CN108706013B - 一种管道式磁悬浮列车 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种管道式磁悬浮列车，包括悬浮装置、导向装置、驱动装置、运行装置、集电装置及管道装置。悬浮装置由下动磁浮体及下定磁浮板组成；导向装置由左动磁浮体、左定磁浮板、右动磁浮体及右定磁浮板组成；驱动装置包括定子及动子永磁体；运行装置由左导轮、左导轨、右导轮及右导轨组成；管道装置由管道、左构架、右构架、顶部构架及轮轨支撑凸台组成。本发明采用被动式悬浮技术，仅利用下动磁浮体与下定磁浮板之间的相对运动所形成的磁场斥力而使列车悬浮起来，实现了自稳定式悬浮；本发明无需复杂昂贵的控制系统，只要控制定子中的线圈绕组电流即可；本发明定子中的电流控制技术成熟且价格也相对低廉。

Description

一种管道式磁悬浮列车
技术领域
本发明涉及一种磁悬浮列车，特别是一种管道式磁悬浮列车。
背景技术
超级高铁是一种以“真空钢管运输”为理论的交通工具，具有超高速、高安全、低能耗、噪声小、污染小等特点。
目前美国电动汽车公司特斯拉和美国科技公司ET3都公布了“真空钢管运输”计划，特斯拉将其命名为“超级高铁”，ET3因列车外观酷似胶囊因而称之为“吃胶囊”列车。
管道式磁悬浮列车“漂浮”在处于真空的管道中，由于运行空间真空，没有摩擦力，列车的运行速度最高可能达到每小时5000公里以上。
现有的磁悬浮列车一般分为常导磁悬浮列车、低温超导磁悬浮列车和高温超导磁悬浮列车等三种。
现有的磁悬浮列车不适宜真空管道式列车的主要原因有以下几点：
(1)控制系统出错几率大：无论是常导还是超导磁悬浮列车均必须要有一套复杂、昂贵的悬浮及导向控制单元才能保证系统的稳定悬浮。由于控制元器件及控制环节多，导致出错几率大，而任何一个环节的出错，均有可能导致在真空管道内高速运行的列车发生灾难性事故；
(2)车体自重大，有效载荷低：常导磁悬浮列车上大量的车载电磁铁，超导磁悬浮列车上复杂庞大的低温循环系统，以及为该系统储存或运送液氮的杜瓦罐，均导致车体的自重大，有效载荷低，不适宜列车在真空管道内高速或超高速运行；
(3)现有的超导磁悬浮列车存在高磁场，容易对车厢造成电磁污染；
(4)现有的磁悬浮列车制动系统较为复杂，一般分为常用制动、紧急制动和快速制动等三种常用类型，其制动方式也主要有三种：再生制动、涡流制动和气－液转换制动；其中常用制动、快速制动优先采用再生制动，当再生制动力不足时，可利用空气－液压转换制动进行补充，紧急制动一般仅采用空气－液压转换制动方式；上述制动方式，仅适用于中、低速磁悬浮列车的制动，而不适用于在真空管道内高速或超高速运行的磁悬浮列车。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明要提出一种管道式磁悬浮列车，该磁悬浮列车为被动式悬浮，具有控制系统简单、车体自重轻、有效载荷大、几乎对车厢没有任何电磁污染、悬浮时自我稳定性好、悬浮与制动一体化等优点。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种管道式磁悬浮列车，包括悬浮装置、导向装置、驱动装置、运行装置、集电装置及管道装置。
所述的悬浮装置由下动磁浮体及下定磁浮板组成；所述的下动磁浮体沿列车运行方向安装在列车箱体的底部；所述的下定磁浮板安装在轮轨支撑凸台上。
所述的导向装置由左动磁浮体、左定磁浮板、右动磁浮体及右定磁浮板组成；所述的左动磁浮体沿列车运行方向安装在列车箱体的左上角区域；所述的左定磁浮板安装在管道中的左构架上；所述的左动磁浮体与左定磁浮板之间存在一层均匀间隙；所述的右动磁浮体沿列车运行方向安装在列车箱体的右上角区域；所述的右定磁浮板安装在管道中的右构架上；所述的右动磁浮体与右定磁浮板之间存在一层均匀间隙；所述的左定磁浮板与右定磁浮板沿列车运行线路均布。
所述的下定磁浮板、左定磁浮板与右定磁浮板的材料均为非铁磁性导体材料。
所述的下动磁浮体、左动磁浮体和右动磁浮体的材料均为永磁体块；
所述的永磁体块以N、S极交错排列方式安装。
所述的驱动装置包括定子及动子永磁体；所述的定子由铁芯及缠绕在铁芯周围的线圈绕组组成；所述的定子安装在管道的顶部构架上；所述的动子永磁体沿列车箱体的运行方向以N、S极交错排列方式安装在列车箱体的顶部区域；所述的动子永磁体与定子之间存在一层均匀间隙。
所述的运行装置由左导轮、左导轨、右导轮及右导轨组成；所述的左导轮沿左导轨滚动运行；所述的左导轨安装在轮轨支撑凸台上；所述的右导轮沿右导轨滚动运行；所述的右导轨安装在轮轨支撑凸台上。
所述的集电装置安装在列车箱体的顶部，由导体线圈组成。
所述的管道装置由管道、左构架、右构架、顶部构架及轮轨支撑凸台组成；所述的管道的横截面为圆形或圆形与长方形的组合结构；所述的左构架一端安装在管道的左上方内壁上，另一端与左定磁浮板固联；所述的右构架一端安装在管道的右上方内壁上，另一端与右定磁浮板固联；所述的顶部构架一端安装在管道顶部内壁上，另一端与定子固联；所述的轮轨支撑凸台的底部安装在管道的底部，上部安装有下定磁浮板，左端安装有左导轨，右端安装有右导轨。
进一步地，所述的永磁体块均采用Halbach结构。
进一步地，所述的下定磁浮板、左定磁浮板与右定磁浮板的材料用永磁体块代替，所述的下动磁浮体、左动磁浮体和右动磁浮体的材料均用非铁磁性良导体代替。
本发明与现有的磁悬浮列车相比，具有如下显而易见的突出实质性特点及显著优点：
1、本发明控制系统简单，无需现有磁悬浮列车所需的复杂昂贵的控制系统。本发明采用被动式悬浮技术，仅利用下动磁浮体与下定磁浮板之间的相对运动所形成的磁场斥力而使列车悬浮起来，而且列车的运行速度越快，下动磁浮体与下定磁浮板之间的滑差越大，其相互作用后所形成的悬浮斥力也越大，因此本发明为自稳定式悬浮；只要列车运行速度达到其临界起浮速度(一般为20km/h)即可产生悬浮，而低于该速度时，列车箱体由左支撑轮和右支撑轮支撑，以滚动滑行方式运行，因此本发明无需复杂昂贵的控制系统，只要控制定子中的线圈绕组电流即可；当线圈绕组电流加大时，列车获得的驱动力加大，其运行速度加快，下动磁浮体与下定磁浮板之间的滑差加大，列车所受的悬浮斥力也随之加大，悬浮高度增加；反之亦然。
2、本发明可将悬浮功能与制动功能融为一体。本发明的制动方式与悬浮机理相同，也利用了下动磁浮体与下定磁浮板相互作用时所产生的感生涡流，当定子中的线圈绕组电流减小时，其对列车的驱动力也减小，列车的运行速度降低，下动磁浮体与下定磁浮板之间的滑差将减小，此时下定磁浮板与下动磁浮体的悬浮间隙及下定磁浮板所生成的悬浮斥力均将减小，此时下定磁浮板与下动磁浮体之间的作用力主要为涡流阻力，此状态下的下定磁浮板与下动磁浮体之间的运行方式与作用机理与现有的涡流制动原理相同。
3、综上，本发明的悬浮与制动机理均利用了动磁浮体与定磁浮板相互作用时所固有的本质性特征。与现有的磁悬浮列车相比，本发明具有机电结构简单，控制系统结构为一元式控制(即仅控制定子中的驱动电流即可)，省去了现有磁悬浮列车技术难度最大、成本也相对最为昂贵的控制系统；而定子中的电流控制技术与现有的直线电机相同，技术成熟且价格也相对低廉。
附图说明
图1为本发明的横向剖面结构示意图。
图2为图1的A-A剖面结构示意图。
图中：1、右定磁浮板，2、右动磁浮体，3、定子，4、动子永磁体，5、左动磁浮体，6、左定磁浮板，7、左导轮，8、左导轨，9、轮轨支撑凸台，10、下定磁浮板，11、右导轮，12、右导轨，13、下动磁浮体，14、列车箱体，15、管道，16、右构架，17、顶部构架，18、左构架，19、导体线圈。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步地说明。如图1-2所示，一种管道式磁悬浮列车，包括悬浮装置、导向装置、驱动装置、运行装置、集电装置及管道装置。
所述的悬浮装置由下动磁浮体13及下定磁浮板10组成；所述的下动磁浮体13沿列车运行方向安装在列车箱体14的底部；所述的下定磁浮板10安装在轮轨支撑凸台9上。
所述的导向装置由左动磁浮体5、左定磁浮板6、右动磁浮体2及右定磁浮板1组成；所述的左动磁浮体5沿列车运行方向安装在列车箱体14的左上角区域；所述的左定磁浮板6安装在管道15中的左构架18上；所述的左动磁浮体5与左定磁浮板6之间存在一层均匀间隙；所述的右动磁浮体2沿列车运行方向安装在列车箱体14的右上角区域；所述的右定磁浮板1安装在管道15中的右构架16上；所述的右动磁浮体2与右定磁浮板1之间存在一层均匀间隙；所述的左定磁浮板6与右定磁浮板1沿列车运行线路均布。
所述的下定磁浮板10、左定磁浮板6与右定磁浮板1的材料均为非铁磁性导体材料。
所述的下动磁浮体13、左动磁浮体5和右动磁浮体2的材料均为永磁体块；
所述的永磁体块以N、S极交错排列方式安装。
所述的驱动装置包括定子3及动子永磁体4；所述的定子3由铁芯及缠绕在铁芯周围的线圈绕组组成；所述的定子3安装在管道15的顶部构架17上；所述的动子永磁体4沿列车箱体14的运行方向以N、S极交错排列方式安装在列车箱体14的顶部区域；所述的动子永磁体4与定子3之间存在一层均匀间隙。
所述的运行装置由左导轮7、左导轨8、右导轮11及右导轨12组成；所述的左导轮7沿左导轨8滚动运行；所述的左导轨8安装在轮轨支撑凸台9上；所述的右导轮11沿右导轨12滚动运行；所述的右导轨12安装在轮轨支撑凸台9上。
所述的集电装置安装在列车箱体14的顶部，由导体线圈19组成。
所述的管道装置由管道15、左构架18、右构架16、顶部构架17及轮轨支撑凸台9组成；所述的管道15的横截面为圆形或圆形与长方形的组合结构；所述的左构架18一端安装在管道15的左上方内壁上，另一端与左定磁浮板6固联；所述的右构架16一端安装在管道15的右上方内壁上，另一端与右定磁浮板1固联；所述的顶部构架17一端安装在管道15顶部内壁上，另一端与定子3固联；所述的轮轨支撑凸台9的底部安装在管道15的底部，上部安装有下定磁浮板10，左端安装有左导轨8，右端安装有右导轨12。
进一步地，所述的永磁体块均采用Halbach结构。
进一步地，所述的下定磁浮板10、左定磁浮板6与右定磁浮板1的材料用永磁体块代替，所述的下动磁浮体13、左动磁浮体5和右动磁浮体2的材料均用非铁磁性良导体代替。
本发明的工作原理如下：
驱动装置中的定子3中的线圈绕组通电，驱动安装在列车箱体14顶部的动子永磁体4，依靠左导轮7及右导轮11沿左导轨8及右导轨12运行，使下动磁浮体13与下定磁浮板10之间产生滑差，并在下定磁浮板10中产生感生涡流；该感生涡流在下定磁浮板10内呈三维分布，其中在下定磁浮板10的横截面内分布的涡流对列车的运行状态起阻力作用，增加了列车的运行阻力和能量损耗，该阻力即为电磁阻力；而与下动磁浮体13相对的下定磁浮板10表面分布的感生涡流则对下动磁浮体13产生斥力，该斥力即为悬浮力；悬浮力的大小与列车的运行速度呈正相关性，即列车运行速度越高，所产生的悬浮力就越大；反之，则越小。
当列车运行速度较低时，下定磁浮板10所产生的悬浮力不足以支撑列车箱体14，此时列车箱体14由左支撑轮7和右支撑轮11支撑，以滚动滑行方式运行，此时下定磁浮板10所产生的感生涡流主要为阻力，其表现形式与作用方式与现有的列车涡流制动原理相同；当列车逐渐加快运行速度时，下动磁浮体13与下定磁浮板10之间的滑差逐渐加大，下定磁浮板10的集肤效应逐渐增强，下定磁浮板10内的感生涡流逐渐趋于与下动磁浮体13相对的表面，表现形式为悬浮力增加，而电磁阻力减小；列车运行速度越快，下动磁浮体13与下定磁浮板10之间的滑差越大，集肤效应越强，下定磁浮板10对下动磁浮体13所产生的悬浮力也越大，悬浮间隙也越大，下动磁浮体13所受的电磁阻力越小，因此，本发明适用高速或超高速的管道式列车。
当列车需要转弯时，以右转弯为例，此时右动磁浮体2与右定磁浮板1的间隙加大，导致右定磁浮板1对右动磁浮体2的悬浮斥力减小；而左动磁浮体5与左定磁浮板6的间隙减小，导致左定磁浮板6对左动磁浮体5的悬浮斥力加大；迫使列车向右转弯运行；反之，向左转弯亦然。
当列车需要刹车时，可逐渐减小定子3中的线圈绕组电流，使列车所受的驱动力逐渐减小，此时列车的运行速度逐渐变小，下动磁浮体13与下定磁浮板10之间的滑差也逐渐减小，下定磁浮板10的集肤效应逐渐变弱，此时列车所受的电磁阻力逐渐加大；反复进行上述操作，可使列车所受的电磁阻力越来越大，直至列车停止运行。
当列车需要急停时，可对定子3中的线圈绕组电流进行制动控制，同时列车箱体14顶部的动子永磁体4切割定子3中的线圈绕组，使定子3中的线圈绕组处于发电状态，而下定磁浮板10、左定磁浮板6及右定磁浮板1与下动磁浮体13、左动磁浮体5及右动磁浮体2均处于涡流制动状态，在这四者的共同作用下，可使列车在短时间内很快停止下来。
列车在行驶过程中，由于左导轨8、右导轨12的建造误差，以及安装下定磁浮板10时相互之间存在的接缝，因此列车在运行期间尤其是在列车的运行速度达到其临界起浮速度时，列车箱体14会产生较为强烈的振动，此时左定磁浮板6与左动磁浮体5之间、右定磁浮板1与右动磁浮体2之间、下定磁浮板10与下动磁浮体13之间将相互作用并产生感生涡流，该感生涡流可将列车箱体14的振动能量转化成焦耳损耗，以热能的形式将振动能量消耗掉，即本发明可对列车整体进行振动抑制。
安装在列车箱体14顶部的集电装置由导体线圈19组成。列车运行时集电装置中的导体线圈19切割定子3中的线圈绕组所产生的磁力线，并在导体线圈19中产生感生电流，以此给列车供电；当列车停止时，定子3可以通过高频变压器的工作方式向列车供电。上述所有能量传输均为无接触式线性变压器感应式供电。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种管道式磁悬浮列车，其特征在于：包括悬浮装置、导向装置、驱动装置、运行装置、集电装置及管道装置；
所述的悬浮装置由下动磁浮体(13)及下定磁浮板(10)组成；所述的下动磁浮体(13)沿列车运行方向安装在列车箱体(14)的底部；所述的下定磁浮板(10)安装在轮轨支撑凸台(9)上；
所述的导向装置由左动磁浮体(5)、左定磁浮板(6)、右动磁浮体(2)及右定磁浮板(1)组成；所述的左动磁浮体(5)沿列车运行方向安装在列车箱体(14)的左上角区域；所述的左定磁浮板(6)安装在管道(15)中的左构架(18)上；所述的左动磁浮体(5)与左定磁浮板(6)之间存在一层均匀间隙；所述的右动磁浮体(2)沿列车运行方向安装在列车箱体(14)的右上角区域；所述的右定磁浮板(1)安装在管道(15)中的右构架(16)上；所述的右动磁浮体(2)与右定磁浮板(1)之间存在一层均匀间隙；所述的左定磁浮板(6)与右定磁浮板(1)沿列车运行线路均布；
所述的下定磁浮板(10)、左定磁浮板(6)与右定磁浮板(1)的材料均为非铁磁性导体材料；
所述的下动磁浮体(13)、左动磁浮体(5)和右动磁浮体(2)的材料均为永磁体块；
所述的永磁体块以N、S极交错排列方式安装；
所述的驱动装置包括定子(3)及动子永磁体(4)；所述的定子(3)由铁芯及缠绕在铁芯周围的线圈绕组组成；所述的定子(3)安装在管道(15)的顶部构架(17)上；所述的动子永磁体(4)沿列车箱体(14)的运行方向以N、S极交错排列方式安装在列车箱体(14)的顶部区域；所述的动子永磁体(4)与定子(3)之间存在一层均匀间隙；
所述的运行装置由左导轮(7)、左导轨(8)、右导轮(11)及右导轨(12)组成；所述的左导轮(7)沿左导轨(8)滚动运行；所述的左导轨(8)安装在轮轨支撑凸台(9)上；所述的右导轮(11)沿右导轨(12)滚动运行；所述的右导轨(12)安装在轮轨支撑凸台(9)上；
所述的集电装置安装在列车箱体(14)的顶部，由导体线圈(19)组成；
所述的管道装置由管道(15)、左构架(18)、右构架(16)、顶部构架(17)及轮轨支撑凸台(9)组成；所述的管道(15)的横截面为圆形或圆形与长方形的组合结构；所述的左构架(18)一端安装在管道(15)的左上方内壁上，另一端与左定磁浮板(6)固联；所述的右构架(16)一端安装在管道(15)的右上方内壁上，另一端与右定磁浮板(1)固联；所述的顶部构架(17)一端安装在管道(15)顶部内壁上，另一端与定子(3)固联；所述的轮轨支撑凸台(9)的底部安装在管道(15)的底部，上部安装有下定磁浮板(10)，左端安装有左导轨(8)，右端安装有右导轨(12)。
2.根据权利要求1所述的一种管道式磁悬浮列车，其特征在于：所述的永磁体块均采用Halbach结构。
3.根据权利要求1或2所述的一种管道式磁悬浮列车，其特征在于：所述的下定磁浮板(10)、左定磁浮板(6)与右定磁浮板(1)的材料用永磁体块代替，所述的下动磁浮体(13)、左动磁浮体(5)和右动磁浮体(2)的材料均用非铁磁性良导体代替。
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