CN112421990A - 电磁悬浮列车轨道系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电磁悬浮列车轨道系统，在路基或轨道梁两侧设置轨道，轨道上行驶磁悬浮列车，其特征是：磁悬浮列车的两侧托臂上水平设置牵引导向电磁铁，轨道上相对位置水平设置直线电机定子，直线电机定子和牵引导向电磁铁的磁极方向水平设置，直线电机定子和牵引导向电磁铁相距一定磁力间隙构成有铁芯直线电机，磁悬浮列车的底部设置E形截面悬浮电磁铁和间隙传感器，悬浮于轨道底部水平设置的衔铁板下方，通过控制系统控制牵引导向电磁铁和直线电机定子线圈的电流大小和方向，控制水平导向和悬浮力及牵引力的大小和方向，使磁悬浮列车悬空飞行。

Description

电磁悬浮列车轨道系统

技术领域

本发明属于轨道交通领域，具体涉及电磁悬浮列车轨道系统，适用于高速飞行的磁悬浮列车轨道系统和真空管道磁飞列车。

背景技术

目前已经投入商业运营的电磁悬浮列车典型的有德国的EMS系统和日本超导电动悬浮列车，日本、中国和韩国的中低速磁浮列车。现有技术存在的主要问题有：EMS磁悬浮列车系统的电磁悬浮系统既做悬浮电磁铁又做直线电机的牵引电机不是很高效，承载能力弱，同时存在重量大，行波磁场的同步直线电机的牵引控制结构复杂。超导电动悬浮列车采用低温超导系统悬浮过程存在明显的电磁辐射，同时在低速下需要橡胶轮子支撑，耗能高，超导系统结构更复杂，成本高。中低速磁浮列车结构简单，但轨道顶面铺设铜板或铝板与车底异步电机的驱动效率非常低，F轨排的漏磁场高，悬浮能耗大。轮轨列车结构简单，应用时间长，但开放式轮轨结构高速下随时有可能脱轨的安全隐患，另外车轮轴承在高速和重载下磨损严重，使用寿命低，需要经常换修维护，运行成本很高，随着列车速度的提高，车轮与轨道之间的黏着系数逐步降低，导致高速下刹车制动困难。

发明内容

本发明旨在根据现有的成熟应用的技术，创造性地提出一种新型组合结构的电磁悬浮列车及轨道，具有安全、快速、经济节能、高性价比的优点。兼具上述各技术的优点，又能克服上述技术不足，是一种经济高效的高速电磁悬浮列车轨道技术解决方案。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电磁悬浮列车轨道系统，在路基或轨道梁两侧设置轨道，轨道上行驶磁悬浮列车，磁悬浮列车的两侧托臂上水平设置牵引导向电磁铁，牵引导向电磁铁的磁极方向水平设置，轨道上对应牵引导向电磁铁的位置水平设置直线电机定子，直线电机定子由定子线圈和定子铁芯构成，定子铁芯的磁极方向水平设置，牵引导向电磁铁的工作面与定子铁芯的工作面平行设置并相距一定磁力间隙构成铁芯直线电机，磁悬浮列车的底部设置悬浮电磁铁，轨道底部位于悬浮电磁铁上方相距一定磁力间隙水平设置衔铁板。

进一步的，牵引导向电磁铁的动子线圈与控制系统连接，通过控制系统控制直线电机定子和牵引导向电磁铁的线圈的电流大小和方向，控制水平导向力和牵引力；悬浮电磁铁内的悬浮线圈与控制系统连接构成电磁悬浮系统，通过控制系统控制悬浮电磁铁的悬浮线圈的电流大小，控制悬浮力。

进一步的，所述的悬浮电磁铁为E形悬浮电磁铁，E形悬浮电磁铁包括E形铁芯和悬浮线圈，E形铁芯的截面为"E"形，两侧为侧芯板，中间为中芯板，底部由底芯板将侧芯板和中芯板连接成E形截面，E形截面沿直线或曲线延伸而成E形铁芯，在侧芯板、中芯板和底芯板之间围成的沟槽内设置悬浮线圈。

进一步的，所述的悬浮电磁铁为E形悬浮电磁铁，E形悬浮电磁铁包括E形铁芯和悬浮线圈，E形铁芯的截面为"E"形，两侧为侧芯板，中间为中芯板，底部由底芯板将侧芯板和中芯板连接成E形截面，E形截面沿直线或曲线延伸而成E形铁芯，在中芯板的两端设置凹陷的容线槽，在侧芯板、中芯板和底芯板之间围成的沟槽内设置悬浮线圈，悬浮线圈的两端线圈向下弯曲嵌入容线槽内。

进一步的，轨道上水平设置的衔铁板与位于其上面的T形钢构成工字钢轨，工字钢轨的底板与所述的E形悬浮电磁铁构成电磁悬浮系统，由控制系统控制悬浮。

进一步的，轨道上水平设置的衔铁板与I形钢构成L形钢轨，L形钢轨的底板与所述的E形悬浮电磁铁构成电磁悬浮系统，由控制系统控制悬浮。

进一步的，所述的直线电机定子是由多个S形弯曲的蛇形定子线圈和定子铁芯构成的直线电机的初级。

进一步的，所述的直线电机定子是由多个矩形定子线圈和定子铁芯构成的直线电机的初级。

进一步的，所述的牵引导向电磁铁设置在轨道两侧作为直线电机的初级，所述的由定子线圈和定子铁芯组成的直线电机定子设置在磁悬浮列车的两侧托臂上作为直线电机的次级。

进一步的,所述的牵引导向电磁铁设置在磁悬浮列车的两侧作为直线电机的初级，所述的导磁铁芯或由电磁线圈和导磁铁芯组成的有铁芯线圈设置在轨道两侧作为直线电机的次级。

进一步的，所述的悬浮线圈由矩形的单股或多股线圈两端向下弯折而成，即中间为两条平行的直线段，直线段的两端向下的弯弧段与两端的U形段连接而成完整的悬浮线圈，悬浮线圈由至少一根连续的导线绕制成，有至少两根端线伸出。

进一步的，所述的中芯板整体或两端分体成可装卸的长条形或L形或T形或M形衔接芯块。

进一步的，E形衔铁板与钢结构件组合在一起，钢结构件是T型钢、工字钢、H型钢、L型钢、C型钢、方钢、扁钢、槽钢中的一种,构成 E型底悬浮钢轨。

一种悬浮电磁铁，包括悬浮线圈和导磁铁芯，悬浮线圈装配在导磁铁芯用于承装悬浮线圈的凹槽中，悬浮线圈的两个端部相对于线圈本体向下倾斜，向下倾斜的端部安装在导磁铁芯两端设置的凹陷的容线槽中而形成悬浮线圈端部的避让空间，导磁铁芯的中芯板能够由避让空间通过悬浮线圈的端部。

进一步的，悬浮线圈主要由位于两侧的腰部和连接两个腰部的下沉部组成，下沉部在水平上相对腰部向下倾斜，下沉部包括与腰部倾斜连接的连接段及下沉段；导磁铁芯包括底芯板、侧芯板和中芯板，两侧的侧芯板位于底芯板横向的两侧且由底芯板将两侧的侧芯板连接，中芯板铺设在底芯板上表面，中芯板横向上窄于底芯板而使中芯板与侧芯板间形成两侧凹槽，作为容纳悬浮线圈的两腰部的凹槽，底芯板纵向的两端部作直阶梯状或倾斜阶梯状开槽而形成容纳悬浮线圈下沉部的容线槽。

进一步的，下沉部在水平上相对腰部向下倾斜的角度是15度~90度。

进一步的，下沉部在水平上相对腰部向下倾斜的角度是90度。

进一步的，中芯板在纵向短于属于上层阶梯底芯板的长度，悬浮线圈装配在用于承装悬浮线圈的凹槽中，再将端芯块装配在属于上层阶梯底芯板上，端芯块通过容线槽上方的悬浮线圈的避让空间。

进一步的，所述的悬浮线圈由矩形或圆角矩形的单股或多股线圈在两端向下弯折而成，悬浮线圈由至少一根连续的导线绕制成，有至少两根端线伸出。

进一步的，导磁铁芯的中芯板由避让空间通过悬浮线圈下沉部的下沉段的上方，下沉段与中芯板在竖向接触或者下沉段与中芯板在竖向存在间隙。

一种悬浮电磁铁，包括悬浮线圈和导磁铁芯，悬浮线圈装配在导磁铁芯用于承装悬浮线圈的凹槽中，导磁铁芯在端部平滑倾斜向下，导磁铁芯的中芯板随导磁铁芯端部倾斜，导磁铁芯上用于装配悬浮线圈端部的凹槽随导磁铁芯端部的倾斜形成倾斜凹槽。

一种悬浮电磁铁系统，由若干所述的悬浮电磁铁顺序连接而成，相邻的悬浮电磁铁通过衔接板将两个悬浮电磁铁的中芯板和侧芯板衔接。

一种悬浮电磁铁系统，由若干所述的悬浮电磁铁顺序连接而成，相邻的悬浮电磁铁通过衔接芯块将两个悬浮电磁铁的中芯板铰接连接。

一种磁悬浮轨道，其特征是：轨道上水平安装直线电机定子，直线电机定子由定子线圈和定子铁芯构成，定子铁芯的磁极方向水平设置，定子铁芯设置竖立的凹槽以安装定子线圈，定子铁芯的磁极工作面竖立设置，轨道两侧水平设置衔铁板。

进一步的，定子线圈是多个S形弯曲的蛇形线圈或圆角方波矩形线圈或矩形线圈。

所述的直线电机定子是由多个矩形定子线圈和定子铁芯构成，沿轨道两侧平行铺设，矩形定子线圈设置在矩形定子铁芯外部。

一种电磁悬浮轨道的电磁悬浮系统，轨道上水平设置衔铁板，衔铁板与钢结构件构成钢轨，钢轨的底板与前述任一项所述的悬浮电磁铁构成电磁悬浮系统，由控制系统控制悬浮。

进一步的，钢结构件是T型钢、工字钢、H型钢、L型钢、C型钢、方钢、扁钢、槽钢中的至少一种。

本发明的有益效果是：

本发明结构简化，可靠性高。德国的电磁悬浮列车是设置在底部的电磁铁（直线电机定子13和牵引导向电磁铁22配合的电磁铁）既做悬浮电磁铁，又要做牵引电磁铁，结构上还要考虑追踪行波磁场的磁极波峰的换极结构，悬浮电磁铁的体积大，结构复杂，控制系统可靠性要求极高，否则在交变磁场下稍有闪失就会掉道失稳而发生脱轨风险。本发明的列车底部电磁铁只做悬浮电磁铁，结构简单。列车两侧的电磁铁（直线电机定子13和牵引导向电磁铁22配合的电磁铁）既可以作为导向电磁铁，还可以作为牵引电机的动子磁极，相当于列车上减少了牵引电磁铁或者是减少牵引电磁铁中的至少一套关键结构部件的数量，降低了成本，减轻了重量。进一步的，采用矩形线圈使控制电流可以降低，对耐压元器件的耐压等级得到降低。在紧急刹车时电磁铁还可以NSNS...NSNS磁极交替形成涡流，采用涡流制动方式刹车。列车两侧的电磁铁和轨道两侧的牵引线圈构成磁悬浮直线电机，可以采用目前最容易控制的无刷直流电机的工作原理，很容易实现列车的高速牵引控制，并且由于直线电机定子只承担牵引力而无需承担列车自重，因此可以采用除了目前同步直线电机控制系统以外的多种牵引控制技术，定子线圈的线径相应减小，比德国的三项交流变频同步直线电机更容易控制和制造，牵引控制可以随意控制，即使出现牵引控制故障也不会出现掉道危险，可靠性更高。

本发明的悬浮稳定性好。德国的EMS系统的直线电机底部平面为凹凸不平的铁芯结构会随时产生悬浮面积的变化，磁场也会不断发生变化，加上直线电机的牵引控制掺杂在一起，悬浮控制的难度非常大，而且对悬浮控制系统的可靠性要求非常高，导致的结构是即使在平直的路面也不易保持平稳，更何况弯道下更为复杂。本发明的悬浮衔铁板底部为平面，在直道和弯曲路面的悬浮面积不会发生改变，悬浮更稳定，也容易稳定控制的悬浮力，因此乘坐舒适性会更好。

本发明的悬浮能力大。同样宽度的悬浮轨道底部的悬浮衔铁面积比F形轨排的悬浮面积增大了至少一倍，悬浮衔铁底部的E形截面悬浮电磁铁的顶部面积也增加一倍，单位长度的轨道悬浮能力是F形轨排的两倍左右，德国EMS电磁悬浮轨道的悬浮能力与F轨排的悬浮能力略高但几乎相当，因此采用E形截面悬浮电磁铁的轨道悬浮能力也基本是德国EMS电磁悬浮轨道的悬浮能力的两倍左右，克服了以往电磁悬浮列车悬浮能力低的弱点。

本发明的电磁阻力低。E形截面悬浮电磁铁的衔接处与中间段的磁场强度差别不大，因此比目前的回形电磁铁的两端处会产生明显的电涡流阻力有明显不同，改进后多个E形截面悬浮电磁铁的各处磁场在纵向方向几乎一致，在行驶过程中可以减小电磁阻力。

本发明的电磁辐射低。E形截面悬浮电磁铁的的悬浮线圈外部有铁芯包围，外泄磁场极少，电磁辐射极低。

本发明节能省电，悬浮能耗低。采用E形截面悬浮电磁铁的悬浮线圈的内外磁场几乎可以全部被利用，比目前的中低速和EMS高速电磁悬浮列车悬浮能耗明显降低，减小悬浮能耗，因而更节能。列车底部采用E形截面悬浮电磁铁悬浮能发挥出电磁铁的最大效能，同样载重悬浮能耗更低，几乎节省了一半的悬浮电能。

本发明经济性好。列车只有底部两侧的E型截面悬浮电磁铁和列车两侧的电磁铁，即可完成悬浮、导向和牵引三大功能，关键结构部件少，列车成本降低。德国的电磁悬浮列车是底部的电磁铁既做悬浮电磁铁，又要承担牵引电磁铁，悬浮电磁铁的体积大，结构复杂。本发明在列车底部的悬浮电磁铁只需承担悬浮功能，悬浮磁铁体积小，重量轻。列车两侧设置的电磁铁做为牵引导向电磁铁，不需要承担整车重量，体积可以大幅度减小，而且采用直线无刷电机的控制方式后控制系统更简单，控制系统成本又有降低，因此整体造价会明显降低。

本发明适合高低速飞行。列车与轨道在静止和高速下保持磁悬浮无接触运行，直线电机采用无刷直流电机控制既能在低速下高效牵引运行，也能在高速下高效牵引运行，在真空管道内，磁悬浮列车可实现时速1000公里以上的贴地高速飞行。

本发明维护成本低。轨道无接触，消除了机械摩擦阻力和噪声，轨道几乎没有磨损，降低了轨道维护成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的工字钢轨蛇形线圈牵引的电磁悬浮列车及轨道的结构示意图。

图2是图1的局部放大图。

图3是本发明的工字钢梁矩形线圈牵引的电磁悬浮列车及轨道的结构示意图。

图4是图3的局部放大图。

图5是本发明的L型钢轨的电磁悬浮列车及轨道的结构示意图。

图6是图5的局部放大图。

图7是本发明的多个E型截面悬浮悬浮电磁铁组的立体结构示意图。

图8是E型截面悬浮悬浮电磁铁的纵剖面结构示意图。

图9是悬浮线圈的立体结构示意图。

图10是本发明的E形铁芯的立体结构示意图。

图11是本发明的长条形端芯块的立体结构示意图。

图12是本发明的L形端芯块的立体结构示意图。

图13本发明的T形衔接芯块的立体结构示意图。

图14是E型截面悬浮电磁铁的横截面结构示意图。

图15是本发明的V形悬浮线圈的侧视图。

图16是本发明的V形悬浮线圈的立体结构示意图。

图17是本发明的多个V形悬浮电磁铁组的立体结构示意图。

图18是本发明的V形悬浮电磁铁的的剖面结构示意图。

图19是本发明的V形主芯板的立体结构示意图。

图20是本发明的V形侧芯板的立体结构示意图。

图21本发明的V形端芯块的立体结构示意图。

图22是本发明的M形衔接芯块的立体结构示意图。

图23是分体式带极靴的V形悬浮电磁铁的横截面结构示意图。

图24是E形底工字钢梁与悬浮电磁铁的结构示意图。

图25是E形底工字钢轨与悬浮电磁铁的结构示意图。

图26是E形底L型钢轨与悬浮电磁铁的结构示意图。

图27是图3的立体图。

图28是普通直线悬浮电磁铁的结构示意图。

图29是端部为斜坡的直线悬浮电磁铁的立体结构示意图。

图30是蛇形直线电机定子单元的局部立体图。

图31是蛇形线圈立体结构示意图。

图32是端部中芯板为一体式的E形铁芯的立体结构示意图。

图中1-路基，2-避让空间，3-紧固件，4-轨道支架，5-工字钢轨，6-衔铁板，7-滑板，8-腰板，9-悬浮电磁铁，10-悬浮线圈，11-悬浮铁芯，12-间隙传感器，13-直线电机定子，14-定子连接板，15-定子铁芯，16-定子线圈，17-定子极靴，18-动子线圈，19-托臂，20-列车，21-动子铁芯，22-牵引导向电磁铁，23-发电线圈，24-滑橇，25-防护板，26-轨枕，27-L形钢轨，28-车轮，29-轨头，30-E型悬浮电磁铁，31-E形铁芯，32-侧芯板，33-中芯板，34-底芯板，35-筋板，36-V形悬浮线圈，37-线圈的端线，38-衔接芯块，39-端芯块，40-凸压块，41-端底板，42-容线槽，43-悬浮线圈的弯弧段，44-悬浮线圈的直线段，45-悬浮线圈的U形段，46-冷却水孔，47-磁靴，48-E形衔铁板。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步详细介绍。如图1和图2所示，为本发明的一种电磁悬浮列车轨道系统，在路基1顶部两侧设置预埋件，预埋件两侧用紧固件3固定设置轨道支架4，轨道支架4外伸端固定连接工字钢轨5，工字钢轨5底部为衔铁板6，工字钢轨5的顶部为滑板7，中间为竖立的腰板8。衔铁板6的下方距离一定间隙设置悬浮电磁铁9，悬浮电磁铁9由悬浮线圈10和悬浮铁芯11构成，悬浮电磁铁9可采用现有技术中可实现本发明悬浮目的的电磁铁，在优选方案中，悬浮线圈10包括矩形线圈、蛇形线圈。悬浮铁芯11的截面为U形或E形，本发明优选为E形截面电磁铁（具体结构请参见实施例2中相关说明）。悬浮电磁铁9上设置间隙传感器12，悬浮电磁铁9在衔铁板6的下方一定距离，悬浮电磁铁9根据间隙传感器传来的间隙信号由控制系统控制悬浮线圈10的电流大小，使悬浮电磁铁9与衔铁板6相互之间通常保持在10毫米左右的悬浮间隙，保持列车在竖直方向的稳定悬浮。

工字钢轨5的腰板8外侧设置直线电机定子13，腰板8和直线电机定子13之间由定子连接板14固定，直线电机定子13由定子铁芯15和定子线圈16构成，沿轨道行进方向延伸左右各铺设一列。如图30和图31所示，定子线圈16为多股首尾连接的S形或蛇形线圈，外面设置保护绝缘皮，中间段为多个直线段，便于嵌入定子铁芯15的凹槽内，每段直线段两端分别由U形或圆弧连接，形状也可以说是大体为矩形方波形状，各个拐角处由圆弧过渡连接，直线段的两侧U形线圈可以向一侧弯折，以避让其他组线圈，避免各个线圈之间相互干涉。定子线圈16其中一种结构为由三股线圈构成，末端连接为一个节点。定子铁芯15的截面带有多个定子沟槽25，定子沟槽25等间距设置，至少三股定子线圈16依次安装在定子沟槽25里面。直线电机的控制方式可以采用三项交流变频器控制，直线电机的控制方式也可采用直流无刷电机的控制器，比三项交流变频器产生行波磁场更容易控制。列车20的托臂19上与直线电机定子13侧面距离一定间隙设置牵引导向电磁铁22，牵引导向电磁铁22由动子线圈18和动子铁芯21构成，牵引导向电磁铁22的动子线圈18为矩形线圈，里面为矩形截面的动子铁芯21，牵引导向电磁铁22在通电后成为电磁铁，会吸引直线电机定子13的定子铁芯15，左右两侧牵引导向电磁铁22由列车20上的控制系统控制左右两侧动子线圈18电流的差异大小，控制列车20上左右两侧的牵引导向电磁铁22与轨道左右两侧的定子铁芯15的吸力差值，从而控制列车20左右两侧的磁力间隙维持在相等的平衡位置，保持列车在水平方向的稳定悬浮。

列车20两侧的牵引导向电磁铁22在通电后形成NSNS...NSNS磁极交替相间排列，相当于NSNS...NSNS磁极相间的磁铁，构成直线电机的次级，轨道两侧的直线电机定子13为直线电机的初级，轨道上的直线电机定子13与列车上牵引导向电磁铁22构成直线电机，由控制系统控制直线电机的牵引力，控制系统优选采用直流无刷电机的控制方式对直线电机定子13的定子线圈16电流的大小和线圈的通电次序及方向，控制牵引力的大小和方向，牵引列车20悬浮行驶。

如图3和图4所示，为本发明的一种电磁悬浮列车轨道系统。在路基1顶部两侧设置预埋件，预埋件两侧用紧固件3固定设置轨道支架4，轨道支架4外伸端固定连接工字钢轨5，工字钢轨5底部为衔铁板6，工字钢轨5的顶部为滑板7，中间为竖立的腰板8，轨道支架4支撑在衔铁板6、滑板7和腰板8之间，固定住工字钢轨5。衔铁板6的下方距离一定间隙设置悬浮电磁铁9，悬浮电磁铁9由悬浮线圈10和悬浮铁芯11构成，悬浮铁芯11的截面为E型。悬浮电磁铁9上设置间隙传感器10，悬浮电磁铁9在衔铁板6的下方一定距离，悬浮电磁铁9根据间隙传感器12传来的间隙信号由控制系统控制悬浮线圈10的电流大小，使悬浮电磁铁9与衔铁板6相互之间保持在10毫米左右的悬浮间隙，保持列车在竖直方向的稳定悬浮。

工字钢轨5的腰板8外侧设置直线电机定子13，腰板8和直线电机定子13之间由定子连接板14固定，直线电机定子13由定子铁芯15和定子线圈16构成，沿轨道行进方向延伸左右各铺设一列。定子线圈16为单股或多股矩形线圈，里面为矩形截面的定子铁芯15，定子铁芯15外露一侧还可分体出定子极靴17。列车20的托臂19上与直线电机定子13侧面距离一定间隙设置牵引导向电磁铁22，牵引导向电磁铁22由动子线圈18和动子铁芯21构成，牵引导向电磁铁22的动子线圈18为矩形线圈，里面为矩形截面的动子铁芯21，牵引导向电磁铁22在通电后成为电磁铁，会吸引直线电机定子13的定子铁芯15，左右两侧牵引导向电磁铁22由列车20上的控制系统控制左右两侧动子线圈18电流的差异大小，控制列车20上左右两侧的牵引导向电磁铁22与轨道左右两侧的定子铁芯15的吸力差值，从而控制列车20左右两侧的磁力间隙维持在相等的平衡位置，保持列车在水平方向的稳定悬浮。

列车20两侧的牵引导向电磁铁22在通电后形成NSNS...NSNS磁极交替相间排列，相当于NSNS...NSNS磁极相间的磁铁，构成直线电机的次级，轨道两侧的直线电机定子13为直线电机的初级，轨道上的直线电机定子13与列车上牵引导向电磁铁22构成直线电机，列车20和轨道上还设置霍尔传感器检测磁场方向，由控制系统控制直线电机的牵引力，控制系统优选采用直流无刷电机的控制方式对直线电机定子13的定子线圈16电流的大小和线圈的通电次序及方向，控制牵引力的大小和方向，牵引列车20悬浮行驶。

在匀速惰行阶段列车上的左右两侧牵引导向电磁铁22在通电后形成相同磁极，如NNNN...NNNN或SSSS...SSSS排列，由列车20上控制系统控制左右两侧动子线圈18电流的差异大小，控制吸引左右两侧定子铁芯15的吸力差值，从而控制列车20左右两侧的间隙在接近相等的平衡位置，保持列车在水平方向稳定悬浮滑行。

牵引导向电磁铁22的动子线圈18还绕制有发电线圈23，与轨道上的直线电机定子13产生电磁感应，发电线圈23感生出电流而发电，储存在列车上的储能器内，储能器包括充电电池、磁悬浮飞轮储能器。

在刹车时，列车上的牵引导向电磁铁22由控制系统控制直线电机定子13对牵引导向电磁铁22产生反向制动力同时再生发电，将列车的动能储存在列车或轨道侧的储能器里。列车20渐渐停止后，列车20底部的滑橇24下降，将列车20支撑停稳。在列车启动阶段磁悬浮飞轮储能器又将储存的电能传输给直线电机定子13，由轨道侧控制系统控制定子线圈电流的大小和通电次序及方向，控制牵引力的方向和大小，牵引列车凌空飞驰。

轨道外侧还可设置防护盖25，防护盖25为非导磁的耐候材料，防护盖25防护直线电机定子13免受沙尘影响。

对于中低速条件下，列车20上的牵引导向电磁铁22为直线电机定子13，牵引导向电磁铁22则由原来列车两侧的动子线圈18和动子铁芯21构成，即作为牵引导向电磁铁22又作为直线电机的初级。原来轨道上的直线电机定子13则作为直线电机的次级。列车20通过受流导轨给牵引导向电磁铁22供电，列车20上的控制系统控制牵引导向电磁铁22水平导向并同时牵引列车悬浮行驶。此时轨道上的直线定子13也可以不设置线圈而只设置凸极铁芯，此时直线电机成为直线磁阻电机，按照磁阻电机控制方式工作。

如图5和图6所示，为本发明的一种电磁悬浮列车轨道系统。在路基1顶部两侧设置预埋件，预埋件上面用紧固件3固定设置轨枕26，轨枕26外伸端固定连接L型钢轨27，L型钢轨27底部为衔铁板6，L型钢轨27的顶部为轨头26，中间为竖立的腰板8，轨枕26外伸端支撑在衔铁板6、轨头26和腰板8之间，固定住L型钢轨27。衔铁板6的下方距离一定间隙设置悬浮电磁铁9，悬浮电磁铁9由悬浮线圈10和悬浮铁芯11构成，悬浮铁芯11的截面为E型，中部为中芯板33，侧面为侧芯板32。悬浮电磁铁9上设置间隙传感器10，悬浮电磁铁9在衔铁板6的下方一定距离，悬浮电磁铁9根据间隙传感器12传来的间隙信号由控制系统控制悬浮线圈10的电流大小，使悬浮电磁铁9与衔铁板6相互之间通常保持在10毫米左右的悬浮间隙，保持列车在竖直方向的稳定悬浮。列车20底部设置车轮28，车轮28由轮轴和轴承支撑在列车底部，悬浮行驶时，车轮28在L型钢轨27上方悬空，在列车20减速到一定低的程度时车轮28接触支撑在L型钢轨27的轨头29的导向面上滑行到列车停止。

工字钢轨5的腰板8外侧设置直线电机定子13，腰板8和直线电机定子13之间由定子连接板14固定，也可以由紧固件3直接固定，直线电机定子13由定子铁芯15和定子线圈16构成，沿轨道行进方向延伸左右各铺设一列。定子线圈16为多股矩形线圈，里面为矩形截面的定子铁芯15，矩形铁芯棱角可以倒钝或倒成圆角，定子铁芯15外露一侧还可以分体出定子极靴17。列车20的托臂19上与直线电机定子13侧面距离一定间隙设置牵引导向电磁铁22，牵引导向电磁铁22由动子线圈18和动子铁芯21构成，牵引导向电磁铁22的动子线圈18为矩形线圈，里面为矩形截面的动子铁芯21，牵引导向电磁铁22在通电后成为电磁铁，会吸引直线电机定子13的定子铁芯15，左右两侧牵引导向电磁铁22由列车20上的控制系统控制左右两侧动子线圈18电流的差异大小，控制列车20上左右两侧的牵引导向电磁铁22与轨道左右两侧的定子铁芯15的吸力差值，从而控制列车20左右两侧的磁力间隙维持在相等的平衡位置，保持列车在水平方向的稳定悬浮。

列车20两侧的牵引导向电磁铁22在通电后形成NSNS...NSNS磁极交替相间排列，相当于NSNS...NSNS磁极相间的磁铁，构成直线电机的次级，轨道两侧的直线电机定子13为直线电机的初级，轨道上的直线电机定子13与列车上牵引导向电磁铁22构成直线电机，由控制系统控制直线电机的牵引力，控制系统采用直流无刷电机的控制方式对直线电机定子13的定子线圈16电流的大小和线圈的通电次序及方向，控制牵引力的大小和方向，牵引列车20悬浮行驶。

由上述，如图28所示，U形电磁铁为现有可使用的悬浮电磁铁，可以作为本发明上述方案的磁悬浮电磁铁，U形电磁铁的悬浮线圈虽然保持了封闭线圈，然而悬浮线圈端部和中芯板基本处于同一水平面，在将多个U形电磁铁拼接时，U形电磁铁的中芯板相当于被悬浮线圈端部切断，两个U形电磁铁拼接时，其拼接处是两个U形电磁铁的线圈接触或者是外部铁芯接触将线圈隔断，在这种情况下，电磁铁间的衔接处与电磁铁中间段的磁场强度差别很大，列车在行驶过程中电磁阻力很大。为克服上述情况，本实施例给出一种解决方案（实施例1所述的E形电磁铁方案），通常的E形电磁铁的结构是：如图28左侧端部所示，即所述的悬浮电磁铁9为E形悬浮电磁铁30，E形悬浮电磁铁30包括E形铁芯31和悬浮线圈36，E形铁芯31的截面为"E"形，两侧为侧芯板32，中间为中芯板33，底部由底芯板34将侧芯板32和中芯板33连接成E形截面，E形截面沿直线或曲线延伸而成E形铁芯，在侧芯板32、中芯板33和底芯板35之间围成的沟槽内设置悬浮线圈36。然而该结构仍存在上述磁阻较大的缺陷，为此本实施例给出一种改进的E形电磁铁结构，如图29的左侧示出的电磁铁的端部，通过使用倾斜异形截面的电磁铁端部用于减弱磁场，倾斜产生的坡度导致电磁铁与衔铁板的间隙逐渐增加，磁场逐渐变弱而能够减小磁阻，该悬浮电磁铁，包括悬浮线圈和导磁铁芯，悬浮线圈装配在导磁铁芯用于承装悬浮线圈的凹槽中，导磁铁芯在端部平滑倾斜向下，导磁铁芯的中芯板33随导磁铁芯端部倾斜，导磁铁芯上用于装配悬浮线圈端部的凹槽随导磁铁芯端部的倾斜形成倾斜凹槽。然而，该种电磁铁仍然属于中芯板被悬浮线圈端部切断的的方案，在一定程度能够减小磁阻，然而无法达到电磁铁中间和两端都是整条连续的均匀磁场的目的，为解决该方案存在的问题，本实施例给出另一解决方案，如图7和图8所示，为本发明的E型截面悬浮电磁铁。悬浮电磁铁30由E形铁芯31和悬浮线圈36组成。E形铁芯31的截面为E形，两侧为侧芯板32，中间为中芯板33，底部由底芯板34将侧芯板32和中芯板33连接成E形截面，该截面沿直线或曲线延伸而成E形铁芯，E形电磁铁铁芯的材料为导磁性良好的材料，在中芯板33的两端设置凹陷的容线槽42，在侧芯板32、中芯板33和底芯板34之间围成的沟槽内设置悬浮线圈36，悬浮线圈36的两端线圈向下弯曲嵌入容线槽42内，中芯板端部相对于凹陷的容线槽42突出并与端面平齐，见图10。如图32所示，为便于悬浮线圈36的两端安装可以在E形铁芯31一端或两端设置可以拆卸的端芯块39，在各个悬浮电磁铁30的衔接处安装衔接芯块38，端芯块39和衔接芯块38由紧固件3连接在中芯板33上，各个悬浮电磁铁30的中芯板33连接成一根连续的中芯板33，两侧的侧芯板32也分别连接成两条几乎连续的侧芯板32。在悬浮线圈36通电后，中部的中芯板33与两侧的侧芯板32的磁极相反，即中部为N极时，两侧的侧芯板32的磁极为S极，或者当中部为S极时，两侧的侧芯板32的磁极为N极。悬浮线圈36在两端向下弯折后在两端处的线圈密度增加，两端磁场汇聚的磁通更多，在两端处的端芯块39位置的磁场强度会增强，悬浮线圈36两端向下弯折的长度达到一定长度时，两端处的端芯块39处的磁场强度会和中部的中芯板33的磁场强度相等或很接近，同样道理，衔接处的衔接芯块38处的磁场强度也会和中部的中芯板33的磁场强度相等或很接近，中间和两端都形成整条连续的均匀磁场，这样悬浮电磁铁30在前述的衔铁板6底部悬浮滑行时，每条磁极几乎不发生变化，因此相对滑行的磁阻力会很低。

在各个悬浮电磁铁30的衔接处由衔接芯块38铰接连接，相邻悬浮电磁铁30可以小角度转动，尽管单个悬浮电磁铁30为直线形，但在衔接处转动后整体悬浮电磁铁30的形状可形成圆弧形，以适应弯曲轨道的圆弧半径。

由上述方案，简要的说，本实施例实质提出了另一种悬浮电磁铁，包括悬浮线圈和导磁铁芯，悬浮线圈装配在导磁铁芯用于承装悬浮线圈的凹槽中，悬浮线圈的两个端部相对于线圈本体向下倾斜，向下倾斜的端部安装在导磁铁芯两端设置的凹陷的容线槽中而形成悬浮线圈端部的避让空间2，导磁铁芯的中芯板33能够由避让空间2通过悬浮线圈的端部。上述方案形成了中芯板端部位于悬浮线圈端部上方的结构，中芯板能通过悬浮线圈的端部，并同时使得中芯板仍位于悬浮线圈的包围，中芯板不再被悬浮线圈的端部切断，从而两个悬浮电磁铁的中芯板可以实现衔接，而由于避让空间的产生，中芯板端部位于悬浮线圈端部上方且通过，位于悬浮电磁铁终端的中芯板能够处于向下倾斜的悬浮线圈端部的磁场中，使得位于端部的中芯板的磁场强度基本与位于导磁铁芯中心的中芯板处保持一致，中间和两端都形成整条连续的均匀磁场，这样悬浮电磁铁在衔铁板底部悬浮滑行时，每条磁极几乎不发生变化，因此相对滑行的磁阻力会很低。

作为优选方案，悬浮线圈主要由位于两侧的腰部和连接两个腰部的下沉部组成，下沉部在水平上相对腰部向下倾斜，下沉部包括与腰部倾斜连接的连接段及下沉段；导磁铁芯包括底芯板34、侧芯板32和中芯板33，两侧的侧芯板32位于底芯板34横向的两侧且由底芯板34将两侧的侧芯板32连接，中芯板33铺设在底芯板34上表面，中芯板33横向上窄于底芯板34而使中芯板33与侧芯板32间形成两侧凹槽，作为容纳悬浮线圈的两腰部的凹槽，底芯板34纵向的两端部作直阶梯状或倾斜阶梯状开槽而形成容纳悬浮线圈下沉部的容线槽。由该方案，底芯板被分成上下两层，呈阶梯形，底芯板分成了属于上层阶梯的底芯板和属于下层阶梯的底芯板。

在一种优选方案中，下沉部在水平上相对腰部向下倾斜的角度是15度~90度，优选方案为45度、60度和90度。在更为优选的方案中，下沉部在水平上相对腰部向下倾斜的角度是90度。完全垂直的下沉部所形成的磁场与中芯板的磁场最为接近。

然而，由于悬浮线圈存在下沉部，将其装配在承装槽中时，若中芯板整体安装并通过容线槽的上方，则整体不易装配，为此，在一种优选方案中，中芯板33在纵向的一端（如图32所示）或两端（如图10所示）短于属于上层阶梯底芯板34的长度，悬浮线圈装配在用于承装悬浮线圈的凹槽中，再将端芯块39装配在属于上层阶梯底芯板34上，端芯块39通过容线槽上方的悬浮线圈的避让空间2。端芯块是中芯板被切割下来的部分或者说其就是更短的中芯板，通过使用端芯块使得装配为分体装配，装配更为容易。

在一种优选方案中，所述的悬浮线圈36由矩形的单股或多股线圈在两端向下弯折而成，悬浮线圈36由至少一根连续的导线绕制成，有至少两根端线37伸出。在一种优选方案中，导磁铁芯的中芯板33由避让空间2通过悬浮线圈下沉部的下沉段的上方，下沉段与中芯板33在竖向接触或者下沉段与中芯板33在竖向存在间隙。

藉由上述悬浮电磁铁，本实施例还提出一种悬浮电磁系统，由若干所述的任意种方案的悬浮电磁铁顺序连接而成，相邻的悬浮电磁铁通过各自中芯板衔接。而针对于上述中芯板在纵向短于属于上层阶梯底芯板的长度，悬浮线圈装配在用于承装悬浮线圈的凹槽中，再将端芯块装配在属于上层阶梯底芯板上，端芯块通过容线槽上方的悬浮线圈的避让空间的方案，本实施例的悬浮电磁系统，由所述的悬浮电磁铁顺序连接而成，相邻的悬浮电磁铁通过在衔接处安装衔接芯块38，端芯块39和衔接芯块38由紧固件3连接在中芯板33上，各个中芯板和两侧的侧芯板都连接成连续的，组成更长的悬浮电磁铁。

藉由上述悬浮电磁铁或者悬浮电磁系统，本实施例提出一种电磁悬轨道的电磁悬浮系统，轨道上水平设置衔铁板，衔铁板与钢结构件构成钢轨，钢轨的底板与任一项所述的悬浮电磁铁构成电磁悬浮系统，由控制系统控制悬浮。在优选方案中，钢结构件是T型钢、工字钢、H型钢、L型钢、C型钢、方钢、扁钢、槽钢中的一种。如图9所示，悬浮线圈36由矩形的单股或多股导电线圈两端向下弯折而成，或者说是中间为两条平行的直线段44，直线段的两端为U形段45，弯弧段43将两端的U形段和中间的直线段44连接而成完整的悬浮线圈36，悬浮线圈36由一根连续的导线绕制成多股线圈，有两根端线37伸出，与控制器相连接。

如图10所示，E形铁芯31的截面为E形，两侧为侧芯板32，中间为中芯板33，底部由底芯板34将侧芯板32和中芯板33连接成E形截面，该截面沿直线或曲线延伸而成E形铁芯，E形电磁铁铁芯的材料为导磁性良好的材料，在中芯板33的两端设置凹陷的容线槽42，可以容纳悬浮线圈36两端的U形段45，为便于悬浮线圈36的两端的安装，中芯板33的两端挖掉，分体出设置可以拆装的端芯块39。端芯块39由紧固件3安装在E形铁芯31的两端，如图7和14所示。

如图11所示，端芯块39为长方形，一侧设置连接螺纹孔，材料为导磁性良好的材料。

如图12所示，端芯块39为L形，一侧设置连接螺纹孔，一端为凸压块40。

如图13所示，两个E形铁芯31的衔接处可以安装衔接芯块38，衔接芯块38为长方形或T形，一侧设置连接螺纹孔，由紧固件3安装在E形铁芯31两端，将两个E形铁芯31连接在一起。

如图15所示，一般情况下，水平的悬浮线圈36中间的两条平行的直线段的两端向下弯折与水平线保持一定的角度A，优选角度A在30度~90度之间，当角度为直角90度时就是图9所示的情况，以图示的45度角度为例，公开一种E型截面悬浮电磁铁。

如图16所示，悬浮线圈36左右成V形，V形的悬浮线圈36由矩形的单股或多股导电线圈两端向下弯折而成，中间的两条平行的直线段44，由弯弧段43将两端的U形段和中间的直线段44连接而成完整的悬浮线圈36，悬浮线圈36由一根连续的导线绕制成多股线圈，有两根端线37伸出，与控制器相连接。

如图17和图18所示，为本发明的E型截面悬浮电磁铁。悬浮电磁铁30由E形铁芯31和V形的悬浮线圈36组成。E形铁芯31的截面为E形，两侧为侧芯板32，中间为中芯板33，底部由底芯板34将侧芯板32和中芯板33连接成E形截面，该截面沿直线或曲线延伸而成E形铁芯，E形电磁铁铁芯的材料为导磁性良好的材料，在中芯板33的两端设置凹陷的容线槽42，在侧芯板32、中芯板33和底芯板34之间围成的沟槽内设置V形悬浮线圈36，V形悬浮线圈36的两端线圈向下弯曲嵌入容线槽42内。为便于悬浮线圈36的两端安装，设置可以拆卸的端芯块39，在各个悬浮电磁铁30的衔接处安装衔接芯块38，端芯块39和衔接芯块38由紧固件3连接在中芯板33上，与各个悬浮电磁铁30的中芯板33连接成一根连续的中芯板33，两侧的侧芯板32也分别连接成两条连续的侧芯板32。在V形悬浮线圈36通电后，中部的中芯板33与两侧的侧芯板32的磁极相反，即中部为N极时，两侧的侧芯板32的磁极为S极，或者当中部为S极时，两侧的侧芯板32的磁极为N极。

如图19、图20和图23所示，为便于冷却E形铁芯31，E形铁芯31剖切为两侧的侧芯板32和中间的中芯板33三大部件，在连接处开槽设置冷却水道46，再由紧固件3将三部分连接为一个整体。如图19和图21所示，为便于悬浮线圈36的两端的安装，中芯板33的两端挖掉，分体出可以拆装的端芯块39。端芯块39由紧固件3安装在E形铁芯31的两端，如图23所示。中芯板33和侧芯板32的底部设置筋板35，增加悬浮电磁铁30的强度。

如图21所示，端芯块39为L形或V形，一端为V形凸压块40，底面与悬浮线圈36两端的顶面吻合，材料为导磁性良好的材料。

如图22所示，两个E形铁芯31的衔接处可以安装衔接芯块38，衔接芯块38为长条形，中间带有M形凹槽，中部为V形凸压块40，由紧固件3安装在E形铁芯31两端，将两个E形铁芯31连接在一起。如图18所示。

如图23所示，前述的侧芯板32和中芯板33侧面设置侧向突出的磁靴47，防止悬浮线圈36脱出。

悬浮电磁铁的侧面还可以设置加固板。

前述是以两种形状的悬浮线圈为例说明本发明的悬浮线圈的结构原理，具体外形按此原理加以变形设计成其他类似形状，原理相同，不再附图赘述。

如图24所示，上部为本发明的一种E型底工字钢轨，钢轨5截面大体为工字型，工字型钢轨底部的衔铁板的下方设置3个向下延伸的底脚或凸棱，或者说是开设了2个沟槽，底部成为开口朝下的E形衔铁板48，与上部的T形钢组成为E型底工字钢轨。底部的E形衔铁板48的下方距离一定间隙设置悬浮电磁铁30，使悬浮电磁铁30在保持悬浮的同时，可以具有一定的水平导向力，3个底脚或凸棱的长度和宽度可以根据需要设定，应与E型截面悬浮电磁铁的侧芯板32和中芯板33的位置对应。

E型底衔铁板48还可以和L型钢轨组合成E型底L型钢轨，作用与E型底工字钢轨48相同。适合用于中低速磁悬浮列车的悬浮钢轨。

前述的E形衔铁板48可以与钢结构件组合在一起，钢结构件包括T型钢、工字钢、H型钢、L型钢、C型钢、方钢、扁钢、槽钢，通过焊接或紧固件连接在一起，与E型底工字钢轨48作用相同。

前述的悬浮电磁铁除用于悬浮电磁铁外，还可以用作水平导向电磁铁，可以设置在列车的左右两侧，与轨道梁两侧竖直设置的导磁板构成水平导向电磁铁，控制列车左右侧的悬浮。

本发明列举的永磁直线电机换成其他形式的直线电机，则成为其他驱动形式的磁浮轨道及电磁悬浮列车轨道系统，仍包含在本发明的保护范围。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电磁悬浮列车轨道系统，在路基或轨道梁两侧设置轨道，轨道上行驶磁悬浮列车，其特征是：磁悬浮列车20的两侧托臂19上水平设置牵引导向电磁铁22，牵引导向电磁铁22的磁极方向水平设置，轨道上对应对应位置水平设置直线电机定子13，直线电机定子13由定子线圈16和定子铁芯15构成，定子铁芯15的磁极方向水平设置，牵引导向电磁铁22的工作面与定子铁芯15的工作面平行设置并相距一定磁力间隙构成有铁芯直线电机，牵引导向电磁铁22的动子线圈18与控制系统连接，通过控制系统控制直线电机定子13和牵引导向电磁铁22的线圈的电流大小和方向，控制水平导向力和牵引力；

磁悬浮列车的底部设置悬浮电磁铁9，轨道底部位于悬浮电磁铁9上方相距一定磁力间隙水平设置衔铁板6，悬浮电磁铁9内的悬浮线圈10与控制系统连接，构成电磁悬浮系统，通过控制系统控制悬浮电磁铁9的悬浮线圈10的电流大小，控制悬浮力。

2.根据权利要求1所述的电磁悬浮列车轨道系统，其特征是：所述的悬浮电磁铁9为E形直线电磁铁30，直线电磁铁30包括直线铁芯31和悬浮线圈36，直线铁芯31的截面为"E"形，两侧为侧芯板32，中间为中芯板33，一侧由底芯板34将侧芯板32和中芯板33连接成E形截面，该截面沿直线或曲线延伸而成E形铁芯，E形直线电磁铁的铁芯材料为导磁性良好的材料，在中芯板33的两端设置凹陷的容线槽42，在侧芯板32、中芯板33和底芯板5之间围成的沟槽内设置悬浮线圈36，悬浮线圈36的两端线圈向下弯曲嵌入容线槽42内。

3.根据权利要求1所述的电磁悬浮列车轨道系统，其特征是：轨道上水平设置的衔铁板6与上面的T形钢构成工字钢轨5，工字钢轨5的底板与所述的E形直线电磁铁30构成电磁悬浮系统，由控制系统控制悬浮。

4.根据权利要求1所述的电磁悬浮列车轨道系统，其特征是：轨道上水平设置的衔铁板6与I形钢构成L形钢轨27，L形钢轨27的底板与所述的E形直线电磁铁30构成电磁悬浮系统，由控制系统控制悬浮。

5.根据权利要求1所述的电磁悬浮列车轨道系统，其特征是：所述的直线电机定子13是由多个S形弯曲的蛇形定子线圈16和定子铁芯15构成的直线电机的初级。

6.根据权利要求1所述的电磁悬浮列车轨道系统，其特征是：所述的直线电机定子13由多个矩形定子线圈16和定子铁芯15构成的直线电机的初级。

7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的电磁悬浮列车轨道系统，其特征是：所述的牵引牵引导向电磁铁22设置在轨道两侧作为直线电机的初级，所述的由定子线圈16和定子铁芯15组成的直线电机定子13设置在磁悬浮列车的两侧托臂19上作为直线电机的次级。

8.根据权利要求2所述的E形直线电磁铁，其特征是：所述的悬浮线圈36由矩形的单股或多股线圈两端向下弯折而成，即中间为两条平行的直线段44，直线段44的两端向下的弯弧段43与两端的U形段45连接而成完整的悬浮线圈36，悬浮线圈36由至少一根连续的导线绕制成，有至少两根端线37伸出。

9.根据权利要求1所述的E形直线电磁铁，其特征是：所述的中芯板33整体或两端分体成可装卸的长条形或L形或T形或M形衔接芯块38。

10.根据权利要求2或8或9所述的E形直线电磁铁，其特征是：所述的E形衔铁板9与钢结构件组合在一起，钢结构件包括T型钢、工字钢、H型钢、L型钢、C型钢、方钢、扁钢、槽钢,构成E型底悬浮钢轨。

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