CN108382266A - 一种用于真空管道磁悬浮列车的eds支承系统 - Google Patents

一种用于真空管道磁悬浮列车的eds支承系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于真空管道磁悬浮列车的EDS支承系统，其特征在于：在圆形的真空管道中设置横截面为圆形的列车；列车的下半部两侧均设置双边直线型永磁Halbach阵列和感应板；感应板设置在所述双边直线型永磁Halbach阵列的间隙之间。本发明提出的支承系统简单易行，同时消除机械摩擦与空气阻力，可以实现列车的超高速运行，且成本较低。此外，与单边永磁Halbach阵列相比，双边永磁Halbach阵列的悬浮刚度更高，浮阻比大大提高。

Description

一种用于真空管道磁悬浮列车的EDS支承系统
技术领域
本发明涉及电动悬浮领域，特别涉及一种用于真空管道磁悬浮列车的EDS支承机构。
背景技术
磁悬浮列车具有高速、安全、振动小、噪声低等优点，但受制于地表稠密的大气层，其速度难以进一步提高。真空管道磁悬浮列车同时消除机械摩擦和空气阻力，有望成为下一代交通工具。
目前磁悬浮列车的悬浮支承方式主要有电磁吸力悬浮EMS和电动斥力悬浮EDS两种。其中EMS是利用磁铁与磁性材料的吸力作为悬浮力，需要主动控制才能保持稳定，系统较复杂。EDS是利用永磁体或超导体作为磁源，通过相对运动在导体中感生电流，电流与源磁场相互作用实现悬浮。这种方式具有自稳定、结构简单等优点，尤其是永磁电动悬浮，不会像超导体具有失超的危险，经济节能，更加稳定可靠。
Halbach阵列是一种特殊的磁体阵列，可使一侧磁场加强，而另一侧磁场几乎为零。将Halbach阵列作为磁悬浮列车支承的磁场源，既可在感应轨处获得较大的悬浮力，又不会影响车内乘客和仪器。
常见的永磁电动悬浮均为单边悬浮，即永磁体位于导体的一侧。该方式只能产生单侧斥力，且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。双边悬浮在导体两侧都布置有永磁体，具有结构对称性，悬浮刚度较大，对列车的振动抑制效果更好。
相比连续型感应轨，离散型感应轨的成本更高，制造、安装、维护等更复杂，且平稳性较差，不适用于长途交通运输。
发明内容
本发明的技术问题在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种用于真空管道磁悬浮列车的EDS支承系统，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。
本发明通过以下技术方案来解决上述技术问题：
一种用于真空管道磁悬浮列车的EDS支承系统，其特征在于：在圆形的真空管道中设置横截面为圆形的列车；列车的外部左右两侧均设置双边直线型永磁Halbach阵列和感应板；感应板悬空设置在双边直线型永磁Halbach阵列的间隙中。
进一步的，所述双边直线型永磁Halbach阵列包括位于感应板之上的上部直线型永磁Halbach阵列和位于感应板之下的下部直线型永磁Halbach阵列，上部直线型永磁Halbach阵列与下部直线型永磁Halbach阵列通过刚性连接件连接，平行对称布置在感应板的上下两侧。
进一步的，上部直线型永磁Halbach阵列与下部直线型永磁Halbach阵列包含相同波长数的永磁体Halbach阵列，且波长数至少为1，上部直线型永磁Halbach阵列与下部直线型永磁Halbach阵列所包含的永磁体模块尺寸相同，充磁方向关于感应板轴对称。
进一步的，列车车体左右两侧对称安装一个所述双边直线型永磁Halbach阵列，双边直线型永磁Halbach阵列与水平面成一夹角；所述感应板对称安装固定在列车下方的轨道两侧，且与所述双边直线型永磁Halbach阵列平行间隔设置。
进一步的，在上部直线型永磁Halbach阵列与感应板上表面之间设置有上限位机构，上限位机构固定在轨道上；在下部直线型永磁Halbach阵列与感应板下表面之间设置有下限位机构，下限位机构固定在轨道上。
进一步的，在列车的外部左右两侧上方或下方至少一方设置双边直线型永磁Halbach阵列和感应板。
进一步的，列车下方的轨道用于与列车下方的支撑轮滚动接触；列车车体悬浮后，支撑轮与轨道脱离接触。
由此，两个单边直线型永磁Halbach阵列平行对称布置在感应板两侧，两个阵列强磁场在左右侧各自相对，两个阵列之间的间隙中具有极强的磁场，可有效增大悬浮力，减小磁阻力，提高浮阻比。管道内部为真空环境，列车在管道内行驶，固定在车体上的直线型永磁Halbach阵列与固定在轨道上的感应板发生相对运动，在感应板中激发感应涡流，产生排斥力反作用于永磁体，使车体悬浮。低速行驶时由车轮支撑车体沿轨道运行，高速行驶时，车轮随车体上浮，与轨道脱离。
本发明具有以下的主要优点：
1、本发明中的真空管道为圆形，与此相配，列车车体也是圆形，并由此带来的EDS支承系统支撑位置、角度的独特设置。相对于传统的磁悬浮列车其支承只能安装在下部，本发明由于采用圆形管道，支承系统可以同时安装在车厢周围空间多处，附图中仅展示出支承在列车下部的情况，并非必选方案，实际应用中可以采用更多数量的支承，安装在管道内壁各处。
2、相比单边永磁阵列结构，该装置的悬浮刚度更高，可有效抑制车体的振动。
3、采用平板式感应轨，工艺更加简单，平稳性更好，造价低。传统磁悬浮采用零磁通线圈轨道，成本较高，且在行驶过程中会产生周期性振动。
4、相比于EMS支承，该支承系统无需控制系统即可实现系统的自稳定悬浮，结构简单，可靠性更强。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明一种用于真空管道磁悬浮列车的EDS支承系统的结构示意图。
图2是双边直线型永磁Halbach阵列的结构示意图，图中箭头为一种可行的永磁模块的充磁方式。
图3是图1中A局部的放大图。
图4是图2中的双边直线型永磁Halbach阵列的磁力线分布图。
图5是给定参数条件下，单边直线型永磁Halbach阵列与图2所示双边直线型永磁Halbach阵列的浮阻比悬浮力与磁阻力的比值随速度变化的计算曲线。
图1-5中附图标记对应如下：1—管道；2—列车；3—感应板；4—上部永磁Halbach阵列；5—下部永磁Halbach阵列；6—支撑轮；7—轨道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，但并不局限于下面所述内容。
参照图1和图2，本发明实施例提供一种真空管道列车磁悬浮EDS支承系统，其特征在于：在圆形的真空管道1中设置横截面为圆形的列车2；列车2的下半部两侧均设置双边直线型永磁Halbach阵列（包括上下相对设置的两个单边直线型永磁Halbach阵列）和感应板3；双边直线型永磁Halbach阵列包括上下相对设置的单边直线型上部永磁Halbach阵列4和单边直线型下部永磁Halbach阵列5，该两个单边直线型永磁Halbach阵列（上部永磁Halbach阵列4和下部永磁Halbach阵列5）通过刚性连接件固接，感应板3设置在该两个单边直线型永磁Halbach阵列的间隙之间。
参照图1，感应板3为非磁性金属板，对称安装固定在列车底部的轨道7两侧并悬空伸入各侧的上部永磁Halbach阵列4和下部永磁Halbach阵列5之间间隔空隙中、且与上部永磁Halbach阵列4和下部永磁Halbach阵列5分别平行，感应板3与水平面成一夹角。上部永磁Halbach阵列4和下部永磁Halbach阵列5的左右两侧中线延长线的交点与圆心在一条竖直线上，但不一定与圆心重合，穿过圆心只是方案之一。
参照图1，当列车车体2沿轨道运动时，安装于列车车体2上的双边直线型永磁Halbach阵列与安装于轨道7上的感应板3发生相对运动，此时感应板3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2与轨道7的无接触运动。
参照图1，在列车车体2起步或制动过程中，悬浮力较小时，由支撑轮6辅助列车车体2沿轨道7运动。列车车体2悬浮后，支撑轮6与轨道7脱离接触。
参照图2，箭头方向为永磁体模块充磁方向。上部直线型永磁Halbach阵列4与下部直线型永磁Halbach阵列5包含相同波长数的Halbach阵列，且波长数至少为1。二者平行对称设置且具有间隙。
当永磁体充磁方向如图2所示的双边直线型永磁Halbach阵列时，其磁感线分布如图4所示。可以看出，双边直线型永磁Halbach阵列有效降低了双边Halbach阵列外部周围磁场，在双边Halbach阵列中间区域，水平方向x方向磁场相互叠加，竖直方向y方向磁场相互抵消。此时与感应板3相互作用可用于EDS支承，有效增强悬浮力，减小磁阻力，提高浮阻比。
根据楞次定律可知，当上部直线型永磁Halbach阵列4与感应板3上表面的距离小于下部直线型永磁Halbach阵列5与感应板3下表面的距离时，EDS支承系统会产生向上的排斥力，阻碍双边直线型永磁Halbach阵列向下移动，反之亦然。故该系统是自稳定的，不需要额外控制。
优选的，在上部直线型永磁Halbach阵列4与感应板3上表面之间设置有上限位机构8，参照图3，在下部直线型永磁Halbach阵列5与感应板3下表面之间设置有下限位机构9，上限位机构8与下限位机构9均固定在轨道7上，可防止永磁阵列与感应板3发生碰撞。
当采用图2所示的双边直线型永磁Halbach阵列时，EDS支承系统的浮阻比悬浮力与磁阻力的比值如图5所示，可以看出，与单边Halbach阵列相比，双边Halbach阵列显著提高了EDS支承系统的浮阻比。

Claims (7)

1.一种用于真空管道磁悬浮列车的EDS支承系统，其特征在于：在圆形的真空管道中设置横截面为圆形的列车；列车的外部左右两侧均设置双边直线型永磁Halbach阵列和感应板；感应板悬空设置在双边直线型永磁Halbach阵列的间隙中。
2.根据权利要求1所述的用于真空管道磁悬浮列车的EDS支承系统，其特征在于：所述双边直线型永磁Halbach阵列包括位于感应板之上的上部直线型永磁Halbach阵列和位于感应板之下的下部直线型永磁Halbach阵列，上部直线型永磁Halbach阵列与下部直线型永磁Halbach阵列通过刚性连接件连接，平行对称布置在感应板的上下两侧。
3.根据权利要求2所述的用于真空管道磁悬浮列车的EDS支承系统，其特征在于：上部直线型永磁Halbach阵列与下部直线型永磁Halbach阵列包含相同波长数的永磁体Halbach阵列，且波长数至少为1，上部直线型永磁Halbach阵列与下部直线型永磁Halbach阵列所包含的永磁体模块尺寸相同，充磁方向关于感应板轴对称。
4.根据权利要求3所述的用于真空管道磁悬浮列车的EDS支承系统，其特征在于：列车车体左右两侧对称安装一个所述双边直线型永磁Halbach阵列，双边直线型永磁Halbach阵列与水平面成一夹角；所述感应板对称安装固定在列车下方的轨道两侧，且与所述双边直线型永磁Halbach阵列平行间隔设置。
5.根据权利要求3所述的用于真空管道磁悬浮列车的EDS支承系统，其特征在于：在上部直线型永磁Halbach阵列与感应板上表面之间设置有上限位机构，上限位机构固定在轨道上；在下部直线型永磁Halbach阵列与感应板下表面之间设置有下限位机构，下限位机构固定在轨道上。
6.根据权利要求1所述的用于真空管道磁悬浮列车的EDS支承系统，其特征在于：在列车的外部左右两侧上方或下方至少一方设置双边直线型永磁Halbach阵列和感应板。
7.根据权利要求4所述的用于真空管道磁悬浮列车的EDS支承系统，其特征在于：列车下方的轨道用于与列车下方的支撑轮滚动接触；列车车体悬浮后，支撑轮与轨道脱离接触。
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