固定在非导磁磁体架(1)内两侧，两列阵列之间构成磁力线回路；两列阵列之间是轭铁Ⅰ(3)，轭铁Ⅰ(3)与两侧阵列的气隙相等，轭铁Ⅰ(3)由非导磁的轭铁架(4)支撑。

2.根据权利要求1所述的磁阻式磁力悬浮装置，其特征在于：所述阵列是Halbach阵列(2)。

3.根据权利要求2所述的磁阻式磁力悬浮装置，其特征在于：所述Halbach阵列(2)底端分别固定轭铁Ⅱ(8)，两列Halbach阵列(2)上端固定轭铁Ⅲ(9)。

4.根据权利要求3所述的磁阻式磁力悬浮装置，其特征在于：每列Halbach阵列(2)是3块、5块、7块、9块磁体组成；分别对应是1块、2块、3块、4块轭铁Ⅰ(3)，相邻两个轭铁Ⅰ(3)由非导磁材料连接。

5.根据权利要求1所述的磁阻式磁力悬浮装置，其特征在于：所述阵列是磁体和凸铁(10)交替排列的间隔阵列(11)；每列间隔阵列(11)内，相邻磁体的磁化方向竖直且相反，两列间隔阵列(11)中，处于平行位置的两磁体磁化方向相反。

6.根据权利要求5所述的磁阻式磁力悬浮装置，其特征在于：每列间隔阵列(11)是2块、3块、4块、5块磁体组成；分别对应是1块、2块、3块、4块轭铁Ⅰ(3)，相邻两个轭铁Ⅰ(3)由非导磁材料连接。

7.根据权利要求1～6之一所述的磁阻式磁力悬浮装置，其特征在于：所述磁体架是条状槽，所述阵列及轭铁是与条状槽相配合的条状。

8.根据权利要求1～6之一所述的磁阻式磁力悬浮装置，其特征在于：所述磁体架是环状槽，所述阵列及轭铁是与环状槽相配合的环状。

9.根据权利要求7所述的磁阻式磁力悬浮装置，其特征在于：磁体架和轭铁架之间、磁体架和轭铁Ⅰ(3)之间设置滑动导靴、滚动导靴之一。

10.根据权利要求8所述的磁阻式磁力悬浮装置，其特征在于：磁体架和轭铁架之间、磁体架和轭铁Ⅰ(3)之间设置滑动导靴、滚动导靴之一。

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