CN111942165A - 一种用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁浮列车技术领域，具体而言，涉及一种用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮驱动装置。本发明通过用Halbach阵列的永磁体代替原有超导磁体作为车载磁体，与零磁通线圈相互作用实现悬浮和导向一体。第一Halbach阵列磁体中心向下偏离零磁通线圈中心，使上下磁通量不一样，线圈上部与车载磁极相反，线圈下部与车载磁极相同，从而产生向上的悬浮力。在车体的底部布置第二Halbach阵列的永磁体，地面采用长定子同步直线电机推进，实现平稳推进。采用Halbach阵列的永磁体单边可以达到比较大的磁场，在所需磁场强度的要求下，Halbach阵列的永磁体代替原有的超导磁体作为车载磁体不需要冷却，省去了复杂的冷却系统和辅助系统，大大减少了成本，简化了结构。

Description

一种用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮驱动装置

技术领域

本发明涉及磁浮列车技术领域，具体而言，涉及一种用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮驱动装置。

背景技术

磁悬浮列车利用“同性相斥，异性相吸”的原理，让磁铁具有抗拒地心引力的能力，使车体完全脱离轨道，悬浮在轨道上腾空行驶。现有的车载磁体大多采用超细铌钛(NbTi)合金多芯线埋入铜母线内制成超导电线，用液氦冷却至－269℃，形成超导磁体。当磁悬浮列车运动时，车载磁体产生的运动磁场在安装于线路上的悬浮线圈中产生感应电流，两者相互作用，为列车提供悬浮力和导向力，并通过长定子直线同步电机为列车提供牵引力。

现有的磁悬浮列车存在较多的问题：如品川到名古屋286km,预算3200亿元左右，均价11亿/km左右,。日本的低温超导方案由于要采用液氦对超导线圈制冷，涉及复杂的冷却系统、造价很高，制冷设备的耗费很大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮驱动装置，以改善上述问题。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

本申请实施例提供了一种用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮驱动装置，包括列车车体、转向架、“U”型轨道、零磁通线圈和第一Halbach阵列。所述转向架设置在所述列车车体的下方，嵌于所述“U”型轨道内，所述转向架和所述“U”型轨道的两侧壁之间设置有间隙；所述“U”型轨道设置在所述列车车体下方；所述零磁通线圈包括两个，两个所述零磁通线圈分别设置在所述“U”型轨道的两侧壁上；所述第一Halbach阵列有两个，两个所述第一Halbach阵列分别设置在所述转向架的两侧，所述第一Halbach阵列在所述“U”型轨道侧壁上的投影位于所述零磁通线圈内。

可选地，所述转向架和所述“U”型轨道的两侧壁之间相距40-60mm。

可选地，所述零磁通线圈上部的电流和下部的电流方向相反。

可选地，所述零磁通线圈为“8”字形设置。

可选地，所述第一Halbach阵列包括5个磁体，每个磁体磁化方向以90°转动的顺序为例，第一个磁体和第五个磁体磁化方向相同。

可选地，所述转向架两侧的所述第一Halbach阵列的磁体磁化方向相反。

可选地，所述动力装置还包括第二Halbach阵列和推进机构，所述第二Halbach阵列设置在所述转向架的底部；所述推进机构设置在所述“U”型轨道上，所述推进机构在所述第二Halbach阵列的正下方40-60mm。

可选地，所述推进机构为推进电机或推进绕组。

可选地，所述转向架的两侧还设置有辅助轮，所述辅助轮包括两个，所述“U”型轨道顶部设置的两个与“U”型轨道平行凹槽，所述辅助轮设置在所述凹槽内。

可选地，所述动力装置还包括零磁通电缆，所述零磁通电缆包括第一零磁通电缆和第二零磁通电缆，所述第一零磁通电缆连接两个所述零磁通线圈的右上部，所述第二零磁通电缆连接两个所述零磁通线圈的左上部。

本发明的有益效果为：

本发明通过用Halbach阵列的永磁体代替原有的超导磁体作为车载磁体，与零磁通线圈相互作用实现悬浮和导向一体。当第一Halbach阵列磁体中心向下偏离零磁通线圈中心时，使得第一Halbach阵列磁体中心和零磁通线圈中心不再同一高度，所以零磁通线圈上下磁通量不一样，线圈上部与车载磁极相反，产生向上的吸引力；线圈下部与车载磁极相同，产生向上的排斥力，从而产生浮力。当列车左右偏离中心位置时，推进绕组左右两侧的磁通量不一样，列车偏向侧的线圈感应磁场磁极与车载磁场磁极相同，产生排斥力，列车偏离侧的线圈感应磁场磁极与车载磁场磁极相反，产生吸引力，从而产生导向力。在车体的底部布置第二Halbach阵列的永磁体，地面采用长定子同步直线电机推进，实现平稳推进。采用Halbach阵列的永磁体单边可以达到比较大的磁场，在满足磁场强度的要求下，车载磁体代替后不需要却冷，省去了复杂的冷却系统和辅助系统，大大减少了成本，简化了结构。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例中所述的用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮驱动装置结构示意图。

图2为本发明实施例中所述的第一Halbach阵列的侧视示意图。

图3为本发明实施例中所述的零磁通线圈的正视示意图。

图4为本发明实施例中所述的悬浮导向线圈结构示意图。

图中标记：1、列车车体；2、转向架；3、零磁通线圈；4、第一Halbach阵列；5、第二Halbach阵列；6、推进装置；7、“U”型轨道；8、辅助轮；9、零磁通电缆。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，本实施例提供了一种用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮驱动装置，包括列车车体1、转向架2、“U”型轨道7、零磁通线圈3、第一Halbach阵列4。所述转向架2设置在所述列车车体1的下方，嵌于所述“U”型轨道7内，所述转向架2和所述“U”型轨道7的两侧壁之间设置有间隙；所述“U”型轨道7设置在所述列车车体1下方；所述零磁通线圈3包括两个，两个所述零磁通线圈3分别设置在所述“U”型轨道7的两侧壁上；所述第一Halbach阵列4有两个，两个所述第一Halbach阵列4分别设置在所述转向架2的两侧，所述第一Halbach阵列4在所述“U”型轨道7侧壁上的投影位于所述零磁通线圈3内。

可选地，所述转向架2和所述“U”型轨道7的两侧壁之间相距40-60mm，如果相距过窄，则不能保证安全距离，如果相距过宽，则会导致受力不够，能耗过高。

可选地，如图3所示，图中箭头方向为电流方向，所述零磁通线圈3上部的电流和下部的电流方向相反。

可选地，如图3所示，所述零磁通线圈3为“8”字形设置，“8”字形设置可以使所述零磁通线圈3上部的电流和下部的电流方向相反。当磁悬浮列车运动时，所述第一Halbach阵列4的磁体中心向下偏离所述零磁通线圈3中心，使得所述零磁通线圈3上下磁通量不一样，所述零磁通线圈3上部与所述第一Halbach阵列4磁极相反，产生向上的吸引力；所述零磁通线圈3下部与与所述第一Halbach阵列4磁极相同，产生向上的排斥力，从而产生向上的悬浮力。

可选地，如图2所示，所述第一Halbach阵列4包括5个磁体，每个磁体磁化方向以90°转动的顺序为例，第一个磁体和第五个磁体磁化方向相同，根据需求可以设置多个第一Halbach阵列。将不同磁化方向的永磁体按照一定顺序排列，可以使阵列一边的磁场显著增强而另一边显著减弱，且近似在空间中得到较理想正弦分布的磁场。比如，第一个磁体的磁化方向和第五个磁体的磁化方向都向下，第一个与第五个磁体之间的磁体的磁化方向依次顺时针旋转90°，所得Halbach阵列的永磁体单边可以达到比较大的磁场，优化磁体的参数则可满足磁场强度要求。

可选地，如图2所示，所述转向架2两侧的所述第一Halbach阵列4的磁体磁化方向相反。比如，列车前进方向左侧的所述第一Halbach阵列4的磁体磁化方向依次顺时针旋转90°，右侧的所述第一Halbach阵列4的磁体磁化方向依次逆时针旋转90°，这样所述第一Halbach阵列4和所述零磁通线圈3之间能达到较大磁场。

可选地，如图1所示，所述动力装置还包括第二Halbach阵列5和推进机构6，所述第二Halbach阵列5设置在所述转向架2的底部；所述推进机构6设置在所述“U”型轨道7上，所述推进机构6在所述第二Halbach阵列5的正下方40-60mm。考虑到Halbach阵列的永磁体的磁场比超导磁体要小，将推进绕组由侧壁的位置换到地面上与第二Halbach阵列5的永磁体相互作用，实现推进。缩小推进绕组与第二Halbach阵列5之间的距离，可增大受力，提高可靠性和效率。

可选地，所述推进机构6为推进电机或推进绕组。推进电机可以为长定子同步直线电机，电机定子铁心由15mm厚的电工钢片叠压而成，推进绕组可以为定子三相绕组，定子三相绕组由防护电缆组成。当磁悬浮列车左右偏离中心位置时，推进绕组左右两侧的磁通不一样，列车偏向侧的线圈感应磁场磁极与所述第二Halbach阵列5磁极相同，产生排斥力，列车偏离侧的线圈感应磁场磁极与所述第二Halbach阵列5磁极相反，产生吸引力，从而产生导向力。

可选地，如图1所示，所述转向架2的两侧还设置有辅助轮8，所述辅助轮8包括两个，所述“U”型轨道7顶部设置的两个与“U”型轨道7平行凹槽，所述辅助轮8设置在所述凹槽内。所述辅助轮8在磁悬浮列车刚开始发动时起到助跑作用，同时使列车在运行和转向时不左右晃动，更加平稳安全。

可选地，如图4所示，所述动力装置还包括零磁通电缆9，所述零磁通电缆包括第一零磁通电缆和第二零磁通电缆，所述第一零磁通电缆连接两个所述零磁通线圈3的右上部，所述第二零磁通电缆连接两个所述零磁通线圈3的左上部。所述零磁通电缆9串联两个所述零磁通线圈3，可以使通过两个所述零磁通线圈3的电流相等，在所述零磁通线圈3和所述第一Halbach阵列4相互作用时，让转向架左右两侧受力相同，从而使磁悬浮列车不发生倾斜。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮驱动装置，其特征在于，包括：

列车车体(1)；

转向架(2)，设置在所述列车车体(1)的下方，嵌于“U”型轨道(7)内，所述转向架(2)和“U”型轨道(7)的两侧壁之间设置有间隙；

“U”型轨道(7)，设置在所述列车车体(1)下方；

零磁通线圈(3)，所述零磁通线圈(3)包括两个，两个所述零磁通线圈(3)分别设置在所述“U”型轨道(7)的两侧壁上；

第一Halbach阵列(4)，所述第一Halbach阵列(4)有两个，两个所述第一Halbach阵列(4)分别设置在所述转向架(2)的两侧，所述第一Halbach阵列(4)在所述“U”型轨道(7)侧壁上的投影位于所述零磁通线圈(3)内。

2.根据权利要求1所述的用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮驱动装置，其特征在于：所述转向架(2)和所述“U”型轨道(7)的两侧壁之间相距40-60mm。

3.根据权利要求1所述的用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮驱动装置，其特征在于：所述零磁通线圈(3)上部的电流和下部的电流方向相反。

4.根据权利要求3所述的用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮驱动装置，其特征在于：所述零磁通线圈(3)为“8”字形设置。

5.根据权利要求1所述的用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮驱动装置，其特征在于：所述第一Halbach阵列(4)包括5个磁体，每个磁体磁化方向以90°转动的顺序为例，第一个磁体和第五个磁体磁化方向相同。

6.根据权利要求5所述的用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮驱动装置，其特征在于：所述转向架(2)两侧的所述第一Halbach阵列(4)的磁体磁化方向相反。

7.根据权利要求1所述的用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮驱动装置，其特征在于：所述动力装置还包括第二Halbach阵列(5)和推进机构(6)，所述第二Halbach阵列(5)设置在所述转向架(2)的底部；所述推进机构(6)设置在所述“U”型轨道(7)上，所述推进机构(6)在所述第二Halbach阵列(5)的正下方40-60mm。

8.根据权利要求7所述的用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮驱动装置，其特征在于：所述推进机构(6)为推进电机或推进绕组。

9.根据权利要求1所述的用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮驱动装置，其特征在于：所述转向架(2)的两侧还设置有辅助轮(8)，所述辅助轮(8)包括两个，所述“U”型轨道(7)顶部设置的两个与“U”型轨道(7)平行凹槽，所述辅助轮(8)设置在所述凹槽内。

10.根据权利要求1所述的用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮驱动装置，其特征在于：所述动力装置还包括零磁通电缆(9)，所述零磁通电缆(9)包括第一零磁通电缆和第二零磁通电缆，所述第一零磁通电缆连接两个所述零磁通线圈(3)的右上部，所述第二零磁通电缆连接两个所述零磁通线圈(3)的左上部。

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