CN1076677C - 双向电磁铁控制永磁悬浮及导向装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于磁悬浮车的悬浮和导向装置，特别是一种可代替国外现有超导斥力式悬浮和常导吸力式悬浮的一种悬浮装置。主要技术特征是用永磁体悬浮车体及乘客重量并导向，用双向电磁铁及控制环节产生稳定力。因此节能。主要用于高低速磁悬浮车。

Description

双向电磁铁控制永磁悬浮及导向装置

本发明是一种磁悬浮装置，特别是一种利用永磁体及电磁铁的共同作用将车体稳定地悬浮起来并进行导向的磁悬浮装置。

现阶段磁悬浮车主要有超导斥力悬浮和常导吸力悬浮两种方式。日本对超导斥力悬浮车的研究较多，首期约投入30亿美元，在试验线上时速已达552km，但因可靠性、成本、噪声等问题实用前景不佳，99年日本政府已停止二期试验线30亿美元的拨款^[1]。常导吸力磁悬浮车德国研究投入较多，修建了总长31.5km，直线段12km的试验线，在直线上实验时速400多公里，并鼓动中国在上海修建30km的试验线。但被德国人称为“具有里程碑意义的柏林——汉堡磁悬浮铁路于2000年2月决定停建。^[2]”投入儿十亿元进行研究，为什么停建呢？即懂车辆动力学又懂电机的人一目了然：双轨直线同步电机驱动双轨串联供电，会给过弯道造成困难；悬浮磁场兼作直线同步电机的励磁磁场，在悬浮高度波动时，必对悬浮磁场进行调节，悬浮磁场的变化必使驱动功率变化，双轨驱动功率的变化，是随机的，这给导向造成动力干扰。诸如此类的方案性的问题使其在工程上无法实用。磁悬车应该寻求一种新悬浮方式。

永磁悬浮的好处是不需要不断地供给电能，因此受到重视。但是仅用永磁吸力或斥力悬浮是不稳定的，多数已将永磁体与电磁铁结合起来研究，但人们对于稀土永磁体电阻很小的影响认识不足，将稀土永磁体与电磁铁硅钢片铁芯串联使用^[3]，为使悬浮稳定在对电磁铁电流进行调节时，磁通发生变化，在永磁体中产生涡流，降低调节速度，并发热使永磁体失去磁性，稀土永磁体摄氏100多度就会失去磁性。若永磁体用铁氧体，电阻很大，不产生涡流不会失去磁性，但磁能积太小，自重太大，也没有实用价值。本发明虽然也属于电磁永磁混合悬浮，但是，不是将电磁铁与永磁体的磁路串联，而是并联，所以电磁铁磁通的变化不穿过永磁体，不产生涡流，不发热，也不降低电磁铁电流的调节速度。

本发明的目的一是解决磁悬浮车运动稳定性，二是降低磁悬浮车的投资和运营费用。

本发明要求保护的技术方案有三点。其一是用永磁体悬浮车体及满载时乘客的重量，用上下电磁铁及传感器稳定悬浮高度。固定在线路梁上的用硅钢片叠成的轨道作为磁跌的衔铁，在衔铁之下是固定在下磁铁梁上的电磁铁、永磁体及阻尼环、下传感器，与衔铁间的气隙就是悬浮高度；在衔铁之上是固定在上磁铁梁上的电磁铁、上传感器，与衔铁间的气隙称为上气隙，上下磁铁梁又分别固定在悬挂架的上下方，将衔铁夹在中间。每两个悬挂架作为一个基本悬浮单元支承车体，根据车体的重量和长度可设4-8个悬挂架。在悬浮高度为给定值时永磁体对衔铁的吸力设计为等于车体及满员乘客时的重量，但这样的悬浮力是不稳定的，当受干扰悬浮高度变大时，吸力迅速变小。这时通过下传感器及控制环节向下电磁铁供电，吸力使悬浮高度回到给定值。当受干扰悬浮高度变小时(上气隙变大)，永磁体的吸力迅速变大，下电磁铁不能对衔铁产生推力，这时上传感器及控制环节向上电磁铁供电，对衔铁产生吸力，使上气隙变小，悬浮高度回到给定值。这就是用磁场力形成了磁弹簧，悬浮高度偏离给定值时，能产生恢复力。其二是用永磁体上的阻尼环消耗干扰能量，增加系统的稳定性。当干扰使永磁体与衔铁间的气隙发生变化时，阻尼环中感生电流，抵抗干扰，将干扰能量变成热量散掉。其三是悬浮力的分力作为导向力，省去了单独的导向系统。上电磁铁、下电磁铁、永磁体都设计成偶数，沿磁铁梁横向错开布置，这样磁场力有一水平分力，在磁铁梁与轨道对中时水平分力相互抵消，当转弯等受水平方向外力时，磁铁梁与轨道不对中，这时永磁体、电磁铁的水平分力一边的减小，另一边的增加，产生回到对中位置的恢复力。因下电磁铁与永磁体的磁路是独立的，永磁体上的阻尼环不影响下电磁铁电流的调节速度。

发明与背景技术相比所具有的有益的效果：本发明与德国磁悬浮车均属于常导吸力式磁悬浮方式，与之相比有以下有益效果：本发明用永磁体悬浮车体及乘客的重量，上、下电磁铁仅作保持一定的悬浮高度用，因此在运营节省悬浮电能，若仅用下电磁铁，永磁体仅能悬浮较小的重量，否则受干扰悬浮高度变小时会被吸合；本发明在永磁体上有阻尼环，轨道由硅钢片叠成，作为上下电磁铁及永磁体的衔铁，因此除前进方向外，能对其它各方向的干扰产生阻尼，不需提供电能就能提高抗干扰能力，增加运动稳定性。本发明将永磁体及电磁铁在磁铁梁上横向错开布置，使悬浮系统兼有导向功能，节省投资，而德国的磁悬浮车导向用两条导向轨道、导向磁铁及导向控制系统完成。

本发明的基本结构如附图所示。图中

(1)——车体           (2)——上传感器

(3)——上磁铁梁       (4)——上电磁铁

(5)——下电磁铁       (6)——下磁铁梁

(7)——永磁体及阻尼环 (8)——下传感器

(9)——下支承轮       (10)——上支承轮

(11)——摆杆          (12)——滚轮

(13)——二次悬挂弹簧  (14)——横梁

(15)——双向转向节    (16)——轨道

(17)——永磁体及阻尼环(18)——悬挂架

(19)——感应轨        (20)——电磁制动器

(21)——梁

实现发明的最好方式是将车体(1)通过二次悬挂弹簧(13)支承在横梁(14)上，横梁又通过摆杆(11)及滚轮(12)支承在悬挂架(18)上。以上结构与轮轨车辆一样是为了减小车体的振动而设置的。当停车时，上电磁铁(4)与下电磁铁(5)均断电，这时永磁体(7)的吸力仍然存在，由于吸力较大，如果空载，下支承轮(9)与梁(21)上的感应轨(19)接触，如果满载，可能上支承轮与梁(21)的上表面接触。当需要减速或停车时电磁制动器(20)通电，与感应轨(10)作用产生电涡流制动力。由硅钢片叠成的轨道(16)固定在梁(21)上，通过磁场它支承车体的静荷及振动。本发明的关键部分是安装于悬挂架(18)内的磁路机构：下电磁铁(5)、永磁铁及阻尼环(7)、下传感器(8)安装在2m左右长的下磁铁梁(6)上，下磁铁梁又通过可绕y轴及z轴转动的双向转向节(同15)联接到悬挂架(18)的下端，双向转向节的作用是减少轨道不平顺引起下磁铁梁波动向车体的传递。上电磁铁(4)、上传感(2)安装在上磁铁梁(3)上，上磁铁梁又通过双向转向节(15)联接到悬挂架(18)的上端，为看清悬挂架内磁路结构，xoz向视图中右半部已将悬挂架侧壁剖去。悬浮控制过程是当下传感器感知与轨道间气隙也就是悬浮高度大于额定值时，下电磁铁线圈导电，增加吸力使气隙恢复到额定值，当下传感器感知与轨道间气隙小于额定值时，上传感器会感知上电磁铁与轨道间的气隙大于额定值，这时上电磁铁线圈导电产生吸力，才能将气隙维持在额定值。若没有上电磁铁，永磁体只能承担很小的悬浮力，因永磁体的吸力随气隙的减小非线性地增加，下电磁铁与轨道之间不能产生推力，只有上电磁铁的吸力才能维持气隙在额定值范围之内。简而言之，轨道作为衔铁夹在上电磁铁与下电磁铁、永磁铁之间，通过控制环节，调节上下电磁铁的吸力，使衔铁与上下电磁铁的气隙维持在额定的范围内。导向功能是这样来实现的：上下电磁铁及永磁体都设计成偶数块，使它们沿磁铁梁左右错开布置，也就是一块电磁铁或永磁体的中心线在oy方向错开y₀，另一块错开为-y₀，这样除了有沿z方向的吸力外，还有在y方向的分力，当磁铁梁与轨道对中时水平分力相互抵消。当转弯受离心或受到y方向干扰时，磁铁梁与轨道不对中，磁铁梁上的磁铁一边的y方向的水平分力变小，另一边的变大，产生恢复到中心位置的水平力。水平恢复力的大小根据曲线半径、通过曲线时的速度、水平干扰力的大小等因素设计。当受干扰气隙在z方向或y方向波动时，永磁体磁路发生变化，阻尼环中产生感生电流，消耗干扰能量，不需供电而增加运动稳定性。

Claims (5)

1、双向电磁铁控制永磁悬浮导向装置，特别是一种可将车体稳定地悬浮起来并进行导向的磁悬浮装置，其特征是用永磁体悬浮车体及乘客的重量，永磁体上的阻尼环对前进方向以外的波动产生阻尼，提高车体的稳定性；上、下电磁铁、传感器及控制环节使磁悬浮车成为稳定的，特别是有了上电磁铁才能使永磁体悬浮车体及满员时乘客的重量，否则当受干扰悬浮高度变小时会与轨道吸合；永磁体及阻尼环、上、下电磁铁设计成偶数，沿磁铁梁横向错开布置产生导向力，不必单设导向轨、导向磁铁及导向控制环节。其技术方案是：下电磁铁(5)、永磁体及阻尼环(7)、下传感器(8)固定在下磁铁梁(6)上，上电磁铁(4)、上传感器固定在上磁铁梁上，上、下磁铁梁又通过双向转向节(15)与悬挂架(18)相连，两悬挂架又通过摆杆(11)、滚轮(12)、横梁(14)、二次悬挂弹簧(13)与车体(1)相连，硅钢片叠成的轨道(16)固定在工字形梁(21)上，位于上电磁铁(4)与下电磁铁(5)及永磁体(7)的中间，作为上、下电磁铁及永磁体的衔铁。

2、根据权利1所述的磁悬浮及导向装置，其特征是可用于高速磁悬浮车。

3、根据权利1所述的磁悬浮及导向装置，其特征是可用于城市或市郊的低速磁悬浮车。

4、根据权利要求1所述的磁悬浮及导向装置，其特征是可用于精度要求较高的减振平台，如航天飞机或运载火箭精密仪器或设备的减振平台。

5、根据权利1所述的磁悬浮及导向装置，其特征是可用于物料的输送。

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