CN105882450A - 一种液压永磁磁悬浮轨道交通系统 - Google Patents

Abstract

一种液压永磁磁悬浮轨道交通系统，采用一种永磁互斥型悬浮系统，利用永久磁铁同极相斥原理，在车厢悬浮磁铁与导轨悬浮磁铁之间产生相互排斥的力，使车厢悬浮于导轨之上运行；利用液压系统产生的推力，推动磁性无杆活塞液压缸中的无杆活塞，使无杆活塞上设置的活塞磁铁带动车厢滑块上设置的车厢滑块磁铁，利用永久磁铁异极相吸原理，在活塞磁铁与车厢滑块磁铁之间产生相互吸引的力，使无杆活塞带动车厢滑块，从而带动车厢运行。

Description

一种液压永磁磁悬浮轨道交通系统

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮轨道交通系统。

背景技术

已有的磁悬浮轨道交通系统有两种形式：德国的常导磁吸型(EMS)系统和日本的超导磁斥型(EDS)系统。常导磁吸型(EMS)系统是利用常规的电磁铁与一般铁性物资相吸引的原理，将列车吸附上来悬浮运行；超导磁斥型(EDS)系统则是利用超导的磁悬浮原理，使车轮和钢轨之间产生相互排斥力，使列车悬浮运行。以上两种磁悬浮系统都是由悬浮系统、推进系统和导向系统组成。以上两种磁悬浮系统有一个共同的特点，就是悬浮系统和推进系统均为电磁力，投资费用高昂，运行费用高昂，因而不是每个地方都适宜实施的，不能用作广大百姓通用性的交通工具。已有的磁悬浮轨道交通系统最大的问题是：依靠电磁力将整个列车抬起，需要太多的电能，不但浪费，而且如果采用火力发电，用电越多，环境污染越多。

发明内容

本发明的目的在于发明一种实施容易，运行费用低廉，适于频繁停站，便于平民乘坐的磁悬浮轨道交通系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种液压永磁磁悬浮轨道交通系统，由车厢、悬浮系统、推进系统和导向系统组成，其特征是：悬浮系统是在车厢底部安装两排悬浮磁铁，在两根导轨上安装两排悬浮磁铁，利用永久磁铁同极相斥原理，在车厢悬浮磁铁与导轨悬浮磁铁之间产生相互排斥的力，使车厢悬浮于导轨之上运行；推力系统是利用液压系统产生的推力推动磁性无杆活塞液压缸中的无杆活塞，无杆活塞上设置有活塞磁铁，无杆活塞液压缸缸体外侧设置有安装在车厢上的车厢滑块，车厢滑块上设置有滑块磁铁，活塞磁铁与滑块磁铁均为永久磁铁，利用永久磁铁异极相吸原理，在活塞磁铁与滑块磁铁之间产生相互吸引的力，当液压系统驱动无杆活塞运行时，便带动车厢滑块，从而带动车厢运行；磁性无杆活塞液压缸缸体用非导磁材料制作，可以连接延长。利用液压系统控制整个系统车厢的运行、停站、速度快慢、站间距离或将车辆调出修理等。磁性无杆活塞液压缸缸体稳固的安装在地基上，地基可以是地面、高架桥，也可以是地下任何可以安装导轨的场合。

本发明的有益效果是，一种液压永磁磁悬浮轨道交通系统可用于城市轨道交通，也可用于农村、企业、风景区、大型物流库房等许多场合，特别是城市轨道交通增添了一位可运行于闹市区、造价较低廉、建造速度快、运行费用低、节约能源、居民乘坐就相当于BRT那么方便的城市轨道交通新成员——液压永磁磁悬浮轨道交通系统，对城市闹市区交通拥挤堵塞、等车难问题可起到一定缓解作用。

液压永磁磁悬浮轨道交通系统车辆运行速度和站距可根据需要调整，可单车辆双线路往返运行，也可3、4辆车厢挂靠形成小列车单线路大载客量区间运行，经过特殊设计也可实现环形运行，各车辆运行到站可绝对准确，可以确保准时到站，因此她将是一种缓解城市中心位置交通堵塞的有效工具。

本发明采用的是一种永磁互斥型悬浮系统，是利用永久磁铁同极相斥原理，使车厢悬浮于导轨之上运行，无须巨大的电能将车厢浮起，因此，本发明的轨道交通系统是一种十分节能的轨道交通系统。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的一种液压永磁磁悬浮轨道交通系统实施例结构系统示意图。

图1中，1车厢；2、导轨；3、磁性无杆活塞液压缸；4、液压控制系统。

图2是图1的B-B剖视图，表达本发明的一种液压永磁磁悬浮轨道交通系统的悬浮系统——永磁相斥型悬浮系统原理示意图。

图2中，1、车厢；12、车厢悬浮磁铁；2、导轨；21、导轨悬浮磁铁安装体；22、导轨悬浮磁铁。

图3是图1的C-C剖视图，表达本发明的一种液压永磁磁悬浮轨道交通系统推进系统——利用液压系统的执行机构磁性无杆液压缸可以轻易获得巨大推力和行程以及可以灵活控制的特点，配合永久磁铁异极相吸原理对车厢进行推进的原理示意图。

图3中，车厢；11、车厢悬浮磁铁安装体；12、车厢悬浮磁铁；13、车厢悬浮磁铁安装体滚轮；3、磁性无杆活塞液压缸；31、无杆活塞；32、活塞磁铁安装体；33、活塞磁铁；34、活塞磁铁滚轮；35、磁性无杆活塞液压缸缸体；4、液压控制系统。

图4和图5是图1中的A-A视图，表达的是本发明一种液压永磁相斥型磁悬浮城市轨道交通系统的原理结构示意图。一般情况下，图4的结构与图6、图8和图9的线路系统使用，图5的结构与图7的线路系统使用。

图4和图5中，1、车厢；11、车厢悬浮磁铁安装体；12、车厢悬浮磁铁；13、车厢悬浮磁铁安装体滚轮；14、车厢悬浮限位及辅助导向件；15、车厢悬浮限位滚轮；16、车厢辅助导向滚轮；17、车厢滑块；18、车厢滑块磁铁；19、车厢滑块滚轮；2、导轨；21、导轨悬浮磁铁安装体；22、导轨悬浮磁铁；3、磁性无杆活塞液压缸；33、活塞磁铁。

图6、图7、图8和图9是本发明一种液压永磁磁悬浮轨道交通系统的线路设置示意图，其中，图6是一种单轨多车厢直达快车运行线路示意图；图7是一种换轨双向运行线路示意图；图8是一种环行运行线路示意图；图9是一种双环行对开运行线路示意图。

图6、图7、图8和图9中，1车厢；2、导轨；3、磁性无杆活塞液压缸；4、液压控制系统。

具体实施方式

下面就本液压永磁磁悬浮轨道交通系统的实施，按车厢、导轨、磁性无杆活塞液压缸、液压控制系统和线路设计与控制加以说明，以上五部分，在功能方面互相关联，在设计、生产、安装调试和维护互相工作中，既有分工又有合作，相互影响。

1)要实施一套液压永磁磁悬浮轨道交通系统，首先要明确线路、客流量(包括高峰客流量、低峰客流量和正常客流量)，由此决定运行车辆(每节乘坐多少人，几节组合，或者什么情况下组合)、站间距离、行车速度、停车时间等。

2)模拟原理试验及初步设计

A)根据车厢结构重量和载荷，计算出所选择的强力磁铁与强力磁铁之间所需的推力和吸力。

B)测试出所选用的强力磁铁与强力磁铁之间所能产生的推力和吸力，要采取屏蔽措施，既保护附近铁磁体不受影响，又可以提高磁铁之间的相互吸引力和排斥力。

C)得出磁铁的形状、尺寸、安装关系与磁通量之间的变化关系。

得出：乘坐多少人的车厢箱体重量，车厢重量加乘客的总总量，用此种磁铁，采用什么形状和尺寸，采用怎样的布置方式，需要多少磁铁能将车厢和乘客悬浮起来。要考虑到各种因素。

D)得出：乘客少，悬浮力不变，有多大的剩余悬浮力，用以设计悬浮距离限制件的结构、强度和刚度。

根据以上技术参数，可以设计导轨上悬浮磁铁的形状、尺寸和布置方式，设计车厢上悬浮磁铁的形状、尺寸和布置方式。

设计时注意，增加悬浮磁铁之间对应方向的面积，有利于使车厢悬浮磁铁和导轨悬浮磁铁之间保持更大“接触”面积，有利于提高排斥力。

参考技术参数：銣铁硼磁铁吸力约可吸起它本身质量640倍的其他铁磁物体。(厂家不同，差距很大)

一般认为磁极能够产生磁场。磁铁吸引力的大小与磁铁所产生的磁场强度和磁极强度成正比：F＝mH，其中_m为磁极强度，H为磁场强度，而磁极所产生的磁场强度与距离r的3次方成反比。所以，液压永磁磁悬浮轨道交通系统使用永久磁铁可控制到很小的间隙，而且可以基本稳定不变。

E)计算并模拟测试出：车厢重量加乘客的总总量在悬浮情况下需要多大的力可以推进其前进。要考虑到各种因素。

F)根据以上技术参数，设计液压控制系统和磁性无杆活塞液压缸的活塞。

G)设计出：车厢重量加乘客的总总量在悬浮情况下，活塞磁铁和车厢滑块磁铁的大小、形状和相互位置关系，确定活塞磁铁和车厢滑块磁铁的设计和安装方式。

有了以上技术参数，就可以进行车厢、导轨、磁性无杆活塞液压缸、液压控制系统的设计了。

3)设计车厢和导轨时要注意：

首先确定导轨的宽度，再确定两排导轨悬浮磁铁的宽度，再确定车厢上两排悬浮磁铁的安装宽度方向的位置和结构；

第二，确定导轨悬浮磁铁与悬浮磁铁之间的距离，即阵列方式，这里主要是为了保证车厢磁铁与导轨磁铁总的“接触”面积。

导轨上悬浮磁铁的形状、尺寸和密度，车厢上悬浮磁铁的形状、尺寸和密度，要求无论车厢运行到什么地方，要确保车厢悬浮磁铁和导轨悬浮磁铁的“接触”(有间隙)面积，确保“排斥力”。

4)液压系统的设计要综合考虑推力和速度(由液压系统的流量决定)，这两个技术参数要求能随时轻易设定改变(当然须有专人负责)。

注意：一般情况下，最好各站点距离相等；每个站点需要设置一套小泵、油管接头、阀门，以便调整两辆车厢之间的距离。

如果要求达到和公交汽车那样随意快慢运行，需每个站点设置一位液压系统操作人员；如果列车均站、均速、准点运行，则在总站控制即可。

如果站点距离不等，也可设计成各站点与站点之间运行时间相等，即运行在距离较长的站点之间的车厢，其运行速度要按比例提高运行速度，在相同时间之内到站。这一点，对液压系统来说，很容易做到。

液压控制系统要确保车辆掉头的要求。图8和图9的线路需要将无杆活塞设计成可转弯，其实，街道没有笔直的，轨道交通系统线路本身就需要能拐弯。当然，开发一套新产品总有一些新零配件的开发，这样的设计，一般具备设计研发能力的工程师应该可以完成。

5)全部工作完成，最好作小规模系统模拟运行试验。

不同的单位，不同的要求，可根据自己的具体情况设计。

下面我们从结构上分析一下液压永磁磁悬浮轨道交通系统中的悬浮系统、推进系统和导向系统。

悬浮系统采用的是一种永磁互斥型悬浮系统。

液压永磁磁悬浮轨道交通系统中的悬浮系统由安装在轨道上的两排永久磁铁导轨悬浮磁铁(22)产生主动悬浮推力，由安装在车厢底部的车厢悬浮磁铁(12)产生被动悬浮推力，两个推力相互作用，将车厢推起悬浮为超低摩擦运动创造条件。由于永久磁铁无法单独控制车厢的准确悬浮高度，因此需要车厢悬浮限位及辅助导向件(14)和车厢悬浮限位滚轮(15)来对车厢的悬浮高度加以限制。大家知道，永磁场的磁场强度随距离的增加成立方衰减关系，导轨悬浮磁铁与车厢悬浮磁铁的距离控制的越小，相互推力就越大，而且距离相差很小，推力就会变化很大，所以，导轨悬浮磁铁与车厢悬浮磁铁的距离应该控制在一个最优距离，这个距离应该通过试验确定。由于车厢悬浮限位及辅助导向件(14)和车厢悬浮限位滚轮(15)可以准确地限定车厢的悬浮高度，所以可以达到控制的目的。为了调整间隙的方便，车厢悬浮限位滚轮(15)在车厢悬浮限位及辅助导向件(14)上的安装形式，应该设计成可调节式的。

液压永磁磁悬浮轨道交通系统中的推进系统是利用液压系统可以产生巨大推力和进行灵活控制的特点与永久磁铁异极相吸原理相结合的结构。

推进系统的核心是磁性无杆活塞液压缸(3)和缸体外侧连接车厢沿着缸体外表面运动的车厢滑块(17)、车厢滑块磁发铁(18)和车厢滑块滚轮(19)，它是利用永久磁铁异极相吸原理。

我们知道，车厢被悬浮起来以后，就没有什么摩擦力，如果用于普通城市轨道交通，运行速度也不很快，运行中空气阻力也很小，因此，本液压永磁磁悬浮轨道交通系统中的一节装载百人车厢仅需很小的力就可推动，一条线路的交通车厢一般只要一套液压系统的动力就足够驱动全部车辆。但是，液压系统需设计成在各站点之间可独立控制。

液压系统的工作压力和磁性无杆活塞液压缸中的活塞面积决定液压系统提供的推力，也就是带动列车车厢前进动力，这个动力需要通过磁性无杆活塞液压缸中活塞磁铁(33)和车厢滑块磁铁(18)之间异极相吸的相互吸引力传递到车厢上带动车厢前进。从永久磁铁异极相吸的磁力线分布我们可以知道活塞磁铁(33)和车厢滑块磁铁(18)之间的磁场强度状态，永久磁铁之间的吸引力以正方向为最大，所以活塞磁铁的形状和它在液压缸中的安装方向和位置，应通过设计和试验决定，以求获得最佳效果；车厢滑块磁铁(18)的设计、安装方法也一样。

活塞磁铁(33)和车厢滑块磁铁(18)之间的间隙对磁场的衰减设计同样十分重要，这里通过活塞磁铁滚轮(34)和车厢滑块滚轮(19)对活塞磁铁(33)和车厢滑块磁铁(18)之间的间隙进行控制，以确保活塞磁铁在油缸内壁和车厢滑块在油缸外侧运行畅通。

液压永磁磁悬浮轨道交通系统中的导向系统主要是利用永久磁铁异极相吸且“各向自动发力”的原理，因为悬浮磁铁之间不会干扰导向，车厢的导向，主要是由磁性无杆活塞液压缸的活塞磁铁决定，它的运行轨迹就决定了车厢的运行线路；另外在车厢上设置有车厢悬浮限位及辅助导向件(14)和车厢辅助导向滚轮(16)进行机械辅助导向。

磁性无杆活塞液压缸中活塞磁铁(33)和车厢滑块磁铁(18)之间异极相吸的相互吸引力不但能将车厢推动前行，而且它还有一个作用，就是通过车厢滑块将车厢的运行轨迹牢牢地限制在与磁性无杆活塞液压缸中活塞磁铁运行的轨迹上。我们可以做一个实验，两块磁铁一极相吸时，如果你要将它们拉开，它们之间的吸力将阻止你拉开；如果你要将其中一块磁铁向另一块磁铁的左边拉动，它们之间的吸力将阻止你向左边拉动；如果你要向右边拉动，它们又将阻止你向右边拉动；同样，它们还会将阻止你向上和向下拉动，我们称之为永久磁铁异极相吸“各向自动发力”的原理，液压永磁磁悬浮轨道交通系统中的导向系统主要就是利用这个原理。所以，活塞磁铁的运行轨迹就决定了车厢的运行线路。

在车厢上设置车厢悬浮限位及辅助导向件(14)和车厢辅助导向滚轮(16)进行机械辅助导向的设计属于常规机械设计，在此不多阐述。

图6、图7、图8和图9是本发明一种液压永磁磁悬浮轨道交通系统的线路设置示意图，其中，图6是一种单轨多车厢直达快车运行线路示意图；图7是一种换轨双向运行线路示意图；图8是一种环行运行线路示意图；图9是一种双环行对开运行线路示意图。

图6和图7中，1车厢；2、导轨；3、磁性无杆活塞液压缸；4、液压控制系统。

图6是一种单轨多车厢直达快车运行线路示意图。这种线路一般用于城市中心区客流量大的某段线路，每天上下班时间或节假日客流量很大，用以快速疏通客流。此线路可几节车厢挂在一起，大载客量直达或只停很少的站。液压系统很好控制。此线路缺点：单车运行，效率低。

图7是一种换轨双向运行线路示意图。

车辆到终点站不掉头，采取倒车的形式换轨运行，实现双向连续运行。

此线路特点：可实现全线路双向连续运行，效率高，运输量大。

设计要点：换轨方式，液压系统及相关附件设计。具体零部件设计的内容，在此不多叙述。

图8是一种环行运行线路示意图；图9是一种双环行对开运行线路示意图。

此线路可用于大型环路运行或双向对开环路运行。

设计要点：液压系统及相关附件设计，即可转弯磁性无杆活塞液压缸设计，包括无杆活塞和活塞磁铁。具体零部件设计的内容，在此不多叙述。

图7、图8和图9线路中，液压系统及零部件非标设计需要一定开发思维，但具备一定开发经验的一般工程师都可以完成此工作。

应该指出，到目前为止，磁悬浮列车都是单轨运行，原轨去原轨回，不能换轨运行，因此一条线上只是单车运行，就像图6所示，轨道越长，浪费越大；本发明图7的线路形式可使液压磁悬车厢换轨运行，图8和图9可环路运行，这样，一条线路可以同时运行许多车厢，就像公交车一样，使之适应平民轨道交通的需要。

本发明主要针对城市轨道交通系统，也可用于其它需要的地区和场合。

Claims (2)

1.一种液压永磁磁悬浮轨道交通系统，由车厢、悬浮系统、推进系统和导向系统组成，其特征是：悬浮系统是在车厢底部安装两排悬浮磁铁，在两根导轨上安装两排悬浮磁铁，利用永久磁铁同极相斥原理，在车厢悬浮磁铁与导轨悬浮磁铁之间产生相互排斥的力，使车厢悬浮于导轨之上运行；推力系统是利用液压系统产生的推力推动磁性无杆活塞液压缸中的无杆活塞，无杆活塞上设置有活塞磁铁，无杆活塞液压缸缸体外侧设置有安装在车厢上的车厢滑块，车厢滑块上设置有滑块磁铁，活塞磁铁与滑块磁铁均为永久磁铁，利用永久磁铁异极相吸原理，在活塞磁铁与滑块磁铁之间产生相互吸引的力，当液压系统驱动无杆活塞运行时，便带动车厢滑块，从而带动车厢运行；磁性无杆活塞液压缸缸体用非导磁材料制作，可以连接延长。

2.一种液压永磁磁悬浮轨道交通系统，由车厢、导轨、磁性无杆活塞液压缸和液压控制系统组成，其特征是：磁性无杆活塞液压缸缸体设计成弯曲的或某段弯曲的，磁性无杆活塞液压缸缸体中的无杆活塞和活塞磁铁可以拐弯运行。