CN108394311A - 一种真空管道磁悬浮列车的导向装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空管道磁悬浮列车的导向装置，包括成对对称安装于磁悬浮列车两侧的永磁导向轮以及与各永磁导向轮相配合并对应安装于真空管道内的导轨；每一侧的永磁导向轮分别与车体上调速电机的输出轴相连，且每对永磁导向轮的轴心连线与列车的行进方向垂直并经过该轴心连线所在横向截面的重心。由于列车左右两侧导向力可单独控制，引导磁悬浮列车实现转弯或曲线行驶，相比于一般电动悬浮导向系统，其回复过程更加平稳，提高了真空管道磁悬浮列车运行的稳定性和安全性。

Description

一种真空管道磁悬浮列车的导向装置

技术领域

本发明涉及磁悬浮列车技术领域，具体涉及到一种真空管道磁悬浮列车的导向装置。

背景技术

交通运输一直是国家的重要经济命脉，交通运输装备和总体技术水平是一个国家经济实力和发达程度的一个重要体现。磁悬浮列车由于与轨道间无直接的机械接触，从而避免了传统轮轨列车速度受限于轮轨系统粘着极限的缺点，使得列车速度得以进一步的提高，备受人们的关注，在当今交通技术领域中，磁悬浮列车被誉为交通领域的绿色革命。

对于地面交通运输工具来说，其运行速度受限于地表稠密的大气层，运行过程中需要克服强大的气动阻力和气动噪声。特别是对于磁悬浮列车来说，虽然其克服了传统列车轮轨摩擦的特点，但由于其速度较高，空气阻力对其速度的影响更加显著。而采用真空管道技术，改变列车运行的介质密度能够有效的解决空气阻力问题。真空管道磁悬浮列车作为一种未来的交通工具在高速、环保等诸多方面有着无可比拟的优势，备受世界关注，许多国家已经对其进行了初步的探讨和研究。

对于高速运行的交通工具，其安全问题一直是人们关注的重点。对于真空管道磁悬浮列车来说，导向装置是其安全稳定运行的基础。目前，磁悬浮列车主要分为常导磁吸式和超导磁斥式，故而导向技术可其分为有常导磁吸式的导向系统和超导磁斥式的导向系统。

常导磁吸式的导向系统与悬浮系统类似，是在列车两侧面安装一组专门用于导向的电磁铁，使车体与导轨保持一定的间隙。当列车左右偏移时，车上的导向电磁铁与导轨的相互作用，从而使列车恢复到中间位置。

超导磁斥式的导向系统目前常用的有两种方式：1是在车辆侧向安装导向辅助轮，该导向为机械导向，通过车体上的导向辅助轮与导轨侧面滚动摩擦从而产生复原力，这个力与列车沿曲线行驶时的侧向力相平衡，使列车沿着导轨中心线行驶；2是利用电动磁斥式的导向系统，如日本MLX型超导磁悬浮列车，其在沿线路中心均匀的铺设“8”字形线圈，当列车上的超导磁体位于该线圈对称中心时，两侧导向力相同，当列车产生左右偏移时，间隙小的一侧比间隙大的一侧导向力大，产生一个回复力平衡列车偏移的侧向力，使列车回到线路中间位置。

但是，上述导向系统中，对于常导磁吸式的导向系统，其导向工作间隙较小，能耗大，且其导向原理为吸力型导向，自稳定性较差；对于超导磁斥式的导向系统，采用导向辅助轮的方式，由于直接与导轨接触，存在机械摩擦，不适用于高速磁悬浮列车中，采用电动磁斥式的导向系统，虽然自稳定性较好，但其导向力的大小依赖于列车的运行速度以及列车相对于导轨的位置，且列车两侧导向力的大小不便于单独控制，在转弯或曲线行驶的过程中不太稳定。

此外，真空管道磁悬浮列车处于四周完全封闭且真空度极高管道内，与一般的磁悬浮列车相比，其结构大不相同，而且其运行速度较高，由轨道横向不平顺及过弯道时引起的横向动态附加力较大，故而需要的导向力也较大。因此针对真空管道磁悬浮列车的特点，需设计一种新型的导向装置，满足列车的导向需求，使列车行驶更稳定。

发明内容

本发明要解决的技术问题是设计一种真空管道磁悬浮列车的导向装置，结构简单，自稳定性好，导向力可分别调控，提高了真空管道磁悬浮列车运行的稳定性和安全性。

本发明为实现其技术问题采用下面的技术方案：

一种真空管道磁悬浮列车的导向装置，其特征在于：包括成对对称安装于磁悬浮列车两侧的永磁导向轮以及与各永磁导向轮相配合并对应安装于真空管道内的导轨；每一侧的永磁导向轮分别与车体上调速电机的输出轴相连，且每对永磁导向轮的轴心连线与列车的行进方向垂直并经过该轴心连线所在横向截面的重心。

按上述技术方案，沿行进方向，在每节列车前后各布置有一对永磁导向轮，每对永磁导向轮均对称的布置在列车两侧。

按上述技术方案，所述导轨的横向截面为U型； U型导轨的凹槽开口朝向永磁导向轮，且凹槽底面与永磁导向轮的轮面间隔平行；U型导轨凹槽的上下端面与该永磁导向轮不接触的间隔设置，并将该永磁导向轮包容于该U型凹槽中。

按上述技术方案，所述永磁导向轮是由多个扇形块状永磁体模块同轴周向组合而成，各扇形块状永磁体模块分别采用轴向和沿弧向的充磁方式，按照halbach阵列的排列形式进行组合；同一横向截面所对应的两侧永磁导向轮的轴心连线水平并与列车行进方向垂直。

按上述技术方案，在列车底部两侧设置辅助支承轮。

采用上述导向装置的真空管道磁悬浮列车导向方法，其特征在于：

直线行驶时，列车同一横向截面所在的两侧调速电机保持相等转速，永磁导向轮和U型导轨相互作用产生横向相等电动悬浮斥力从而实现直线导向；

当列车在转弯或曲线行驶时，车体相对于U型导轨发生横向偏移，永磁导向轮与U型导轨的间隙发生变化，当列车转弯半径达到设定半径时，两侧调速电机保持不变，永磁导向轮与U型导轨组合产生电动悬浮自稳定回复力，列车依靠该回复力平衡列车偏移的侧向力，以使列车能够回到横向截面的中间位置；

当列车转弯半径较小时，列车所受离心力较大，此时自稳定回复力不足以平衡列车偏移的侧向力，此时通过改变两侧调速电机的转速，使两侧永磁导向轮的转速产生一定的差值，从而改变两侧导向力的大小，平衡列车偏移所产生的侧向力，以使列车回到横向中间位置。

按上述技术方案，当列车转弯半径较小时，位于弯道内侧的调速电机的转速需要大于弯道外侧的调速电机的转速。

按上述技术方案，处于未悬浮状态时，列车车体位于中间位置且列车底部两侧辅助支承轮对列车进行辅助支撑。

综上所述，本发明真空管道磁悬浮列车的导向原理为永磁导向轮和U型导轨相互作用产生斥力从而实现导向，为斥力型导向，自稳定性能好。除电动悬浮自稳定产生的回复力外，还可以通过改变调速电机的转速，进一步调节列车两侧永磁导向轮水平方向受力大小，其导向力可控可调，使得列车运行更稳定。此外，列车所受导向力与列车的行驶速度、永磁导向轮的转速以及永磁导向轮相对于U型导轨间的间隙有关，其大小随列车行驶速度的增大而增大，随永磁导向轮转速的增大而增大，随间隙的增大而减小。

所述的一种真空管道磁悬浮列车导向装置，其永磁导向轮的设计应满足每节列车两侧的永磁导向轮的轴心连线水平且与列车行进方向垂直，从而保证列车在静态和行进时车体保持水平位置；列车在转弯或曲线行驶时，导向力的调节主要靠调整左右两侧的永磁导向轮的转速从而改变两侧导向力的大小，永磁导向轮的转速靠与之相连的调速电机进行调整。

所述真空管道磁悬浮列车处于未悬浮状态时，此时列车通过底部的辅助支承轮进行支承从而保证永磁导向轮与U型导轨有一定的间隙，避免永磁导向轮损坏。

本发明导向装置结构简单，自稳定性好，导向力可分别调控，能够控制左右两侧导向力的大小，引导磁悬浮列车实现转弯或曲线行驶，保证列车在真空管道轨道区域内稳定行驶。提高了真空管道磁悬浮列车运行的稳定性和安全性。

本发明采用上述技术方案，与现有磁悬浮列车导向装置相比具有以下的主要优点：

1、相比于常导磁吸式的导向系统，本发明导向装置为电动斥力型导向，自稳定性好，且工作气隙较大，控制方便。

2、相比于超导磁斥式的导向系统，本发明导向装置能够改变列车两侧导向力的大小，且两侧的导向力可进行单独控制，能够更好的实现导向作用。

附图说明

图1是根据本发明实施的一种真空管道磁悬浮列车导向装置的结构示意图。

图2是图1中涉及的永磁导向轮的截面示意图。

图3是将永磁导向轮沿周向展开的结构示意图。

图1-3中的附图标记对应如下：1—真空管道；2—车体；3—辅助支承轮；4—调速电机；5—永磁导向轮；6—U型导轨；5′—永磁导向轮周向展开阵列；6′—导轨。

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。

根据本发明实施的真空管道磁悬浮列车的导向装置如图1-3所示，其主要结构包括安装于磁悬浮列车车体2两侧的永磁导向轮5以及与之相配合的安装于真空管道1内的U型导轨6。每节列车上，车体前端和后端分别布置有一对永磁导向轮5，每对永磁导向轮5对称的布置在车体2的两侧，每一侧的永磁导向轮5与安装于车体2上的调速电机4相连，且永磁导向轮5轴心连线经过该节列车横向截面（与列车行进方向垂直的方向为横向）的重心。车体2底部设置有辅助支承轮3，用于列车在未悬浮时辅助支承，保证永磁导向轮5与U型导轨6有一定的间隙，避免其损坏。

图1所示的结构只展示了真空管道磁悬浮列车的导向机理，忽略了其悬浮和驱动等相关部分。对于真空管道1，在其两侧与永磁导向轮5相对应的位置对称布置有U型导轨6，U型导轨6材料采用铝板或其它非导磁性金属材料，避免U型导轨与永磁导向轮5相吸。永磁导向轮5位于在U型导轨6中间位置且不与导轨接触。永磁导向轮5是由多个扇形块状永磁体模块组合而成，见附图2所示，图中表示了永磁导向轮5各永磁体模块可采取的一种充磁方式，其中箭头表示其充磁方向，从附图2可以看出各扇形块状永磁体模块分别采用轴向和沿弧向的充磁方式，按照halbach阵列的形式组合成永磁导向轮5。将永磁导向轮5沿周向展开其结构如附图3所示，其中附图标记5′为永磁导向轮5一种周向展开的阵列布置形式，6′为长导轨，方框内箭头的指向为磁体的充磁方向，方框外的箭头指向为磁感线的方向。从图3就可以较为直观的看出其充磁方向以及与导轨之间的作用机理。

列车两侧的永磁导向轮5分别与调速电机4的输出轴连接，调速电机4通过固定装置固定在车体2相应位置。在磁悬浮列车车体2底部还设置有辅助支承轮3，当磁悬浮列车处于未悬浮状态时，通过辅助支承轮3进行辅助支承，避免车体与轨道相撞，还可以避免永磁导向轮损坏。

磁悬浮列车在转弯或曲线行驶时，车体相对于U型导轨6发生横向偏移，永磁导向轮5与U型导轨6的间隙发生变化，使得左右两侧受力不平衡，间隙小的一侧受力较大，间隙大的一侧受力较小，能够产生一定的回复力，即为电动悬浮导向的自稳定回复力。但当列车转弯半径较小时，所受离心力较大，此时电动悬浮自稳定产生的回复力不足以平衡列车偏移的侧向力，故而需调节两侧调速电机4的转速，使列车两侧永磁导向轮5的转速产生一定的差值，从而改变两侧导向力的大小，平衡列车偏移所产生的侧向力，以使列车能够回到中间位置。当列车转弯半径较小时，位于弯道内侧的调速电机的转速需要大于弯道外侧的调速电机的转速。电机转速越大，与之相连接的导向轮所受的斥力越大，避免转弯半径小时，轨道内侧导向轮与导轨相撞，故而弯道内侧的转速要大于外侧的。由于列车左右两侧导向力可单独控制，引导磁悬浮列车实现转弯或曲线行驶，相比于一般电动悬浮导向系统，其回复过程更加平稳，提高了真空管道磁悬浮列车运行的稳定性和安全性。

Claims (8)

1.一种真空管道磁悬浮列车的导向装置，其特征在于：包括成对对称安装于磁悬浮列车两侧的永磁导向轮以及与各永磁导向轮相配合并对应安装于真空管道内的导轨；每一侧的永磁导向轮分别与车体上调速电机的输出轴相连，且每对永磁导向轮的轴心连线与列车的行进方向垂直并经过该轴心连线所在横向截面的重心。

2.根据权利要求1所述的真空管道磁悬浮列车的导向装置，其特征在于：沿行进方向，在每节列车前后各布置有一对永磁导向轮，每对永磁导向轮均对称的布置在列车两侧。

3.根据权利要求1所述的真空管道磁悬浮列车的导向装置，其特征在于：所述导轨的横向截面为U型； U型导轨的凹槽开口朝向永磁导向轮，且凹槽底面与永磁导向轮的轮面间隔平行；U型导轨凹槽的上下端面与该永磁导向轮不接触的间隔设置，并将该永磁导向轮包容于该U型凹槽中。

4.根据权利要求2所述的真空管道磁悬浮列车的导向装置，其特征在于：所述永磁导向轮是由多个扇形块状永磁体模块同轴周向组合而成，各扇形块状永磁体模块分别采用轴向和沿弧向的充磁方式，按照halbach阵列的排列形式进行组合；同一横向截面所对应的两侧永磁导向轮的轴心连线水平并与列车行进方向垂直。

5.根据权利要求1所述的真空管道磁悬浮列车的导向装置，其特征在于：在列车底部两侧设置辅助支承轮。

6.采用上述权利要求1-5之一所述导向装置的真空管道磁悬浮列车导向方法，其特征在于：

直线行驶时，列车同一横向截面所在的两侧调速电机保持相等转速，永磁导向轮和U型导轨相互作用产生横向相等电动悬浮斥力从而实现直线导向；

当列车在转弯或曲线行驶时，车体相对于U型导轨发生横向偏移，永磁导向轮与U型导轨的间隙发生变化，当列车转弯半径达到设定半径时，两侧调速电机保持不变，永磁导向轮与U型导轨组合产生电动悬浮自稳定回复力，列车依靠该回复力平衡列车偏移的侧向力，以使列车能够回到横向截面的中间位置；

当列车转弯半径较小时，列车所受离心力较大，此时自稳定回复力不足以平衡列车偏移的侧向力，此时通过改变两侧调速电机的转速，使两侧永磁导向轮的转速产生一定的差值，从而改变两侧导向力的大小，平衡列车偏移所产生的侧向力，以使列车回到横向中间位置。

7.根据权利要求6所述的真空管道磁悬浮列车导向方法，其特征在于：当列车转弯半径较小时，位于弯道内侧的调速电机的转速需要大于弯道外侧的调速电机的转速。

8.根据权利要求6所述的真空管道磁悬浮列车导向方法，其特征在于：处于未悬浮状态时，列车车体位于中间位置且列车底部两侧辅助支承轮对列车进行辅助支撑。