CN108306477B - 高速磁悬浮直线电磁推进系统 - Google Patents

高速磁悬浮直线电磁推进系统 Download PDF

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Abstract

高速磁悬浮直线电磁推进系统，属于电机领域，为了解决超导磁体所形成的磁场是开放的，漏磁严重，车辆重量高，常导磁悬浮技术的悬浮高度较低，悬浮控制难度大，对线路的要求高的问题。本发明包括初级和次级，初级安装于地面且为双边结构，并对称式布置在次级的左右两侧，初级和次级之间留有气隙；初级包括悬浮导向初级和推进初级，推进每边初级包括初级线圈和初级基板，初级线圈固定在初级基板的内侧，悬浮导向每边初级包括上导体板和下导体板，上导体板和下导体板沿垂向上下并列，推进初级固定于上导体板和下导体板之间；次级的2列磁极分别固定在撬车的两侧，每列磁极同时作为悬浮导向磁极和推进磁极。

Description

高速磁悬浮直线电磁推进系统
技术领域
本发明属于电机领域。
背景技术
现有高速磁悬浮直线电磁推进系统可分为常导型和超导型两大类。常导型也称常导磁吸型，以德国高速常导磁悬浮列车transrapid为代表，它是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将列车悬起，悬浮的气隙较小，一般为10mm左右。常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小时400～500km，适合于城市间的长距离快速运输。而超导型磁悬浮列车也称超导磁斥型，以日本MAGLEV为代表，它是利用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电动斥力将列车悬起，悬浮气隙较大，一般为100mm左右，速度可达每小时500km以上。尽管磁悬浮推进系统具有速度快、加速度大、能耗低、维修少、污染小、噪声低、寿命长等诸多优点，但仍然存在一些不足：(1)超导磁体所形成的磁场在车上是开放的，漏磁严重，磁场屏蔽难度大，车辆重量高；(2)常导磁悬浮技术的悬浮高度较低，悬浮控制难度大，对线路的平整度、路基下沉量及道岔结构方面的要求较超导技术更高。
发明内容
本发明的目的是为了解决超导磁体所形成的磁场是开放的，漏磁严重，车辆重量高，常导磁悬浮技术的悬浮高度较低，悬浮控制难度大，对线路的要求高的问题，从而提供高速磁悬浮直线电磁推进系统。
本发明的第一种技术方案：
高速磁悬浮直线电磁推进系统，包括初级和次级，初级安装于地面，且为双边结构，并对称式布置在次级的左右两侧，初级和次级之间留有气隙；
初级包括悬浮导向初级和推进初级，推进每边初级包括初级线圈3和初级基板，初级线圈3固定在初级基板的内侧，悬浮导向每边初级包括上导体板1和下导体板2，上导体板1和下导体板2沿垂向上下并列，推进初级固定于上导体板1和下导体板2之间；
次级包括2列磁极，且分别固定在撬车5的左右两侧，每列磁极同时作为悬浮导向磁极和推进磁极。
本发明的第二种技术方案：
高速磁悬浮直线电磁推进系统，包括初级和次级，初级安装于地面，且为双边结构，并对称式布置在次级的左右两侧，初级和次级之间留有气隙；
初级包括悬浮导向初级和推进初级，推进每边初级包括初级线圈3和初级基板，初级线圈3固定在初级基板的内侧，悬浮导向每边初级包括上导体板1和下导体板2，上导体板1和下导体板2沿垂向上下并列，推进初级固定于上导体板1和下导体板2的上侧或下侧；
次级包括2列磁极，且分别固定在撬车5的左右两侧，每列磁极包括1行悬浮导向磁极和1行推进磁极；悬浮导向磁极与悬浮导向初级相对，悬浮导向磁极与悬浮导向初级之间留有气隙，推进磁极与推进初级相对，推进磁极与推进初级之间留有气隙。
本发明的第三种技术方案：
高速磁悬浮直线电磁推进系统，包括初级和次级，初级安装于地面，初级和次级之间留有气隙；
初级包括悬浮导向初级和推进初级，推进初级包括初级线圈3和初级基板，初级线圈3固定在初级基板上，悬浮导向每边初级包括上导体板1和下导体板2，上导体板1和下导体板2沿垂向上下并列，悬浮导向初级对称式布置在次级的左右两侧；
次级包括2列磁极，且左右对称式固定在撬车5的下侧，每列次级磁极同时作为悬浮导向磁极和推进磁极，推进初级位于2列磁极之间；
次级还包括低温容器6，磁极沿次级运动方向排布且位于低温容器6内，磁极采用超导线圈7或超导块材实现。
上述第一种和第二种技术方案中，次级还包括低温容器6，磁极沿次级运动方向排布且位于低温容器6内，磁极采用超导线圈7或超导块材实现。
在悬浮导向磁极或推进磁极内侧，在撬车5上安装有磁场屏蔽导体板。
上述第一种和第二种技术方案中，单行的悬浮导向磁极或推进磁极包括永磁体阵列8、屏蔽导体板9和阻尼导体板10，永磁体阵列8、屏蔽导体板9和阻尼导体板10相互平行排布，阻尼导体板10与气隙相邻，永磁体阵列8固定在屏蔽导体板9和阻尼导体板10之间，永磁体阵列8包括4pn或4pn+1条长条形永磁体，所有长条形永磁体相互平行并沿动子运动方向排列，相邻两条永磁体充磁方向依次相差90/n度，p为次级极对数，n为大于等于1的自然数。
上述所有技术方案中，悬浮导向初级的上导体板1的宽度小于等于下导体板2的宽度。
上述所有技术方案中，上导体板1的上边沿高于悬浮导向磁极的上边沿，下导体板2的上边沿低于导向磁极的上边沿且高于悬浮导向磁极的下边沿，下导体板2的下边沿低于悬浮导向磁极的下边沿。
本发明采用结构简单的悬浮导向初级与超导体或永磁体磁场相互作用，产生电磁力，实现了高速磁悬浮直线电磁推进系统动子的自动悬浮与导向，具有以下优点：
(1)系统的悬浮与导向是自适应、自稳定的，悬浮与导向气隙大，免去了对导轨建造苛刻的精度要求，且不需要专门的悬浮与导向控制装置，因此不仅控制简单、安全可靠，而且成本低、运行效率高。
(2)悬浮导向初级由非磁性导体板构成，结构简单、制造容易、维护方便、可靠性高。另外，悬浮力和导向力没有波动。
(3)系统结构紧凑、体积小、重量轻；气隙磁密高、推进系统推力密度大。悬浮、导向系统与推进系统电磁解耦，容易实现各系统电磁特性及性能的最优设计。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的高速磁悬浮直线电磁推进系统的结构示意图，其中，(a)表示高速磁悬浮直线电磁推进系统的整体结构，(b)表示动子部分的结构，(c)表示动子磁极的透视图，(d)表示定子部分的结构，(e)表示去除初级基板后定子部分的结构；
图2为具体实施方式二所述的高速磁悬浮直线电磁推进系统的结构示意图，其中，(a)表示高速磁悬浮直线电磁推进系统的整体结构，(b)表示动子部分的结构，(c)表示动子磁极的透视图，(d)表示定子部分的结构，(e)表示去除初级基板后定子部分的结构；
图3为具体实施方式三所述的高速磁悬浮直线电磁推进系统的结构示意图，其中，(a)表示高速磁悬浮直线电磁推进系统的整体结构，(b)表示定子部分的结构，(c)表示动子部分的结构，(d)表示永磁体阵列的立体结构，(e)表示动子部分的俯视图；
图4至8为具体实施方式四所述的高速磁悬浮直线电磁推进系统的结构示意图，其中，图4表示高速磁悬浮直线电磁推进系统的整体结构，图5表示定子部分的结构，图6表示动子部分的结构，图7表示永磁体阵列的立体结构，图8表示动子部分的俯视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的高速磁悬浮直线电磁推进系统，主要由驱动控制分系统和悬浮导向及推进分系统构成。驱动控制分系统主要由功率变换器和控制器构成。功率变换器用于提供驱动能量，控制器用于控制动子运动速度、动子位置、初级线圈3的电流。悬浮导向及推进分系统主要由定子和动子构成。定子固定在地面上，主要由悬浮导向初级和推进初级构成；动子安装在撬车5上，主要由低温容器6与超导线圈7或超导块材构成，超导线圈7或超导块材安装固定在低温容器6内。
该高速磁悬浮直线电磁推进系统为长初级、短次级结构，初级固定、次级运动。悬浮导向初级与推进初级均为双边结构。悬浮导向每边初级由上导体板1和下导体板2构成，导体板由高电导率非磁性材料构成，两个导体板沿垂向上下并列固定在地面侧壁4上，上导体板1的上边高于由超导线圈7或超导块材励磁形成的磁极的上边，下导体板2的下边低于由超导线圈7或超导块材励磁形成的磁极的下边；左右两边初级对称布置。
推进每边初级由初级线圈3与初级基板构成，矩形初级线圈3固定在初级基板上或嵌放在初级基板的槽中。
推进每边初级的初级线圈3安装固定于悬浮导向每边初级的上导体板1和下导体板2之间。
由超导线圈7或超导块材励磁形成的磁极分左右两列每列4个磁极N、S依次交替排列固定在撬车5左右两侧，左右两列对应的磁极的极性相同。左右两列磁极与地面上悬浮导向初级、推进初级之间为气隙。气隙所在平面与动子运动方向平行，与水平面相垂直。
具体实施方式二：结合图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的高速磁悬浮直线电磁推进系统，高速磁悬浮直线电磁推进系统，主要由驱动控制分系统和悬浮导向及推进分系统构成。驱动控制分系统主要由功率变换器和控制器构成。功率变换器用于提供驱动能量，控制器用于控制动子运动速度、动子位置、初级线圈3的电流。悬浮导向及推进分系统主要由定子和动子构成。定子固定在地面上，主要由悬浮导向初级和推进初级构成；动子安装在撬车5上，主要由低温容器6与超导线圈7或超导块材构成，超导线圈7或超导块材安装固定在低温容器6内。
该高速磁悬浮直线电磁推进系统为长初级、短次级结构，初级固定、次级运动。悬浮、导向初级与推进初级为双边结构。悬浮、导向每边初级由上导体板1和下导体板2构成，导体板由高电导率非磁性材料构成，两个导体板沿垂向上下并列固定在地面侧壁4上，上导体板1的上边高于悬浮导向磁极的上边，下导体板2的下边低于悬浮导向磁极的下边；左右两边初级对称布置。
推进每边初级由初级线圈3与初级基板构成，矩形初级线圈3固定在初级基板上或嵌放在初级基板的槽中。
推进每边初级的初级线圈3安装固定于悬浮导向每边初级的上侧或下侧。
由超导线圈7或超导块材励磁形成的磁极分左右两列、每列又分上下两行(上行为推进磁极，下行为悬浮导向磁极)N、S依次交替排列固定在撬车5左右两侧，每行4个磁极；左右两列对应的磁极的极性相同，上下两行对应的磁极的极性相反。上下两行磁极分别与推进初级、悬浮导向初级相对应。两列磁极与地面上悬浮导向初级、推进初级之间为气隙。气隙所在平面与运动方向平行，与水平面相垂直。
具体实施方式三：结合图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的高速磁悬浮直线电磁推进系统，高速磁悬浮直线电磁推进系统，主要由驱动控制分系统和悬浮导向及推进分系统构成。驱动控制分系统主要由功率变换器和控制器构成。功率变换器用于提供驱动能量，控制器用于控制动子运动速度、动子位置、初级线圈3的电流。悬浮导向及推进分系统主要由定子和动子构成。定子固定在地面上，主要由悬浮导向初级和推进初级构成；动子安装在撬车5上，主要由永磁体阵列8、屏蔽导体板9、阻尼导体板10构成。阻尼导体板10采用高电导率材料，屏蔽导体板9采用高饱和磁密材料。
该高速磁悬浮直线电磁推进系统为长初级、短次级结构，初级固定、次级运动。悬浮导向初级与推进初级为双边结构。悬浮导向每边初级由上导体板1和下导体板2构成，导体板由高电导率非磁性材料构成，两个导体板沿垂向上下并列固定在地面侧壁4上，上导体板1的上边高于磁极的上边，下导体板2的下边低于磁极的下边；左右两边初级对称布置。
推进每边初级由初级线圈3与初级基板构成，矩形初级线圈3固定在初级基板上或嵌放在初级基板的槽中。
推进每边初级的初级线圈3安装固定于悬浮导向每边初级的上导体板1和下导体板2之间。
磁极主要由永磁体阵列8、屏蔽导体板9、阻尼导体板10构成。屏蔽导体板9与阻尼导体板10相互平行，导体板所在平面与运动方向平行，与水平面垂直，构成永磁体阵列8的各长条形永磁体排列固定在屏蔽导体板9与阻尼导体板10之间，永磁体的长度方向垂直于水平面，充磁方向平行于水平面。每列磁极由16条永磁体构成，每相邻两条永磁体充磁方向之间依次相差45度。阻尼导体板10邻气隙，与悬浮导向初级及推进初级相对。永磁体励磁形成的磁极N、S依次交替排列固定在撬车5两侧，磁极分左右两列。
具体实施方式四：结合图4至图8具体说明本实施方式，本实施方式所述的高速磁悬浮直线电磁推进系统，主要由驱动控制分系统和悬浮导向及推进分系统构成。驱动控制分系统主要由功率变换器和控制器构成。功率变换器用于提供驱动能量，控制器用于控制动子运动速度、动子位置、初级线圈3的电流。悬浮导向及推进分系统主要由定子和动子构成。定子固定在地面上，主要由悬浮导向初级和推进初级构成；动子安装在撬车5上，主要由永磁体阵列8、屏蔽导体板9、阻尼导体板10构成。阻尼导体板10采用高电导率材料，屏蔽导体板9采用高饱和磁密材料。
该高速磁悬浮直线电磁推进系统为长初级、短次级结构，初级固定、次级运动。悬浮、导向初级与推进初级为双边结构。悬浮导向每边初级由上导体板1和下导体板2构成，导体板由高电导率非磁性材料构成，两个导体板沿垂向上下并列固定在地面侧壁4上，上导体板1的上边高于悬浮导向磁极的上边，下导体板2的下边低于悬浮导向磁极的下边；左右两边初级对称布置。
推进每边初级由初级线圈3与初级基板构成，矩形初级线圈3固定在初级基板上或嵌放在初级基板的槽中。
推进每边初级的初级线圈3安装固定于悬浮导向每边初级的上侧。
磁极主要由永磁体阵列8、屏蔽导体板9、阻尼导体板10构成。屏蔽导体板9与阻尼导体板10相互平行，导体板所在平面与运动方向平行，与水平面垂直，构成永磁体阵列8的各长条形永磁体排列固定在屏蔽导体板9与阻尼导体板10之间，永磁体的长度方向垂直于水平面，充磁方向平行于水平面。每列磁极由16条永磁体构成，每相邻两条永磁体充磁方向之间依次相差45度。阻尼导体板10邻气隙，与悬浮导向初级及推进初级相对。永磁体励磁形成的磁极N、S依次交替排列固定在撬车5两侧，磁极分左右两列，每列又分上下两行。上下两行磁极分别与推进初级、悬浮导向初级相对应。
具体实施方式五：本实施方式所述的高速磁悬浮直线电磁推进系统，主要由驱动控制分系统和悬浮导向及推进分系统构成。驱动控制分系统主要由功率变换器和控制器构成。功率变换器用于提供驱动能量，控制器用于控制动子运动速度、动子位置、初级线圈3的电流。悬浮导向及推进分系统主要由定子和动子构成。定子固定在地面上，主要由悬浮导向初级和推进初级构成；动子安装在撬车5上，主要由低温容器6与超导线圈7或超导块材构成，超导线圈7或超导块材安装固定在低温容器6内。
该高速磁悬浮直线电磁推进系统为长初级、短次级结构，初级固定、次级运动。悬浮导向初级与推进初级为双边结构。悬浮导向每边初级由上导体板1和下导体板2构成，导体板由高电导率非磁性材料构成，两个导体板沿垂向上下并列固定在地面侧壁4上，上导体板1的上边高于磁极的上边，下导体板2的下边低于磁极的下边；左右两边初级对称布置。
推进初级由初级线圈3与初级基板构成，初级线圈3固定在初级基板上或嵌放在初级基板的槽中。推进初级包括一套或两套绕组。
由超导线圈7或超导块材励磁形成的磁极N、S依次交替排列固定在撬车5下侧，磁极分两列，左右两列对应的磁极的极性相同。推进初级位于左右两列磁极之间，推进初级与两列磁极之间为气隙；两列磁极与地面上悬浮导向初级之间为气隙。气隙所在平面与运动方向平行，与水平面相垂直。
高速磁悬浮直线电磁推进系统的工作原理(以具体实施方式一为例进行说明):
推进原理：次级超导磁体产生的磁场与推进初级绕组产生的行波磁场相互作用产生电磁驱动力，驱动次级做直线运动。
悬浮原理：次级在速度较低时，由辅助支撑装置来支撑，随着动子速度的提高，在悬浮初级导体板中产生的涡流越来越大，上导体板1中产生的涡流与次级超导磁体磁场相互作用会产生一个向下的斥力，排斥次级向下；而下导体板2中产生的涡流与次级超导磁体磁场相互作用会产生一个向上的斥力，排斥次级向上，当作用于次级向上的合成电磁力大于次级重量时，便会使次级悬浮起来。
导向原理：当高速运动的次级处于左右导向初级中间位置时，次级超导磁体磁场与左右导向初级导体板中的涡流相互作用，产生的电磁力大小相等、方向相反；当次级偏离中间位置时，次级超导磁体磁场与左右导向初级导体板中的涡流相互作用，产生的电磁力大小不相等，与次级靠近导向导体板中涡流作用产生的电磁力大于与次级远离导向导体板中涡流作用产生的电磁力，推动次级趋向中间位置。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (8)

1.高速磁悬浮直线电磁推进系统，其特征在于，包括初级和次级，初级安装于地面，且为双边结构，并对称式布置在次级的左右两侧，初级和次级之间留有气隙；
初级包括悬浮导向初级和推进初级，每边推进初级包括初级线圈(3)和初级基板，初级线圈(3)固定在初级基板的内侧，每边悬浮导向初级包括上导体板(1)和下导体板(2)，上导体板(1)和下导体板(2)沿垂向方向上下并列设置，推进初级固定于上导体板(1)和下导体板(2)之间；
次级包括2列磁极，且分别固定在撬车(5)的左右两侧，每列磁极同时作为悬浮导向磁极和推进磁极。
2.高速磁悬浮直线电磁推进系统，其特征在于，包括初级和次级，初级安装于地面，且为双边结构，并对称式布置在次级的左右两侧，初级和次级之间留有气隙；
初级包括悬浮导向初级和推进初级，每边推进初级包括初级线圈(3)和初级基板，初级线圈(3)固定在初级基板的内侧，每边悬浮导向初级包括上导体板(1)和下导体板(2)，上导体板(1)和下导体板(2)沿垂向方向上下并列设置，推进初级固定于上导体板(1)和下导体板(2)的上侧或下侧；
次级包括2列磁极，且分别固定在撬车(5)的左右两侧，每列磁极包括1行悬浮导向磁极和1行推进磁极；悬浮导向磁极与悬浮导向初级相对，悬浮导向磁极与悬浮导向初级之间留有气隙，推进磁极与推进初级相对，推进磁极与推进初级之间留有气隙。
3.根据权利要求1或2所述的高速磁悬浮直线电磁推进系统，其特征在于，次级还包括低温容器(6)，磁极沿次级运动方向排布且位于低温容器(6)内，磁极采用超导线圈(7)或超导块材实现。
4.根据权利要求3所述的高速磁悬浮直线电磁推进系统，其特征在于，在悬浮导向磁极或推进磁极内侧，在撬车(5)上安装有磁场屏蔽导体板。
5.根据权利要求1或2所述的高速磁悬浮直线电磁推进系统，其特征在于，单行的悬浮导向磁极或推进磁极包括永磁体阵列(8)、屏蔽导体板(9)和阻尼导体板(10)，永磁体阵列(8)、屏蔽导体板(9)和阻尼导体板(10)相互平行排布，阻尼导体板(10)与气隙相邻，永磁体阵列(8)固定在屏蔽导体板(9)和阻尼导体板(10)之间，永磁体阵列(8)包括4pn或4pn+1条长条形永磁体，所有长条形永磁体相互平行并沿次级运动方向排列，相邻两条永磁体充磁方向依次相差90/n度，p为次级极对数，n为大于等于1的自然数。
6.高速磁悬浮直线电磁推进系统，其特征在于，包括初级和次级，初级安装于地面，初级和次级之间留有气隙；
初级包括悬浮导向初级和推进初级，推进初级包括初级线圈(3)和初级基板，初级线圈(3)固定在初级基板上，悬浮导向初级为双边结构，每边悬浮导向初级包括上导体板(1)和下导体板(2)，上导体板(1)和下导体板(2)沿垂向方向上下并列设置，悬浮导向初级对称式布置在次级的左右两侧；
次级包括2列磁极，且左右对称式固定在撬车(5)的下侧，每列次级磁极同时作为悬浮导向磁极和推进磁极，推进初级位于2列磁极之间；
次级还包括低温容器(6)，磁极沿次级运动方向排布且位于低温容器(6)内，磁极采用超导线圈(7)或超导块材实现。
7.根据权利要求1、2、4或6所述的高速磁悬浮直线电磁推进系统，其特征在于，悬浮导向初级的上导体板(1)的宽度小于等于下导体板(2)的宽度。
8.根据权利要求1、2、4或6所述的高速磁悬浮直线电磁推进系统，其特征在于，上导体板(1)的上边沿高于悬浮导向磁极的上边沿，下导体板(2)的上边沿低于导向磁极的上边沿且高于悬浮导向磁极的下边沿，下导体板(2)的下边沿低于悬浮导向磁极的下边沿。
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