CN106143205A - 一种用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮装置 - Google Patents

Abstract

一种用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮装置，以在没有控制系统的情况下实现列车的自稳定悬浮，且悬浮刚度更高，阻力和能耗较低。包括列车车体、轨道，以及驱动列车车体沿轨道运动的直线电机。所述轨道两侧各固定安装有一组线圈，每组线圈由若干沿轨道延伸方向间隔设置的零磁通线圈构成。所述列车车体上横向间隔与线圈相对应的双边永磁阵列，双边永磁阵列包括位于零磁通线圈以上的上部直线型Halbach阵列和位于零磁通线圈以下的下部直线型Halbach阵列，零磁通线圈与上部直线型Halbach阵列底面之间存在上部气隙，与下部直线型Halbach阵列顶面之间存在下部气隙。

Description

一种用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮装置

技术领域

本发明涉及电磁悬浮领域，特别涉及一种用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮装置。

背景技术

磁浮列车是一种通过电磁力实现无接触运动的交通工具，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。其中电磁吸力悬浮是利用电磁铁与磁性材料产生的吸力作为悬浮力，目前这种方式最为常见和成熟。但吸力是一种不稳定力，故这种磁浮方式需要依靠主动控制才能实现，因此系统较为复杂，可靠性较低。电动斥力悬浮是利用永磁体或超导体产生源磁场，通过运动导体切割该磁场，在导体中感生电流，该电流与源磁场相互作用，产生排斥力，从而达到悬浮的目的。这种悬浮方式能实现自稳定悬浮，不需要控制，因此结构简单，可靠性强。特别是永磁电动悬浮，因为其源磁场由永磁体产生，失磁等风险较小，故其更加稳定可靠，本专利就是一种永磁电动悬浮装置。

根据永磁体阵列数量不同，永磁电动悬浮又可分为单边悬浮和双边悬浮两大类，常见的悬浮方式都属于单边悬浮，即永磁阵列位于导体一侧，这种方式只能产生单侧排斥力，电磁力随气隙增大呈指数衰减，因此其悬浮刚度较低，不能有效抑制列车振动。而双边悬浮，永磁阵列分别位于导体两侧，因具有结构对称性，其悬浮刚度较大，对列车振动抑制效果更好。但通常情况下，双边悬浮中的导体会受到两个永磁阵列的作用力，因此其阻力更大，美国学者Richard等人发明的装置证明了这一点。西南交通大学陈殷等人提出的基于薄板结构的双边永磁电动悬浮方式虽然能减小低速时的电磁阻力，但由于集肤效应，不适用于高速领域。且薄板结构机械强度较低，通常情况下不能承受列车的重力，因此不利于其工程化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮装置，以在没有控制系统的情况下实现列车的自稳定悬浮，且悬浮刚度更高，阻力和能耗较低。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的一种用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮装置，包括列车车体、轨道，以及驱动列车车体沿轨道运动的直线电机，其特征是：所述轨道两侧各固定安装有一组线圈，每组线圈由若干沿轨道延伸方向间隔设置的零磁通线圈构成；所述列车车体上横向间隔与线圈相对应的双边永磁阵列，双边永磁阵列包括位于零磁通线圈以上的上部直线型Halbach阵列和位于零磁通线圈以下的下部直线型Halbach阵列，零磁通线圈与上部直线型Halbach阵列底面之间存在上部气隙，与下部直线型Halbach阵列顶面之间存在下部气隙。

本发明的有益效果是，相比于电磁吸力悬浮，该装置能实现列车的自稳定悬浮，不需要控制系统，因此结构简单，可靠性更强；由于装置采用双边永磁阵列结构，相比于传统的单边结构，该装置悬浮刚度更大，能有效抑制列车振动；轨道采用线圈结构，因此电磁阻力明显低于板式结构，能有效降低能耗，且线圈结构集肤效应较弱，故高速性能更好，机械强度也更高。

附图说明

本说明书包括如下六幅附图：

图1是本发明一种用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮装置的结构示意图；

图2是本发明是一种用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮装置的侧视图，图中箭头为一种可行的Halbach阵列充磁方式；

图3是图1中A局部的放大图；

图4是本发明是一种用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮装置中零磁通线圈的立体图；

图5是本发明是一种用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮装置中零磁通线圈的正面投影图，图中箭头为其中电流方向；

图6为本发明是一种用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮装置中给定参数条件下的电磁力特性随气隙偏移量变化的计算曲线。

图中零部件、部位及编号：列车车体10，直线电机11、轨道12、刚性连接件13、非金属支架14；零磁通线圈20，上部顶段21，上部左侧段22，上部右侧段23，下部底段24，下部左侧段25，下部右侧段26，上下部第一过渡段27，上下部第二过渡段28；上部直线型Halbach阵列31，下部直线型Halbach阵列32，上部气隙33，下部气隙34。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

参照图1和图2，本发明的一种用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮装置，包括列车车体10、轨道12，以及驱动列车车体10沿轨道12运动的直线电机11。所述轨道12两侧各固定安装有一组线圈，每组线圈由若干沿轨道12延伸方向间隔设置的零磁通线圈20构成。所述列车车体10上横向间隔与线圈相对应的双边永磁阵列，双边永磁阵列包括位于零磁通线圈20以上的上部直线型Halbach阵列31和位于零磁通线圈20以下的下部直线型Halbach阵列32，零磁通线圈20与上部直线型Halbach阵列31底面之间存在上部气隙33，与下部直线型Halbach阵列32顶面之间存在下部气隙34。

参照图1，上部直线型Halbach阵列31、下部直线型Halbach阵列32构成双边永磁阵列，产生的气隙磁场满足：竖向磁场相互抵消，水平方向磁场相互叠加。当直线电机11牵引列车车体10沿轨道12运动时，双边永磁阵列与安装于轨道12上的线圈发生相对运动，此时线圈中会感生电流，该电流与永磁体磁场相互作用，产生排斥力，从而提供悬浮力，实现列车车体10与轨道12的无接触运动。

参照图2和图3，零磁通线圈20位于上部直线型Halbach阵列31、上部气隙33与下部直线型Halbach阵列32、下部气隙34之间。参照图4和图5，所述零磁通线圈20的正面投影呈8字形，包括上部顶段21、上部左侧段22、上部右侧段23、下部底段24、下部左侧段25和下部右侧段26，以及上部左侧段22、下部右侧段26间的上下部第一过渡段27和上部右侧段23、下部左侧段25之间的上下部第二连过渡段28。

图1、图3为一种可行的布置方式的断面图，本发明的悬浮装置位于列车底部两侧，零磁通线圈20通过非金属支架14安装固定在轨道12侧壁上，上部直线型Halbach阵列31、下部直线型Halbach阵列32安装固定在刚性连接件13，刚性连接件13安装固定在列车车体10底部。当直线电机11工作时，会带动上部直线型Halbach阵列31、下部直线型Halbach阵列32同步运动。上部直线型Halbach阵列31、下部直线型Halbach阵列32产生的磁场会切割位于其上部气隙33、下部气隙34之间的零磁通线圈20，从而产生感应电流。由零磁通线圈20的特性可知，其电流方向如附图4所示，由于线圈的对称性，除线圈中上部顶段21和下部底段24外，其余各段存在对称电流，如上部左侧段22，上部右侧段23的电流大小相同方向相反，因此这些电流产生的电磁力会相互抵消，最终线圈的受力为上部顶段21和下部底段24受力的合力。又上部顶段21和下部底段24电流大小方向均相同，两组双边永磁阵列在其对应处产生的水平方向磁场相互叠加而竖直方向磁场相互抵消，由安培定理可知上部顶段21和下部底段24电流产生的悬浮力相互叠加，阻力相互抵消，线圈最终所受到的悬浮力F_L和阻力F_D可分别表示为：

F_L＝(B_x1+B_x2)I

F_D＝(B_y1-B_y2)I

式中，B_x1和B_x2分别为上部顶段21和下部底段24处磁场的水平分量，B_y1和B_y2分别为上部顶段21和下部底段24处磁场的竖直分量，I为线圈中通过的电流大小。故有：

$\frac{F_L}{F_D}=\frac{(B_{\mathrm{\φ}1}+B_{\mathrm{\φ}2})}{(B_{z1}-B_{z2})}>>1$

通过以上分析可知，该装置产生的悬浮力远远大于其产生的阻力，因此在承受相同大小的列车重力时，其产生的阻力更低，从而能耗也更低。又根据楞次定律可知，当在列车外力作用下，上部气隙33减小、下部气隙34增大时，装置所产生的排斥力会阻碍上部气隙33减小，反之亦然。故该系统是自稳定的，不需要控制系统。

上部直线型Halbach阵列31、下部直线型Halbach阵列32有多种充磁方式，图2中箭头所示为一种可行的方式。以这种充磁方式为例，对该装置的提供的电磁力特性进行计算。当装置结构参数如表1所示时，其计算结果如图6所示。由图6可知，此装置提供的最大悬浮力和阻力之比可大于600，随着上下气隙差增加，该数值有所下降，但仍高于50，故其性能远远优于现有双边永磁电动悬浮。且图6中曲线为奇函数，证明了该装置的双向稳定性。

附表1计算实例参数

综上所述，本发明的一种用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮装置能实现列车的自稳定悬浮，不需要控制系统，因此结构简单，可靠性更强。相比于传统的单边结构，该装置悬浮刚度更大，能有效抑制列车振动。轨道采用线圈结构，电磁阻力明显低于板式结构，能有效降低能耗，且线圈结构集肤效应较弱，故高速性能更好，机械强度也更高。

以上所述只是用图解说明本发明一种用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮装置的一些原理，并非是要将本发明型局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明型所申请的专利范围。

Claims (3)

1.一种用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮装置，包括列车车体(10)、轨道(12)，以及驱动列车车体(10)沿轨道(12)运动的直线电机(11)，其特征是：所述轨道(12)两侧各固定安装有一组线圈，每组线圈由若干沿轨道(12)延伸方向间隔设置的零磁通线圈(20)构成；所述列车车体(10)上横向间隔与线圈相对应的双边永磁阵列，双边永磁阵列包括位于零磁通线圈(20)以上的上部直线型Halbach阵列(31)和位于零磁通线圈(20)以下的下部直线型Halbach阵列(32)，零磁通线圈(20)与上部直线型Halbach阵列(31)底面之间存在上部气隙(33)，与下部直线型Halbach阵列(32)顶面之间存在下部气隙(34)。

2.如权利要求1所述的一种用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮装置，其特征是：所述零磁通线圈(20)的正面投影呈8字形，包括上部顶段(21)、上部左侧段(22)、上部右侧段(23)、下部底段(24)、下部左侧段(25)和下部右侧段(26)，以及上部左侧段(22)、下部右侧段(26)间的上下部第一过渡段(27)和上部右侧段(23)、下部左侧段(25)之间的上下部第二连过渡段(28)。

3.如权利要求1所述的一种用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮装置，其特征是：所述零磁通线圈(20)通过非金属支架(14)安装固定在轨道(12)侧壁上，所述上部直线型Halbach阵列(31)、下部直线型Halbach阵列(32)安装固定在刚性连接件(13)，刚性连接件(13)安装固定在列车车体(10)底部。