CN110979019B - 一种多源组合式电磁制动装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多源组合式电磁制动装置及其应用，该装置包括多源复合式电磁铁组合(1)、磁极(2)、导流散热型磁轭(3)和箱式悬吊传力机构(4)，所述的磁极(2)并排连接形成多元复合式电磁铁组合(1)，固接于悬吊传力机构(4)下方，所述的磁轭(3)固接于悬吊传力机构(4)内。与现有技术相比，本发明在充分利用磁场提高涡流制动力基础上，同时利用电磁场边界效应的开尔文力，总制动力高；又针对性设计了导流散热结构，增加了热辐射和热对流效果，同时增设高频高压脉冲电流线圈，在高速制动时，施加高频高压脉冲电流，取得气隙处磁场的稳定，减少高速时气隙磁场的偏移分量，使得高速制动力稳定。

Description

一种多源组合式电磁制动装置及其应用

技术领域

本发明涉及列车制动系统领域，尤其是涉及一种多源组合式电磁制动装置及其应用。

背景技术

制动系统是列车关键技术之一，随着列车的速度不断提高，需要研究新型的制动技术。线性电磁制动以其控制灵敏、不受轮轨粘着系数限制，在中、高速列车上应用。但是现有的涡流制动装置结构庞大，高速时制动力难以持续保持稳定，其技术仍然不够成熟，主要表现在磁场不稳定、现有的电磁制动力达到极限，需要探讨其他的电磁力作为增加和补充。而且电磁制动功率增加，热量增加，温度达到一定值时，对磁场影响很大。电磁制动装置效率较低，因此作为辅助或者紧急制动时采用。

此外，根据电磁场研究结果，列车中速时电磁场稳定，气隙部分的磁力线垂直于列车铁轨表面，此时的磁力线强度全部作用于列车铁轨内产生电涡流。高速时电磁场不稳定，磁力线发生偏移，与列车铁轨水平面沿列车行进方向形成一个角度，只有沿垂直于列车铁轨方向上的磁力线分量作用于铁轨，磁力线强度减弱，铁轨内的涡流强度减弱，产生的制动力也随之降低。

中国专利CN1476999A公开了一种车辆涡流制动实验装置，由机械系统、车载电源模拟装置、可控交直流励磁电源、交流传动控制装置、测试机构、计算机检测与控制系统组成，其特征在于机构系统部分由安装基座、变频交流异步电机、旋转轨道轮装置、惯性轮装置、磁极安装支撑装置、弹性阻尼器、磁吸力和涡流制动力传感器、转速传感器和连接机构组成，旋转轨道轮通过支撑结构安装于基座上，惯性轮通过支撑结构安装于基座上，惯性轮轴通过联轴器与轨道轮轴连接，制动磁极设置于磁极安装支撑装置内，旋转轨道轮的侧缘位于两边对称设置的制动磁极中。但是该装置并未解决列车高速运动时，磁场不稳定导致制动力下降的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种在充分利用磁场提高涡流制动力，同时利用电磁场边界效应的开尔文力，总制动力高，气隙磁场稳定，装置使用寿命长的一种多源组合式电磁制动装置及其应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

由电磁理论可知，电磁铁与铁轨之间发生相对运动，穿越铁轨表面的磁通量不断变化，且铁轨切割磁力线，由法拉第电磁感应定律可知，铁轨内会感应出阻碍磁通变化的涡流，由涡流形成的磁场使原磁场发生畸变，形成切向电磁力，就是洛伦磁力，也就是涡流制动力。现在涡流制动装置多是采用有洛伦兹力引起的涡流制动力。因此，需要在电磁铁结构上、励磁电流以及整个电磁结构上加以创新性改进。

一种多源组合式电磁制动装置，该装置包括多源复合式电磁铁组合、磁极、导流散热型磁轭和箱式悬吊传力机构，所述的多源复合式电磁铁组合包括多个并排连接的磁极，该磁极固接于悬吊传力机构下方，所述的磁轭固接于悬吊传力机构内；并与铁轨保持一定的距离，因此磁极、导流散热型磁轭和铁轨三者之间形成磁力线的闭合回路，磁力线由磁极的N极出发，通过磁极与铁轨之间的间隙，穿过铁轨的表面，再通过间隙回到S极，向上通过磁轭再次回到N极，形成闭合回路。该制动装置固设在列车下方，所述的磁极内设有线圈，输入电流后，形成涡流制动力，通过悬吊传力机构传递到列车，进行制动。

进一步地，所述的磁极包括隔磁用薄绝缘片、铁芯单元、组合式励磁线圈和通电接线柱，所述的绝缘片和铁芯单元交替排列固定连接，组合式励磁线圈均匀地绕在的铁芯单元和绝缘片上；所述的接线柱安装在组合式励磁线圈端口。

进一步地，所述的组合式励磁线圈包括输入直流电流的外层线圈和输入高频高压脉冲电流的内层线圈，所述的接线柱外接电流控制器，所述的电流控制器则调控蓄电池和外接电源的直流电流或者脉冲电流的输出。蓄电池在列车中速制动过程中通过电流控制器的控制供给外层线圈直流电流，在列车高速制动过程中外接电源通过电流控制器的控制供给内层线圈高频高压脉冲电流，并且根据内、外层线圈的最佳匝数比，利用脉冲电流变频变压的特性产生不同的磁场和直流电流产生的稳定磁场共同作用于涡流产生制动力，以满足制动要求。

进一步地，所述的电流控制器包括能调节直流电和高频高压的脉冲电流的电流控制盒。所以，电流控制器能调控直流电流或高频高压的脉冲电流的输出。还可以随时调节脉冲电流的频率和幅值，以取得不同速度区段的稳定气隙磁场，满足制动要求，同时保证整个励磁功率的相对稳定。

进一步地，所述的薄绝缘片和铁芯单元之间采用沉头铆钉连接成一体，防止在列车运动时发生错位甚至脱落的情况，阻碍电磁力的产生，影响制动安全。由法拉第电磁感应定律可知，通电的组合式励磁线圈和铁芯形成了NS极，NS极交替排列分布方式可以使得每个磁极均与周围NS极产生磁力线回路，充分利用了磁极的导磁性。

进一步地，所述的薄绝缘片的材质为隔磁材料云母。云母片的加入在保证有效面积基本不变的情况下，增大每个电磁铁的边界效应，由此加大铁芯单元和薄云母绝缘片交界面处磁导率μ的不均匀性进而引起开尔文力，增大制动力，改善制动效果。采用极薄的云母片隔磁，同时不减少导磁有效面积，不影响涡流制动的洛伦兹力。还可以大量减少铁芯由于励磁产生的热量。

进一步地，所述的磁极中交替排列的铁芯单元的数量为三块和薄绝缘片的数量为两块。

进一步地，所述的磁轭包括磁轭板和散发多源复合式电磁铁组合产生热量的散热筋，该散热筋设于远离多源复合式电磁铁组合的磁轭的一面，磁轭板两侧边缘设有用于散热和承载的钢片。所述的散热筋将电磁铁组合工作时产生的大量热量及时散发，抑制电磁铁组合温度持续升高，防止其磁导率和磁性急剧衰减，提高制动安全。

进一步地，所述的磁轭材质为导磁率较高的软铁材料。其主要作用是将励磁磁场约束在一定的区域内，减少磁场向外部扩散，对磁场的约束性能好，导磁率高。

进一步地，所述的悬吊传力机构上设有螺栓，所述的磁极上设有连接座，悬吊传力机构通过螺栓与连接座的连接作用间接地和磁极连接。所述的悬吊传力机构作为传力中介，与磁极和车体连接，将电磁铁组合制动装置与铁轨之间产生的制动力传送到列车车体，进而完成整车的制动。

一种如上所述的多源组合式电磁制动装置的应用，该装置应用于磁悬浮列车、高速列车、普通列车或轨道交通列车的高速或中低速制动。

也就是说，该装置，该技术延伸应用于高速列车的电磁制动，应用于其他速度轨道车辆和交通车辆的电磁制动中。

事实上，励磁磁场内产生的磁场力包括洛伦兹力、开尔文力和磁致缩力三种。因此考虑在充分利用洛伦兹力的基础上，可以利用电磁场的边界效应，将铁芯分割成多块单元，铁芯之间加以薄云母绝缘片进行隔磁，磁场交界面磁导率就会不均匀，产生开尔文力，也就是磁铁的吸力。在设计这两种力的情况下，使铁芯有效面积与薄云母绝缘片厚度之间达到最佳组合，使洛伦兹力和开尔文力共同组成的制动力达到最大值。此外还设计了双重组合式励磁线圈，在高速区域内通过高频高压脉冲电流增加了磁场的稳定性。设计高频高压脉冲电流在高速不同速度区段产生不同频率不同幅值的脉冲电流，在同等功率下激励铁芯产生间歇性的高强度磁场，确保相应速度区段时气隙磁场具有足够的“刚度”以及稳定状态，提高制动力。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明的多源复合式电磁铁组合结构能有效的利用电磁边界效应，添加了开尔文力，总制动力增大，保证列车的运行安全。相比于以往简单的线圈缠绕铁芯组成的电磁铁，多源复合式电磁铁组合的设计更为灵活，铁芯被分成多个单元，中间加以薄云母绝缘片进行隔磁，利用电磁铁进入和离开交界面处磁导率μ的不均匀性引起的力，即开尔文力，增大了电磁场力，提高了制动力；

(2)本发明的多源复合式电磁铁组合包含十二个磁极，每块磁极中有多块铁芯单元和隔磁用薄云母绝缘片交替排列。同时考虑到使铁芯有效面积与薄云母绝缘片厚度之间达到最佳组合，使洛伦兹力和开尔文力共同组成的制动力达到最大值，因此将薄云母绝缘片的厚度可设计为1mm，这样就在保证铁芯有效面积的基础上，又加入了开尔文力，总制动力提高；

(3)本发明设计的一种双重组合式励磁线圈，由内、外两重线圈组成；其中内层线圈传递脉冲电流，外层线圈传递直流电流，在保证磁极能产生基本稳定的电磁场的基础上，利用脉冲电流高频高压的特性以维持气隙处磁力线的稳定，提供足够的制动力，同时内、外层线圈匝数存在一个最佳比例；此外考虑到不同速度区域所需的制动力不同，进行变频变压，随时调节脉冲电流的频率和幅值，以相应取得不同速度区段的稳定气隙磁场，满足制动要求，同时保证整个励磁功率的相对稳定；

(4)本发明在导流散热形磁轭背离电磁铁的一面设置了散热筋，满足其使用功能的同时，尽可能地散发热量，抑制电磁铁的快速温升；与以往类似涡流制动装置相比，导流散热形磁轭的散热筋能在电磁制动装置工作时，把短时间内产生的大量热量进行排散，防止电磁铁温度超过“居里点”，在持续制动时间内抑制铁芯磁导率和磁性的剧烈下降，确保电磁铁提供足够的电磁场强度，稳定产生的制动力；

(5)本发明在原有的涡流制动装置进行了较大的改善，为列车在中、高速的制动需求提供足够、稳定和持续的制动力，具有操作方便、性能可靠、适用性广等优点，尤其是能为列车在高速状态时的持续制动提供稳定且强大的制动力，同时抑制电磁制动装置温升过快，及时完成制动，确保制动安全，延长装置使用寿命。

附图说明

图1为实施例1、2中多源组合式电磁制动装置的结构示意图；

图2为实施例1、2中磁极的结构示意图；

图3为实施例1、2中导流散热形磁轭的结构示意图；

图4为实施例1、2中箱式悬吊传力机构的结构示意图；

图5为实施例1、2中电流控制器的结构示意图；

图6为实施例1、2中蓄电池的结构示意图；

图中标号所示：1-多源复合式电磁铁组合，2-磁极，21-薄绝缘片，22-铁芯单元，23-沉头铆钉，24-组合式励磁线圈，25-接线柱，26-连接座，3-磁轭，31-散热筋，4-悬吊传力机构，41-螺栓，5-电流控制器，6-蓄电池。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：列车高速制动

本实施例在保持总的励磁功率稳定的前提下，增加高频高压脉冲电流励磁功率时，相应减少直流电流励磁功率。

一种多源组合式电磁制动装置，如图1，该装置包括多源复合式电磁铁组合1和磁极2、导流散热型磁轭3和箱式悬吊传力机构4，所述的磁极2并排连接，并固接于悬吊传力机构4下方，所述的磁轭3固接于悬吊传力机构4内；并与铁轨保持一定的距离，因此磁极2、导流散热型磁轭3和铁轨三者之间形成磁力线的闭合回路，磁力线由磁极2的N极出发，通过磁极2与铁轨之间的间隙，穿过铁轨的表面，再通过间隙回到S极，向上通过磁轭3再次回到N极，形成闭合回路。该制动装置固设在列车下方，所述的磁极2内设有线圈，输入电流后，形成涡流制动力，通过悬吊传力机构4传递到列车，进行制动。

如图2、5、6，磁极2包括隔磁用薄绝缘片21、铁芯单元22、组合式励磁线圈24和通电接线柱25，所述的绝缘片21和铁芯单元22交替排列通过连接座26固定连接，组合式励磁线圈24均匀地绕在的铁芯单元22和绝缘片21上；所述的接线柱25安装在组合式励磁线圈24端口。组合式励磁线圈24包括输入直流电流的外层线圈和输入高频高压脉冲电流的内层线圈，所述的接线柱25外接电流控制器5，所述的电流控制器5则调控蓄电池6和外接电源的直流电流或者脉冲电流的输出。蓄电池6在列车中速制动过程中通过电流控制器5的调控供给外层线圈直流电流，电流控制器5在列车高速制动过程中通过的调控外接电源以供给内层线圈高频高压脉冲电流，并且随时调节脉冲电流的频率和幅值，以取得不同速度区段的稳定气隙磁场，并且根据内、外层线圈的最佳匝数比，利用脉冲电流变频变压的特性产生变化的磁场和直流电流产生的稳定磁场共同作用于涡流产生制动力，以满足制动要求，同时保证整个励磁功率的相对稳定。

如图2，薄绝缘片21和铁芯单元22之间采用沉头铆钉23连接成一体。由法拉第电磁感应定律可知，通电的组合式励磁线圈24和铁芯形成了磁极，磁极2的NS极交替排列分布方式可以使得每个磁极2均与周围NS极产生磁力线回路，充分利用了磁极2的导磁性。薄绝缘片21和铁芯单元22固定连接，防止在列车运动时发生错位甚至脱落的情况，阻碍电磁力的产生，影响制动安全。薄绝缘片21的材质为隔磁材料云母。利用铁芯单元22和薄云母绝缘片21交界面处磁导率μ的不均匀性进而引起的开尔文力，增大制动力。采用极薄的云母片隔磁，不减少铁芯有效面积，不会影响涡流制动的洛伦兹力。还可以大量减少铁芯由于励磁产生的热量。本实施例中，磁极2中交替排列的铁芯单元22的数量为三块和薄绝缘片21的数量为两块。

如图3，磁轭3包括磁轭板和散发多源复合式电磁铁组合1产生热量的散热筋31，该散热筋31设于远离多源复合式电磁铁组合1的磁极2的一面，所述的磁轭板两侧边缘设有用于散热和承载的钢片。磁轭3材质为导磁率较高的软铁材料。将励磁磁场约束在一定的区域内，减少磁场向外部扩散，对磁场的约束性能好，导磁率高。所述的散热筋31将电磁铁组合工作时产生的大量热量及时散发，抑制电磁铁组合温度持续升高，防止其磁导率和磁性急剧衰减，提高制动安全。

如图4，悬吊传力机构4上设有螺栓41，所述的磁极2上的连接座26，悬吊传力机构4通过螺栓41与连接座26的连接作用和磁极2连接。所述的悬吊传力机构作为传力中介，与连接座26和车体紧固连接，将电磁铁组合制动装置与铁轨之间产生的制动力传送到列车车体，进而完成整车的制动。

列车制动时，电流输入线圈内，激励铁芯成磁场。当铁轨与磁极2相对运动时，穿过金属任意回路的磁通量发生变化，闭合回路中产生感应涡流，而涡流产生的磁场对磁极2有阻碍运动的作用，阻止列车前进，进行制动。这主要是利用了洛伦磁力。

事实上，励磁磁场内产生的磁场力除了洛伦兹力，还有开尔文力和磁致缩力。因此考虑在充分利用洛伦兹力的基础上，可以利用电磁场的边界效应，将铁芯分割成多块单元，铁芯单元22之间加以薄云母绝缘片21进行隔磁，磁场交界面磁导率就会不均匀，产生开尔文力，也就是磁铁的吸力。在设计这两种力的情况下，使铁芯单元22有效面积与薄云母绝缘片21厚度之间达到最佳组合，使洛伦兹力和开尔文力共同组成的制动力达到最大值。此外还设计了双重组合式励磁线圈24，在高速区域内通过高频高压脉冲电流增加了磁场的稳定性，设计高频高压脉冲电流在速度不同阶段产生不同频率不同幅值的脉冲电流，在同等功率下激励铁芯产生间歇性的高强度磁场，确保相应速度区段时气隙磁场具有足够的“刚度”以及稳定状态，提高制动力。

实施例2：列车中速制动

与实施例1不同的是，处于中速状态下，双重组合式励磁线圈24的外层线圈的接线柱25输入直流电流的功率加大，相应地，对双重组合式励磁线圈24的内层线圈的接线柱25输入高频高压脉冲电流的功率减小，甚至去除，进行列车中速制动。

Claims (6)

1.一种多源组合式电磁制动装置，其特征在于，该装置包括多源复合式电磁铁组合（1）、导流散热型磁轭（3）和箱式悬吊传力机构（4），所述的多源复合式电磁铁组合（1）包括多个并排连接的磁极（2），该磁极（2）固接于悬吊传力机构（4）下方，所述的磁轭（3）固接于悬吊传力机构（4）内；该制动装置固设在列车下方，所述的磁极（2）内设有线圈，输入电流后，形成涡流制动力，通过悬吊传力机构（4）传递到列车，进行制动；

所述的磁极（2）包括隔磁用薄绝缘片（21）、铁芯单元（22）、组合式励磁线圈（24）和通电接线柱（25），所述的绝缘片（21）和铁芯单元（22）交替排列固定连接，组合式励磁线圈（24）均匀地绕在的铁芯单元（22）和绝缘片（21）上；所述的接线柱（25）安装在组合式励磁线圈（24）端口；

所述的组合式励磁线圈（24）包括输入直流电流的外层线圈和输入高频高压脉冲电流的内层线圈，所述的接线柱（25）与电流控制器（5）电连接，该电流控制器（5）分别与输入直流电流的蓄电池（6）和输入高频高压脉冲电流的外接电源电连接，该蓄电池（6）和外接电源均由电流控制器（5）控制；

所述的磁极（2）中交替排列的铁芯单元（22）的数量为三块，薄绝缘片（21）的数量为两块，所述的薄绝缘片（21）和铁芯单元（22）之间采用沉头铆钉（23）连接成一体，所述的薄绝缘片（21）的材质为隔磁材料云母。

2.根据权利要求1所述的一种多源组合式电磁制动装置，其特征在于，所述的电流控制器（5）包括能调节直流电流和高频高压脉冲电流的电流控制盒。

3.根据权利要求1所述的一种多源组合式电磁制动装置，其特征在于，所述的磁轭（3）包括磁轭板和散发多源复合式电磁铁组合（1）产生热量的散热筋（31），该散热筋（31）设于磁轭（3）上远离多源复合式电磁铁组合（1）的一面，磁轭板两侧边缘设有用于散热和承载的钢片。

4.根据权利要求3所述的一种多源组合式电磁制动装置，其特征在于，所述的磁轭（3）材质为软铁材料。

5.根据权利要求1所述的一种多源组合式电磁制动装置，其特征在于，所述的悬吊传力机构（4）上设有螺栓（41），所述的磁极（2）上设有连接座（26），悬吊传力机构（4）通过螺栓（41）与连接座（26）的连接作用和磁极（2）连接。

6.一种如权利要求1所述的多源组合式电磁制动装置的应用，其特征在于，该装置应用于磁悬浮列车、高速列车、普通列车或轨道交通列车的高速或中速制动。

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