CN102150351B - 直线永磁驱动系统及永磁驱动磁悬浮车路系统 - Google Patents

Abstract

一种直线永磁驱动系统和永磁驱动磁悬浮车路系统，该直线永磁驱动系统包括发动机、螺线形转子(1，1‘)和定子(2)，绕转子(1，1‘)的圆周表面具有向外凸出并沿转子轴(6)方向螺旋排布的螺旋块(3)。定子(2)与转子(1，1‘)相对的表面上具有与该螺旋块(3)相对应的凸出结构(4)。定子(2)和转子(1，1‘)中的至少有一个具有永磁体，另一个具有永磁体或导磁体。永磁驱动磁悬浮车路系统包括该直线永磁驱动系统。

Description

直线永磁驱动系统及永磁驱动磁悬浮车路系统

技术领域

本发明涉及非接触磁力传动和永磁悬浮车技术领域，具体涉及直线永磁驱动机及磁悬浮车路系统，尤其是永磁直线驱动的磁悬浮车。

背景技术

纵观铁路机车的发展历程，铁路机车自诞生以来，经过了数代的变革，从轮轨的蒸汽机车、柴油机车、电力机车，到磁悬浮列车，发生了翻天覆地的变化。轮轨列车发展历史悠久，技术简单成熟。车轮与铁轨的开放式结构要求这样高的速度需要铁轨表面的平整度极高，否则一个微小的凸起或颗粒就有可能让高速轮轨列车脱轨颠覆，历年来经常会发生惨痛的轮轨列车脱轨事故和人员伤亡事件，经济损失巨大。磁悬浮列车与轨道不发生接触，列车与轨道间几乎不存在机械摩擦阻力，噪音低，乘坐舒适，速度几乎不受限制并可以超过飞机，磁悬浮列车与轨道的环抱式结构，使磁悬浮列车不会发生脱轨事故，是目前最安全的交通工具之一。磁悬浮列车的安全、高速、节能的优越性决定了磁悬浮列车将是轨道交通发展的主导方向之一。

磁悬浮列车因其安全、高速、舒适、低噪音的特点曾经倍受人们瞩目。磁悬浮列车的结构有多种，EMS电磁悬浮系统的高速磁悬浮列车采用电磁铁与轨道的吸力悬浮方式和电磁铁导向技术，这种悬浮和导向技术相对较简单而且实用。EDS电动悬浮系统的高速磁悬浮列车采用低温超导电磁体与轨道的线圈的排斥力的悬浮和自动导向技术，除此之外还要采用液氦低温制冷的低温超导技术，EDS的成本比EMS技术还要高，噪音也较大。Magplane磁悬浮飞机的轨道铝板与车载永磁系统在运行中产生悬浮斥力并能自动导向，控制系统结构简单，但是大面积使用厚铝板材料使轨道造价较高，半圆弧形轨道容易出现车厢横滚现象，更主要的问题是车载永磁体与轨道铝板之间存在巨大的电磁阻力，不具备节能优越性。

磁悬浮列车整体与轨道处于悬浮状态，因而运行磨擦阻力很小，可以达到很高的速度，同时也带来了如何与轨道之间进行快速驱动的难题。无论EMS悬浮系统和EDS悬浮系统的高速磁悬浮车，还是Magplane磁悬浮飞机，驱动技术共同采用的是同步直线电机技术，轨道上布满电磁驱动用铝线圈，使整个轨道成为了一台超级巨型的大电机，成本之巨大可想而之。同步直线电机技术为了精确控制车辆与电磁驱动的波峰同步，需要很高的同步电机控制技术，线路侧长定子分段供电换布馈电技术使沿途配电站建设需要很大投资，目前高速磁悬浮车的同步直线电机驱动轨道的高昂的成本让各国都望而却步，因而不能大面积推广。

由于磁悬浮列车与轨道之间的悬浮间隙不能太小，否则会给制造和施工带来很大困难，制造成本提高，行车也不安全。距离又不能太大，否则同步直线电机的效率明显下降，受直线电机效率的限制悬浮高度可容忍的最大高度保持在8～12毫米左右。为了降低成本，也有采用短定子直线感应电机驱动的低速磁悬浮列车。短定子直线感应电机驱动技术的轨道结构简单，造价低，容易控制。但是列车的定子与感应板在运行时的距离在8-12毫米左右，远大于旋转电机的定子与转子间的0.5-1.0毫米的间隙，导致较低的功率因数和效率，通常只有0.5-0.7，励磁功耗大，导致电机设备有较高的热损和电磁辐射损耗，在高速下其功率因数和效率会更低，因而限制其向高速发展，只适合在时速120公里以内的低速下运行。轨道上的感应板使用大面积的铝板材料，使整条轨道的造价并不低。

目前的磁悬浮技术还存在与普通铁路的不兼容的问题，不具备交通运输的“通用性”、“网络性”和“兼容性”。

但不可否认的是：磁悬浮车具有摩擦阻力小，能量消耗低，速度快如飞机，安全、节能又环保，运营和维护成本低的优点，是目前包括飞机和高速轮轨列车在内的其它高速交通工具无法取代的，尤其是磁悬浮车的显著的节能性对现在石油资源严重敲响警钟的形势下具有深远的现实意义。磁悬浮车的悬浮技术是非常成熟的，决定磁悬浮车未来成本的关键在于悬浮状态下的驱动技术。正是由于目前的高速磁悬浮列车驱动方式需要在轨道上铺满铝线圈或大面积使用厚铝板材料，使整条轨道的造价惊人，磁悬浮技术令人望洋兴叹，而低速磁悬浮列车的短定子直线感应电机驱动效率低下，因而无接触驱动技术的成本和效率决定着磁悬浮技术的未来，一旦出现驱动效率高、驱动力强劲且造价又低的无接触直线驱动技术，使磁悬浮车与轨道建设成本与高速轮轨铁路建设成本相差不多时，磁悬浮车就会有无法比拟的优势，将会成为未来的最有前途的交通工具之一。

发明内容

鉴于现有技术所存在的上述不足，本发明旨在提供一种推力大、成本低、传动效率高、噪音低、适合高速传动的新一代直线永磁驱动系统及速度快、效率高、造价低的永磁悬浮车路系统。用永磁直线驱动代替同步直线电机驱动和直线感应电机驱动，利用螺旋传动原理把旋转运动直接转化成直线运动，轨道建设不使用造价昂贵的铜铝线圈和永磁体，也不用铝板，轨道只用成本低、导磁性好的钢铁材料，实现最经济的高效率无接触的直线永磁驱动。用不耗电的永磁悬浮代替电磁悬浮和超导电涡流悬浮，通过导向轮或电磁铁辅助控制实现悬浮和导向的零功率控制，使永磁吸力可以根据车载重量随时调整，不需要较强的控制电流就可以实现完全悬浮。磁悬浮车再设置驱动转换装置，可实现磁浮轨道与现有轮轨巧妙衔接，使磁悬浮铁路具备交通运输的“通用性”、“网络性”和“兼容性”。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

本发明保护一种永磁驱动磁悬浮车路系统，包括：

直线永磁驱动系统，永磁悬浮系统，导向轮定位系统和电子控制系统，其特征在于：

所述直线永磁驱动系统包括发动机，转子，定子，主轴承和轴承座，所述转子的轴颈通过传动轴与发动机输出端相联，主轴承支承于所述转子的两端并与轴承座滑动配合；

所述转子由绕其圆周表面向外凸出并顺其转子轴方向螺旋排布的螺旋块形成螺线转子，所述螺旋块形成单头螺线或多头螺线；

所述定子上与所述螺线转子相对的表面排布有规则的凸出结构与所述螺旋块相对应；

所述螺线转子和所述定子至少有一个是带有永磁体的结构，另一个是带有永磁体或导磁体的结构；

所述定子的结构为下述四种结构之一或其组合：

(1)所述定子为与所述螺线转子同轴的1个以上绕所述螺线转子截面的环周方向分布的非封闭的瓦壳状结构的螺线定子，其上的凸出结构为与所述螺线转子上的螺旋块相对应的螺线条，并对应形成单头螺线或多头螺线；

所述螺线转子和螺线定子的螺距一致，螺旋角β＜90°。

(2)所述定子为1个以上绕所述螺线转子截面的环周方向分布的非封闭的瓦壳状结构的螺线定子，其中轴线为略带弧度的曲线，其上的凸出结构为与所述螺线转子上的螺旋块相对应的螺线条，并对应形成中轴线略带弧度的单头螺线或多头螺线；

所述螺线转子和螺线定子的螺距一致，螺旋角β＜90°；

(3)所述定子与所述螺线转子相对应的表面为平面，其上的凸出结构为斜齿条形，曲边菱形，梭形或圆柱形；

所述螺线转子通过连接臂与磁悬浮车体连接，所述定子固定于轨道上，与轨道为分体组合结构或一体结构。

其中，所述直线永磁驱动系统还包括螺线转子轴向永磁推力定位装置，包括永磁环和永磁盘；

所述永磁环，同轴固定于所述螺线转子上的轴颈上；

所述永磁盘，固定于所述<轴承座>内，并布置于所述永磁环沿轴向的两侧，并与所述永磁环分别同极相对。

所述永磁悬浮系统为可调整悬浮吸力的永磁悬浮系统，包括铁芯及与之相对的衔铁，所述铁芯为U型或H型，所述U型或H型铁芯的中间横桥位置嵌入永磁调节装置，所述永磁调节装置包括圆柱形转轴，其中部开槽装设永磁体；所述衔铁固定于轨道或定子上，与所述轨道及定子是分体组合结构或一体结构。

考虑增加磁性，可在所述H型铁芯的底部和/或中间联桥下部设置有永磁体。

所述电子控制系统，包括电磁辅助悬浮系统和电磁辅助导向系统；

所述的电磁辅助悬浮系统安装于所述可调整悬浮吸力的永磁悬浮系统的铁芯上，与所述衔铁上下对应；

所述电磁辅助导向系统，安装于所述连接臂上，与所述衔铁左右对应。

所述的永磁驱动磁悬浮车路系统，还包括岔道变轨系统，所述岔道变轨系统装设于轨道的岔道位置，包括一对平移式或旋转式岔道底板、变道对接底板、变轨驱动装置和传动装置；所述岔道底板上装设过渡轨道，分别包括直轨和弯轨各一个，所述变道对接底板上装设弯轨衔接轨；在控制系统作用下，变轨驱动装置通过传动装置带动岔道底板平移或旋转，实现直轨对接或弯道对接。

所述的永磁驱动磁悬浮车路系统，还包括驱动转换系统，所述驱动转换系统包括与连接臂相连接的横向、纵向移动装置，所述横向、纵向移动装置分别与连接臂联接，在控制系统作用下，带动连接臂的水平移动和竖直移动，完成螺线转子与定子的定位以实现永磁驱动或将螺线转子移离定子以实现常规非磁力驱动。

与现有技术相比，本发明的直线永磁驱动系统的有益效果是极为突出的：

一、传动效率高。本发明的直线永磁驱动系统采用永久强磁体进行无接触传动，几乎没有机械摩擦，不发生磁场变化，几乎不产生电磁阻力和涡流损耗，几乎没有能量损耗，螺线转子与定子组成的传动副的传动效率接近100％，高于直线同步电机和直线感应异步电机的传动效率，整体传动效率与磁力间隙为0.5-1.0毫米的旋转电机的传动效率相同，能发挥出原动机的最大效能。

二、无接触传动间隙大。永磁螺线转子与定子之间的磁隙达到10-100mm仍有很大传动力。在保证推力足够的前提下，只要不滑脱，磁隙达到10-100mm时仍然能保持近乎100％的传动效率。

三、传动力大，体积小。螺线转子的永磁体按螺旋线分布，集中在圆周上面，其展开后传动面积相当于直线电机增大至1.5-3倍，所以同样的推进力体积会更小。

四、传动速度高。由于旋转的螺线转子上面的螺旋块与转子体联结为一体，连接面积大，连接非常牢固，比喷气发动机涡轮叶片的连接还要牢固，即使螺线转子外表面线速度达到超音速仍然可以安全传动。当螺旋角为45度时，螺线转子外表面沿周向的旋转线速度与轴向传动速度相同，所以本发明的传动速度可以达到超音速，用作磁悬浮车的驱动系统时可进一步拉近城市与城市、甚至国家与国家的距离。

五、传动力均匀无波动。像滚珠丝杠的螺旋传动一样，传动的力量均匀，不发生接触，几乎感觉不到波动。

六、振动小和噪音低。螺线转子为规则的圆柱形状，能实现很高的动、静平衡。距螺线转子外表一定距离还可以包覆屏蔽套，转动起来气流搅动的声音可以屏蔽在屏蔽套里面，所以振动轻微，噪音低。

七、运行安全平稳。根据陀螺仪原理，螺线转子在高转速下能保持良好的定轴性，当其应用于磁悬浮车在高速行驶时具有良好的稳定性。

八、动力适应性强。本发明的直线永磁驱动系统只要提供旋转动力就可以实现直线驱动，所以除了采用电力驱动以外，还可以使用柴油机、汽油机、气动马达、液压马达等各种原动机驱动，适合远距离行驶。可利用环保的风能、气能、电能、太阳能，核能。将之应用于磁悬浮车车辆在城区内的短途区间低速运行，可以利用气动储存的压缩空气的能量或车载电源驱动磁悬浮车运行，省去受电器和轨道上架空线缆，不必建设沿途供电线路，将会更加环保、清洁、简约、美观。

九、节能省电。由于传动副不需耗电，而且传动效率接近100％，在低速和高转速下都能发挥很高的工作效率，螺线转子的振动轻微，噪音低，能量损失小，节能效果显著。

十、应用前景广阔。本发明的直线永磁驱动系统可广泛应用于磁悬浮列车、非接触传动机械和设备、输送有腐蚀性和无泄漏的的石油、化工行业。也可应用于机械行业、电子行业、建筑行业、工业生产、科学实验、医疗卫生等领域的非接触直线传动。

本发明所述的永磁驱动磁悬浮车路系统，除了采用了上述直线永磁驱动系统所带来的上述优势外，还具有如下的有益效果：

一、在节能省电方面，除了永磁驱动所带来的节能省电的效果外，车体悬浮采用几乎不耗电的永磁悬浮技术，低速运行时可比普通轮轨节能几倍，比地铁列车和轻轨列车节能60％-90％，符合节能减排政策。

二、线路建设综合造价低。整个轨道只用成本低廉的钢铁材料，轨道可以做到不需要永久强磁体，轨道上也不需要驱动铜质或铝质线圈，也不需要大面积铝板，所以轨道建设成本很低，与高速轮轨铁路建设成本相当。不需要建设沿途控制分电站，也不需要复杂的控制电器系统，铁路沿线建设成本低。由于传动磁力间隙大，轨道上螺线定子铁芯的加工精度不需要很高，所以制造工艺简单、制造成本低。这使得直线永磁驱动的磁悬浮铁路建设的综合成本下降到与高速轮轨建设成本相当，这将会大大促进磁悬浮技术的普及和推广。

三、岔道结构简单，容易控制，轨道定位牢固准确，接合严密，变轨时不会产生很大的轨道弯曲变形应力，比变形轨道的弯道允许通过的速度高，轨道寿命长，适合各种复杂形状的轨道。

四、通用性强。克服了磁悬浮车与现行的铁路运输系统不兼容的问题，可实现磁悬浮与普通铁路线路的相互通行，即永磁驱动悬浮轨道上面既可以高速通行磁悬浮列车，也可以低速通行普通轮轨列车，轮轨列车也可以借道临时在磁悬浮线路上通过，装有双驱动系统的磁悬浮车既可以在普通铁路上常规行驶，也可以在永磁驱动悬浮轨道上高速通行，使磁悬浮铁路具备交通运输的“通用性”、“网络性”、“兼容性”。运行调度系统可以使用与轮轨的控制系统相同的现代化调度系统和人机工程系统。

鉴于上述优势，本发明的永磁驱动磁悬浮车路系统具有广阔的应用前景，可广泛应用于城际高速轨道列车、城内地铁列车、轻轨列车、有轨电车，将成为现代城市文明的标志之一。

附图说明

图1是直线永磁驱动系统的套筒式短螺线定子直线磁力传动副结构示意图；

图2是图1的侧视图；

图3是直线永磁驱动系统的套筒式短螺线定子直线磁吸力传动副的剖面图；

图4是直线永磁驱动系统的套筒式短螺线定子直线永磁斥力传动副的剖面图；

图5是直线永磁驱动系统的与螺线转子同轴的两片瓦壳式长螺线定子磁力传动副的结构

示意图；

图6是图5的侧视图。

图7是图5的立体结构示意图。

图8是直线永磁驱动系统的中轴线略带弧度的弯曲长螺线定子磁力传动副的立体结构示意图。

图9是直线永磁驱动系统的永磁单头螺线转子立体结构示意图。

图10是直线永磁驱动系统的内置永磁芯双头螺线转子立体结构示意图。

图11是直线永磁驱动系统的永磁双头螺线转子立体结构示意图。

图12是直线永磁驱动系统的螺线转子上的螺旋块的外观立体图。

图13是直线永磁驱动系统的间断磁极的双头螺线转子立体结构示意图。

图14是直线永磁驱动系统的永磁四头螺线转子立体结构示意图。

图15是直线永磁驱动系统的带铁芯的永磁四头螺线转子立体结构示意图。

图16是直线永磁驱动系统的双层组合式螺线转子横截面磁极分布示意图。

图17是直线永磁驱动系统的单开口瓦壳式螺线定子的立体结构示意图。

图18是直线永磁驱动系统的双开口瓦壳式螺线定子及衔铁一体式结构的立体结构示意图。

图19是直线永磁驱动系统的带有斜齿条形凸出结构的平面定子的立体结构示意图。

图20是直线永磁驱动系统的带有曲边菱形凸出结构的平面定子的立体结构示意图。

图21是直线永磁驱动系统的带有梭形凸出结构的平面定子的立体结构示意图。

图22是直线永磁驱动系统的带有圆柱形凸出结构的平面定子的的立体结构示意图。

图23是直线永磁驱动系统的双向传动螺线定子的立体结构示意图。

图24是直线永磁驱动系统的带有螺线转子轴向永磁推力定位装置的螺线转子的结构示意图。

图25是永磁驱动磁悬浮车路系统的直线永磁驱动系统的螺线转子的装配结构示意图。

图26是高架桥吊轨式永磁驱动的磁悬浮车结构示意图。

图27是图26的局部放大结构示意图。

图28是地下轨道永磁驱动磁悬浮空中客车结构示意图。

图29是图28的局部放大结构示意图。

图30是图28的立体结构示意图。

图31是高架桥环抱式磁悬浮车的结构示意图。

图32(a)是旋转式岔道变轨系统处于直行状态的立体结构示意图。

图32(b)是旋转式岔道变轨系统处于转弯状态的立体结构示意图。

图33(a)是平移式岔道变轨系统处于直行状态的立体结构示意图。

图33(b)是平移式岔道变轨系统处于转弯状态的立体结构示意图。

图34是通用型磁悬浮车的纵向结构示意图。

图35是图34的立体结构示意图。

图36(a)～36(d)是通用型磁悬浮车驱动转换过程的结构示意图。图中，

1，1’.螺线转子2.定子或螺线定子3.螺旋块4.螺线条或定子上的凸出结构5.螺旋块与螺线条或定子上的凸出结构之间在磁力作用下的间隙6.螺线转子的芯轴7.衔铁8.永磁盘9.永磁环10.连接臂11.电机12.辅助悬浮的电磁线圈13.传动轴14.主轴承15.轴承座16.车体17.高架混凝土桥墩18.混凝土高架桥横梁20.U型/H型铁芯21.转轴22.导向轮23.路基24.地下空穴25.悬架式轨道26.定位轨19，27，29.永磁体28.辅助导向的电磁线圈30.地下轨道的地面开口34，34’，38，38’.直线轨道I 35，35’.岔道底板36，36’，42，42’.岔道底板上的过渡直轨道37，37’，41，41’.岔道底板上的过渡弯轨道39，39’.中间过渡轨道40，40’.直线轨道II50.车底盘51.悬架52.车轮轴53.车轮54.路枕55.铁轨61.竖向升降装置62.横向移动装置63.位移传感器

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步详细介绍。

如图1～图4所示的直线永磁驱动系统主要由螺线转子1和套筒式螺线定子2组成。螺线转子1和螺线定子2同轴布置。螺线转子1的外表面设置凸起的螺旋块3，螺线定子2与所述螺线转子1相对的表面设置螺线条4，所述螺旋块3和螺线条4的螺距一致，螺旋角β＜90°，所述螺旋块3和螺线条4的材料可以都是永久强磁体(简称永磁体)，如钕铁硼材料，也可以一个是永久强磁体，另一个是导磁性良好的铁磁性材料(简称导磁体)。通常为了降低成本，节省贵重的稀土材料，一般是较长的采用低成本的导磁性钢铁材料，较短的采用永磁材料。

所述直线永磁驱动系统的工作原理：如图1和图2所示，同轴设置的螺线转子1上的螺旋块3的外径小于螺线定子2上的螺线条4的内径，螺线转子1上的螺旋块3为永磁体，螺线定子2上的螺线条4为导磁性材料，两者之间产生磁性吸引力；反之亦然，如图3所示，螺线转子上的螺旋块3为导磁性材料，螺线定子上的螺线条4为永磁体。由于螺线条4和螺旋块3之间相互吸引的磁力很大，很难发生相对偏移，其中一条螺旋线会沿着另一条螺旋线移动，这样当其中一个螺旋线即螺线定子2固定，另一个螺旋线即螺线转子1旋转时，旋转的螺旋线即螺线转子1就会沿着固定的螺旋线即螺线定子2运动，即螺线转子1和螺线定子2通过磁性相吸的螺旋块3和螺线条4实现无接触的螺旋传动。

反之，当螺线转子1固定时，螺线定子2旋转，旋转的螺线定子2上的螺线条4为永磁体，螺线转子的螺旋块3为导磁性材料；或者螺线条4为导磁性材料，螺旋块3为永磁体，则在磁力作用下，螺线定子2绕螺线转子1作螺旋运动；如同拧螺丝一样。

当螺线条4和螺旋块3均为永磁体时，分下列两种情况。一种情况是螺线条4和螺旋块3之间相对的磁极方向相反，产生吸引力，此时螺旋块3的外径小于螺线条4的内径，工作原理与前述相同。另一种情况是螺线条4和螺旋块3之间相对的磁极相同，即N极与N极相对，S极与S极相对，产生磁斥力。此时螺旋块3的外径与螺线条4的内径相等，如图4所示，螺旋块3的外径和螺线条4的内径在同一个圆周上，彼此靠磁斥力保持一定间隙5，并靠磁斥力传动，形成无接触磁力传动。

上述直线永磁驱动系统，由于磁力传动部分相对面积很大，磁力巨大，传动时转子和定子之间没有接触，因而没有摩擦产生，也不产生高频电磁损耗，传动效率接近100％。应用前景广泛，包括代替滚珠丝杠用于机床无接触直线传动；用于石油行业的直线往复式抽油泵中，由旋转电机往复回转带动螺线转子在旋转同时在螺线定子中作往复直线运动，带动抽油泵的柱塞往复直线运动，实现往复抽油；再比如，将其用于升降电梯中至少两根升降立柱的结构作为长螺线转子，套筒式的螺线定子套于长螺线转子上，螺线定子与电梯平台固定连接，长螺线转子固定，由电动机驱动带动螺线定子回转，螺线定子托动电梯平台实现上下直线运动。

如图5、6、7所示，直线永磁驱动系统主要由螺线转子1和螺线定子2组成。螺线转子1和螺线定子2同轴布置。螺线定子2包括两块瓦壳状结构，瓦壳状结构的概念是圆筒形的侧面带有纵向贯通的豁口。螺线转子1上的螺旋块3的外径小于螺线定子2上的螺线条4的内径，之间存在间隙5。螺线定子2的内表面设置凸起的螺线条4，螺线转子1的外表面设置凸起的螺旋块3，所述螺线条4和螺旋块3可以都是永磁体，也可以一个是永磁体，另一个是导磁性材料。如图5、6、7所示的结构中，较长的螺线定子2上的螺线条4为导磁性材料，较短的螺线转子1上的螺旋块3为永磁体，如钕铁硼材料；两者之间产生磁力，相互吸引，实现无接触磁力传动。由于所述磁吸力很大，相对的螺旋线很难发生错位偏移，当螺线定子2固定时，螺线转子1旋转，螺线转子1的螺旋线就会沿着螺线定子2作螺旋运动，实现无接触的螺旋传动。即螺线转子1和螺线定子2通过相互吸引的螺旋块3和螺线条4构成无接触的螺旋传动副。

螺线转子和螺线定子同轴设置，实际应用也可能偏心，也可能互成角度。这主要是由装配误差或转弯时造成的。

如图8所示，直线永磁驱动系统的螺线定子2仍为两个瓦壳状结构，并且螺线转子1上的螺旋块3的外径小于螺线定子2上的螺线条4的内径，之间存在间隙5。与前者所不同处在于，其中心轴线弯曲略带弧度，故可用于磁悬浮车路系统中转弯位置的螺线定子。

螺线转子1的螺旋块3和螺线定子2的螺线条4构成的螺旋线的数量可为1条或多条，最好为偶数，其磁极的排布方式可以是沿径向、轴向、周向或其组合形式，如图9～图11和图14～图16所示；图15还给出了一种永磁体螺旋块嵌入式的螺线转子的形式，螺线转子1的芯轴6为非导磁性材料，如铝、不锈钢、非金属等，螺线转子1的外圆周表面为导磁材料，其外圆周表面沿螺线方向挖出螺线槽，永磁体材料的螺旋块3镶嵌其中，其磁极排布方式如图15所示沿周向排布，相临磁极同极相对，则螺线转子1传导出更为集中的强磁场。

螺线转子1和螺线定子2螺距一致，螺旋角β＜90°；所述的螺线转子1的螺旋块3可以是整体的也可以是间断的小块的组合，如图12～图13所示。

当螺线转子1和螺线定子2的螺旋线的螺旋角为45度时，螺线转子1的周向旋转线速度等于轴向运行的速度，即螺线转子1表面的周向旋转线速度与轴向前进的速度是相同的。当螺线转子1和螺线定子2的螺旋线的螺旋角小于45度时，螺线转子1的轴向前进速度就会小于螺线转子1的周向旋转线速度，实现减速传动；当螺线转子1和螺线定子2的螺旋线的螺旋角大于45度时，螺线转子1的轴向前进速度就会大于螺线转子1的周向旋转线速度，实现升速传动。改变螺旋线的螺旋角就可以改变直线永磁驱动机的传动比。

所述定子2除了前述螺线定子的结构外，还可以是平面结构，其上与所述螺线转子的螺旋块相对应的凸出结构4除了螺线条的结构外，还可以是斜齿形、曲边菱形、梭形、圆柱形等，如图19、图20、图21和图22所示；

所述螺线定子2的凸出结构还可采用曲边菱形的结构，所述曲边菱形为左旋或右旋的螺线条交叉部分构成的凸出结构，故在此螺线定子2上，可同时配合使用左旋螺线转子1和右旋螺线转子1’，如图23所示。

所述螺线转子的螺旋块3之间可以设置填充材料，填充材料可以是导磁材料，也可以是非导磁的材料。填充材料可以作为压紧块，对螺旋块3起到定位、连接和固定作用。

上述的螺线转子1的表面可以包覆保护套。保护套的材料是不导磁的材料。

在距离上述的螺线转子1的表面一定距离以外可以设置屏蔽套，以减少旋转气流噪声向外传导，降低噪声，使螺线转子1在高速转动时噪音也较低。

衔铁7可以作为轨道，也可与轨道相连，作为轨道的一部分；衔铁7也可与定子作成一体结构，如图18所示；

所述直线永磁驱动系统还包括螺线转子轴向永磁推力定位装置，如图24所示，主要由永磁环9和永磁盘8组成：

所述永磁环9，同轴固定于所述螺线转子1的轴颈6上；

所述永磁盘8，固定于直线永磁驱动系统的轴承座15内，并布置于所述永磁环9沿轴向的两侧与所述永磁环9分别同极相对。

所述螺线转子1的轴颈6通过传动轴13与电机11输出端相联，主轴承14支承于所述螺线转子1的两端并与轴承座15滑动配合，两端护有导流罩，如图25所示；电机11通过传动轴13带动螺线转子1高速旋转，螺线转子1在传动中发生轴向移动时，由于螺线转子1的轴向永磁推力定位装置，即永磁环9与永磁盘8的磁斥力平衡，大大减轻甚至消除了主轴承14的轴向负荷，在高转速和承受较大的轴向传动力时，减少轴承的轴向摩擦和发热，延长轴承的使用寿命，并节约能源。

现举例说明永磁驱动磁悬浮车路系统的典型应用：

根据螺线定子2的开口方向不同和螺线转子1与连接臂10的连接方式的不同可以形成多种不同的磁悬浮车路系统的方案。现列举4个典型的结构对本发明进行说明。

实施例1：高架桥吊轨永磁驱动磁悬浮车

如图26所示，在混凝土桥墩17上铺设混凝土高架桥横梁18，混凝土高架桥横梁18的底部固定连接螺线定子2，螺线定子2与螺线转子1同轴，螺线定子2为开口向下的瓦壳形并在开口处向下延伸形成凹槽定位轨道26与导磁性衔铁7的一体结构。

所述螺线转子1通过连接臂10与车体16连接，连接臂10上设置U型铁芯20，U型铁芯20的中间横桥上嵌入永磁调节装置，即中部开槽嵌装永磁体19的圆柱形转轴21，在U型铁芯20与衔铁7相对应的端部设置电磁线圈12，带有永磁调节装置的U型铁芯20和电磁线圈12与衔铁7产生吸力，并可根据车体不同的载重需要调节磁悬浮吸力：永磁体19的磁场通过转轴21传到U型铁芯20的两端，与对应的衔铁7组成完整的磁路产生吸力悬浮。转轴21与U型铁芯之间滑动配合，可在铁芯20的圆柱形槽口内旋转，磁场会发生变化，永磁体19的两极分别处于水平方向时对衔铁7的磁性吸力最大，当旋转90度时磁场在铁芯内部闭合，对外部的衔铁7不产生磁性吸力，通过电机或机械驱动装置改变转轴21的旋转角度并配合辅助悬浮的电磁线圈12的作用即可控制永磁悬浮系统的悬浮吸力。

连接臂10上还设置轮轴，轮轴上设置导向轮22，导向轮22分布在连接臂10两侧，安放在凹槽定位轨道26内，如图27所示；导向轮的作用是限定螺线定子2与螺线转子1保持同心的平衡位置，控制连接臂10上的U形铁芯20与衔铁7之间的间隙在适当的位置，在转弯或振动时承受额外载荷，同时也防止车体脱轨。

两个螺线转子1分别由电动机驱动，旋转方向最好是相反的方向，以便彼此抵消螺线转子1与螺线定子2传动时的扭矩。螺线转子1旋转，其上的螺旋块3与螺线定子2上的螺线条4产生前进的拉力，使磁悬浮车向前行驶。螺线转子1与螺线定子2之间的拉力方向斜向上方，可同时提供了向上的悬浮分力和前进驱动力。

混凝土高架桥上面可以通车行驶各种机动车，高架桥下面可以悬空行驶磁悬浮列车，地面上还可以通车行驶各种机动车，形成空间立体客运网络，增强高架桥的利用率，增大单位空间的客运量。

实施例2：低速地下轨道磁浮空中客车

如图28～30所示，在公交线路的路基23下面，设置地下空穴24。地下空穴24的内部设置直线永磁驱动系统、可调整悬浮吸力的永磁悬浮系统、导向轮定位系统和电子控制系统，磁浮客车车体16由很长的连接臂10托起在地面以上2米以上的空中行驶，即所谓空中客车，通过加长的连接臂10连接车体16和螺线转子1。客车底部的空当可以通过轿车、吉普车等小型机动车，空中客车的停靠和行驶不会妨碍其他车辆的通行，可实现无障碍停车。

空中客车靠设置于地下空穴24中的直线永磁驱动系统驱动，可调整悬浮吸力的永磁悬浮系统实现和控制悬浮。如图29所示，地下空穴24内部固定设置悬架式轨道25，悬架式轨道25内部居中上下固定设置螺线定子2，悬架式轨道25侧向伸出定位轨26；衔铁7为悬架式轨道25的一体式结构，位于悬架式轨道25下部，与H型铁芯相对，所述的H型铁芯的中间横桥位置嵌入永磁调节装置，即中部开槽装设永磁体19的圆柱形转轴21，同时，H型铁芯的中间横桥下部设置永磁体27；则当两处磁体磁场方向相同设置时可进一步增强磁场强度。通过电机或机械装置旋转转轴21的角度可控制H型铁芯20与衔铁7之间的磁场强度在最大和最小之间变化。改变转轴21的旋转角度就可以控制永磁悬浮系统的悬浮吸力。

加长的连接臂10上面还设置导向轮22靠在悬架式轨道25的定位轨26上。导向轮22在低速下可以起到限制悬浮系统和驱动系统沿预定的轨迹行驶而不偏离轨道，保证导向轮22与定位轨26之间始终在最小的接触压力下行驶。导向轮22可防止因列车转弯时的离心力过大或者出现力量急剧变化造成的失衡现象。

螺线转子1在螺线定子2内部旋转并沿轴向运动，带动连接臂10推动车体16行驶。

螺线转子1与螺线定子2全部潜伏在地面以下，螺线转子1的强磁场被螺线定子2和悬架式轨道25包围着，屏蔽掉磁场，对地面不会有任何电磁辐射影响。

地下轨道的地面开口30远小于机动车橡胶轮胎宽度，不会影响地面的车辆行驶和转向，车辆既可以在空中客车底部行驶，也可以在空中客车的外部随时转弯和变换车道，很适合在城市路面使用，建设快速客车通道，一条行车道相当于两条行车道，明显加大客运量，加速城市客流流通。这种方案介于地铁和高架桥结构之间，却比地铁成本和高架桥结构成本低很多，同时避免了地铁列车的活塞阻力效应，行车阻力更小，由于采用永磁悬浮和永磁驱动技术，摩擦阻力极其轻微，运行噪音很低，可实现节能行车，比地铁和普通客车节能50％-90％。实施例3：高架环抱式磁悬浮车

如图31所示，所述的高架环抱式磁悬浮车，在混凝土桥墩17上铺设混凝土高架桥横梁18，混凝土高架桥横梁18的左右两侧固定连接螺线定子2，与前述磁浮空中客车相似，与螺线定子2同心设置的螺线转子1通过连接臂10与车体16连接，连接臂10上设置H型铁芯20；与所述的磁浮空中客车不同处在于，它还包括了电子控制系统，电子控制系统包括辅助悬浮的电磁线圈12和辅助导向的电磁线圈28；所述辅助悬浮的电磁线圈12安装于所述永磁悬浮系统的铁芯20上，与所述衔铁7上下对应；位移传感器63安装于所述连接臂10上，与所述衔铁7上下对应；所述辅助导向的电磁线圈28安装于所述连接臂10上，与所述衔铁7左右对应。

永磁悬浮系统的铁芯20与衔铁7之间的磁吸力为主要的永磁悬浮力，并通过磁力调整系统即转轴21控制永磁体旋转角度，提供合适的永磁悬浮力。当磁悬浮车上下位置偏离平衡位置时，辅助悬浮的电磁线圈12通过位移传感器63和反馈回路控制与衔铁之间产生电磁回复力，回到平衡位置。当列车向两侧偏移时，辅助导向的电磁线圈28与衔铁7之间产生向中心的回复力，保持车体16的左右位置处于中心平衡位置。在平衡位置时，悬浮几乎可以不需耗电，而且在偏离平衡位置时只需提供较小的回复电流，实现节能磁悬浮。

所述高架环抱式磁悬浮车的可调整悬浮吸力的永磁悬浮系统中的H型的铁芯20的两个底面分别设置永磁体29，其磁极方向上下相反，两个永磁体29底部再设置导磁性材料。连接臂10也可以是导磁性材料。永磁体29与嵌于转轴21内部的永磁体19，两处磁体的磁场相互叠加或抵消，从而调整悬浮吸力在合适的力量，永磁体19的磁场方向为水平方向设置时可达到最大的磁场强度。当转轴21旋转180度时，底部两个永磁体与中间的永久磁体的磁场方向相互抵消，为最小磁场强度。调整转轴21的旋转角度可控制H型铁芯20与对应的衔铁7之间的磁场强度在最大和最小之间变化。通过电机或机械驱动装置改变转轴21的旋转角度就可以控制永磁悬浮系统的悬浮吸力的变化。

高架桥结构占地面积小，这种高速磁悬浮车对于城区内和城区间的客货运输会起到促进作用，可加速客流往来和大大降低物流运输成本，如图31所示。

当列车高速运行过程中，高速旋转的螺线转子1如同惯性陀螺一样，具有自稳定的作用，所以更容易控制列车的悬浮。

下面将结合附图就本发明的两种岔道变轨系统作进一步的具体描述：

所述永磁驱动磁悬浮车路系统的旋转式岔道变轨系统，如图32(a)、32(b)所示，设于轨道的岔道位置，包括一对旋转式岔道底板35和中间过渡轨道39’：即在轨道岔道位置截断出端面为圆柱面的豁口，豁口内装设岔道底板35，每个岔道底板35上分别安装过渡轨道，包括直轨道36、42和弯轨道37、41；岔道底板35由变轨驱动装置牵引，可以绕转轴作顺时针或逆时针方向的旋转；之间的变道对接底板上设置中间过渡轨道39’，可以是固定的，也可以是回转的，在本实施例中中间过渡轨道39’始终保持固定。

当直行车辆通过时，由变轨驱动装置牵引，岔道底板35绕竖直的转轴逆时针旋转至如图32(a)所示位置，道岔两端的直线轨道被岔道底板35上的直轨道34-36-38接通，磁悬浮车16可以高速直行。

当需要变轨时，两个岔道底板35由变轨驱动装置牵引同时作顺时针旋转至如图32(b)所示位置，直线轨道34与弯轨道37-39-41接通，并接至另一条直线轨道40上，磁悬浮车16即完成变轨，进入另一条轨道40上继续行驶。

上述永磁驱动磁悬浮车路系统的平移式岔道变轨系统，如图33(a)、33(b)所示，也设置于轨道的岔道位置，包括一对平移式岔道底板35’和中间过渡轨道39’：即在轨道转弯处平行截断出平行的平面豁口，豁口内设置岔道底板35’，每个岔道底板35’上分别安装过渡轨道，过渡轨道包括直轨道36’、42’和弯轨道37’、41’，岔道底板35’由变轨驱动装置牵引，可以实现左右滑移；两个岔道底板35’之间为中间过渡轨道39’，图示结构需要保持固定位置，中间过渡轨道39’底部为变道对接底板；

当直行车辆通过时，由变轨驱动装置牵引，岔道底板35’向内平移至如图33(a)所示位置，直线轨道34’-36’-38’接通，磁悬浮车16可以高速直行。

当需要变轨时，岔道底板35’由变轨驱动装置牵引分别向外平移至如图33(b)所示位置，直线轨道34’与弯轨道37’-39’-41’接通，并接至另一条直线轨道40’上，磁悬浮车16即完成变轨，进入另一条轨道40’上继续行驶。

实施例4：通用型环抱式磁悬浮车

如图34，图35所示，是可以在普通铁路和高速磁悬浮轨道之间都能通用的解决方案，使磁悬浮铁路具备交通运输的“通用性”、“网络性”、“兼容性”。

所述的通用型环抱式磁悬浮车，如图34所示，是在前述的环抱式磁悬浮车的基础上，底部安装了与现有铁轨线路通用的底盘50、悬架51、轮轴52和车轮53，在车体16底部和连接臂10之间设置有横向移动装置62，横向移动装置62的外端与竖向升降装置61联接，竖向升降装置61末端与连接臂10联接，连接臂10下端与包括螺线转子1的直线永磁驱动系统固定联接。在磁悬浮状态下行驶时，在固定于连接臂10上的升降控制装置和位移传感器63的作用下，通过竖向升降装置61和横向移动装置62的伸缩移动将螺线转子1准确定位于螺线定子2中的平衡位置。同时，车体16底部的车轮53与铁轨55相脱离或轻微接触，如图34所示。

在连接臂10上还可以安装导向轮22，导向轮22可防止因列车转弯时的离心力过大或者出现力量急剧变化造成的失衡现象。

所述通用型环抱式磁悬浮车在磁悬浮轨道与普通轮轨上行驶的切换过程，如图36(a)～36(d)所示：

磁悬浮车在磁悬浮轨道上行驶的状态，如图36(a)所示，当其要进入普通铁路轨道线路前，先减速，再让底部的车轮与轨道完全接触；

磁悬浮车减速或停车后，连接臂10由横向移动装置62水平向外牵引移动，带动螺线转子1向外移动，直至完全脱离轨道，如图36(b)所示；

随之，连接臂10在竖向升降装置61的作用下向上移动，带动螺线转子1向上抬起至铁轨上部，如图36(c)所示。

继而，连接臂10在横向移动装置62的收缩作用下，向内侧移动，带动螺线转子1向内收拢，如图36(d)所示，即完成磁悬浮行车向普通铁路轮轨行车的转换过程。车辆再进入普通轮轨铁路线低速行驶。

反之，所述通用型环抱式磁悬浮车也可由普通铁路轮轨进入磁悬浮轨道行驶，则按照相反的操作程序，即连接臂10在横向移动装置62和竖向升降装置61的带动下，将固定其上的螺线转子1按相反的路径定位于螺线定子2内，即可在磁悬浮轨道上高速行驶。

上述通用型环抱式磁悬浮车实现了磁悬浮车辆在普通铁路和磁悬浮铁路之间便捷地转换，从而具备交通运输的“通用性”、“网络性”、“兼容性”。

上述实施例组合实施可形成全方位立体空间的磁浮交通网络系统，成为绿色节能的磁浮交通系统，与现有其他交通系统互为补充。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种永磁驱动磁悬浮车路系统，包括：

直线永磁驱动系统，永磁悬浮系统，导向轮定位系统和电子控制系统，其特征在于：

所述直线永磁驱动系统包括发动机，转子，定子，主轴承和轴承座，所述转子的轴颈通过传动轴与发动机输出端相联，主轴承支承于所述转子的两端并与轴承座滑动配合；

所述转子由绕其圆周表面向外凸出并顺其转子轴方向螺旋排布的螺旋块形成螺线转子，所述螺旋块形成单头螺线或多头螺线；

所述定子上与所述螺线转子相对的表面排布有规则的凸出结构与所述螺旋块相对应；

所述螺线转子和所述定子至少有一个是带有永磁体的结构，另一个是带有永磁体或导磁体的结构；

所述定子的结构为下述四种结构之一或其组合：

(1)所述定子为与所述螺线转子同轴的1个以上绕所述螺线转子的环周方向分布的非封闭的瓦壳状结构的螺线定子，其上的凸出结构为与所述螺线转子上的螺旋块相对应的螺线条，并对应形成单头螺线或多头螺线；

所述螺线转子和螺线定子的螺距一致，螺旋角β＜90°；

(2)所述定子为1个以上绕所述螺线转子截面的环周方向分布的非封闭的瓦壳状结构的螺线定子，其中轴线为略带弧度的曲线，其上的凸出结构为与所述螺线转子上的螺旋块相对应的螺线条，并对应形成中轴线略带弧度的单头螺线或多头螺线；

所述螺线转子和螺线定子的螺距一致，螺旋角β＜90°；

(3)所述定子与所述螺线转子相对应的表面为平面，其上的凸出结构为斜齿条形，曲边菱形，梭形或圆柱形；

所述螺线转子通过连接臂与磁悬浮车体连接，所述定子固定于轨道上，与轨道为分体组合结构或一体结构。

2.根据权利要求1所述的永磁驱动磁悬浮车路系统，其特征在于：

所述直线永磁驱动系统还包括螺线转子轴向永磁推力定位装置，包括永磁环和永磁盘；

所述永磁环，同轴固定于所述螺线转子上的轴颈上；

所述永磁盘，固定于所述轴承座内，并布置于所述永磁环沿轴向的两侧与所述永磁环分别同极相对。

3.根据权利要求1所述的永磁驱动磁悬浮车路系统，其特征在于：

所述永磁悬浮系统为可调整悬浮吸力的永磁悬浮系统，包括铁芯及与之相对的衔铁，所述铁芯为U型或H型，所述U型或H型铁芯的中间联桥位置嵌入永磁调节装置，所述永磁调节装置包括圆柱形转轴，其中部开槽装设永磁体；所述衔铁固定于轨道或定子上，与所述轨道及定子是分体组合结构或一体结构。

4.根据权利要求3所述的永磁驱动磁悬浮车路系统，其特征在于：

所述H型铁芯的底部和/或中间联桥下部设置有永磁体。

5.根据权利要求3所述的永磁驱动磁悬浮车路系统，其特征在于：

所述电子控制系统，包括电磁辅助悬浮系统和电磁辅助导向系统；

所述的电磁辅助悬浮系统安装于所述可调整悬浮吸力的永磁悬浮系统的铁芯上，与所述衔铁上下对应；

所述电磁辅助导向系统，安装于所述连接臂上，与所述衔铁左右对应。

6.根据权利要求1所述的永磁驱动磁悬浮车路系统，其特征在于：

还包括岔道变轨系统，所述岔道变轨系统装设于轨道的岔道位置，包括一对平移式或旋转式岔道底板、变道对接底板、变轨驱动装置和传动装置；所述岔道底板上装设过渡轨道，分别包括直轨和弯轨各一个，所述变道对接底板上装设弯轨的衔接轨；在控制系统作用下，变轨驱动装置通过传动装置带动岔道底板平移或旋转，实现直轨对接或弯道对接。

7.根据权利要求1所述的永磁驱动磁悬浮车路系统，其特征在于：

还包括驱动转换系统，所述驱动转换系统包括与连接臂相连接的横向、竖向移动装置，所述横向、竖向升降装置分别与连接臂联接，在控制系统作用下，带动连接臂的水平移动和竖直移动，完成螺线转子与定子的定位以实现永磁驱动或将螺线转子移离定子以实现常规非磁力驱动。

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