CN103318048A

CN103318048A - 一种用于磁浮列车的串联型永磁混合悬浮装置

Info

Publication number: CN103318048A
Application number: CN2013102072419A
Authority: CN
Inventors: 刘国清; 陈殷; 张昆仑
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2013-05-29
Filing date: 2013-05-29
Publication date: 2013-09-25

Abstract

本发明公开了一种用于磁浮列车的串联型永磁混合悬浮装置。该装置中电磁铁与永磁体磁路串联，且其U型截面外沿宽度大于F型轨道外沿宽度。将多套该装置安装于转向架下方，且保证其与F型轨道正对，可实现磁浮列车的混合悬浮。该型结构与传统结构相比，其悬浮力与气隙关系较弱，因此当载重、轨道平整度等因素导致悬浮变化时，电磁力波动较小，避免了传统结构普遍存在的悬浮吸死问题。降低了控制难度，同时增加了运行安全可靠性。与并联型永磁混合悬浮装置相比，该发明可实现“0”功率悬浮，降低能耗，且该装置结构更为简单，便于工程化生产。

Description

一种用于磁浮列车的串联型永磁混合悬浮装置

所属技术领域

本发明涉及磁悬浮列车技术领域，具体涉及一种用于吸力型磁浮列车的永磁混合磁浮装置。

背景技术

自上世纪20年代德国工程师肯佩尔提出磁浮列车概念以来，这种新型交通方式以其高速、安全等优势成为未来交通的主要方式之一。经过近百年的发展，磁浮列车逐渐形成电磁吸力悬浮（EMS）和电动斥力悬浮（EDS）两种主要模式。其中吸力悬浮目前逐步成为主流模式，德国TR、日本HSST系统均为改型磁浮的典型代表。

以上两种模式为常导磁浮，依靠电磁铁产生吸力，通过调整电流大小改变悬浮力和悬浮气隙，从而实现稳定悬浮。这种悬浮方式能耗较高，载重能力较低，成为制约其发展的主要原因之一。

为了克服常导吸力悬浮的缺陷，有学者提出混合悬浮模式，依靠通电的超导线圈提供悬浮力，常导线圈仅在负载或气隙突变时起到调节作用，从而实现“0”功率悬浮。但这种悬浮方式成本较高，且超导线圈存在“失超”风险。

随着稀土科学的发展，有学者提出用永磁体替代超导线圈，提供稳定悬浮力，常导线圈仅对悬浮气隙起调节作用。但由于永磁体磁场不可控，且传统的永磁混合悬浮结构中，悬浮模块外极板和F型悬浮轨道等宽，因此悬浮力随气隙变化非常明显，当气隙较小时，悬浮力远大于列车重力，因而易导致列车“吸死”（即悬浮气隙为0），且由于常导线圈能提供的最大反向电磁力远小于“吸死”时永磁体提供悬浮力，故列车一旦“吸死”很再难落下，从而严重影响了运行安全性。并联型混合悬浮装置虽然能避免悬浮“吸死”，但其将永磁模块和电磁模块交替布置于转向架下方，两种模块结构不同，因此其工艺较为复杂，成本较高。更为重要的是，并联式永磁混合悬浮必须满足“吸死”时永磁体所提供悬浮力小于列车重力，因此在额定气隙下，电磁铁始终处于工作状态，增加了能耗，不能实现“0”功率悬浮。

发明内容

鉴于现有技术的缺点，本发明的目的是设计一种新型永磁混合磁浮装置，使之能克服现有技术的缺点，减弱悬浮力随气隙变化的敏感性，从而实现任意可能气隙状态下永磁体提供的悬浮力与列车重力相当，即当悬浮气隙为0时，永磁体悬浮力仅略大于列车重力，此时可通过常导线圈产生的反向电磁力避免“吸死”。

本发明目的可通过如下手段实现：

一种用于磁浮列车的串联型永磁混合悬浮装置，置于列车转向架F型轨道下方,由多个由永磁体通过极板与电磁铁组成的悬浮模块构成，实现混合悬浮，其特征在于：

A）所述悬浮模块中,永磁体与电磁铁磁路为串联关系。

B）所述悬浮模块截面为U型，其两极板外沿宽度大于F型轨道宽度；所述F型轨宽度为轨道安装后下部工作平面的外沿宽度。

C）一定数量的悬浮模块中心线与F型轨中心线重合。

采用本发明的结构，永磁体磁场与电磁铁磁场串联后与F型轨道构成磁场回路，产生吸力，通过安装梁对磁浮列车的转向架产生向上的悬浮力。其基本原理与传统永磁混合悬浮类似，但传统结构中永磁体所提供悬浮力随气隙指数变化，为了节能通常设计额定气隙下永磁体悬浮力等于重力，而当气隙减小到一定值（如1mm）后，悬浮力远大于重力，而常导线圈过流能力有限，无法提供足够的反向磁场，因此很容易造成“吸死”。而本发明结构中，永磁体所提供悬浮力在各种可能气隙条件下几乎保持恒定，因此通过选取合理的永磁材料，可使得额定气隙下永磁体悬浮力等于列车重力，同时在极小气隙（甚至零气隙）下略大于重力，此时可通过常导线圈反向通磁，减小悬浮力，使得列车下落，当达到额定气隙时，断开常导线圈，电磁铁停止工作，完全由永磁体提供吸力。

以下为典型工况下该装置工作状态：

1、额定悬浮状态

当处于额定悬浮状态时，气隙为额定值，通过合理参数配置可满足此时永磁体提供悬浮力等于列车重力，系统处于“0”功率工作状态，无悬浮能耗。

2、起浮状态

当列车起浮时，工作气隙较大（如20mm），永磁体能提供的悬浮力小于列车重力，此时在常导线圈中通以直流电，使电磁铁与永磁体磁场叠加，以满足电磁力大于列车重力，在电磁力作用下列车起浮。

3、小气隙状态

当列车因为轨道平顺等因素造成悬浮气隙小于额定气隙时，本发明可使得悬浮力仅略大于重力，此时在常导线圈中通以与状态2反向的直流电，电磁铁为永磁体反向充磁，使得悬浮力小于重力，列车下落，悬浮气隙增大，直至达到状态1后，电磁铁停止工作。

4、故障状态

当由于永磁体失磁等因素造成额定气隙下永磁体悬浮力小于（或大于）重力时，此时给常导线圈通电，使得电磁铁与永磁体磁场叠加（或抵消），从而增加（或减小）悬浮力，以满足列车稳定悬浮。

综上所示，通过合理配置参数，本发明结构能有效解决永磁混合悬浮“吸死”问题，提高了安全性，同时由于悬浮力随气隙变化不明显，也降低了控制难度。

附图说明如下：

附图1为本发明中模块与F型轨相对位置关系图。

附图2中：图2(a)为本发明悬浮模块截面图，图2(b)传统混合悬浮模块截面图。

附图3是应用实施例的串联式永磁体混合装置实际工程图。

附图4为附图3所示参数下传统结构与本发明结构电磁力与气隙关系实验曲线。

下面结合附图对本发明的结构作进一步的详述。

如图1所示，10为永磁体，11为极板，12为电磁铁，20为F型轨。悬浮模块截面为U型，与F轨正对排列，图1所示为列车转向架一侧示意图，另一侧与之对称布置。

由图2（a）可知，传统结构中悬浮模块U型截面宽度与F轨宽度相等，而由图2（b），本发明结构中，悬浮模块外沿大于F轨宽度，且电磁铁与永磁体磁路为串联关系。

参考株洲中低速磁浮商业试验线技术指标，列车满载时单位长度质量为2.4T，由于列车质量对称分布，单位长度下单侧悬浮质量1.2T。为满足悬浮要求，设计串联型混合悬浮装置尺寸如图3所示。

图4为图3所示参数下，传统结构与本发明结构电磁力随气隙变化曲线（传统结构悬浮模块宽度与F轨宽度相同，均为220mm）。由图可知，串联型混合悬浮装置悬浮力几乎不随气隙变化，气隙8mm下永磁体提供悬浮力为12kN，恰为列车重力。而零气隙下悬浮力为12.58kN，仅增加4.87%，此时电磁铁仅需反向充磁，克服4.87%倍重力。采用传统结构，电磁力随气隙指数衰减，气隙20mm时满足额定悬浮力要求12kN，而当气隙衰减为0时，悬浮力130.23kN，比额定悬浮力增加983.3%。为避免“吸死”，电磁铁需反向充磁，克服983.3%倍重力，显然远远超过常导线圈过载能力，因此无法避免“吸死”。

综上所述，本发明的永磁混合磁浮装置是节能、易于控制、切实可行的。可良好地用于吸力型磁浮列车。

上述针对较佳实施例的具体描述，本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种用于磁浮列车的串联型永磁混合悬浮装置，置于列车转向架F型轨道下方,由多个由永磁体通过极板与电磁铁组成的悬浮模块构成，实现混合悬浮，其特征在于：

A）所述悬浮模块中,永磁体与电磁铁磁路为串联关系；

B）所述悬浮模块截面为U型，其两极板外沿宽度大于F型轨道宽度；所述F型轨宽度为轨道安装后下部工作平面的外沿宽度;

C）一定数量的悬浮模块中心线与F型轨中心线重合。

2.根据权利要求1所述之用于用于磁浮列车的串联型永磁混合悬浮装置，其特征在于,一个转向架内若干套悬浮装置并排编组。