CN110386000A - 气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车 - Google Patents

Abstract

气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车利用吸力斥力互补型磁悬浮的原理使其产生悬浮效果，并利用气室形成气垫来导向，其包含以下关键部分：车体斥力型磁悬浮系统、车体吸力型磁悬浮系统、线性电机驱动系统、导向气垫生成系统、车体辅助支承组件和车体。车体斥力型磁悬浮系统和车体吸力型磁悬浮系统形成吸力斥力互补型磁悬浮。线性电机驱动系统可采用极大负荷不可调线性电机或极大负荷可调线性电机，线性电机可用于再生制动、反接制动或能耗制动。线性电机的初级电枢绕组置于车体上时，须加装受电弓来连接外部输电线路，当初级电枢绕组置于轨道上时，可分段供电。导向气垫生成系统包含导向气室、高压空气生成系统。车体辅助支承组件兼起限位作用。

Description

气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车

技术领域

轨道车辆、高速列车、悬浮列车、磁悬浮列车。

背景技术

随着社会的进步，原有的货运、客运轨道列车技术需要进行升级，以满足新的货运、客运需求，同时鉴于能源危机和环境保护，也需要新的技术来达到节能减排的目的。

现有轮轨式高速列车，很难实现时速500公里的营运，而磁悬浮高速列车，现有技术的综合工程造价太过昂贵，并且对电能的需求较大，有很大的节能空间。磁悬浮高速列车目前主要有常导磁悬浮、超导磁悬浮和永磁补偿式磁悬浮三大类，根据悬浮力的表现形式又可分为吸力型磁悬浮、斥力型磁悬浮和吸力斥力互补型磁悬浮。

关于气垫悬浮原理的应用，在气垫悬浮运输系统、气垫船、气垫悬浮列车等领域已有应用，而且效果不错，根据应用工况的不同，气垫高度可为几毫米到几百毫米。

线性磁力缓速器、盘式/筒式磁力缓速器、极大负荷可调线性电机，本人先前提出的技术发明，可从中华人民共和国知识产权局检索以供参考。

发明内容

本发明从对磁悬浮高速列车节能降耗和改善其安全可靠性能以及降低其造价提高其经济性为出发点提出了一种新的轨道运载工具——气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车。气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车利用吸力斥力互补型磁悬浮的原理使其产生悬浮效果，并利用气室形成气垫来导向，其包含以下关键部分：车体斥力型磁悬浮系统、车体吸力型磁悬浮系统、线性电机驱动系统、导向气垫生成系统、车体辅助支承组件和车体。

附图说明

图1、图2、图3、图4所示为插入式气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车的几种基本的技术方案原理图。图中标号1、11和12为线性电机，标号4为车体，标号3和5为车体辅助支承组件，标号40为车体斥力型磁悬浮系统，标号50为车体吸力型磁悬浮系统，标号15、16为导向气室的裙板。车体辅助支承组件兼起限位作用，防止车体斥力型磁悬浮系统40的两匹配方发生接触，车体辅助支承组件既可以使用滑橇3-2和滑轨3-1的匹配组合，也可以使用支承轮，图中标号5就采用支承轮用作车体辅助支承组件，而标号3采用滑橇3-2和滑轨3-1的匹配组合用作车体辅助支承组件。车体斥力型磁悬浮系统40采用永磁体，同极相对，斥力悬浮。车体吸力型磁悬浮系统50采用永磁体和铁磁性的感应板，吸力悬浮，通过升降机构改变永磁体和铁磁性感应板之间的吸力大小。线性电机既可置于纵向平面内，也可置于横向平面内，既可采用气隙不能实时调节(极大负荷不可调)的线性电机1和11，又可采用气隙可以实时调节的极大负荷可调线性电机12。图4中在车体吸力型磁悬浮系统50附近加装了车体辅助支承组件3以起限位作用，此处的车体辅助支承组件3一般可以不要，如图1、图2和图3所示方案，因为控制系统的气隙传感器可以实时检测并对升降机构发出指令作出调节。

图5、图6、图7、图8所示为跨座式气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车的几种基本的技术方案原理图。图中标号1、11和12为线性电机，标号4为车体，标号3和5为车体辅助支承组件，标号40为车体斥力型磁悬浮系统，标号50为车体吸力型磁悬浮系统，标号15、16为导向气室的裙板。车体辅助支承组件兼起限位作用，防止车体斥力型磁悬浮系统40的两匹配方发生接触，车体辅助支承组件既可以使用滑橇3-2和滑轨3-1的匹配组合，也可以使用支承轮，图中标号5就采用支承轮用作车体辅助支承组件，而标号3采用滑橇3-2和滑轨3-1的匹配组合用作车体辅助支承组件。车体斥力型磁悬浮系统40采用永磁体，同极相对，斥力悬浮。车体吸力型磁悬浮系统50采用永磁体和铁磁性的感应板，吸力悬浮，通过升降机构改变永磁体和铁磁性感应板之间的吸力大小。线性电机既可置于纵向平面内，也可置于横向平面内，既可采用气隙不能实时调节(极大负荷不可调)的线性电机1和11，又可采用气隙可以实时调节的极大负荷可调线性电机12。图8中在车体吸力型磁悬浮系统50附近加装了车体辅助支承组件3以起限位作用，此处的车体辅助支承组件3一般可以不要，如图5、图6和图7所示方案，因为控制系统的气隙传感器可以实时检测并对升降机构发出指令作出调节。

图9所示为滚珠丝杠型升降机构，由电机直接驱动滚珠丝杠组件使旋转运动转变为直线运动。图中标号3-7为定子，3-6为转子，3-1为滚珠丝杠组件(由螺母、丝杠和钢球等组成)，其丝杠和电机外壳同体，3-5为电机中心轴。滚珠丝杠型升降机构中的滚珠丝杠组件用滚柱丝杠组件替代便形成滚柱丝杠型升降机构(滚柱丝杠组件由螺母、丝杠和滚柱等关键零件组成)。

图10所示为滑动丝杠型升降机构，由电机直接驱动滑动丝杠组件使旋转运动转变为直线运动。图中标号3-7为定子，3-6为转子，3-1为滑动丝杠组件(仅由螺母和丝杠组成)，其丝杠和电机外壳同体，3-5为电机中心轴。

图11所示为沟槽凸轮型升降机构，由电机直接驱动沟槽凸轮组件使旋转运动转变为直线运动。图中标号3-7为定子，3-6为转子，3-1为沟槽凸轮组件(由沟槽凸轮、滚子和滚子固定轴组成)，其滚子固定轴和电机外壳同体，3-5为电机中心轴。

图12所示为滚珠丝杠型升降机构的驱动电机改为手轮的结构方案，手动调节，其它类型的升降机构也可采用手动调节的方案。图中标号3-4为手轮。

图13所示为流体调节型升降机构使用的液压缸或气缸，采用液压或气动来使活塞伸缩作往复直线运动。

图14所示为齿轮齿条型升降机构，通过齿轮驱动齿条作往复直线运动。

图15所示为摇杆滑块型升降机构的原理图，滑块3-1作往复直线运动，图中标号3-3为摇杆，3-2为连杆。

气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车利用吸力斥力互补型磁悬浮的原理使其产生悬浮效果，并利用气室形成气垫来导向，各种结构形式的气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车结构大同小异，都包含以下关键部分：车体斥力型磁悬浮系统、车体吸力型磁悬浮系统、线性电机驱动系统、导向气垫生成系统、车体辅助支承组件和车体。车体斥力型磁悬浮系统和车体吸力型磁悬浮系统形成吸力斥力互补型磁悬浮。

车体斥力型磁悬浮系统的两匹配方均采用永磁体，其两匹配方一侧置于车体上，另一侧置于轨道上，同极相对，斥力悬浮。

车体吸力型磁悬浮系统两匹配方采用永磁体和铁磁性的感应板，吸力悬浮，通过升降机构改变永磁体和铁磁性感应板之间的吸力大小。

吸力斥力互补型磁悬浮是在永磁体的磁力限定在一定范围内时才能起作用，如果车体斥力型磁悬浮系统的斥力非常大，车体悬浮高度很高，那么图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示的车体吸力型磁悬浮系统的位置就要改变到和其车体斥力型磁悬浮系统所在的平面内，或者用另一个车体斥力型磁悬浮系统来替代其车体吸力型磁悬浮系统，或者用另一个车体吸力型磁悬浮系统来替代其车体斥力型磁悬浮系统，从而使车体维持在安全可靠的正常悬浮位置。目前，永磁材料制成的永磁体磁力有限，通过合理的设计，即可满足图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示方案的需求，但采用强磁场技术(如超导块材制成的永磁体)时，就必须要注意吸力斥力互补型磁悬浮的磁力设计，以避免不必要的磁性材料浪费。

线性电机驱动系统既可采用气隙不能实时调节(极大负荷不可调)的线性电机又可采用气隙可以实时调节的极大负荷可调线性电机，极大负荷可调线性电机加装了一套气隙调节机构，它可以通过气隙传感器来实时检测气隙，并根据所需驱动功率的大小来进行闭环或开环控制。线性电机驱动系统既可置于纵向面内又可置于横向面内，当线性电机驱动系统置于纵向面内时，由于磁力耦合的特性使其起到导向的作用，此时线性电机可兼起辅助导向的作用(这种导向不稳定)。线性电机可用于再生制动、反接制动或能耗制动，气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车可以加装线性磁力缓速器(与滑轨匹配)或钳式制动器(闸轨)等用于制动。线性电机驱动系统可以使用异步线性电机或同步线性电机，异步线性电机的定子和转子中一个使用电枢绕组来连接外部电源，另一个使用感应线圈或感应板，同步线性电机的定子和转子中一个使用电枢绕组来连接外部电源，另一个使用永磁体或电枢绕组。气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车的线性电机用于连接外部电源的初级电枢绕组置于车体上时，车体上须加装受电弓来连接外部输电线路，当线性电机用于连接外部电源的初级电枢绕组置于轨道上时，可分段供电。此外，也可以采用蓄电池或独立的发电机组作为电源。

导向气垫生成系统包含导向气室、高压空气生成系统，导向气室中的高压气体外溢，形成一层气体薄膜将车体壁面与轨道壁面隔离，使气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车得以有效导向，导向气室可以是由裙板、车体壁面和轨道壁面等组成的立体空间，也可以设计独立的导向气室，高压空气生成系统可以由风机和流道组成，由风机生成高压空气，高压空气生成系统也可以采用空气压缩机来生成高压气体，气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车在高速行驶时，通过合理设计流道，可以有效利用气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车迎面而来的高速气流来生成高压空气。

车体辅助支承组件兼起限位作用，防止车体斥力型磁悬浮系统的两匹配方发生接触，车体辅助支承组件既可以使用滑橇和滑轨的匹配组合，也可以使用支承轮。使用滑橇和滑轨的匹配组合时，可以加装线性磁力缓速器，与滑轨匹配用于制动。

气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车的车体可根据货运或客运的具体需求来设计。

具体实施方式

气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车所包含的各组成零部件，现代工业制造技术均可加工制造，相关标配组件可由专业厂家配套。气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车的导向气垫生成系统可以使用同一台风机或空气压缩机来生成高压空气，也可以分别使用不同的风机或空气压缩机来生成高压空气，通过合理设计气动回路来达到最佳使用效果。对于同一支点处的气室，可采用由多个小气室组合而成的大气室，这样有利于保压。为了使气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车具备更人性化的驾驶性能和舒适的乘车环境，还可以设计一些自动控制系统、人机交互界面以及应用装备(如座椅、电视机、互联网装备等)。

气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车作为一种高速列车，其成品要想成功应用，必须具备以下条件：(1)实验测试标定——建立测试轨道，以完成系列化产品的实际测试，确保安全可靠。(2)驾驶控制——培训合格的驾驶员，使其熟知列车的动力性能和操作控制方法。

Claims (9)

1.气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车的技术方案——其特征是利用吸力斥力互补型磁悬浮的原理使其产生悬浮效果，并利用气室形成气垫来导向，气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车包含以下关键部分：车体斥力型磁悬浮系统、车体吸力型磁悬浮系统、线性电机驱动系统、导向气垫生成系统、车体辅助支承组件和车体，车体斥力型磁悬浮系统和车体吸力型磁悬浮系统形成吸力斥力互补型磁悬浮。

2.根据权利要求1所述的气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车，其特征是使用车体斥力型磁悬浮系统，车体斥力型磁悬浮系统的两匹配方均采用永磁体，其两匹配方一侧置于车体上，另一侧置于轨道上，同极相对，斥力悬浮。

3.根据权利要求1所述的气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车，其特征是使用车体吸力型磁悬浮系统，车体吸力型磁悬浮系统两匹配方采用永磁体和铁磁性的感应板，吸力悬浮，通过升降机构改变永磁体和铁磁性感应板之间的吸力大小，升降机构可采用滚珠丝杠型升降机构，由电机直接驱动滚珠丝杠组件使旋转运动转变为直线运动，滚珠丝杠组件由螺母、丝杠和钢球等组成，升降机构也可采用滚柱丝杠型升降机构，由电机直接驱动滚柱丝杠组件使旋转运动转变为直线运动，滚柱丝杠组件由螺母、丝杠和滚柱等关键零件组成，升降机构也可采用滑动丝杠型升降机构，由电机直接驱动滑动丝杠组件使旋转运动转变为直线运动，滑动丝杠组件由螺母和丝杠组成，升降机构也可采用沟槽凸轮型升降机构，由电机直接驱动沟槽凸轮组件使旋转运动转变为直线运动，沟槽凸轮组件由沟槽凸轮、滚子和滚子固定轴组成，升降机构也可采用流体调节型升降机构，流体调节型升降机构使用的液压缸或气缸，利用液压或气动来使活塞伸缩作往复直线运动，升降机构也可采用齿轮齿条型升降机构，通过齿轮驱动齿条作往复直线运动，升降机构也可采用摇杆滑块型升降机构，各种不同类型的升降机构既可电动操纵又可手动操纵，手动操纵时将电机改为手轮即可。

4.根据权利要求1所述的气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车，其特征是使用吸力斥力互补型磁悬浮，吸力斥力互补型磁悬浮是在永磁体的磁力限定在一定范围内时才能起作用，故应根据气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车需求的整备质量来设计车体斥力型磁悬浮系统和车体吸力型磁悬浮系统，以使其达到有效匹配，否则要使车体维持在安全可靠的正常悬浮位置，可能需要使用吸力吸力互补型磁悬浮或斥力斥力互补型磁悬浮，吸力吸力互补型磁悬浮由以轨道面为镜像面的两组车体吸力型磁悬浮系统组成，斥力斥力互补型磁悬浮由以轨道面为镜像面的两组车体斥力型磁悬浮系统组成。

5.根据权利要求1所述的气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车，其特征是使用线性电机驱动系统，线性电机驱动系统既可采用气隙不能实时调节的线性电机又可采用气隙可以实时调节的极大负荷可调线性电机，极大负荷可调线性电机加装了一套气隙调节机构，它可以通过气隙传感器来实时检测气隙，并根据所需驱动功率的大小来进行闭环或开环控制，线性电机驱动系统既可置于纵向面内又可置于横向面内，当线性电机驱动系统置于纵向面内时，由于磁力耦合的特性使其起到导向的作用，此时线性电机可兼起辅助导向的作用，线性电机可用于再生制动、反接制动或能耗制动，气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车可以加装磁力缓速器或钳式制动器等用于制动，线性电机驱动系统可以使用异步线性电机或同步线性电机，异步线性电机的定子和转子中一个使用电枢绕组来连接外部电源，另一个使用感应线圈或感应板，同步线性电机的定子和转子中一个使用电枢绕组来连接外部电源，另一个使用永磁体或电枢绕组，气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车的线性电机用于连接外部电源的初级电枢绕组置于车体上时，车体上须加装受电弓来连接外部输电线路，当线性电机用于连接外部电源的初级电枢绕组置于轨道上时，可分段供电，此外，也可以采用蓄电池或独立的发电机组作为电源。

6.根据权利要求1所述的气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车，其特征是使用导向气垫生成系统，导向气垫生成系统包含导向气室、高压空气生成系统，导向气室中的高压气体外溢，形成一层气体薄膜将车体壁面与轨道壁面隔离，使气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车得以有效导向，导向气室可以是由裙板、车体壁面和轨道壁面等组成的立体空间，也可以设计独立的导向气室，高压空气生成系统可以由风机和流道组成，由风机生成高压空气，高压空气生成系统也可以采用空气压缩机来生成高压气体，不同支点处的导向气室可以使用同一台风机或空气压缩机来生成高压空气，也可以分别使用不同的风机或空气压缩机来生成高压空气，对于同一支点处的气室，可采用由多个小气室组合成的大气室，这样有利于保压，气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车在高速行驶时，通过合理设计流道，可以有效利用气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车迎面而来的高速气流来生成高压空气。

7.根据权利要求1所述的气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车，其特征是使用车体辅助支承组件，车体辅助支承组件兼起限位作用，防止车体斥力型磁悬浮系统的两匹配方发生接触，车体辅助支承组件既可以使用滑橇和滑轨的匹配组合，也可以使用支承轮。

8.根据权利要求1所述的气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车，其特征是可以加装线性磁力缓速器，与滑轨匹配用于制动。

9.根据权利要求1所述的气动导向永磁补偿式磁悬浮轨道列车，其特征是其车体可根据货运或客运的具体需求来设计。