CN113183767A - 一种适用于中速磁浮列车的混合悬浮磁铁 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于中速磁浮列车的混合悬浮磁铁，包括第一极板、第二极板、若干第一混合磁体和至少一个第二混合磁体，每个第一混合磁体包括常规电磁铁和常规永磁铁，每个常规永磁铁位于对应的常规电磁铁的一侧，且包括第一铁芯和第一线包，每个第一铁芯的一端与第一极板连接，其另一端与对应的常规永磁铁连接，常规永磁铁还与第二极板连接，第二混合磁体包括加长电磁铁和加长永磁铁，加长电磁铁的长度长于常规电磁铁，加长永磁铁位于加长电磁铁的一侧，每个加长电磁铁包括第二铁芯和第二线包，每个第二铁芯的一端与第一极板连接，其另一端与对应的加长永磁铁连接，且第二混合磁体位于所有混合磁体的前端。其可削弱涡流效应，提高悬浮性能。

Description

一种适用于中速磁浮列车的混合悬浮磁铁

技术领域

本发明主要涉及磁浮交通悬浮系统技术领域，具体地说，涉及一种适用于中速磁浮列车的混合悬浮磁铁，该混合悬浮磁铁能适应磁浮列车的中速运行，减少因涡流效应带来的悬浮力损耗。

背景技术

悬浮磁铁是磁浮列车悬浮系统的核心部件之一，它的几何形状和物理性能直接关系到磁浮列车悬浮系统的结构和性能。磁浮列车的悬浮系统主要由悬浮控制器、悬浮磁铁、轨道等构成。其中，混合悬浮的悬浮磁铁由电磁铁和永磁体共同构成，为磁浮列车提供悬浮力。因此，高可靠性、安全性、稳定性的悬浮磁铁是磁浮列车能够稳定悬浮的保障。

磁浮列车依靠悬浮磁铁和轨道之间的相互吸引提供悬浮力。中速磁浮列车在运行过程中，悬浮磁铁会在轨道中激发出涡流，而激发出的涡流将反作用于悬浮磁场，导致悬浮力的衰减，这会对磁浮列车的悬浮稳定性、安全性等造成影响。研究表明，涡流效应在列车运行前端尤为明显，从而导致列车运行前端电磁铁的悬浮力衰减比较严重。

为提高磁浮列车悬浮系统的稳定性和可靠性，研究一种适用于中速磁浮列车的混合悬浮磁铁，削弱涡流效应对悬浮力的影响，对磁浮列车的悬浮系统能够稳定适应中速运行有着巨大的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用于中速磁浮列车的混合悬浮磁铁，可削弱现有悬浮磁铁中涡流效应对悬浮力影响的缺陷。

本发明的适用于中速磁浮列车的混合悬浮磁铁，包括第一极板、第二极板、若干第一混合磁体和至少一个第二混合磁体，所述第一极板和第二极板平行且有间隔地设置，若干第一混合磁体和第二混合磁体设置于第一极板和第二极板之间，每个所述第一混合磁体均包括常规电磁铁和常规永磁铁，每个所述常规永磁铁位于对应的常规电磁铁的一侧，每个所述常规电磁铁包括第一铁芯和绕设于第一铁芯上的第一线包，每个所述第一铁芯的一端与第一极板连接，其另一端与对应的常规永磁铁的一侧面连接，所述常规永磁铁的另一侧面与第二极板连接，所述第二混合磁体包括加长电磁铁和加长永磁铁，所述加长电磁铁的长度长于常规电磁铁，所述加长永磁铁位于加长电磁铁的一侧，每个所述加长电磁铁包括第二铁芯和绕设于第二铁芯上的第二线包，每个所述第二铁芯的一端与第一极板连接，其另一端与对应的加长永磁铁的一侧面连接，且所述第二混合磁体位于所有混合磁体的前端。

进一步地，所述加长永磁体与第二线包的长度相比常规永磁铁和第一线包同步加长。

进一步地，第二线包的长度是第一线包的1-3倍。

进一步地，所述第一混合磁体的数量为三个，所述第二混合磁体的数量为三个，三个第一混合磁体和一个第二混合磁体等间距地设置于第一极板和第二极板之间。

进一步地，每个所述第一铁芯的一端与第一极板固定连接，其另一端与对应的常规永磁铁的一侧面固定连接，所述常规永磁铁的另一侧面与第二极板固定连接；和/或，每个所述第二铁芯的一端与第一极板连接，其另一端与对应的加长永磁铁的一侧面连接。

进一步地，利用Maxwell应力张量法，由气隙磁通密度求得混合悬浮磁铁相应的悬浮力F_y计算公式为：

式中，μ₀为真空中磁导率，b(x,z)为气隙磁通密度，x表示横轴坐标值，z表示纵轴坐标值，dx表示对x的微元，dz表示对z的微元，a是铁芯磁极宽度的一半，且b(x,z)的表达式为：

式中，n表示正整数，C_n表示一个系数，B₀表示磁通密度的激励部分在气隙中的恒定值，λ_n表示一个任意常数，L表示混合悬浮磁铁长度，X_n(x)表示运算过程中产生的变量，C_n和X_n(x)的表达式为：

式中，

d表示轨道等效宽度的一半，σ为电导率，δ表示混合悬浮电磁铁相对于轨道的悬浮间隙。

进一步地，当列车静止时，轨道中无感应涡流，此时气隙磁通密度b(x,z)为B₀，则静止时的悬浮力为：

当列车运行时，轨道中产生感应涡流，使气隙磁场发生改变，悬浮力也相应变化为：

其中：

进一步地，设定混合悬浮磁铁的性能指标

当J≥80％时，则表明混合悬浮磁铁的涡流受到抑制，悬浮力保持稳定。

本发明的适用于中速磁浮列车的混合悬浮磁铁，在正常工作时，由于常规永磁铁和加长永磁铁的作用，永磁电磁混合悬浮磁铁相较于常规纯电磁悬浮磁铁需要的电流更小，相应产生的热量也更少，同时，在磁浮列车运行时，本发明的混合悬浮磁铁能使轨道更不容易达到磁通饱和，有利于更好地控制磁浮列车的稳定悬浮。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明一实施例的适用于中速磁浮列车的混合悬浮磁铁的结构示意图；

图2是本发明一实施例的第二混合磁体的侧视图；

图3(a)是本发明的一个磁通密度积分路径；

图3(b)是本发明的另一个磁通密度积分路径；

图4(a)是现有技术中的磁浮列车运行速度为200km/h时，悬浮力与静止悬浮力的比值随电磁铁长度加标注的变化曲线；

图4(b)是现有技术中的磁浮列车运行速度为200km/h时，悬浮力与静止悬浮力的比值随电磁铁长度未标注的变化曲线；

图5是本发明不同电磁铁长度下，悬浮力与静止悬浮力的比值随速度变化曲线。

附图标记说明

1-第一极板、2-第二极板、3-常规电磁铁、4-常规永磁铁、5-第一铁芯、6-加长电磁铁、7-加长永磁铁、8-第二铁芯

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为更好地描述本发明，需要说明的是，使用的方位如“前”、“后”是相对于磁浮列车的运行方向而言的，磁浮列车的运行前进方向即为“前”，背离磁浮列车的运行前进方向即为“后”。术语“第一”、“第二”主要用于区分不同的部件，但不对部件进行具体限制。

如图1和图2所示，该实施例的适用于中速磁浮列车的混合悬浮磁铁包括包括第一极板1、第二极板2、若干第一混合磁体和至少一个第二混合磁体，所述第一极板1和第二极板2平行且有间隔地设置，若干第一混合磁体和第二混合磁体设置于第一极板1和第二极板2之间，每个所述第一混合磁体均包括常规电磁铁3和常规永磁铁4，每个所述常规永磁铁4位于对应的常规电磁铁3的一侧，每个所述常规电磁铁3包括第一铁芯5和绕设于第一铁芯5上的第一线包，每个所述第一铁芯5的一端与第一极板1固定连接，其另一端与对应的常规永磁铁4的一侧面固定连接，所述常规永磁铁4的另一侧面与第二极板2固定连接，所述第二混合磁体包括加长电磁铁6和加长永磁铁7，所述加长电磁铁6的长度长于常规电磁铁3，所述加长永磁铁7位于加长电磁铁6的一侧，每个所述加长电磁铁6包括第二铁芯8和绕设于第二铁芯8上的第二线包，每个所述第二铁芯8的一端与第一极板1固定连接，其另一端与对应的加长永磁铁7的一侧面固定连接，且所述第二混合磁体位于所有混合磁体的前端(相当于列车运行前端)。优选地，上述加长永磁体与第二线包的长度相比常规永磁铁4和第一线包同步加长，且第二线包的长度是第一线包的1-3倍。通过上述设置，本发明的悬浮力由所有永磁铁和所有电磁铁共同产生，位于所有混合磁体前端的第二混合磁体中加长电磁铁6和加长电磁铁6均为常规尺寸的1-3倍，可以极大减弱涡流效应对悬浮力的衰减作用，稳定提升悬浮效果。需要说明的是，本发明中常规电磁铁3与加长电磁铁6的材质与结构均相同，只是尺寸参数存在差别；和/或常规永磁铁4与加长永磁铁7的材质与结构均相同，只是尺寸参数存在差别，和/或第一铁芯5与第二铁芯8的材质与结构均相同，只是尺寸参数存在差别。

因为根据轨道产生涡流效应的机理可知，列车运行方向前端的悬浮磁铁电流大于其他位置，受到涡流效应的影响更为明显，EMS(electric-magnetic suspension，电磁力悬浮法)型中速磁浮列车考虑涡流效应下的悬浮力可近似地用以下公式表示：

其中，L代表悬浮磁铁长度，F₀为静止时的悬浮力，α是铁芯磁极宽度的一半。

上式由Maxwell(麦克斯韦)方程组推导而来：

式中，J是钢轨中感应电流密度，v为速度，B为磁通密度，E为电场强度，μ为磁导率，σ为电导率，

表示哈密顿算子。

上式由Maxwell(麦克斯韦)方程组推导而来：

由麦克斯韦方程组(0.1)可得式(0.2)和式(0.3)：

式中，J_z表示z方向的电流密度，J_x表示x方向的电流密度，

表示磁通密度b对x求偏导，

表示磁通密度b对z求偏导。

由于B是连续的，涡流分析成为xz平面的二维问题。

令B＝(0,b(x,z),0)，即B_x＝0,B_y＝b(x,z),B_z＝0，由图3(a)和图3(b)可知，x轴为列车运行方向，y轴为列车悬浮方向，z轴为列车导向方向，可得两个积分路径，根据安培环路定理，按照上图所示的积分路径，由式(0.2)可得：

式中，μ₀为真空中磁导率，取值4π×10^-7H/m，轨道与电磁铁材料为Q235钢，其相对磁导率为μ_r，d表示轨道一半宽度。计算时可近似地认为u_ru₀≈u₀，从而可忽略系数为1/μ_rμ₀的项。考虑到b是关于x,z的函数，由式(0.3)可得：

(其中，

)(0.5)

式中，d表示轨道等效宽度的一半，具体见图3(a)，σ为电导率，δ表示混合悬浮电磁铁相对于轨道的悬浮间隙。

由于磁通密度b包括激励部分b_e和轨道感应涡流产生的b_i，即b＝b_e+b_i，从而可得式(0.6)：

式中，

表示表轨道感应涡流产生的磁通密度b_i对x求偏导，

表示表轨道感应涡流产生的磁通密度b_i对z求偏导，

表示激励磁场的磁通密度b_e对x求偏导，

表示激励磁场的磁通密度b_e对z求偏导。

上文中已假设激励部分b_e在气隙中为恒定值B₀，并且没有边缘现象，则激励磁场的表达式可写为b_e＝B₀[u(x)-u(x-L)][u(z+a)-u(z-a)]，其中u(x)和u(z)是阶跃函数。轨道感应涡流产生的b_i采用分离变量法表示为b_i(x,z)＝X(x)Z(z)。

此时求解涡流产生的磁场强度b_i(x,z)的关键就在于求解X(x)和Z(z)。利用分离变量法、傅里叶变换、用Jordan(约当)引理和留数定理可求出：

其中，

C_n表示一个系数，

从而可得气隙磁通密度的表达式为：

式中，n表示正整数，B₀表示磁通密度的激励部分在气隙中的恒定值，λ_n表示一个任意常数，L表示混合悬浮磁铁长度。

进而，利用Maxwell应力张量法，可由气隙磁通密度求得相应的悬浮力计算公式为：

式中，μ₀为真空中磁导率，b(x,z)为气隙磁通密度，x表示横轴坐标值，z表示纵轴坐标值，dx表示对x的微元，dz表示对z的微元，a是是铁芯磁极宽度的一半。

当列车静止时，轨道中无感应涡流，此时气隙磁通密度b(x,z)为B₀，则静止时的悬浮力为：

当列车运行时，轨道中产生感应涡流，使气隙磁场发生改变，悬浮力也相应变化为：

其中：

对于低次序n，

即

可近似认为

从而可近似地表示为

经计算，基波分量cosλ₁z产生的悬浮力

大约占全部悬浮力的80％。

参见图4(a)和图4(b)，其分别表示的是列车运行速度为200km/h、悬浮间隙为8mm时，悬浮力与静止悬浮力的比值随磁铁长度的变化曲线。从图中可以看出，当加长电磁铁6长度为0.66m时，受涡流效应的影响，200km/h速度下的悬浮力约为静止悬浮力的33％；当加长电磁铁6长度为1.32m时(即2倍于原来的电磁铁长度)，这一比值约为47％；当加长电磁铁6长度为1.98m时(即3倍于原来的电磁铁长度)，这一比值约为57％。由此可以看出，加长电磁铁6长度越长，悬浮力越大，加长电磁铁6可以减弱涡流效应对悬浮力的衰减作用。同时，参见图5，该图表示的是不同加长电磁铁6长度下，悬浮力与静止悬浮力的比值随速度变化曲线。从图中可以看出，同一速度下，加长电磁铁6长度越长，悬浮力与静止悬浮力的比值越大，悬浮力衰减越小，这说明加长电磁铁6可以减弱涡流效应对悬浮力的衰减作用。

鉴于现有悬浮磁铁形成涡流导致的悬浮力衰减情况。列车静止时，轨道中没有涡流效应，此时的静止悬浮力是当前线包结构能产生的最大悬浮力。列车开始运行后，随着速度的增加，涡流效应逐渐明显，悬浮力逐渐下降。将本发明混合悬浮磁铁性能指标J设计为：

通常希望列车运行速度为200km/h时，悬浮力依然能维持在原有的80％以上。因此，通过加长前端的第二线包以削弱涡流效应的影响，每加长一定距离，便重新计算悬浮力随速度的变化曲线，直到满足性能指标J大于等于80％。

因此，与现有的技术相比，本发明的优点在于：

第一、本发明的混合悬浮磁铁由于运行方向前端的第二线包加长，能够有效缓解涡流效应带来的影响，保持稳定的悬浮力，提高整个悬浮系统的悬浮稳定性。

第二、第二线包长度增加的同时，加长永磁铁7长度也随之增加，能够补充部分悬浮力的同时，增加了悬浮磁体表面积，减小磁体散热负担。

第三、本发明增设了永磁铁，可以在不改变电流的情况下，增大悬浮力，从而有利于轨道在不达到磁通饱和的情况下工作，有利于磁浮列车的悬浮控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。

Claims (8)

1.一种适用于中速磁浮列车的混合悬浮磁铁，其特征在于，包括第一极板、第二极板、若干第一混合磁体和至少一个第二混合磁体，所述第一极板和第二极板平行且有间隔地设置，若干第一混合磁体和第二混合磁体设置于第一极板和第二极板之间，每个所述第一混合磁体均包括常规电磁铁和常规永磁铁，每个所述常规永磁铁位于对应的常规电磁铁的一侧，每个所述常规电磁铁包括第一铁芯和绕设于第一铁芯上的第一线包，每个所述第一铁芯的一端与第一极板连接，其另一端与对应的常规永磁铁的一侧面连接，所述常规永磁铁的另一侧面与第二极板连接，所述第二混合磁体包括加长电磁铁和加长永磁铁，所述加长电磁铁的长度长于常规电磁铁，所述加长永磁铁位于加长电磁铁的一侧，每个所述加长电磁铁包括第二铁芯和绕设于第二铁芯上的第二线包，每个所述第二铁芯的一端与第一极板连接，其另一端与对应的加长永磁铁的一侧面连接，且所述第二混合磁体位于所有混合磁体的前端。

2.根据权利要求1所述的适用于中速磁浮列车的混合悬浮磁铁，其特征在于，所述加长永磁体与第二线包的长度相比常规永磁铁和第一线包同步加长。

3.根据权利要求2所述的适用于中速磁浮列车的混合悬浮磁铁，其特征在于，第二线包的长度是第一线包的1-3倍。

4.根据权利要求1所述的适用于中速磁浮列车的混合悬浮磁铁，其特征在于，所述第一混合磁体的数量为三个，所述第二混合磁体的数量为三个，三个第一混合磁体和一个第二混合磁体等间距地设置于第一极板和第二极板之间。

5.根据权利要求1所述的适用于中速磁浮列车的混合悬浮磁铁，其特征在于，每个所述第一铁芯的一端与第一极板固定连接，其另一端与对应的常规永磁铁的一侧面固定连接，所述常规永磁铁的另一侧面与第二极板固定连接；和/或，每个所述第二铁芯的一端与第一极板连接，其另一端与对应的加长永磁铁的一侧面连接。

6.根据权利要求1所述的适用于中速磁浮列车的混合悬浮磁铁，其特征在于，利用Maxwell应力张量法，由气隙磁通密度求得混合悬浮磁铁相应的悬浮力F_y计算公式为：

式中，μ₀为真空中磁导率，b(x,z)为气隙磁通密度，x表示横轴坐标值，z表示纵轴坐标值，dx表示对x的微元，dz表示对z的微元，a是铁芯磁极宽度的一半，且b(x,z)的表达式为：

式中，n表示正整数，C_n表示一个系数，B₀表示磁通密度的激励部分在气隙中的恒定值，λ_n表示一个任意常数，L表示混合悬浮磁铁长度，X_n(x)表示运算过程中产生的变量，C_n和X_n(x)的表达式为：

式中，

d表示轨道等效宽度的一半，σ为电导率，δ表示混合悬浮电磁铁相对于轨道的悬浮间隙。

7.根据权利要求6所述的适用于中速磁浮列车的混合悬浮磁铁，其特征在于，当列车静止时，轨道中无感应涡流，此时气隙磁通密度b(x,z)为B₀，则静止时的悬浮力为：

当列车运行时，轨道中产生感应涡流，使气隙磁场发生改变，悬浮力也相应变化为：

其中：

8.根据权利要求7所述的适用于中速磁浮列车的混合悬浮磁铁，其特征在于，设定混合悬浮磁铁的性能指标

当J≥80％时，则表明混合悬浮磁铁的涡流受到抑制，悬浮力保持稳定。

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