CN112019095B

CN112019095B - 基于并联磁路的永磁-电磁混合悬浮结构

Info

Publication number: CN112019095B
Application number: CN202010658914.2A
Authority: CN
Inventors: 徐杰; 王东; 李冠醇
Original assignee: Naval University of Engineering PLA
Current assignee: Naval University of Engineering PLA
Priority date: 2020-07-09
Filing date: 2020-07-09
Publication date: 2021-07-20
Anticipated expiration: 2040-07-09
Also published as: CN112019095A

Abstract

本发明提供了一种基于并联磁路的永磁‑电磁混合悬浮结构，其特征在于包括铁芯、永磁体、导轨和调控线圈；所述铁芯包括第一铁芯和第二铁芯，其中第一铁芯为C型结构，第一铁芯的下部磁极向C型开口方向水平延伸形成第二铁芯，第二铁芯与第一铁芯的下部磁极配合形成U型结构；所述永磁体内置于第二铁芯的轭部；所述导轨平行设置于第二铁芯的正上方，导轨一侧置于第一铁芯的上下两个磁极之间；所述调控线圈环绕于第一铁芯的轭部，调控线圈的电流状态通过外部控制器调整。本发明结构简单、易于实现、能耗较低。

Description

基于并联磁路的永磁-电磁混合悬浮结构

技术领域

本发明涉及磁悬浮技术领域，具体涉及一种基于并联磁路的永磁-电磁混合悬浮结构。

背景技术

磁悬浮系统从悬浮机理上可分成电磁悬浮型(EMS：ElectromagneticSuspension)和电动悬浮型(EDS：Electrodynamic Suspension)两类，二者分别利用电磁吸力和电动斥力实现悬浮。其中，EMS型磁浮技术相对成熟且已实现较为广泛的商业化应用，如上海高速磁浮列车以及长沙、北京、清远等地运营或在建的国产低速磁浮列车。

悬浮电磁铁是EMS型磁浮系统的核心部件之一，一般由铁芯和线圈组成，铁芯通常采用U型结构，线圈绕于其轭部或双臂之上。当有电流通过线圈时，铁芯受到激励产生磁场，与导轨之间形成电磁吸力，根据悬浮气隙实时调控线圈中的电流大小，便可实现系统的稳定悬浮。这一结构虽然形式简单且易于实现，但其悬浮力完全由电磁力提供，需要够大的电流才能产生足够的悬浮力，加上常导线圈具有一定的电阻，导致系统悬浮能耗较大，并附带了电磁铁易发热、工作寿命降低等不利因素，严重时甚至会影响整个系统的安全运行。

随着永磁材料的制备工艺和应用性能不断提升，以钕铁硼为典型代表的永磁体，以其较高的矫顽力和磁能积以及良好的机加工特性与时间稳定性等优点，在磁悬浮系统中展现出广阔的应用前景。目前，常用方式是将永磁体嵌入电磁铁铁芯中，构成永磁-电磁混合悬浮系统，其悬浮力主要由永磁体提供，电励磁线圈仅用于动态调控，从而降低系统的悬浮能耗。永磁-电磁混合悬浮主要有两种结构形式：一是“表贴式”，将永磁体置于U型铁芯的两个极面，这样安装维护方便且利于永磁体散热，但永磁体易与轨道发生碰撞而损坏；二是“内置式”，将永磁体置于U型铁芯的轭部中间，如此可保护永磁体不与轨道发生直接碰撞，但安装维护不便且不利于永磁体散热。

从磁路的角度来说，上述两种永磁体嵌入铁芯的方式，都属于磁路串联式。磁路串联的混合悬浮具有结构简单、易于实现、力学性能好、材料利用率高等优点，但当其电励磁调控线圈工作时，电励磁磁力线需要来回穿越磁导率很低的永磁体，不仅导致漏磁增加且有加速永磁体退磁甚至完全失磁的风险。此外，为了避免出现永磁与导轨相互吸死的危险状况，磁路串联的混合悬浮一般要求其电励磁线圈具有完全抵消永磁磁场的能力，以保证悬浮系统工作安全，如此导致调控线圈设计的较大较重，影响整个系统的浮重比和悬浮效能。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种并联磁路的永磁-电磁混合悬浮结构，其结构简单、易于实现、能耗较低。

本发明提供了一种基于并联磁路的永磁-电磁混合悬浮结构，其特征在于包括铁芯、永磁体、导轨和调控线圈；所述铁芯包括第一铁芯和第二铁芯，其中第一铁芯为C型结构，第一铁芯的下部磁极向C型开口方向水平延伸形成第二铁芯，第二铁芯与第一铁芯的下部磁极配合形成U型结构；所述永磁体内置于第二铁芯的轭部；所述导轨平行设置于第二铁芯的正上方，导轨一侧置于第一铁芯的上下两个磁极之间；所述调控线圈环绕于第一铁芯的轭部，调控线圈的电流状态通过外部控制器调整。

上述技术方案中，所述第一铁芯为上下对称的结构；第一铁芯的上部磁极表面和导轨的上表面边缘对应配合形成第一气隙；所述第二铁芯的两个磁极表面分别与导轨的下表面对应配合形成第二气隙和第三气隙；其中第二气隙位于第一气隙的正下方。

上述技术方案中，铁芯、永磁体和调控线圈配合形成混合磁铁；当混合磁铁处于静浮状态时，第一气隙、第二气隙和第三气隙大小相同，调控线圈中的电流为零；永磁体形成第一磁场回路和第二磁场回路：第一磁场回路的磁通顺序为永磁体北极→第一铁芯→第一气隙→导轨→第三气隙→第二铁芯→永磁体南极；第二磁场回路的磁通顺序为永磁体北极→第二铁芯→第二气隙→导轨→第三气隙→第二铁芯→永磁体南极。

上述技术方案中，当混合磁铁处于上偏状态时，相较于混合磁铁处于静浮状态时，第一气隙变大，第二气隙和第三气隙变小；外部控制斩波器为调控线圈通电，使调控线圈的上部作为电励磁北极，调控线圈的下部作为电励磁的南极；永磁体形成第一磁场回路和第二磁场回路，调控线圈形成第三磁场回路以增强第一气隙处的磁密同时减弱第二气隙处的磁密；第三磁场回路的磁通顺序为电励磁北极→第一铁芯→第一气隙→导轨→第二气隙→第一铁芯→电励磁南极。

上述技术方案中，当混合磁铁处于下偏状态时，相较于混合磁铁处于静浮状态时，第一气隙变小，第二气隙和第三气隙变大；外部控制斩波器为调控线圈通电，使调控线圈的上部作为电励磁南极，调控线圈的下部作为电励磁的北极；永磁体形成第一磁场回路和第二磁场回路，调控线圈形成第四磁场回路以减弱第一气隙处的磁密同时增强第二气隙处的磁密；第四磁场回路的磁通顺序为电励磁北极→第一铁芯→第二气隙→导轨→第一气隙→第一铁芯→电励磁南极。

上述技术方案中，还包括悬浮体；所述导轨包括两个且并排设置，所述悬浮体设置于导轨的正上方；混合磁铁包括多个且固定设置于悬浮体的下表面；多个混合磁铁沿悬浮体的运行方向均匀对称分布并与对应的导轨相配合。

上述技术方案中，所述悬浮体为磁浮车体或者需要悬浮支撑的滑撬、机床直线运动物体。

上述技术方案中，所述混合磁铁至少有4个，且分散对称布置于悬浮体的四个边角以消除内置永磁体粘胶表面的剪切力。

上述技术方案中，所述混合磁铁设置于两条导轨的外侧以形成抱轨结构。

目前，比较常用的混合悬浮结构是磁路串联式。与之相比，本发明具有以下显著优点：

(1)理想情况下，永磁体磁场与电励磁磁场在导轨中的路径相互垂直，属于磁路并联的耦合形式。当系统需要调控时，电励磁磁力线不会来回穿越永磁体，不仅能够大幅减少漏磁，而且利于延长永磁体的工作寿命。

(2)当系统处于平衡状态时，此时三个气隙大小相同，永磁体磁场两条回路的磁阻几乎相等，每条回路分流永磁体主磁通的一半，电励磁磁场只需具有抵消其中一条回路磁场的能力即可。因此，与只有一条串联磁路的混合悬浮结构相比，本发明中调控线圈的设计规格可缩小一倍，有利于降低线圈的重量、体积、能耗、成本等。

(3)永磁体以内置方式嵌于第二铁芯的中央，不仅能保护永磁体不与导轨发生直接碰撞，还可避免永磁体置于磁极表面带来的涡流损耗发热。此外，作为主要热源的调控线圈环绕于第一铁芯，与永磁体所在位置尚有一定距离，且该距离可根据实际需求进行调整，因此永磁体的整体散热条件良好。

附图说明

图1为本发明一个典型实施例的二维结构与标注示意图；

图2为实施例处于静止悬浮状态下的磁路与受力示意图；

图3为实施例处于系统上偏状态下的磁路与受力示意图；

图4为实施例处于系统下偏状态下的磁路与受力示意图；

图5为本发明用于直线运动磁浮系统的三维方案示意图；

其中：1-铁芯、1.1-第一铁芯、1.2-第二铁芯、2-永磁体、3-调控线圈、4-导轨、5-铁芯功能分割线、6-第一磁场回路、7-第二磁场回路、8-第三磁场回路、9-第四磁场回路、10-悬浮体；g₁-第一气隙、g₂-第二气隙、g₃-第三气隙、F₁-第一气隙处的电磁力、F₂-第二气隙处的电磁力、F₃-第三气隙处的电磁力、Mg-悬浮系统总重量、NP-永磁体北极、SP-永磁体南极、Ne-电励磁北极、Se-电励磁南极、V-悬浮体运行速度及方向。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

图1为本发明一个典型实施例的二维结构与标注示意图，包括铁芯1、永磁体2、调控线圈3和导轨4共四个主要组成部件。铁芯1在功能上分为第一铁芯1.1和第二铁芯1.2，其中第一铁芯呈C型结构，第二铁芯呈U型结构，二者为一体化连接且第一铁芯的下部和第二铁芯共用一个磁极。二者通过铁芯功能分割线5进行划分，该分割线实际上并不存在，此处仅为了描述方便。永磁体2以内置方式嵌于第二铁芯1.2的轭部中央。电励磁调控线圈3以单个线包形式环绕于第一铁芯1.1的轭部中央。铁芯1和导轨4之间形成三个气隙g₁、g₂和g₃，其中水平方向上的第二气隙g₂和第三气隙g₃与第二铁芯1.2、永磁体2以及导轨4构成基于串联磁路的内置永磁-电磁混合悬浮结构；竖直方向上的第一气隙g₁和第二气隙g₂与第一铁芯1.1、电励磁调控线圈3以及导轨4构成纯电励磁悬浮结构。永磁磁场穿过第二铁芯、水平方向两个气隙和导轨下部形成闭合磁路；所述调控线圈以第一铁芯为导磁基底形成比较常见的电磁铁结构，电磁磁场穿过第一铁芯、竖直方向两个气隙和导轨侧面形成闭合磁路；所述导轨是一个整体结构，为上述永磁磁场和电磁磁场形成各自的闭合回路提供必要条件。

铁芯1和导轨4可根据系统不同的运动速度需求调整材料和结构，一般低速下采用实心碳钢以降低制造成本，高速下采用叠片硅钢以减小涡流损耗。所述永磁体2以胶粘方式实现内置于第二铁芯1.2，为了安全起见，可在铁芯外围加装固定装置，如护套、夹板、托臂等。所述调控线圈3以单个线包形式环绕于第一铁芯1.1的轭部中央，与两个线包环绕于其磁极部位相比，该方案的绕线和固定方便且空间利用率更高。

图2为本发明实施例处于静止悬浮状态下的磁路与受力示意图。当系统处于静浮状态时，三个气隙g₁、g₂和g₃大小相同，调控线圈中的电流为零，即不需产生电励磁磁场。根据磁通守恒与等效磁路原理，永磁体主要形成两条磁场回路6和7：第一磁场回路6的磁通顺序为永磁体北极Np→第一铁芯1.1→第一气隙g₁→导轨4→第三气隙g₃→第二铁芯1.2→永磁体南极Sp；第二磁场回路7的磁通顺序为永磁体北极Np→第二铁芯1.2→第二气隙g₂→导轨4→第三气隙g₃→第二铁芯1.2→永磁体南极Sp。忽略铁芯1和导轨4中的磁阻，第一和第二磁场回路各占永磁体主磁通的一半。由磁路计算可知：三个气隙处的电磁力关系为4×|F₁|＝4×|F₂|＝|F₃|＝Mg。第一气隙g₁处的电磁力F₁和第二气隙g₂处的电磁力F₂大小相等、方向相反且作用在同一条竖直线上，因此二者可相互抵消；气隙g₃处的电磁力F₃用来抵消悬浮系统总重量Mg以实现力学平衡。

图3为本发明实施例处于系统上偏状态下的磁路与受力示意图。当系统处于上偏状态时，第一气隙g₁变大同时第二气隙g₂和第三气隙g₃变小，采用等效磁路法分析可知：三个气隙处的电磁力关系为4×|F₁|<|F₃|＝Mg<4×|F₂|。此时F₁和F₂大小不同，无法保持力学平衡，因此需要调节调控线圈中的电流形成第三磁场回路8，以增强第一气隙g₁处的磁密同时减弱第二气隙g₂处的磁密，最终使系统恢复力学平衡。电励磁磁场回路即第三磁场回路8的磁通顺序为电励磁北极Ne(调控线圈3上部)→第一铁芯1.1→第一气隙g1→导轨4→第二气隙g2→第一铁芯1.1→电励磁南极Se(调控线圈3下部)。

图4为本发明实施例处于系统下偏状态下的磁路与受力示意图。当系统处于下偏状态时，第一气隙g₁变小同时第二气隙g₂和第三气隙g₃变大，采用等效磁路法分析可知：三个气隙处的电磁力关系为4×|F₂|<|F₃|＝Mg<4×|F₁|。此时F₁和F₂大小不同，无法保持力学平衡，因此需要调节电励磁线圈中的电流形成第四磁场回路9，以减弱第一气隙g₁处的磁密同时增强第二气隙g₂处的磁密，最终使系统恢复力学平衡。电励磁磁场回路即第四磁场回路9的磁通顺序为电励磁北极Ne(调控线圈3下部)→第一铁芯1.1→第二气隙g2→导轨4→第一气隙g1→第一铁芯1.1→电励磁南极Se(调控线圈3上部)。

图5为本发明用于直线运动磁浮系统的三维方案示意图。该系统由四套模块组成，分别对称布置于磁浮车体或其他需要悬浮支撑物体10的四个边角，每套模块包含铁芯1、永磁体2、电励磁调控线圈3和导轨4，其中导轨4可沿着列车运行速度及方向V的左右两侧分开铺设。该布置方案有两个优点：一是单个模块可能使悬浮系统总重量Mg与第三气隙g₃处的电磁力F₃之间存在力矩不平衡，而四个模块对称布置可彻底消除该力矩不平衡，同时避免内置永磁体粘胶表面存在的不利剪切力；二是充分利用了本发明的结构特点，使车体10和导轨4之间形成稳固的“抱轨”结构，有利于提升系统的运行安全。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种基于并联磁路的永磁-电磁混合悬浮结构，其特征在于包括铁芯、永磁体、导轨和调控线圈；所述铁芯包括第一铁芯和第二铁芯，其中第一铁芯为C型结构，第一铁芯的下部磁极向C型开口方向水平延伸形成第二铁芯，第二铁芯与第一铁芯的下部磁极配合形成U型结构；所述永磁体内置于第二铁芯的轭部；所述导轨平行设置于第二铁芯的正上方，导轨一侧置于第一铁芯的上下两个磁极之间；所述调控线圈环绕于第一铁芯的轭部，调控线圈的电流状态通过外部控制器调整；

所述第一铁芯为上下对称的结构；第一铁芯的上部磁极表面和导轨的上表面边缘对应配合形成第一气隙；所述第二铁芯的两个磁极表面分别与导轨的下表面对应配合形成第二气隙和第三气隙；其中第二气隙位于第一气隙的正下方。

2.根据权利要求1所述的基于并联磁路的永磁-电磁混合悬浮结构，其特征在于铁芯、永磁体和调控线圈配合形成混合磁铁；当混合磁铁处于静浮状态时，第一气隙、第二气隙和第三气隙大小相同，调控线圈中的电流为零；永磁体形成第一磁场回路和第二磁场回路：第一磁场回路的磁通顺序为永磁体北极→第一铁芯→第一气隙→导轨→第三气隙→第二铁芯→永磁体南极；第二磁场回路的磁通顺序为永磁体北极→第二铁芯→第二气隙→导轨→第三气隙→第二铁芯→永磁体南极。

3.根据权利要求2所述的基于并联磁路的永磁-电磁混合悬浮结构，其特征在于当混合磁铁处于上偏状态时，相较于混合磁铁处于静浮状态时，第一气隙变大，第二气隙和第三气隙变小；外部控制斩波器为调控线圈通电，使调控线圈的上部作为电励磁北极，调控线圈的下部作为电励磁的南极；永磁体形成第一磁场回路和第二磁场回路，调控线圈形成第三磁场回路以增强第一气隙处的磁密同时减弱第二气隙处的磁密；第三磁场回路的磁通顺序为电励磁北极→第一铁芯→第一气隙→导轨→第二气隙→第一铁芯→电励磁南极。

4.根据权利要求3所述的基于并联磁路的永磁-电磁混合悬浮结构，其特征在于当混合磁铁处于下偏状态时，相较于混合磁铁处于静浮状态时，第一气隙变小，第二气隙和第三气隙变大；外部控制斩波器为调控线圈通电，使调控线圈的上部作为电励磁南极，调控线圈的下部作为电励磁的北极；永磁体形成第一磁场回路和第二磁场回路，调控线圈形成第四磁场回路以减弱第一气隙处的磁密同时增强第二气隙处的磁密；第四磁场回路的磁通顺序为电励磁北极→第一铁芯→第二气隙→导轨→第一气隙→第一铁芯→电励磁南极。

5.根据权利要求4所述的基于并联磁路的永磁-电磁混合悬浮结构，其特征在于还包括悬浮体；所述导轨包括两个且并排设置，所述悬浮体设置于导轨的正上方；混合磁铁包括多个且固定设置于悬浮体的下表面；多个混合磁铁沿悬浮体的运行方向均匀对称分布并与对应的导轨相配合。

6.根据权利要求5所述的基于并联磁路的永磁-电磁混合悬浮结构，其特征在于所述悬浮体为磁浮车体或者需要悬浮支撑的滑撬、机床直线运动物体。

7.根据权利要求6所述的基于并联磁路的永磁-电磁混合悬浮结构，其特征在于所述混合磁铁至少有4个，且分散对称布置于悬浮体的四个边角以消除内置永磁体粘胶表面的剪切力。

8.根据权利要求7所述的基于并联磁路的永磁-电磁混合悬浮结构，其特征在于所述混合磁铁设置于两条导轨的外侧以形成抱轨结构。