CN110182059A - 一种可起落的悬挂式磁浮列车单轨电磁永磁混合悬浮机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可起落的悬挂式磁浮列车单轨电磁永磁混合悬浮机构，悬浮部件(100)包括置于轨道箱梁内的上表面正中位置的悬浮轨(101)和置于悬浮轨(101)下部的悬浮架(108)，悬浮架上置有与悬浮轨(101)形成电磁耦合的两个混合悬浮电磁铁。本发明使胶轮运行过程中与轨道之间的正压力有效减少，缓解胶轮磨损问题；利用胶轮的不同受力状态调节启动和制动的有效摩擦，并依据悬浮传感器提供的距离值和速度传感器提供的速度值来控制输入悬浮电磁铁中的电流，实现起浮、降落、减重、故障应急等功能。具有结构简洁，造价低，运营能耗小，维护工作量小，可靠性高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通技术领域，特别涉及一种可起落的悬挂式磁浮列车的单轨电磁永磁混合悬浮及走行方法。
背景技术
悬挂式磁浮列车是一种新制式轨道交通工具，作为一种多元化的城市轨道交通系统，具有占地面积少，建设周期短，投资成本低等诸多优点，可服务于旅游区的观光揽胜、城市楼宇之间的立体交通、高架立交的补充交通等，凭借其自身诸多优点预计将在我国有着广阔的发展及应用前景。
目前，现有的悬挂式单轨车辆为达到降噪目的，其走行轮大多采用胶轮。而走行轮本身承载车辆重力，在实际运营过程中胶轮的磨耗较为严重，进而造成系统运营维护成本增高。现有的中低速磁浮列车采用直线电机驱动运行，由于直线电机工作间隙大，存在边端效应，导致能耗大。而无论采用胶轮还是采用直线电机，均能有效降噪，适应城市交通。
鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的是提供一种可起落的悬挂式磁浮列车的单轨电磁悬浮机构，使其可根据列车速度的情况决定是否起浮，能有效降低胶轮负担，延长胶轮使用寿命，利用胶轮的不同受力状态调节启动和制动的有效摩擦，有效降低运营能耗。
本发明的技术方案如下：
一种可起落的悬挂式磁浮列车单轨电磁悬浮机构，包括悬浮部件100，走行部件300和联接于走行部件300与悬浮部件100间的牵引部件200。所述悬浮部件100包括置于轨道箱梁内的上表面正中位置的悬浮轨101和置于悬浮轨101下部的悬浮架108，悬浮架上置有与悬浮轨101形成电磁耦合的两个混合悬浮电磁铁，每个混合悬浮电磁铁由一个电磁铁和放置在电磁铁中下部的永磁铁构成，永磁铁设置在悬浮轨101中轴线下部。悬浮架下部置有卡位块组110；所述走行部件300的胶轮组301安装在走行架302上，与悬挂式磁浮列车系统的轨道箱梁下部的两条轨道作用实现摩擦走行，走行架的上部设置有可与所述卡位块组110形成上下卡合的卡位槽组304。
进一步地，所述悬浮架108中部两侧设置有可沿轨道箱梁内侧壁滚动的悬挂导向轮组111。
进一步地，所述走行架302设置有走行导向轮组303。
进一步地，所述悬浮电磁铁配置有控制其电流强度的悬浮控制器和监测其悬浮距离的悬浮传感器；悬浮控制器根据悬浮传感器提供的悬浮距离值和速度传感器提供的列车速度值来控制输入悬浮电磁铁中的电流大小。
这样，单独的一条悬浮轨固定在悬挂式磁浮列车系统的轨道箱梁内的上表面正中位置，两个混合悬浮电磁铁分别安装在悬浮架的上部两侧，并于悬浮轨位置对应；悬浮控制器、悬浮传感器、速度传感器均安装在悬浮架上，卡位块组安装在悬浮架下部，位置与走行部件上的卡位槽组对应，所述悬挂导向轮组安装在悬浮架中部两侧，与悬挂式磁浮列车系统的轨道箱梁内的两侧表面作用起到导向和防止悬浮架侧翻的作用，吸死垫块组安装在混合悬浮电磁铁上，起到防止混合悬浮电磁铁与悬浮轨直接吸合的作用。牵引杆通过轴承与悬浮架连接，同时通过球轴承与走行部件上的走行架连接。胶轮组安装在走行架上，与悬挂式磁浮列车系统的轨道箱梁下部的两条轨道作用实现摩擦走行，所述走行导向轮组安装在走行架上，与悬挂式磁浮列车系统的轨道箱梁内的两侧表面作用起到导向作用。
悬浮部件中的悬浮架通过二次悬挂与悬挂式磁浮列车系统的车体连接，悬浮部件起浮将带动车体一起起浮，悬浮部件降落的时候将落在走行部件上。所述悬浮部件可根据列车的运行速度完成减重、起浮、降落三种功能，在悬浮部件出现故障的情况下，可降落在走行部件上，由走行部件执行故障应急运行。走行部件运行时通过牵引部件带动悬浮部件一起运行。
悬浮部件中的悬浮控制器需根据悬浮传感器提供的悬浮距离值和速度传感器提供的列车速度值来控制输入悬浮电磁铁中的电流大小。
悬浮部件承担实现悬浮的任务，其混合悬浮电磁铁与悬浮轨形成磁路，在其线包中无电流的情况下，由永磁提供磁吸力。永磁提供的磁吸力不可控，其大小只与悬浮工作距离有关系。当电磁铁的线包通电的情况下，磁路中就会产生磁场，所以产生电磁吸力，如果电磁产生的磁场与永磁磁场的方向一致，则混合悬浮电磁铁与悬浮轨之间的吸力将增大，通过控制通入线包的电流大小，就可控制吸力的大小，当混合吸力小于悬浮部件和车体(及其负载)的重量时，悬浮部件不能起浮，此时可以实现减重功能；当混合吸力大于或等于悬浮部件和车体(及其负载)的重量时，悬浮部件可以实现起浮功能。为了实现稳定悬浮在某一位置，需要随时控制电磁铁线包内电流的大小，使悬浮轨对混合悬浮部件的吸力始终刚好等于悬浮部件和车体(及其负载)的重量，控制电流大小这一功能由悬浮控制器来实现。悬浮控制器一方面根据悬浮传感器提供的悬浮距离值来控制电流大小，另一方面根据速度传感器提供的列车运行速度值来控制电流大小。
混合悬浮部件与悬浮轨之间的距离为工作距离，混合悬浮部件形成的吸力对工作距离非常敏感，工作距离越小，吸力越大，由于线路不平顺等因素存在，很可能出现由于工作距离变小导致吸力过大，使得混合悬浮吸死在悬浮轨上，由于永磁不可控制，所以无法降落，为解决这种问题，需要在混合悬浮部件上安装防吸死垫块组，使工作距离不至于减少到零；同时悬浮控制器也可以对混合悬浮部件的线包输入反向电流，使电磁产生的磁场的方向与永磁磁场的方向相反，从而降低总吸力，保障混合悬浮部件不吸死在悬浮轨上。
本发明实现的悬挂式磁浮列车主要有四种工况，启动工况、运行工况、制动工况、故障工况。
在启动工况下，列车速度静止或较低，需要走行部件中的胶轮与轨道之间的摩擦力来驱动列车速度增加，而大的摩擦力需要大的正压力，所以该工况下，悬浮部件降落在走行部件上，走行部件的胶轮组承受较大正压力。
当列车速度达到一定程度后，磁浮列车工作在运行工况，此时将混合悬浮部件和车体起浮，走行部件只承担自身重量，摩擦阻力极大降低，胶轮磨损也有效缓解。
当列车处于制动工况时，需将悬浮部件和车体降落，增加摩擦阻力，保障列车实现制动。
当悬浮部件出现故障无法正常工作时，可降落在走行部件上，继续由走行部件负责完成故障情况下的运行工作。
无论哪种工况下，只要悬浮部件降落在走行部件上，悬浮部件可以实现减重功能，一方面是通过永磁提供一个固定的减重力，另一方面是根据需要其电磁铁线包中通过一定的电流，产生向上的电磁吸力。减重多少需要综合考虑加速所需摩擦力和运行中摩擦阻力以及胶轮磨损这三个因素。
采用本发明的结构，既可以有限缓解悬挂式单轨列车胶轮磨损的问题，也可以避免传统悬浮列车采用直线电机驱动导致能耗大的问题，还可以在悬浮故障的情况下能够继续运营，可以有效提高悬挂式单轨磁浮列车的性能。
附图说明
图1是图2整体结构的横向剖面图。
图2是系统整体结构的侧视图。
图3是悬浮部件起浮和降落的示意图。图a起浮，图b降落。
图4是悬浮轨和混合悬浮电磁铁的截面示意图。
具体实施方式
本发明一种可起落的悬挂式磁浮列车单轨电磁永磁混合悬浮机构，可服务于景区观光，楼宇间交通等小运量、低速度情况下的轨道交通运营领域。
如图1和图2图3，系统包括混合悬浮部件100，牵引部件200，走行部件300。其中悬浮部件100包括悬浮101，混合悬浮电磁铁102，混合悬浮电磁铁103，悬浮控制器104，悬浮控制器105，悬浮传感器106，悬浮传感器107，悬浮架108，速度传感器109，卡位块组110，悬浮导向轮组111，防吸死垫块组112；牵引部件200包括牵引杆201，轴承202，球轴承203；走行部件300包括胶轮组301，走行架302，走行导向轮组303，卡位槽组304。所述悬浮轨101固定在悬挂式磁浮列车系统的轨道箱梁内的上表面正中位置，所述混合悬浮电磁铁102和103分别安装在悬浮架108的上部两侧，并于悬浮轨101位置对应；所述悬浮控制器(104和105)、悬浮传感器(106和107)、速度传感器109均安装在悬浮架108上，所述卡位块组110安装在悬浮架108下部，位置与走行部件300上的卡位槽组304对应，所述悬挂导向轮组111安装在悬浮架108中部两侧，与悬挂式磁浮列车系统的轨道箱梁内的两侧表面作用起到导向和防止悬浮架侧翻的作用，所述防吸死垫块组112安装在混合悬浮电磁铁(102和103)上，起到防止混合悬浮电磁铁(102和103)与悬浮轨101直接吸合的作用。所述牵引杆201通过轴承202与悬浮架108连接，同时通过球轴承201与走行部件300上的走行架302连接。所述胶轮组301安装在走行架302上，与悬挂式磁浮列车系统的轨道箱梁下部的两条轨道作用实现摩擦走行，所述走行导向轮组303安装在走行架302上，与悬挂式磁浮列车系统的轨道箱梁内的两侧表面作用起到导向作用。悬浮架上置有与悬浮轨101形成电磁耦合的两个混合悬浮电磁铁，每个混合悬浮电磁铁由一个电磁铁和放置在电磁铁中下部的永磁铁构成，永磁铁设置在悬浮轨101中轴线下部。
悬浮轨101为单独的一条沿线路布置的轨道，其截面为长方形，便于制作和安装施工。
混合悬浮部件100中的悬浮架108通过二次悬挂与悬挂式磁浮列车系统的车体连接，混合悬浮部件100起浮后将带动车体一起保持悬浮，混合悬浮部件降落的时候将落在走行部件300上。走行部件300运行时通过牵引部件200带动悬浮部件100一起运行。
混合悬浮部件100中的悬浮控制器104根据悬浮传感器106提供的悬浮距离值和速度传感器109提供的列车速度值来控制输入混合悬浮电磁铁102中的电流大小。悬浮控制器105根据悬浮传感器107提供的悬浮距离值和速度传感器109提供的列车速度值来控制输入混合悬浮电磁铁103中的电流大小。
混合悬浮部件100承担实现悬浮的任务，其混合悬浮电磁铁(102和103)与悬浮轨101形成磁路，混合悬浮电磁铁中的永磁提供固定的磁场，与悬浮轨作用产生吸力；电磁铁的线包通电的情况下，磁路中将会产生磁场，所以产生电磁吸力，如果永磁电磁的磁场方向一致，则混合悬浮部件100将受到电磁力和永磁力相加后的总吸力。
当悬浮轨101对混合悬浮部件100的总吸力小于悬浮部件100和车体(及其负载)的重量时，混合悬浮部件100不能起浮，此时可以实现减重功能；当悬浮轨101对混合悬浮部件100的总吸力大于或等于混合悬浮部件100和车体(及其负载)的重量时，混合悬浮部件100可以实现起浮功能。
为了实现稳定悬浮在某一位置，需要随时控制电磁铁线包内电流的大小，使悬浮轨101对混合悬浮部件100的电磁吸力始终刚好等于混合悬浮部件100和车体(及其负载)的重量，控制电流大小这一功能由悬浮控制器(104和105)来实现。如图3，当混合悬浮部件100起浮时，牵引部件200中的轴承202跟着起浮，带动牵引杆,201旋转。牵引部件200可传递来自走行部件300的驱动力，推动混合悬浮部件100一起走行。当混合悬浮部件100降落时，其卡位块组110将正好落在走行部件的卡位槽组304中。
如图4，混合悬浮电磁铁由永磁、磁极、线包组成，悬浮轨截面为长方形，截面尺寸为300mm*25mm，长度为1000mm，对应的混合悬浮电磁铁的截面尺寸为长300mm，宽180mm，两边磁极宽25mm，永磁长60mm，宽60mm，单个混合电磁铁长度为1000mm，悬浮轨和悬浮铁的材料均为Q235，永磁选用钕铁硼永磁材料，单个电磁铁线包填充铜线的截面尺寸为100mm*100mm，电磁铁中铜线的填充率选60％，选择降落气隙为15mm，悬浮气隙为8mm，选择每平方毫米通过的电流分别为0.4A，0.8A,1.2A,1.6A，通过有限元仿真分析得出在这些电流的情况下，混合悬浮电磁铁与悬挂轨之间的电磁吸力以及对应速度和距离情况见下表。
由上表可知，单位米长度下，该尺寸的混合悬浮电磁铁可以起浮2.614吨的重量，只要设计的车体及其载荷和悬浮部件的总重量小于2.614吨，就可实现起浮功能，如果将永磁和电磁铁尺寸增加，就能起浮更大的重量。
由上表可知，可根据速度的变化情况，通过控制输入混合悬浮电磁铁线包的电流的大小，来控制减重的程度，在启动或制动的情况下，可以选择不通电流的方式，这时只有永磁产生的减重力50Kg，混合悬浮部件和车体的其余重量将压在走行部件上，便于启动或制动。
上表中设置的每平方毫米1.6A为考虑散热情况下的保守电流，在优化散热结构的情况下，还可增加到2A左右。另外，如果工程质量控制的好，工作距离还能降低到8毫米以下，这样吸力会更大，所以该最大悬浮重量仅为保守值。由上述分析知，采用单轨电磁永磁混合悬浮和降落的方式，可以灵活地根据列车运行速度进行合理起浮、降落、减重，既保证列车正常加速运行，也有效缓解胶轮压力，增加胶轮使用寿命。
综上所述，本发明一种可起落的悬挂式磁浮列车的单轨电磁永磁混合悬浮及走行方法，能够实现起浮、降落、减重、故障应急等功能，利用该方法实现的悬挂式磁浮列车具有结构简洁，造价低，运营能耗小，维护工作量小，可靠性高等特点。
Claims (4)
1.一种可起落的悬挂式磁浮列车单轨电磁永磁混合悬浮机构，包括悬浮部件(100)，走行部件(300)和联接于走行部件(300)与悬浮部件(100)间的牵引部件(200)，其特征在于，所述悬浮部件(100)包括置于轨道箱梁内的上表面正中位置的悬浮轨(101)和置于悬浮轨(101)下部的悬浮架(108)，悬浮架上置有与悬浮轨(101)形成电磁耦合的两个混合悬浮电磁铁，每个混合悬浮电磁铁由一个电磁铁和放置在电磁铁中下部的永磁铁构成，永磁铁设置在悬浮轨(101)中轴线下部；悬浮架下部置有卡位块组(110)；所述走行部件(300)的胶轮组(301)安装在走行架(302)上，与悬挂式磁浮列车系统的轨道箱梁下部的两条轨道作用实现摩擦走行，走行架(302)的上部设置有可与所述卡位块组(110)形成上下卡合的卡位槽组(304)。
2.如权利要求1所述的可起落悬挂式磁浮列车单轨电磁永磁混合悬浮机构，其特征在于，所述悬浮架(108)中部两侧设置有可沿轨道箱梁内侧壁滚动的悬挂导向轮组(111)。
3.如权利要求1所述的可起落悬挂式磁浮列车单轨电磁永磁混合悬浮机构，其特征在于，所述走行架(302)设置有走行导向轮组(303)。。
4.如权利要求1所述的可起落悬挂式磁浮列车单轨电磁永磁混合悬浮机构，其特征在于，所述悬浮电磁铁配置有控制其电流强度的悬浮控制器和监测其悬浮距离的悬浮传感器；悬浮控制器根据悬浮传感器提供的悬浮距离值和速度传感器提供的列车速度值来控制输入悬浮电磁铁中的电流大小。
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