CN110182227A - 一种具有电磁永磁混合式减重机构的悬挂式单轨列车系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有电磁永磁混合式减重机构的悬挂式单轨列车系统，由悬挂式轨道箱梁和通过其上的胶轮在轨道箱梁轨道上运行的转向架和悬挂在转向架上的列车车体构成，其特征在于，在箱梁轨道内侧和转向架之间设置有电磁永磁混合式减重机构，通过控制电流的大小从而控制减重轨与减重电磁铁之间吸力的大小，进而控制悬挂式单轨列车胶轮与轨道之间压力的大小。实现低速情况下小幅度减重，高速情况下大幅度减重的功能，有效减少胶轮的损耗，降低系统能耗，提高悬挂式单轨列车的性能。

Description

一种具有电磁永磁混合式减重机构的悬挂式单轨列车系统

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，特别涉及一种具有电磁永磁混合式减重机构的悬挂式单轨列车系统。

背景技术

悬挂式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。鉴于此，如采用磁悬浮方式实现悬挂式交通，考虑可通过三种途径优化该问题：一是通过车辆悬浮和非接触驱动的方式，使得车辆与轨道之间完全无直接的机械接触，以避免胶轮与轨道走行面发生机械冲击和磨损；二是通过悬浮减重的方式，减小胶轮与轨道之间的正压力，实现减少胶轮所受的机械冲击和摩擦阻力，达到增加胶轮的使用寿命的目的，适用于低速交通；三是通过车辆悬浮实现与轨道非接触，通过胶轮侧面接触式驱动实现走行，在这种方式下，胶轮承担驱动和导向的任务，但由于不承担车辆的自重，所以摩擦力也有效降低，起到增加胶轮寿命的作用，也适用于低速交通。当前，德国、日本、美国、中国均开展了对悬挂式单轨列车的研究，中国的贵州黄果树、四川成都、天津滨海新区等城市均已有项目的规划和建设，研究优化制式的悬挂式列车，对多元化交通和未来交通模式探索均是迫切而有益的。

发明内容

基于上述的第二种方式，本发明提出了一种具有电磁永磁混合式减重机构的悬挂式单轨列车系统，其特点是能有效降低胶轮负担，延长胶轮使用寿命，减少维护工作量，同时因加入永磁体，减重系统的能耗会有效降低。

本发明的技术方案如下：

一种具有电磁永磁混合式减重机构的悬挂式单轨列车系统，由悬挂式轨道箱梁和通过其上的胶轮在轨道箱梁轨道上运行的转向架和悬挂在转向架上的列车车体构成。在箱梁轨道内侧和转向架之间设置有电磁永磁混合式减重机构：由高磁通材料制得的减重轨101置于箱梁轨道内侧顶部，两个减重电磁铁和一个置于两个减重电磁铁之间的永磁铁104设置在转向架顶部正对减重轨位置，与减重轨构101成电磁耦合；转向架上还置有控制各减重电磁铁工作电流大小的减重控制器105；转向架上还置有用于监测减重电磁铁上表面与减重轨101之间的距离传感器107和监测转向架相对运行速度并将信号传递至减重控制器105的速度传感器106。

这样，减重电磁铁与永磁铁共同构成混合式减重磁铁，安装在悬挂式单轨列车系统的转向架上部，与减重轨位置对应，其中两个减重电磁铁具有相同结构尺寸，布置在两端，永磁铁布置在中间。减重控制器安装在转向架上，用于控制输入减重电磁铁的电流大小；速度传感器安装在转向架上，用于为减重控制器提供列车速度信息；所述距离传感器安装在转向架上，用于检测减重电磁铁与减重轨之间的距离，并将距离值送入减重控制器。在实际运行时，减重控制器根据速度传感器提供的列车速度值和距离传感器提供的减重电磁铁与减重轨之间的距离值来控制输入减重电磁铁的电流大小。从而调节减重电磁铁与减重轨之间的吸力。

系统的减重力由减重电磁铁和永磁铁共同提供，其中电磁铁提供的力可以调节，永磁体提供的力固定不变。由永磁体提供一个固定不变的力，再叠加减重电磁铁的力，减重控制器根据速度值来控制输入减重电磁铁的电流，速度越大则输入减重电磁铁的电流越大，减重电磁铁受到减重轨的吸力越大，混合磁铁共同提供的力也就越大，由于减重电磁铁固定在悬挂式单轨列车的转向架上，所以转向架也受到向上的拉力越大，此时转向架上的胶轮对轨道箱梁上对应轨道的压力就会越小。相反情况:速度越小则输入减重电磁铁的电流越小，减重电磁铁受到减重轨的吸力越小，混合磁铁共同提供的力也就越小，此时转向架上的胶轮对轨道箱梁上对应轨道的压力就会越大。

当列车速度低的时候，需要胶轮与轨道之间的摩擦力来驱动列车速度增加，所以这种情况下，采用低程度减重的方式，这样胶轮对轨道的压力大，有利于摩擦驱动。当列车速度高的时候，处于维持速度或缓慢增加速度的状态，胶轮与轨道之间的摩擦力越小，则运行阻力越小，有利于低能耗情况下维持速度，所以这种情况下，采用大程度减重的方式，这样胶轮对轨道的压力小，有利于小摩擦阻力运行，实现低功耗和有效增加胶轮寿命的效果。

减重控制器同时也可根据电磁铁与减重轨之间的距离值来控制输入减重电磁铁的电流，因为在同样电流大小的情况下，距离值越下，减重电磁铁与减重轨之间的吸引力越大，由于线路的不平顺，实际运行过程中，电磁铁与减重轨之间的距离值不是固定不变的，如果距离值变小的情况下，输入减重电磁铁的电流很大，可能会由于减重电磁铁与减重轨之间的吸引力过大而导致列车被吸起从而撞到减重轨的故障发生，所以一旦出现距离值变小超过允许值的情况，减重控制器会中断对减重电磁铁的电流输入，直到距离值恢复到允许范围内，再恢复电流输入。

采用本发明的结构，有利于缓解悬挂式单轨列车胶轮的磨损，同时也有利于降低系统运行的功耗，有效提高悬挂式单轨列车的性能。

附图说明

图1是图3中K-K横断剖面图。表达减重电磁铁结构的结构细节。

图2是图3中P-P横断剖面图。表达永磁铁结构细节。

图3是系统整体结构的侧视图。

图4是减重轨和减重电磁铁的截面示意图。

图5是减重轨和永磁铁的截面示意图。

具体实施方式

本发明一种具有电磁永磁混合式减重机构的悬挂式单轨列车系统，起到优化现有单轨悬挂式列车的作用，服务于景区观光，楼宇间交通等领域。

如图1、图2和图3，1为轨道箱梁，2为转向架，3胶轮，4为列车车体。系统包括减重轨101，减重电磁铁102，减重电磁铁103，永磁铁104，减重控制器105，速度传感器106和距离传感器107。其中，减重轨101固定在悬挂式单轨列车系统的轨道箱梁内的上表面正中位置，减重电磁铁102和103安装在悬挂式单轨列车系统的转向架上部的两端，永磁铁104安装在两个减重电磁铁的中间，整个混合减重系统与减重轨101位置对应；所述减重控制器105安装在转向架上，用于控制输入减重电磁铁102和103的电流大小；所述速度传感器106安装在转向架上，用于为减重控制器105提供列车速度信息；所述距离传感器107安装在转向架上，用于检测减重电磁铁103与减重轨之间的距离，并将距离值送入减重控制器105。

减重控制器105根据速度传感器106提供的列车速度值和距离传感器107提供的减重电磁铁与减重轨之间的距离值来控制输入减重电磁铁的电流大小。永磁铁104处于混合减重结构的中间，由永磁体和磁极构成，在工作间隙不变的情况下，永磁铁104与减重轨101之间的吸力为固定值。

减重控制器105根据速度值来控制输入减重电磁铁(102和103)的电流，速度越大则输入减重电磁铁的电流越大，减重电磁铁受到减重轨的吸力越大，速度越小则输入减重电磁铁的电流越小，减重电磁铁受到减重轨的吸力越小。减重控制器105同时也可根据电磁铁与减重轨之间的距离值来控制输入减重电磁铁的电流，因为在同样电流大小的情况下，距离值越下，减重电磁铁与减重轨之间的吸引力越大，由于线路的不平顺，实际运行过程中，电磁铁与减重轨之间的距离值不是固定不变的，如果距离值变小的情况下，输入减重电磁铁的电流很大，可能会由于减重电磁铁与减重轨之间的吸引力过大而导致列车被吸起从而撞到减重轨的故障发生，所以一旦出现距离值变小超过允许值的情况，减重控制器会中断对减重电磁铁的电流输入，直到距离值恢复到允许范围内，再恢复电流输入。

由于减重电磁铁(102和103)与永磁铁104一起构成的电磁永磁混合式减重装置固定在悬挂式单轨列车的转向架上，所以减重装置与减重装置之间的力会传递到转向架上，转向架受到向上的拉力，拉力越大转向架上的胶轮对轨道箱梁上对应轨道的压力就会越小，拉力越小转向架上的胶轮对轨道箱梁上对应轨道的压力就会越小。

当列车速度低的时候，需要胶轮与轨道之间的摩擦力来驱动列车速度增加，所以这种情况下，采用低程度减重的方式，这样胶轮对轨道的压力大，有利于摩擦驱动。当列车速度高的时候，处于维持速度或缓慢增加速度的状态，胶轮与轨道之间的摩擦力越小，则运行阻力越下，有利于低能耗情况下维持速度，所以这种情况下，采用大程度减重的方式，这样胶轮对轨道的压力小，有利于小摩擦阻力运行，实现低功耗和有效增加胶轮寿命的效果。

如图4和图5，减重轨的截面尺寸为300mm*25mm，长度为1000mm。两个减重电磁铁(102)和(103)结构尺寸一致，减重电磁铁的截面尺寸为长300mm，宽125mm，两边磁极宽25mm，中间磁极宽50mm，单个电磁铁长度为300mm，减重轨和减重电磁铁的材料均为Q235，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％，选择工作气隙为10mm，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减重电流的情况下，减重电磁铁与减重轨之间的电磁吸力以及对应速度和距离。永磁铁的截面尺寸为：300mm*125mm，磁极与减重轨对应，磁极两边磁极宽25mm，永磁体尺寸为：120mm*60mm，永磁铁长度为300mm，通过有限元仿真分析得出永磁铁在10mm工作距离情况下与减重轨之间产生的吸力。情况见下表。

电流(安)	0A	0.4A	0.8A	1.2A	1.6A
						单个电磁铁吸力(牛)	0N	351N	1418N	3202N	5665N
两个电磁铁合力(牛)	0N	702N	2836N	6404N	11330N
						永磁铁10mm下吸力(牛)	4887N	4887N	4887N	4887N	4887N
混合装置总减重力(牛)	4887N	5589N	7723N	11291N	16217N
						总吸力折算(公斤)	489Kg	559Kg	772Kg	1129Kg	1622Kg
对应速度值(千米/小时)	0km/h	15km/h	30km/h	45km/h	60km/h
						对应距离值(毫米)	≤8mm	8mm-10mm	8mm-10mm	8mm-10mm	8mm-10mm

由上表可知，在实施例设计的结构尺寸下，减重系统由永磁铁提供一个固定不变的减重力489Kg，由电磁铁提供一个随着速度可调节的减重力，低速的时候，减重程度小，便于胶轮通过摩擦方式驱动列车加速，随着速度的增加，减重的程度会增大，便于有效缓解胶轮承载力，增加胶轮的使用寿命，当电磁铁与减重轨之间的距离值小于8毫米时，电磁铁停止减重，防止列车被吸到减重轨上。

由上表可知，在一米长的减重轨范围内，最大可减重1.622吨。对应的每平方毫米1.6A为考虑散热情况下的保守电流，在充分考虑散热的情况下，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，这样吸力会更大，所以该最大减重仅为保守值。

由上述分析知，采用电磁永磁混合减重的方式，可以灵活地根据列车运行速度进行合理减重，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，本发明一种具有电磁永磁混合式减重机构的悬挂式单轨列车系统，整个系统具有结构简单，小尺寸、低成本的特点。有利于缓解悬挂式单轨列车胶轮的磨损，同时也有利于降低系统运行的功耗，有效提高悬挂式单轨列车的性能。

Claims (4)

1.一种具有电磁永磁混合式减重机构的悬挂式单轨列车系统，由悬挂式轨道箱梁和通过其上的胶轮在轨道箱梁轨道上运行的转向架和悬挂在转向架上的列车车体构成，其特征在于，在箱梁轨道内侧和转向架之间设置有电磁永磁混合式减重机构：由高磁通材料制得的减重轨(101)置于箱梁轨道内侧顶部，两个减重电磁铁和一个置于两个减重电磁铁之间的永磁铁(104)设置在转向架顶部正对减重轨位置，与减重轨构(101)成电磁耦合；转向架上还置有控制各减重电磁铁工作电流大小的减重控制器(105)；转向架上还置有用于监测减重电磁铁上表面与减重轨(101)之间的距离传感器(107)和监测转向架相对运行速度并将信号传递至减重控制器(105)的速度传感器(106)。

2.如权利要求1所述的具有电磁永磁混合式减重机构的悬挂式单轨列车系统，其特征在于，所述减重控制器(105)根据速度传感器(106)提供的列车速度值和距离传感器(107)提供的减重电磁铁(103)与减重轨(101)之间的距离值来控制输入减重电磁铁(102和103)的电流大小。

3.如权利要求1所述的具有电磁永磁混合式减重机构的悬挂式单轨列车系统，其特征在于，所述减重电磁铁(102和103)提供可调节的减重力，永磁铁(104)提供固定的减重力，共同完成系统的减重任务。

4.如权利要求1所述的具有电磁永磁混合式减重机构的悬挂式单轨列车系统，其特征在于，减重轨(101)为平板型。