CN103481794B - 一种中低速磁浮列车用组合式悬浮电磁铁及制作方法 - Google Patents

Abstract

一种中低速磁浮列车用组合式悬浮电磁铁及制作方法，该结构包括至少一个永磁悬浮组件以及一个以上的电磁悬浮组件和/或混合悬浮组件，所述永磁悬浮组件与电磁悬浮组件和/或混合悬浮组件通过共用的铁芯极板组合安装在一起。该方法的步骤为：（1）确定永磁悬浮组件中永磁体的结构尺寸；（2）针对列车正常悬浮、起浮大气隙工作情况，设计确定电磁悬浮组件中励磁线圈和/或混合悬浮组件中励磁线圈的匝数和永磁体结构尺寸。本发明具有结构简单、成本低廉、可靠性好、便于维护；且悬浮能耗少，悬浮控制调节性能好的优点。

Description

一种中低速磁浮列车用组合式悬浮电磁铁及制作方法

技术领域

本发明主要涉及到中低速磁浮列车领域，特指一种适用于中低速磁浮列车的组合式悬浮电磁铁及制作方法。

背景技术

中低速磁浮列车通过电磁吸力实现车辆与轨道无接触支撑，采用直线感应电机牵引技术。与其它城轨交通（如地铁、轻轨等）相比，中低速磁浮列车具有噪声低、爬坡能力强、拐弯半径小的优势，是一种未来城市或城郊可发展公共交通工具。

传统中低速磁浮列车采用电磁悬浮技术，其车载悬浮电磁铁是由多个电磁悬浮组件1按照一定方式组合起来，如图1所示。当电磁悬浮组件1中的线圈通电时，将产生沿电磁铁铁芯、F型轨道铁芯闭合的主磁通，电磁铁与轨道之间产生吸力，从而将列车悬浮起来。列车的悬浮能力是由线圈中电流产生的磁场来决定的。

近年，随着NdFeB永磁材料的开发和应用，有一些学者研究利用永磁体对铁质材料产生吸力的特点，试图将永磁应用于磁浮列车悬浮。但永磁体产生的吸力会随着与铁质物体的气隙大小变化而变化。气隙越小，吸力越大。尤其在气隙为零情况下，永磁体与铁质物体之间的吸力较有气隙情况下相比，呈现质的变化。究其原因，是因为铁质物体的导磁率是空气气隙的数百倍～数千倍。为了克服永磁体吸力的这种不可控特性，现有永磁体用于列车悬浮时，都是将永磁体材料与电励磁线圈混合在一起，如图2所示为近年发展的采用带永磁的悬浮电磁铁结构示意图，即采用混合悬浮组件2。采用混合悬浮组件2时，永磁体与电励磁线圈通电后形成的磁场共用同一流通路径，并通过线圈中电流大小和方向来调节和控制主磁场的大小。当采用带永磁的悬浮电磁铁结构时，多个混合悬浮组件2按照一定方式、通过共用同一铁芯极板安装在一起，其列车悬浮能力由永磁体的磁场和线圈中电流产生的磁场共同决定。为了充分利用永磁材料，混合悬浮组件2中永磁体按额定悬浮气隙、额定载荷下，永磁体位于最大磁能积工作点来进行设计确定。

在机械结构上，与高速磁浮列车不同，中低速磁浮列车在悬浮电磁铁铁芯极板气隙侧表面上都安装有防吸死铜片，由于铜为非导磁材料，故对于车辆悬浮来说，防吸死铜片的安装，相当于车辆有一个大于零的最小悬浮气隙（通常为3mm）。

现有中低速磁浮列车用悬浮电磁铁结构存在以下不足：

1、采用纯电磁悬浮组件1时，列车承载能力全部由电励磁线圈中电流产生的磁场决定，导致列车悬浮供电DC/DC设备容量要求大，其体积、重量大、电磁铁发热严重；且不管列车是否运动，只要列车悬浮，就存在由电励磁线圈产生的电阻损耗，列车悬浮能耗高。

2、采用混合悬浮组件2时，为了满足列车承载能力要求，在现有列车大悬浮气隙的技术状态下，永磁体在结构尺寸上沿磁场方向长度大。而对于混合悬浮组件2中电磁铁线圈所产生的磁场来说，由于永磁体位于工作主磁路中，沿永磁体磁场方向的长度（即永磁体厚度）对线圈电流来说相当于是空气气隙；而在产生同样悬浮力的情况下，空气气隙越大则要求电励磁线圈的电流越大，其工作效率越低，线圈发热越大。永磁体的引入，虽然一方面提供了部份悬浮磁场，但另一方面却大大削弱了电励磁线圈电流产生磁场的作用，增加了车辆悬浮控制的难度，导致车辆悬浮控制供电DC/DC设备的容量调节能力要加强，从而部分抵消了采用混合悬浮结构较传统纯电磁悬浮结构的车辆悬浮节能优势。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低廉、可靠性高、可控性更好、便于维护的中低速磁浮列车用组合式悬浮电磁铁及制作方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种中低速磁浮列车用组合式悬浮电磁铁，包括至少一个永磁悬浮组件以及一个以上的电磁悬浮组件和/或混合悬浮组件，所述永磁悬浮组件与电磁悬浮组件和/或混合悬浮组件通过共用的铁芯极板组合安装在一起。

作为本发明的进一步改进：

所述电磁悬浮组件包括第一外侧极板、第一铁轭、第一励磁线圈，所述第一励磁线圈绕制在第一铁轭上；当第一励磁线圈通电流时，产生沿第一外侧极板、第一铁轭和悬浮气隙、F型轨道铁芯闭合的主磁场；所述混合悬浮组件包括第二外侧极板、第二铁轭、第一永磁体和绕制在第二铁轭上的第二励磁线圈；所述第一永磁体安装于第二铁轭与第二外侧极板之间，所产生的磁场与第二线圈励磁电流产生的磁场处于同一主磁路当中；所述永磁悬浮组件包括第三外侧极板、第三铁轭、第二永磁体，所述第二永磁体产生沿第三外侧极板、第三铁轭和悬浮气隙、F型轨道铁芯闭合的主磁场。

所述永磁悬浮组件中的第二永磁体和所述混合悬浮组件中第一永磁体产生的永磁磁场共同用于提供额定载荷和额定悬浮气隙下列车悬浮基本用力；所述电磁悬浮组件中第一励磁线圈和/或所述混合悬浮组件中第二励磁线圈的电流产生的磁场对不同气隙和载荷下列车悬浮起控制调节作用。

所述组合式悬浮电磁铁包含一个永磁悬浮组件和两个电磁悬浮组件，所述永磁悬浮组件位于两个电磁悬浮组件之间。

所述组合式悬浮电磁铁包含一个永磁悬浮组件和两个混合悬浮组件，所述永磁悬浮组件位于两个混合悬浮组件之间。

所述组合式悬浮电磁铁包含一个永磁悬浮组件、一个电磁悬浮组件和一个混合悬浮组件，永磁悬浮组件位于电磁悬浮组件与混合悬浮组件之间。

所述组合式悬浮电磁铁包含两个永磁悬浮组件和两个电磁悬浮组件，所述两个永磁悬浮组件位于两个电磁悬浮组件之间。

所述组合式悬浮电磁铁包含两个永磁悬浮组件和两个混合悬浮组件，所述两个永磁悬浮组件位于两个混合悬浮组件之间。

本发明进一步提供一种制作上述组合式悬浮电磁铁的方法，其步骤为：

（1）确定永磁悬浮组件中永磁体的结构尺寸；即，从永磁材料的B-H工作曲线特点出发，设计合适的永磁悬浮组件中永磁体的结构尺寸，即由最小悬浮气隙和车辆重量出发，通过选择合适的永磁体磁极面积和厚度，使永磁悬浮装置3所提供的悬浮力随气隙呈尽量小的变化；且在车辆防吸死最小机械限制气隙情况下，能被车辆自身重量所抵消，以消除单独永磁悬浮组件产生吸力在悬浮方面不受控的影响；

（2）针对列车正常悬浮、起浮大气隙工作情况，设计确定电磁悬浮组件中励磁线圈和/或混合悬浮组件中励磁线圈的匝数和混合悬浮组件中永磁体结构尺寸；其中混合悬浮组件中采用的永磁体的结构尺寸，包括磁极面积和厚度，按最大磁能积原则设计；在列车空载防吸死小气隙时，混合悬浮组件中永磁体所产生的磁场通过其上的电励磁线圈施加反向控制电流来抵消。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明利用车辆自身重量来抵消永磁悬浮组件中永磁体产生的磁场力，消除了单独永磁悬浮组件在列车悬浮控制方面因其不可控性带来的安全隐患，使组合后的悬浮电磁铁在车辆悬浮稳定性方面处于可控状态。

2、本发明通过利用中低速磁浮列车在结构上具有一定的防吸死机械气隙特点，引入独立永磁悬浮组件，减少了组合在一起的混合悬浮组件所需提供的悬浮力，从而减少了混合悬浮组件中永磁体结构尺寸，提高了混合悬浮组件中线圈电流变化在悬浮力方面的控制调节性能，有利于整车的悬浮稳定调节。

3、本发明通过利用NdFeB永磁材料的退磁工作曲线特点，最大限度利用了永磁悬浮组件的悬浮力功能，引入独立永磁悬浮组件，减少了电磁悬浮组件中线圈和混合悬浮组件中线圈的匝数，降低了车辆悬浮控制供电DC/DC设备容量。

4、本发明引入独立永磁悬浮组件，降低了电磁悬浮组件中线圈和混合悬浮组件中线圈电流，从而减少了悬浮电磁铁的发热，降低了悬浮电磁铁温升，减少了车辆总的悬浮能耗。

5、本发明由几种悬浮组件组合而成，可根据具体情况进行灵活搭配，操作简单，可靠性高，便于维护。

附图说明

图1是现有技术中一种悬浮电磁铁的结构示意图。

图2是现有技术中另一种悬浮电磁铁的结构示意图。

图3是本发明具体实例1的悬浮电磁铁的结构示意图。

图4是本发明具体实例2的悬浮电磁铁的结构示意图。

图5是本发明具体实例3的悬浮电磁铁的结构示意图。

图6是本发明具体实例4的悬浮电磁铁的结构示意图。

图7是本发明具体实例5的悬浮电磁铁的结构示意图。

图8是NdFeB永磁材料的退磁工作曲线示意图。

图9是本发明具体实例中电磁悬浮组件1的结构示意图。

图10是本发明具体实例中混合悬浮组件2的结构示意图。

图11是本发明具体实例中永磁悬浮组件3的结构示意图。

图例说明：

1、电磁悬浮组件；101、第一外侧极板；102、第一铁轭；103、第一励磁线圈；2、混合悬浮组件；201、第二外侧极板；202、第二铁轭；203、第一永磁体；204、第二励磁线圈；3、永磁悬浮组件；301、第三外侧极板；302、第三铁轭；303、第二永磁体；4、铁芯极板；5、悬浮气隙；6、F型轨道。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的中低速磁浮列车用组合式悬浮电磁铁，包括至少一个独立的永磁悬浮组件3以及一个以上的电磁悬浮组件1和/或混合悬浮组件2，永磁悬浮组件3与电磁悬浮组件1和/或混合悬浮组件2通过共用的铁芯极板4组合安装在一起。

如图3所示，该实施例1中组合式悬浮电磁铁包含一个永磁悬浮组件3和两个电磁悬浮组件1，永磁悬浮组件3位于两个电磁悬浮组件1之间。如图4所示，该实施例2中组合式悬浮电磁铁包含一个永磁悬浮组件3和两个混合悬浮组件2，永磁悬浮组件3位于两个混合悬浮组件2之间。如图5所示，该实施例3中组合式悬浮电磁铁包含一个永磁悬浮组件3、一个电磁悬浮组件1和一个混合悬浮组件2，永磁悬浮组件3位于电磁悬浮组件1与混合悬浮组件2之间。如图6所示，该实施例4中组合式悬浮电磁铁包含两个永磁悬浮组件3和两个电磁悬浮组件1，两个永磁悬浮组件3位于两个电磁悬浮组件1之间。如图7所示，该实施例5中组合式悬浮电磁铁包含两个永磁悬浮组件3和两个混合悬浮组件2，两个永磁悬浮组件3位于两个混合悬浮组件2之间。这些组合方式均可以实现本发明。当然，依此类推的其他形式的组合方式也应包含在本发明的保护范围内。

在上述实施例的组合形式中，如图9所示，电磁悬浮组件1包括第一外侧极板101、第一铁轭102、第一励磁线圈103，其中第一励磁线圈103绕制在第一铁轭102上；当第一励磁线圈103通电流时，产生沿第一外侧极板101、第一铁轭102和悬浮气隙5、F型轨道6铁芯闭合的主磁场。如图10所示，混合悬浮组件2包括第二外侧极板201、第二铁轭202、第一永磁体203和绕制在第二铁轭202上的第二励磁线圈204；第一永磁体203安装于第二铁轭202与第二外侧极板201之间，所产生的磁场与第二励磁线圈204电流产生的磁场处于同一主磁路当中。如图11所示，永磁悬浮组件3包括第三外侧极板301、第三铁轭302、第二永磁体303，第二永磁体303产生沿第三外侧极板301、第三铁轭302和悬浮气隙5、F型轨道6铁芯闭合的主磁场。上述悬浮电磁铁所产生的主磁场提供列车悬浮用力，其力的大小最终满足公式（1）。

$f=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_0}{B}^{2}S---\left(1\right)$

在上述本发明的组合式悬浮电磁铁中，永磁悬浮组件3中的第二永磁体303和混合悬浮组件2中第一永磁体203产生的永磁磁场共同用于提供额定载荷和额定悬浮气隙5下列车悬浮基本用力。而电磁悬浮组件1中第一励磁线圈103和混合悬浮组件2中第二励磁线圈204的电流产生的磁场对不同气隙和载荷下列车悬浮起控制调节作用。

当永磁悬浮组件3和电磁悬浮组件1组合在一起时，通过单独永磁悬浮组件3的使用，永磁悬浮组件3提供了相当大的一部分悬浮用力，从而电磁悬浮组件1所需提供的悬浮用力大大减小，第一励磁线圈103的匝数可相应减小，电流可降低，从而相应供电设备容量降低。

当永磁悬浮组件3和混合悬浮组件2组合在一起时，通过单独永磁悬浮组件3的使用，永磁悬浮组件3同样提供了相当大的一部分悬浮用力，从而混合悬浮组件2所需提供的悬浮用力也大大减小，混合悬浮组件2中第一永磁体203的结构尺寸减小，尤其磁场方向第一永磁体203的厚度大大减小，这样第二励磁线圈204中电流对悬浮力的调节能力大大提高；同时第二励磁线圈204的匝数相应减小，相应悬浮电磁铁供电DC/DC设备容量降低。

无论是上述哪种实施例中的组合式结构，在正常悬浮气隙5情况下，永磁悬浮组件3中第二永磁体303都只提供部分悬浮力，以保证列车防吸死机械限制小气隙状态下列车重力大于该部分悬浮力，不足的悬浮力由电磁悬浮组件1和/或混合悬浮组件2可控调节。

本发明进一步提供中低速磁浮列车的组合式悬浮电磁铁的制作方法，其步骤为：

（1）确定永磁悬浮组件3中永磁体的结构尺寸。即从永磁材料的B-H工作曲线特点出发，设计合适的永磁悬浮组件3中第二永磁体303的结构尺寸，即由最小悬浮气隙5和车辆重量出发，通过选择合适的第二永磁体303磁极面积和厚度，使永磁悬浮组件3所提供的悬浮力随气隙呈尽量小的变化；且在车辆防吸死最小机械限制气隙情况下，能被车辆自身重量所抵消，以消除单独永磁悬浮组件3产生吸力在悬浮方面不受控的影响。同时，当悬浮气隙5增加和车辆承载时，由永磁悬浮组件3仍可提供很大一部分车辆悬浮用力。

在带永磁的磁路设计中，首要目标是确定永磁体的结构尺寸。永磁材料种类很多，由于钕铁硼NdFeB材料的高性能，其应用越来越广泛。在带永磁的磁路中，永磁体通常工作在B-H退磁曲线段，如图8所示，为NdFeB永磁材料的退磁工作曲线，其中Br为永磁材料的剩磁，H_c为矫顽力。永磁磁路的设计，就是选择合适的永磁体结构尺寸，以确定永磁材料的工作点A。

由电磁场原理知，悬浮电磁铁磁场产生的悬浮力f大小为：

$f=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_0}{B}^{2}S---\left(1\right)$

式中μ₀为空气磁导率，S为悬浮电磁铁磁极面积，B为电磁铁磁极处磁通密度。

在磁路设计分析中，磁路磁阻与电路电阻计算公式类似，由下式确定：

$R_m=\frac{\mathrm{\μS}}{L}---\left(2\right)$

式中μ为磁路导磁率，S为磁路横截面积，L为磁路长度。

磁路应满足磁路安倍定律，即：

∑Ni+∑H_mL_m=BSR_m（3）

式中N、i分别为磁路中线圈匝数和线圈电流，∑H_mL_m为磁路中永磁块磁势。

在带铁芯的磁路中，铁芯磁导率远远大于空气气隙磁导率；永磁体的磁导率接近空气磁导率。这样，在设计磁浮列车悬浮电磁铁时，重点应考虑的是悬浮空气气隙和永磁体厚度影响。

（2）针对列车正常悬浮、起浮大气隙工作情况，设计确定电磁悬浮组件1中第一励磁线圈103和/或混合悬浮组件2中第二励磁线圈204的匝数和第一永磁体203结构尺寸；其中混合悬浮组件2中采用的第一永磁体203的结构尺寸，包括磁极面积和厚度，按最大磁能积原则设计。在列车空载防吸死小气隙时，混合悬浮组件2中第一永磁体203所产生的磁场通过其上的第二励磁线圈204施加反向控制电流来抵消，故在小气隙下该部分永磁磁场对车辆总的悬浮力没有影响。

针对具体实施结构的有限元数值计算结果表明，采用上述组合式悬浮电磁铁结构，根据本发明提出的制作方法，即使从防吸死最小机械气隙到正常悬浮气隙5，其气隙大小变化达到3倍，但在正常悬浮气隙5下，由永磁悬浮组件3仍可提供整个车辆1/3以上悬浮用力要求。采用这种组合式悬浮电磁铁结构，列车具有更低的悬浮功耗，更好的悬浮控制调节性能。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种中低速磁浮列车用组合式悬浮电磁铁，其特征在于：包括至少一个永磁悬浮组件（3）以及一个以上的电磁悬浮组件（1）和/或混合悬浮组件（2），所述永磁悬浮组件（3）与电磁悬浮组件（1）和/或混合悬浮组件（2）通过共用的铁芯极板（4）组合安装在一起。

2.根据权利要求1所述的中低速磁浮列车用组合式悬浮电磁铁，其特征在于：所述电磁悬浮组件（1）包括第一外侧极板（101）、第一铁轭（102）、第一励磁线圈（103），所述第一励磁线圈（103）绕制在第一铁轭（102）上；当第一励磁线圈（103）通电流时，产生沿第一外侧极板（101）、第一铁轭（102）和悬浮气隙（5）、F型轨道（6）铁芯闭合的主磁场；所述混合悬浮组件（2）包括第二外侧极板（201）、第二铁轭（202）、第一永磁体（203）和绕制在第二铁轭（202）上的第二励磁线圈（204）组成；所述第一永磁体（203）安装于第二铁轭（202）与第二外侧极板（201）之间，所产生的磁场与第二励磁线圈（204）电流产生的磁场处于同一主磁路当中；所述永磁悬浮组件（3）包括第三外侧极板（301）、第三铁轭（302）、第二永磁体（303），所述第二永磁体（303）产生沿第三外侧极板（301）、第三铁轭（302）和悬浮气隙（5）、F型轨道（6）铁芯闭合的主磁场。

3.根据权利要求1所述的中低速磁浮列车用组合式悬浮电磁铁，其特征在于：所述永磁悬浮组件（3）中的第二永磁体（303）和所述混合悬浮组件（2）中第一永磁体（203）产生的永磁磁场共同用于提供额定载荷和额定悬浮气隙下列车悬浮基本用力；所述电磁悬浮组件（1）中第一励磁线圈（103）和/或所述混合悬浮组件（2）中第二励磁线圈（204）的电流产生的磁场对不同气隙和载荷下列车悬浮起控制调节作用。

4.根据权利要求1所述的中低速磁浮列车用组合式悬浮电磁铁，其特征在于：所述组合式悬浮电磁铁包含一个永磁悬浮组件（3）和两个电磁悬浮组件（1），所述永磁悬浮组件（3）位于两个电磁悬浮组件（1）之间。

5.根据权利要求1所述的中低速磁浮列车用组合式悬浮电磁铁，其特征在于：所述组合式悬浮电磁铁包含一个永磁悬浮组件（3）和两个混合悬浮组件（2），所述永磁悬浮组件（3）位于两个混合悬浮组件（2）之间。

6.根据权利要求1所述的中低速磁浮列车用组合式悬浮电磁铁，其特征在于：所述组合式悬浮电磁铁包含一个永磁悬浮组件（3）、一个电磁悬浮组件（1）和一个混合悬浮组件（2），永磁悬浮组件（3）位于电磁悬浮组件（1）与混合悬浮组件（2）之间。

7.根据权利要求1所述的中低速磁浮列车用组合式悬浮电磁铁，其特征在于：所述组合式悬浮电磁铁包含两个永磁悬浮组件（3）和两个电磁悬浮组件（1），所述两个永磁悬浮组件（3）位于两个电磁悬浮组件（1）之间。

8.根据权利要求1所述的中低速磁浮列车用组合式悬浮电磁铁，其特征在于：所述组合式悬浮电磁铁包含两个永磁悬浮组件（3）和两个混合悬浮组件（2），所述两个永磁悬浮组件（3）位于两个混合悬浮组件（2）之间。

9.一种制作上述权利要求1～8中任意一项组合式悬浮电磁铁的方法，其特征在于，步骤为：

（1）确定永磁悬浮组件中永磁体的结构尺寸；即，从永磁材料的B-H工作曲线特点出发，设计合适的永磁悬浮组件中永磁体的结构尺寸，即由最小悬浮气隙和车辆重量出发，通过选择合适的永磁体磁极面积和厚度，使永磁悬浮组件所提供的悬浮力随气隙呈尽量小的变化；且在车辆防吸死最小机械限制气隙情况下，能被车辆自身重量所抵消，以消除单独永磁悬浮组件产生吸力在悬浮方面不受控的影响；

（2）针对列车正常悬浮、起浮大气隙工作情况，设计确定电磁悬浮组件中励磁线圈和/或混合悬浮组件中励磁线圈的匝数和混合悬浮组件中永磁体结构尺寸；其中混合悬浮组件中采用的永磁体的结构尺寸，包括磁极面积和厚度，按最大磁能积原则设计；在列车空载防吸死小气隙时，混合悬浮组件中永磁体所产生的磁场通过其上的电励磁线圈施加反向控制电流来抵消。