CN105691233A

CN105691233A - 电磁列车

Info

Publication number: CN105691233A
Application number: CN201610021150.XA
Authority: CN
Inventors: 蔡彬; 褚晓广; 闫绍敏; 王茂友
Original assignee: Qufu Normal University
Current assignee: Qufu Normal University
Priority date: 2016-01-14
Filing date: 2016-01-14
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2036-01-14
Also published as: CN105691233B

Abstract

本发明涉及一种电磁列车。该电磁列车包括：线路轨道、驱动系统、车辆、导向系统、电磁支撑系统。所述线路轨道两侧沿行驶方向安装多个长定子；所述驱动系统含有长定子，所述车辆含有车辆支撑架、车厢；所述导向系统含有导向磁铁、导向轨道、导向气隙传感器、导向控制器；所述电磁支撑系统包括转子、转子控制器、车辆载荷传感器，所述转子位于所述长定子下方，所述转子与所述长定子之间具有小气隙，气隙取值范围2-6mm；所述转子控制器实时调节所述转子的励磁电流，使其产生的电磁吸力等于车辆载荷。所述车辆通过其底部的支撑滑撬与所述线路轨道接触。本发明无需悬浮气隙传感器，功耗小、自重轻、成本低、控制简单、运行稳定。

Description

电磁列车

技术领域

本发明涉及一种列车，特别是一种电磁列车。

背景技术

电磁悬浮列车具有无摩擦的优点，已在上海得到商业应用。但磁悬浮列车运行时其定转子之间的悬浮间隙一般要保持在8-10mm，停车时的气隙更大，约为15~20mm，要保持这样的悬浮气隙，悬浮磁铁（转子）的励磁电流势必要大，造成悬浮磁铁耗电量大，自重大，导致车辆的有效载荷低。更为重要的是，磁悬浮系统是一个强耦合、本质非线性、开环不稳定的系统，在列车起浮、降落、直行等悬浮过程中需要气隙传感器实时监测气隙的大小，其控制复杂、不易实现，因而限制着磁悬浮列车的推广使用。

发明内容

本发明的主要目的在于：针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种功耗小、自重轻、成本低、控制简单易行、运行效果与磁悬浮列车相当的电磁列车。

为了达到以上目的，本发明电磁列车，包括：线路轨道，所述线路轨道两侧沿行驶方向安装有多个长定子；驱动系统，所述驱动系统含有所述长定子；车辆，所述车辆含有车辆支撑架、车厢；导向系统，所述导向系统含有导向磁铁、导向轨道、导向气隙传感器、导向控制器；以及电磁支撑系统，其特征在于：所述电磁支撑系统包括转子、转子控制器、车辆载荷传感器，所述转子位于所述长定子下方，所述转子与所述长定子之间具有小气隙，气隙的取值范围为2mm-6mm；所述车辆通过其底部的支撑滑撬与所述线路轨道接触，列车在整个行驶过程中，均与所述线路轨道接触。

所述转子控制器根据所述车辆载荷传感器测得的车辆载荷，实时调节所述转子的励磁电流，使得励磁电流产生的电磁吸力等于所述车辆载荷。

所述电磁支撑系统安装在所述车辆支撑架上。

本发明电磁列车与磁悬浮列车的主要区别在于：1）车辆与线路轨道固定接触，没有悬浮，因而可省去悬浮气隙传感器，也无需起浮、降落、悬浮控制，使得控制简单、运行稳定；2）定子与转子之间的气隙为2-6mm，显著小于磁悬浮列车定转子之间的悬浮气隙（8-10mm），其带来的有益效果是：如果产生同样的电磁吸力f（即同样的车辆载荷），本发明电磁列车所需的转子励磁电流I可以成倍缩小，而根据功率P=I ² R（其中R为转子励磁线圈的电阻），则功耗将成平方倍减小，同时自重减轻；3）新增车辆载荷传感器，通过它实时测量车辆载荷，只要调节转子的励磁电流I，使其产生的电磁吸力f等于车辆载荷，也就是说电磁吸力抵消了车辆载荷重力，则车辆作用于轨道上的作用力为零，因而摩擦力亦为零，这样虽然是固定接触，但仍可达到与磁悬浮列车同样的无摩擦效果；进一步地，在遇到紧急情况时，通过降低转子的励磁电流I，使得电磁吸力f变小，即可增加摩擦力，达到辅助迅速制动停车的目的。

综上所述，本发明的有益效果是：1）无需悬浮气隙传感器，没有起浮、降落、悬浮控制，控制简单、运行稳定；2）由于定转子之间的气隙显著缩小，使得列车自重轻、成本低、有效载荷大、功耗大大降低；3）虽然是固定接触，但仍可达到与磁悬浮列车同样的无摩擦效果；4）在遇到紧急情况时，通过降低转子的励磁电流，使得电磁吸力变小，即可增加列车与轨道之间的摩擦力，达到迅速制动停车的目的。

附图说明

附图1为本发明电磁列车的结构示意图。

附图2为本发明电磁支撑系统的力学分析示意图。

图中标号：1-轨道，1a-定子面，1b-侧面导向轨面，1c-滑行轨面，2-钢筋混凝土支墩基础，3-长定子，4-转子，4a-转子励磁线圈，4b-转子铁心，5-车辆载荷传感器，6-车辆支撑架，6a-横梁，6b-纵梁，7-支撑滑撬，8-车辆，9-导向磁铁。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。

如附图1所示，本发明电磁列车的线路轨道包括轨道1、钢筋混凝土支墩基础2，其作用是引导列车前进方向，同时承受列车载荷并将之传至地基。轨道1为线路的上部结构，包括定子面1a（用于悬浮）、侧面导向轨面1b（用于控制列车方向）、滑行轨面1c（用于支承列车）及其固定附件；钢筋混凝土支墩基础2为线路的下部结构。

电磁列车的驱动系统包括长定子3，它沿整个线路敷设在轨道两侧，与安装在车辆8上的转子4构成长定子线性同步电动机，既用于驱动也用于制动，其工作原理是：长定子3带有三相行波线圈，输入三相交流电后产生直线移动磁场，电磁力将列车吸引推动向前，其运行速度与长定子3中三相电流的频率成正比，因而列车可以根据三相电流的频率实现无级变速；长定子3中三相电流由地面固定的控制设备通过调节其频率、电压、电流及相位角来实施控制列车的牵引和制动。

电磁列车的车辆8包括车辆支撑架6和车厢。车辆支撑架6是车辆的主要部件，它由横梁6a、纵梁6b、支撑滑撬7等组成，转子4、导向磁铁9等均安装在车辆支撑架6上，车辆支撑架6将电磁力、导向力、牵引力和制动力通过悬挂系统传递给车厢。转子4和导向磁铁9安装在相邻两个车辆支撑架6的纵梁6b上。车辆8通过支撑滑撬7与线路轨道接触。滑撬7位于车辆8底部，固定在空气弹簧支架上，用于列车支撑车体和特殊情况下的紧急制动（利用其与轨道的摩擦力），承受列车载荷并将之传至地基。

电磁列车的电磁支撑系统包括转子4、转子控制器、车辆载荷传感器5。转子4安装在车辆支撑架6上，且位于长定子3的下方，它们之间的气隙很小，其取值范围是2-6mm；车辆载荷传感器5安装在车辆支撑架6的横梁6a与支撑滑撬7之间，转子控制器根据车辆载荷传感器5测得的车辆载荷，实时调节所述转子的励磁电流，使得励磁电流产生的电磁吸力等于车辆载荷，即电磁吸力抵消了车辆载荷重力，则车辆8施加在线路轨道滑行轨面1c上的作用力等于零，从而车辆8与线路轨道之间的摩擦力也为零，达到与磁悬浮列车同样的无摩擦效果。

电磁列车的导向系统包括导向磁铁9、导向轨道（即轨道1的侧面导向轨面1b）、导向气隙传感器、导向控制器，导向气隙传感器位于导向磁铁9侧，通过其实时监测，控制导向磁铁9产生的电磁力的大小，保证列车侧向与轨道1的侧面导向轨面1b保持8-10mm的导向间隙。

下面举例进一步说明本发明电磁列车实现无摩擦、辅助制动、自重轻、功耗小、成本低的实施方式。

图2为本发明电磁支撑系统的力学分析示意图，图中f为转子4通电以后产生的方向向上的电磁吸力，mg为车辆8的自重，即车辆载荷，方向向下，δ为转子4与定子3之间的气隙。

根据电磁学理论，有：

式中，μ ₀为真空磁导率，N为转子励磁线圈4a的匝数，S为电磁铁（即转子4）的磁极表面有效面积，I为转子4的励磁电流。

根据图2，车辆施加在线路轨道上的作用力F等于其自重mg与电磁吸力f之差，即：

通过调节转子的励磁电流I，使得电磁吸力f等于车辆载荷mg，则由式（1）可得：

因此，只要调节转子的励磁电流I，使I满足式（3），则电磁吸力f就等于车辆载荷mg，由式（2）可知，此时车辆施加在线路轨道上的作用力F（合力）等于零，因而车辆与线路轨道之间的摩擦力也为零，达到磁悬浮列车的无摩擦效果。

进一步地，在遇到紧急情况时，通过降低转子的励磁电流I，则电磁吸力f变小，使得合力F大于零，即可增加车辆与线路轨道之间的摩擦力，达到辅助迅速制动停车的目的。

与磁悬浮列车相比，本发明电磁列车定子3、转子4之间的气隙δ很小，气隙取值范围仅为2mm-6mm。不失一般性，举例：选取电磁列车定子3、转子4之间的气隙为4mm，而磁悬浮列车定转子之间的气隙是10mm，则电磁列车气隙是磁悬浮列车气隙的2/5（即40%）。由于定转子之间的气隙减小，如果产生与磁悬浮列车同样的电磁吸力f（即同样的车辆载荷），则从式（1）可以得出三种效果：

1）所需励磁电流I可以相应同比例减小为原来的40%（即降低60%），则根据功率P=I²R（其中R为转子励磁线圈4a的电阻）可算出：转子的电磁功耗P仅为磁悬浮列车的16%（即节约84%），功耗大大降低；同时由于励磁电流I减小，转子励磁线圈4a可以选用线径较小的导线，转子铁心4b可以变薄，转子4体积变小，转子4的自重得以减轻，则可降低长定子3的驱动功耗，或可增加车辆8的有效载荷。

2）如果保持励磁电流I不变，则所需转子励磁线圈4a的匝数N可相应同比例减小为原来的40%（即减少60%），从而转子铁心4b可以变薄，高度减小为原来的40%（即降低60%），转子4体积变小，节约了励磁线圈4a导线和转子铁心4b的成本，且显著减轻了转子4的自重，同样可降低长定子3的驱动功耗，或增加车辆8的有效载荷。

3）如果保持励磁电流I和转子励磁线圈4a的匝数N不变，则电磁铁（转子4）的磁极表面积S可以减小到仅为磁悬浮列车的16%（即减少84%），则转子4体积变小，降低了转子铁心4b的成本，且显著减轻了转子4的自重，同样可降低长定子3的驱动功耗，或增加车辆8的有效载荷。

由上可知，本发明电磁列车的节能降耗效果非常显著。如果定子3与转子4之间的气隙选择得更小，则功耗可以更小、自重更轻、成本更低，节能降耗效果更为显著。

Claims

1.一种电磁列车，包括：线路轨道，所述线路轨道两侧沿行驶方向安装有多个长定子；驱动系统，所述驱动系统含有所述长定子；车辆，所述车辆含有车辆支撑架、车厢；导向系统，所述导向系统含有导向磁铁、导向轨道、导向气隙传感器、导向控制器；以及电磁支撑系统，其特征在于：所述电磁支撑系统包括转子、转子控制器、车辆载荷传感器，所述转子位于所述长定子下方，所述转子与所述长定子之间具有小气隙，气隙的取值范围为2mm-6mm；所述车辆通过其底部的支撑滑撬与所述线路轨道接触，列车在整个行驶过程中，均与所述线路轨道接触。

2.根据权利要求1所述电磁列车，其特征在于：所述转子控制器根据所述车辆载荷传感器测得的车辆载荷，实时调节所述转子的励磁电流，使得励磁电流产生的电磁吸力等于所述车辆载荷。

3.根据权利要求1所述电磁列车，其特征在于：所述电磁支撑系统安装在所述车辆支撑架上。