CN108372864A - 一种真空管道列车磁悬浮ems/eds混合支承结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空管道列车磁悬浮EMS/EDS混合支承结构，在圆形截面的真空管道中设置圆形截面的列车，列车和管道之间采用沿周向对称布置的四点悬浮支撑结构；列车下部采用EDS悬浮支撑机构来承载大部分载荷，列车上部通过EMS悬浮支撑结构来辅助支撑。EMS/EDS混合支承结构同时提供阻尼，增加系统稳定性。解决了目前磁浮列车支承系统中，单纯EDS系统阻尼不够，系统的稳定性较差，单一的EMS系统悬浮间隙较小，对控制系统和结构精度要求较高的问题。

Description

一种真空管道列车磁悬浮EMS/EDS混合支承结构

技术领域

本发明涉及一种磁浮列车的悬浮系统，具体是一种针对真空管道列车的EMS和EDS混合的悬浮系统。

背景技术

磁悬浮列车是一种现代轨道交通工具，它通过磁铁的吸力或者斥力实现列车与轨道之间的无接触的悬浮，从而极大地提高了运行速度。同时具有节能、环保等诸多优点特点，有着广泛的发展前景。悬浮无摩擦的设计解决了列车与轮轨之间的摩擦问题。但没有从根本上解决空气对列车行驶所带来的阻力的问题。运用真空管道技术，改变列车的运行介质磁浮列车在管道中行驶可极大减小现有地面交通工具的摩擦阻力和空气。作为一种未来的交通工具，与传统的磁浮列车相比，真空管道的磁悬浮列车在高速、节能方面有着很大的优势，而较飞机而言则有着其特有的便捷和舒适，这些特点引起了世界范围内的广泛关注，许多国家对此进行了相关的研究，且得到了一些进展。

目前，实际运行的磁浮列车按悬浮原理通常可分为电磁悬浮型(EMS)和电动悬浮型(EDS)两种。EMS系统利用磁铁和轨道之间的吸力来实现悬浮，采用主动控制来调整悬浮性能, 如德国磁悬浮列车Transrapid以及对应于真空管道交通的瑞士超高速地铁项目Swissmetro。利用强大的电磁力和抱轨的设计使列车稳定在轨道上，但悬浮间隙小、对轨道、控制器的精度要求较高。另外，对土建构件的过分要求在技术、经济上是不合理。EDS型系统利用强磁场实现较大间隙悬浮，代表为日本的MLU、MLX型系列磁悬浮列车和美国的Magplane和GA 磁悬浮列车。其对轨道精度要求低, 系统能实现自稳,但系统阻尼小同时也难以施加阻尼。另外，日本的MLU、MLX方案采用超导技术，无疑增加了系统的实施难度以及整体的成本，而美国的Magplane和GA方案则存在控制精度问题，而且效率相对较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的上述缺陷，提供一种针对于真空管道列车的悬浮支撑系统，同时克服现有磁悬浮列车中EMS系统控制要求高以及EDS系统成本较高、稳定性较差的缺点，受力更稳定、均匀，使列车在受到侧向干扰时也能平稳运行。

即四点支撑方案。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种真空管道列车磁悬浮EMS/EDS混合支承结构，其特征在于：在圆形截面的真空管道中设置圆形截面的列车，列车和管道之间采用沿周向对称布置且融合EMS和EDS系统的四点悬浮支撑结构；列车下部采用EDS悬浮支撑机构来承载大部分载荷，列车上部通过EMS悬浮支撑结构来辅助支撑。

进一步的，EMS悬浮支撑结构左右对称设置于列车上方，包括相对间隔设置的电磁铁和衔铁板；电磁铁固定在列车上方，衔铁板设置在管道上；还设置悬浮间隙传感器，通过悬浮间隙传感器检测及反馈列车与管道的距离；EDS悬浮支撑机构位于列车下方左右对称放置，主要包括永磁阵列和相对间隔设置的感应板；永磁阵列通过固定装置固定在列车上，感应板沿管道铺设并固定在管道上，紧邻感应板在感应板下方设置冷却板。

进一步的，冷却板中设置液冷通道，液冷通道分别留有进口和出口对感应板进行循环冷却。

进一步的，每一个电磁铁由同一个电磁铁盒体中间隔设置的两个U型铁芯构成；励磁线圈缠绕在各U型铁芯上，U型铁芯通过连接件固定在电磁铁盒体内部，电磁铁盒体盖板采用间断放置的铜条盖板；悬浮间隙传感器设置在该两个U型铁芯之间并位于电磁铁盒体盖板之上；悬浮间隙传感器同时位于电磁铁盒体盖板与衔铁板之间的间隙中；悬浮间隙传感器与电流控制器相连以控制励磁线圈中电流大小，从而控制电磁吸力的大小。

进一步的，永磁阵列为单边Halbach永磁阵列，采用NdFeB永磁铁，放置在磁铁盘内，固定在列车上。

进一步的，在永磁阵列固定装置下方，还设置可收起的支撑轮，该支撑轮通过阻尼系统与列车底部固定连接。

本发明结合真空环境中相对较低的空气阻力，融合EMS、EDS两种悬浮系统。提出关于混合磁悬浮方案的悬浮支撑方式。采用“四点悬浮支撑”的方式，列车下部采用EDS悬浮原理来承载大部分载荷，列车上部通过EMS悬浮来辅助支撑，同时提供阻尼，增加系统稳定性。

永磁EDS系统位于列车下方，主要包括Halbach永磁阵列以及感应轨组成。原理为通过列车下方的感应轨与列车上的Halbach磁铁阵列相对运动时导体内部会产生感应电动势，进而形成涡流，涡流形成之后又会激发磁场，感应产生的磁场会阻碍原磁场，在两者之间产生电动力提供悬浮力来提升车体。Halbach阵列采用NdFeB永磁铁，放置在磁铁盘内，固定在列车上。感应轨主要由感应板制成，铺设在管道上。EDS作为系统的主要承载部分，承担着系统大部分的载荷。EDS系统中Halbach间隔放置，悬浮力在水平方向上的分力就提供了列车的导向力。另外，在速度较低时，由于列车相对感应轨的移动速度较小，产生的电动力不足以悬浮车体，这时需要支撑轮来支撑列车，在达到临界速度时收起支撑轮。

永磁电动悬浮系统EDS的悬浮力随着速度的增加而增加，但当速度到达一定的阈值时，悬浮力就不再发生大的变化，相对应的磁阻力在达到一定阈值后，随着速度的增加，磁阻力会持续降低这也使得永磁电动悬浮系统在较高速度下有着更好的应用前景。同时，因为单纯的EDS系统因为阻尼不够，会一直处于临界稳定的状态，引入EMS系统能实现EDS系统的稳定。通过计算验证得知，只要EDS 悬浮力达到一定比重即可实现稳定，通过引入EMS系统即可对EDS进行辅助支撑和调节，从而实现两种悬浮方式的互补。

同时，列车的外壳与管道均为圆管状，就决定了可以不光在上部设置悬浮支撑系统，还可以在圆周的任何对称位置。当列车在管道中运行时可大大减小空气阻力，无轨设计可避免常规交通中列车与轨道之间的摩擦阻力，车速可进一步提升。

实际工作原理为：真空管道磁悬浮列车启动与停车过程中，因为产生的电动力较小，支承主要由支撑轮与列车上部的EMS系统提供，随着速度的增大，EDS系统所提供的电动力增大，当速度达到临界速度时，EMS系统与EDS系统所提供的悬浮力能克服列车的重力，列车底部支撑轮收起脱离管道。速度持续增大，会使总悬浮力大于列车自重，此时可以通过EMS系统中的间隙反馈，改变EMS系统中电磁力的大小，从而达到稳定。若速度达到一定程度，悬浮力与载重的差值大于EMS系统的反馈调节的范围，在悬浮力的作用下，列车被抬升，列车下方作为主要承载的EDS系统中的悬浮间隙会变大，从而使电动力减小，保持了悬浮力与列车重力的动态平衡。通过这种自稳定的特性可以保持列车稳定地在真空管道中运行，但因为存在高速运行时管道中产生的气流等诸多因素的影响，列车与管道的悬浮间隙会有一定的波动，这种波动的影响可以通过EMS系统的间隙反馈来削弱，来维持支撑系统的相对稳定性。

与现有技术相比，具有以下增益效果：

①大多数支撑结构均是以轨道支撑的，所以支撑结构的形状大多是和轨道配合。而在本发明中，管道上EMS、EDS系统与列车并没有相关配合关系，只是利用其与列车上相对位置，通过电动力与电磁力的作用同时提供悬浮力以及列车在弯道行驶上的向心力。

②列车与管道均采用圆管状外形，充分利用所处的真空环境。与其他管道列车相比，可大大减小列车在高速运行中强大的空气阻力。而“四点支撑”的方案也更适用于圆管状列车，受力更稳定、均匀，使列车在受到侧向干扰时也能平稳运行。

③高速状态下，感应板中产生的强烈热效应会对EDS系统的悬浮效果造成很大的影响，冷却板与感应板成对紧密设置，主要起到冷却、固定感应板的作用。

④与传统的采用抱轨、EMS系统位于下方的悬浮方式不同，虽然悬浮力都是向上，但在本发明中可以利用管道，将EMS部分系统固定在管道上，可以省去了轨道及各种构件，同时节省空间。

附图说明

图1是本发明真空管道磁浮列车结构示意图。

图2是本发明电磁铁结构正视图。

图3是本发明电磁铁结构侧视图。

图4是本发明中EDS系统原理示意图。

图5是本发明冷却板俯视剖面示意图。

图1-5中附图标记如下：1.真空管道；2.衔铁支撑板；3.衔铁；4.电磁铁；5.电磁铁支撑板；6.磁浮列车；7.底部支撑台；8.磁铁支撑架；9.阻尼系统；10.支撑轮；11.磁铁盘；12.感应板；13.冷却板；14.悬浮间隙传感器；15.电流控制器；16.电缆；17.铜条盖板；18.压板；19.铁芯；20.线圈；21.电磁铁外壳。

具体实施方式

图1是本发明真空管道磁浮列车结构示意图，列车支承系统由EMS系统、EDS系统以及一些连接支撑件组成。

对于EMS系统，结构具体如下：电磁铁4通过螺纹连接固定在电磁铁支撑台5上，并固连在列车车身6上。与电磁铁4间隔正对的是衔铁板3。通过电磁铁4与衔铁板3的吸力来产生电磁吸力。衔铁板3由其支撑板2通过螺纹连接件固定，并与真空管道1连接。

对于EDS系统，结构具体如下：永磁阵列固定在磁铁盘11内，通过螺纹连接在磁铁支撑架8上。感应板12（可以为铝板）与磁铁盘11间隔正对，列车在运动时磁铁盘11中的Halbach阵列会相对感应使得感应板12运动，感应板会产生涡流，由此产生电动斥力。但随着速度增大，涡流强度增大，会产生大量热量。一定程度上会对EDS系统造成影响，所以在感应板12下方放置冷却板13，其中通入冷却液，并循环冷却。冷却板12固定在管道1上。

另外，在低速或静止状态下，产生悬浮力不足以抬升车体时，通过从列车底部放下来支撑轮10来支撑车体，支撑轮10可以与磁铁支撑架8固连，而支撑架8与阻尼系统9连接，固定在列车底部支撑台7下表面，由支撑架8上的相关控制系统控制其升降，同时支撑轮10也可通过车体6单独控制。在支撑轮10放下后，支撑轮10在管道1内部下方搭建的平台上滚动，达到临界速度之后，支撑轮10收起。支撑轮上方放置有阻尼系统9，可以由空气弹簧等实现，目的是增加支承系统的阻尼同时起到缓冲的作用。

图2、3是本发明电磁铁正视及侧视剖面图。

本发明中电磁铁4包含两对U型电磁铁，两对U型电磁铁结构完全一致，包括压板18、铁芯19、线圈20，包含在电磁铁外壳21里。另外还有一些传感控制元件，由铜条盖板17盖住电磁铁4上表面。铜条盖板17由若干铜条间隔放置，有序分布在电磁铁外壳21上；压板18用来固定线圈20；铁芯19由硅钢片堆叠而成。另外的传感控制元件由悬浮间隙传感器14、电流控制器15以及连接电缆16组成。悬浮间隙传感器14位于电磁铁4上表面，处于电磁铁4与衔铁板3之间的悬浮间隙中。监测悬浮间隙的变化并实时通过电缆16将间隙信息反馈给电流控制器15，通过电流控制器来调控电磁铁4中的电流大小，从而控制电磁吸力的大小。

图4为EDS原理示意图：与单纯将磁铁顺序排列相比，Halbach阵列能够将磁场聚集在阵列的一侧，Halbach阵列通过将被特定顺序磁化的磁铁有序地排列在一条直线上，形成一个或多个周期的磁体组。一个周期需要从一个特定磁化方向开始，并以此磁化方向的磁铁作为结束。以这种方式可以有效增大磁场的利用率。并通过永磁体Halbach阵列相对感应板的运动，产生电动悬浮力来克服列车自重，同时产生与列车运行速度相反的电磁阻力。

图5为冷却板13俯视剖面图，冷却板13与感应板12紧贴，冷却液从进液口进入，并在冷却板13内部流动，用来给感应板12降温，然后从出液口流出。

Claims (6)

1.一种真空管道列车磁悬浮EMS/EDS混合支承结构，其特征在于：在圆形截面的真空管道中设置圆形截面的列车，列车和管道之间采用沿周向对称布置且融合EMS和EDS系统的四点悬浮支撑结构；列车下部采用EDS悬浮支撑机构来承载大部分载荷，列车上部通过EMS悬浮支撑结构来辅助支撑。

2.根据权利要求1所述的真空管道列车磁悬浮EMS/EDS混合支承结构，其特征在于：EMS悬浮支撑结构左右对称设置于列车上方，包括相对间隔设置的电磁铁和衔铁板；电磁铁固定在列车上方，衔铁板设置在管道上；还设置悬浮间隙传感器，通过悬浮间隙传感器检测及反馈列车与管道的距离；EDS悬浮支撑机构位于列车下方左右对称放置，主要包括永磁阵列和相对间隔设置的感应板；永磁阵列固定在列车上，感应板沿管道铺设并固定在管道上，紧邻感应板在感应板下方设置冷却板。

3.根据权利要求2所述的真空管道列车磁悬浮EMS/EDS混合支承结构，其特征在于：冷却板中设置液冷通道，液冷通道分别留有进口和出口对感应板进行循环冷却。

4.根据权利要求2或3所述的真空管道列车磁悬浮EMS/EDS混合支承结构，其特征在于：每一个电磁铁由同一个电磁铁盒体中间隔设置的两个U型铁芯构成；励磁线圈缠绕在各U型铁芯上，U型铁芯通过连接件固定在电磁铁盒体内部，电磁铁盒体盖板采用间断放置的铜条盖板；悬浮间隙传感器设置在该两个U型铁芯之间并位于电磁铁盒体盖板之上；悬浮间隙传感器同时位于电磁铁盒体盖板与衔铁板之间的间隙中；悬浮间隙传感器与电流控制器相连以控制励磁线圈中电流大小，从而控制电磁吸力的大小。

5.根据权利要求2或3所述的真空管道列车磁悬浮EMS/EDS混合支承结构，其特征在于：永磁阵列为单边Halbach永磁阵列，采用NdFeB永磁铁，放置在磁铁盘内，固定在列车上。

6.根据权利要求2或3所述的真空管道列车磁悬浮EMS/EDS混合支承结构，其特征在于：在永磁阵列固定装置下方，还设置可收起的支撑轮，该支撑轮通过阻尼系统与列车底部固定连接。