CN113415169A - 一种悬浮导向驱动系统、磁浮列车及磁浮系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及悬浮导向系统及包含该系统的列车的技术领域，特别涉及一种悬浮导向驱动系统、磁浮列车及磁浮系统。本发明的技术方案同时设置有悬浮反应轨和导向反应轨，通过与永磁体阵列组件的位置不同，当旋转永磁体阵列组件过程中，能够与悬浮反应轨产生竖直向上的悬浮力，同时与导向反应轨产生水平向轨道里侧的导向力以及沿轨道运行方向的驱动力。实现磁浮列车导向和牵引。该方案可实现磁浮列车静浮、自稳悬浮、自稳导向，同时还能实现磁浮列车运行。系统结构简单，可靠性高、易于实现，可用于中低速磁浮列车系统。

Description

一种悬浮导向驱动系统、磁浮列车及磁浮系统
技术领域
本发明涉及悬浮导向系统及包含该系统的列车的技术领域，特别涉及一种悬浮导向驱动系统、磁浮列车及磁浮系统。
背景技术
磁浮列车是一种采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的列车系统。它依靠电磁吸力或电动斥力将列车悬浮于空中并进行导向，实现列车与地面轨道的无机械接触，并利用直线电机驱动列车运行。按照车辆运行速度来划分，磁浮列车可以分为高速和中低速两种类型：高速磁浮列车运行最高速度可达500km/h以上，采用EMS和EDS两种悬浮方式，适用于长大干线和大城市间的旅客运输；中低速磁浮列车运行速度在100km/h左右，主要采用EMS悬浮方式，特别适合城市内部或城市与卫星城之间的运输。
现有中低速磁浮列车的工作原理为：列车的悬浮力由悬浮系统提供，在车体下部安装的电磁铁吸引F形钢轨的下方，与之发生反作用将列车浮起，电磁铁与轨道之间的空隙由空隙传感器对电流值进行控制，以保证悬浮力和空隙的恒定；牵引力是由中低速磁浮列车上的直线感应电机来实现的，车辆上搭载VVVF逆变器对直线感应电机供电，在其线圈中产生直线运动的行波磁场，感应轨道侧安装的铝板，铝板中产生感应涡流，涡流场与行波磁场相互作用产生车辆运动所需的牵引力。
目前存在的磁浮列车存在如下技术缺陷：
电磁吸力控制型磁悬浮列车结构和控制复杂，可靠性差；永磁直线运动板式电动悬浮列车不能实现静浮或低速悬浮，只能用于高速磁浮列车，而单独的板式水平导轨不能产生驱动力，无法满足列车运行的在求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在中低速磁浮列车难以实现低速悬浮以及板式水平导轨不能产生导向及牵引的缺陷，提供一种具有悬浮导向及驱动功能的永磁电动悬浮系统及列车。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种悬浮导向驱动系统，包括轨道，所述轨道上设有凹槽，所述凹槽底部设有两个悬浮反应轨，所述凹槽的两个内侧壁分别设有导向反应轨；所述凹槽上方还设有至少一个悬浮架，与两个所述悬浮反应轨相对应的每个所述悬浮架底部两侧位置分别设有一排永磁体阵列组件，每排所述永磁体阵列组件包括至少一个永磁体阵列组件，每个所述永磁体阵列组件包括内环永磁体阵列和位于所述内环永磁体阵列外周的外环永磁铁阵列，每个所述永磁体阵列组件连接有能够驱动其旋转的驱动电机；每个所述悬浮架底部还设有至少一个支撑块。
该悬浮导向驱动系统中，当驱动电机不工作时，永磁体阵列组件处于静止状态，此时悬浮反应轨和导向反应轨也没有感应电流，负载于所述悬浮架上的装置处于静止状态，此时，支撑块与轨道相接触，该悬浮架的全部重量作用于所述支撑块上。永磁体阵列组件与所述悬浮反应轨、导向反应轨均存在一定的间隙。
当驱动电机驱动所述永磁体阵列组件转动，永磁体阵列组件的内环永磁铁阵列产生的内环磁场在悬浮反应轨中感应产生电流，悬浮反应轨感应电流产生的磁场与内环永磁铁阵列产生竖直向上的排斥力，悬浮架底部两侧的永磁体阵列组件产生的排斥力能够托起负载于所述悬浮架上的装置从而实现悬浮。
当驱动电机所述永磁体阵列组件转动，永磁体阵列组件的外环永磁铁阵列产生外环磁场在导向反应轨中感应产生电流，导向反应轨感应电流产的磁场对外环永磁铁阵列产生水平方向的排斥力，位于轨道两侧导向反应轨的排斥力均指向轨道的中心，当负载于所述悬浮架上的装置在轨道中心时，两侧排斥力大小相等，相互抵消，保持负载于所述悬浮架上的装置左右平衡；当装置偏向与轨道某一侧时，该侧导向反应板对永磁体阵列组件的排斥力变大，而另一侧则减小，装置则被推向间隙变大的那一侧，该装置最终被约束到轨道中间，从而实现导向。
当驱动电机驱动永磁体阵列组件在驱动电机驱动下转动时，双环的永磁铁阵列组件的外环磁场在导向反应轨中感应产生电流，导向反应轨感应产生的磁场还将对外环永磁铁阵列产生磁阻力而阻碍其转动，阻碍转动时磁阻力已转化成负载装置的沿轨道轴向方向上的驱动力，该驱动力叠加从而实现了负载装置的牵引驱动，即实现了负载装置的牵引。
本发明所述的悬浮导向驱动系统，同时设置有悬浮反应轨和导向反应轨，通过与永磁体阵列组件的相互作用，即当驱动电机驱动旋转永磁体阵列组件过程中，能够分别与悬浮反应轨、导向反应轨产生感应电流，其中悬浮反应轨感应电流产生磁场与永磁体阵列组件产生斥力，从而产生竖直向上的悬浮力，同时与导向反应轨感应电流产生的磁场与永磁体阵列组件产生斥力，以产生水平向轨道里侧的导向力以及沿轨道运行方向的驱动力，从而实现了磁浮列车导向和牵引。该悬浮导向驱动系统可实现负载装置的静浮、自稳悬浮、自稳导向，同时还能实现磁浮列车运行，其系统结构简单，可靠性高、易于实现，可用于中低速磁浮列车系统。
作为本发明的优选技术方案，所述内环永磁铁阵列和外环永磁铁阵列均为盘式Halbach永磁铁阵列。
作为本发明的优选技术方案，所述驱动电机的输出轴的轴线与所述盘式Halbach永磁铁阵列的旋转轴轴线平行或重合；所述Halbach永磁铁阵列的旋转轴轴线与所述悬浮反应轨平面垂直，所述Halbach永磁铁阵列的旋转轴轴线与所述导向反应轨平面平行。
作为本发明的优选技术方案，两排所述永磁体阵列组件之间的旋转方向相反，对应同一个所述悬浮反应轨的所有所述永磁体阵列组件之间的旋转方向相同。
作为本发明的优选技术方案，所述永磁体阵列组件在所述悬浮反应轨的悬浮距离为50-100mm，所述永磁体阵列组件与所述导向反应轨之间的导向距离为50-100mm。
作为本发明的优选技术方案，每个所述永磁体阵列组件位置对应都设置有一个所述支撑块。
作为本发明的优选技术方案，所述驱动电机设置于所述悬浮架内腔中，所述驱动电机的输出轴从所述悬浮架的内腔贯穿至所述悬浮架外侧与所述永磁体阵列组件连接。
一种磁浮列车，包括车体，以及如上所述的一种悬浮导向驱动系统，所述车体与所述悬浮导向驱动系统的每个悬浮架通过悬挂组件相连。
该磁浮列车，通过车体与磁浮导向驱动系统相互连接，由于该磁浮导向驱动系统设置有悬浮反应轨和导向反应轨，通过与永磁体阵列组件的相互作用，即当驱动电机驱动旋转永磁体阵列组件过程中，能够分别与悬浮反应轨、导向反应轨产生感应电流，其中悬浮反应轨感应电流产生磁场与永磁体阵列组件产生斥力，从而产生竖直向上的悬浮力，同时与导向反应轨感应电流产生的磁场与永磁体阵列组件产生斥力，以产生水平向轨道里侧的导向力以及沿轨道运行方向的驱动力，从而实现了磁浮列车导向和牵引。该磁浮列车能够实现静浮、自稳悬浮、自稳导向，同时还能实现磁浮列车前沿运行，该磁浮列车结构简单可靠，控制简便，适应性广。
一种磁浮系统，包括相互连接的若干个车体，以及如上所述的一种悬浮导向驱动系统，所有所述车体底部与所述悬浮导向驱动系统的各个悬浮架通过悬挂组件相连。
该磁浮系统包括若干个车体，每个车体则连接上述的一种悬浮导向驱动系统，适用于现有的磁浮轨道列车，具有良好的通用性。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.本发明所述的悬浮导向驱动系统，同时设置有悬浮反应轨和导向反应轨，通过与永磁体阵列组件的相互作用，即当驱动电机驱动旋转永磁体阵列组件过程中，能够分别与悬浮反应轨、导向反应轨产生感应电流，其中悬浮反应轨感应电流产生磁场与永磁体阵列组件产生斥力，从而产生竖直向上的悬浮力，同时与导向反应轨感应电流产生的磁场与永磁体阵列组件产生斥力，以产生水平向轨道里侧的导向力以及沿轨道运行方向的驱动力，从而实现了磁浮列车导向和牵引。该悬浮导向驱动系统可实现负载装置的静浮、自稳悬浮、自稳导向，同时还能实现磁浮列车运行，其系统结构简单，可靠性高、易于实现，可用于中低速磁浮列车系统。
2.本发明所述的磁浮列车，通过车体与磁浮导向驱动系统相互连接，由于该磁浮导向驱动系统设置有悬浮反应轨和导向反应轨，通过与永磁体阵列组件的相互作用，即当驱动电机驱动旋转永磁体阵列组件过程中，能够分别与悬浮反应轨、导向反应轨产生感应电流，其中悬浮反应轨感应电流产生磁场与永磁体阵列组件产生斥力，从而产生竖直向上的悬浮力，同时与导向反应轨感应电流产生的磁场与永磁体阵列组件产生斥力，以产生水平向轨道里侧的导向力以及沿轨道运行方向的驱动力，从而实现了磁浮列车导向和牵引。该磁浮列车能够实现静浮、自稳悬浮、自稳导向，同时还能实现磁浮列车前沿运行，该磁浮列车结构简单可靠，控制简便，适应性广。
3.本发明所述的磁浮系统包括若干个车体，每个车体则连接上述的一种悬浮导向驱动系统，适用于现有的磁浮轨道列车，具有良好的通用性。
附图说明：
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明的A部放大图；
图3为本发明的系统在x-z坐标系所在平面的受力分析图；
图4为本发明的系统在y-z坐标系所在平面的受力分析图；
图5为本发明的相对设置的永磁体阵列的转动方向结构示意图；
图6为本发明的系统沿轨道延伸方向上的转动方向结构示意图；
图中标记：1-轨道，2-悬浮架，31-悬浮反应轨，32-导向反应轨，4-永磁体阵列组件，41-内环永磁铁阵列，42-外环永磁铁阵列，6-凹槽，7-驱动电机，71-输出轴，8-悬挂组件，9-车体，10-支撑块。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
一种悬浮导向驱动系统，如图1-6所示，所述轨道1上设有凹槽6，所述凹槽6底部设有两个悬浮反应轨31，所述凹槽6的两个内侧壁分别设有导向反应轨32；所述凹槽6上方还设有一个悬浮架2，与两个所述悬浮反应轨31相对应的所述悬浮架2底部两侧位置分别设有一排永磁体阵列组件4，即沿左轨道和右轨道的方向分别设置有一排永磁体阵列组件4，每排所述永磁体阵列组件4包括至少两个永磁体阵列组件4，每个所述永磁体阵列组件4包括内环永磁体阵列41和位于所述内环永磁体阵列41外周的外环永磁铁阵列42，具体的，所述内环永磁铁阵列41和外环永磁铁阵列42均为盘式Halbach永磁铁阵列。
每个所述永磁体阵列组件4连接有能够驱动其旋转的驱动电机7；具体的，所述驱动电机7的输出轴71的轴线与所述盘式Halbach永磁铁阵列的旋转轴轴线平行或重合；所述Halbach永磁铁阵列的旋转轴轴线与所述悬浮反应轨31平面垂直，所述Halbach永磁铁阵列的旋转轴轴线与所述导向反应轨32平面平行。
具体的，如图两排所述永磁体阵列组件4之间的旋转方向相反，对应同一个所述悬浮反应轨31的两个所述永磁体阵列组件4之间的旋转方向相同。如图5所示，为同一轨道1位置处，对应的两侧的永磁体阵列组件4的俯视图，相对设置的所述永磁体阵列组件4的转动方向相反设置(旋向对称)；可保证负载于所述悬浮架2上的装置的受力对称和该装置的平衡；如图6所示，为同侧轨道1上方的永磁体阵列组件4，相邻设置的所述永磁体阵列组件4的转动方向相同设置，可保证所有永磁铁阵列组件4受到的磁阻力方向相同，产生驱动力叠加推动负载装置的运行。
更具体的，所述永磁体阵列组件4在所述悬浮反应轨31的悬浮距离为50-100mm，所述永磁体阵列组件4与所述导向反应轨32之间的导向距离为50-100mm。
每个所述悬浮架2底部还设有至少一个支撑块10。具体的，每个所述永磁体阵列组件4位置对应都设置有一个所述支撑块10。所述支撑块10用于所述悬浮架2在自然状态下支撑所述悬浮架2以及负载于所述悬浮架2上的装置。当驱动电机7不工作时，负载于所述悬浮架2上的装置处于静止状态，此时，支撑块10与轨道1相接触，该装置的全部重量作用于所述支撑块10上。而所述悬浮架2上的设置的所述永磁体阵列组件4与所述悬浮反应轨31之间具有一定的间隙。
同一侧的所述悬浮反应轨31与所述导向反应轨32之间相互独立。
本实施例1中的悬浮导向驱动系统，同时设置有悬浮反应轨和导向反应轨，通过与永磁体阵列组件的相互作用，即当驱动电机驱动旋转永磁体阵列组件过程中，能够分别与悬浮反应轨、导向反应轨产生感应电流，其中悬浮反应轨感应电流产生磁场与永磁体阵列组件产生斥力，从而产生竖直向上的悬浮力，同时与导向反应轨感应电流产生的磁场与永磁体阵列组件产生斥力，以产生水平向轨道里侧的导向力以及沿轨道运行方向的驱动力，从而实现了磁浮列车导向和牵引。该悬浮导向驱动系统可实现负载装置的静浮、自稳悬浮、自稳导向，同时还能实现磁浮列车运行，其系统结构简单，可靠性高、易于实现，可用于中低速磁浮列车系统。
工作原理：
如图3-4所示，以同一轨道位置上，相对设置的两个永磁体阵列组件4的主视图所在的平面建立坐标系，即图3所示的x-z平面坐标系，当驱动电机7驱动输出轴71带动所述永磁体阵列组件4旋转时，双环的永磁体阵列组件4的内环磁场在悬浮反应轨31中感应产生电流，电流与内环永磁铁阵列41产生排斥力，即图3中所示的(Fzl对应左轨或Fzr对应右轨)，悬浮架2底部两侧的永磁体阵列组件4的排斥力(Fzl或Fzr)托起负载于所述悬浮架2上的装置实现悬浮；
永磁体阵列组件4的外环磁场在导向反应轨32中感应产生电流，电流对外环永磁铁阵列42圆柱面产生排斥力，即图3中所示的Fxl(左轨)和Fxr(右轨)；两侧轨道的排斥力(Fxl或Fxr)均指向轨道1的中心，当负载于所述悬浮架2上的装置在轨道1中心时，两侧排斥力大小相等，相互抵消，保持负载于所述悬浮架2上的装置左右平衡；当负载于所述悬浮架2上的装置偏向某一侧(以左侧为例)时，左侧的导向反应板轨32对对应的永磁体阵列组件4的排斥力(Fxl)变大，而另一侧即右侧的永磁体阵列组件4的排斥力(Fxr)则对应减小，该负载装置将被推向间隙变大的那一侧(右侧)，装置即被约束到轨道中间，从而实现导向；
如图4所示，以左侧轨道的侧视方向所在的平面建立坐标系，即图3所示的y-z平面坐标系，当盘式双环Halbach永磁铁阵列在驱动电机7驱动下转动时，双环的永磁铁阵列组件4的外环磁场在导向反应轨32中感应产生电流还将对外环永磁铁阵列组件42产生磁阻力阻碍其转动，阻碍转动时磁阻力已转化成负载装置的驱动力(Fyl)，从而实现了负载装置的牵引；
该悬浮导向驱动系统中，该反应轨3为铝板材质，但不仅限于铝板，还可以是铜板等可以导电的材质。所述铝板的厚度为10-20mm；所述永磁体阵列4在所述悬浮反应轨31的悬浮距离为50-100mm，所述永磁体阵列4与所述导向反应轨32之间的导向距离为50-100mm。
实施例2
实施例2为应用实施例1所述的悬浮导向驱动系统的磁浮列车，如图1所示，包括车体9，以及如上所述的一种悬浮导向驱动系统，所述车体9与所述悬浮导向驱动系统的每个悬浮架2通过悬挂组件8相连。
本实施例2所述的磁浮列车，通过车体与磁浮导向驱动系统相互连接，由于该磁浮导向驱动系统设置有悬浮反应轨和导向反应轨，通过与永磁体阵列组件的相互作用，即当驱动电机驱动旋转永磁体阵列组件过程中，能够分别与悬浮反应轨、导向反应轨产生感应电流，其中悬浮反应轨感应电流产生磁场与永磁体阵列组件产生斥力，从而产生竖直向上的悬浮力，同时与导向反应轨感应电流产生的磁场与永磁体阵列组件产生斥力，以产生水平向轨道里侧的导向力以及沿轨道运行方向的驱动力，从而实现了磁浮列车导向和牵引。该磁浮列车能够实现静浮、自稳悬浮、自稳导向，同时还能实现磁浮列车前沿运行，该磁浮列车结构简单可靠，控制简便，适应性广
实施例3
一种磁浮系统，包括相互连接的若干个实施例2所述的车体9，以及如实施例1所述的一种悬浮导向驱动系统，所有所述车体2底部与所述悬浮导向驱动系统的各个悬浮架2通过悬挂组件8相连。
本实施例3所述的磁浮系统包括若干个车体9，每个车体9则连接上述的一种悬浮导向驱动系统，适用于现有的磁浮轨道列车，具有良好的通用性。
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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种悬浮导向驱动系统，包括轨道(1)，其特征在于，所述轨道(1)上设有凹槽(6)，所述凹槽(6)底部设有两个悬浮反应轨(31)，所述凹槽(6)的两个内侧壁分别设有导向反应轨(32)；所述凹槽(6)上方还设有至少一个悬浮架(2)，与两个所述悬浮反应轨(31)相对应的每个所述悬浮架(2)底部两侧位置分别设有一排永磁体阵列组件(4)，每排所述永磁体阵列组件(4)包括至少一个永磁体阵列组件(4)，每个所述永磁体阵列组件(4)包括内环永磁体阵列(41)和位于所述内环永磁体阵列(41)外周的外环永磁铁阵列(42)，每个所述永磁体阵列组件(4)连接有能够驱动其旋转的驱动电机(7)；每个所述悬浮架(2)底部还设有至少一个支撑块(10)。
2.根据权利要求1所述的悬浮导向驱动系统，其特征在于，所述内环永磁铁阵列(41)和外环永磁铁阵列(42)均为盘式Halbach永磁铁阵列。
3.根据权利要求2所述的悬浮导向驱动系统，其特征在于，所述驱动电机(7)的输出轴(71)的轴线与所述盘式Halbach永磁铁阵列的旋转轴轴线平行或重合；所述Halbach永磁铁阵列的旋转轴轴线与所述悬浮反应轨(31)平面垂直，所述所述Halbach永磁铁阵列的旋转轴轴线与所述导向反应轨(32)平面平行。
4.根据权利要求2所述的悬浮导向驱动系统，其特征在于，所述悬浮架(2)上每排所述永磁体阵列组件(4)包括两个永磁体阵列组件(4)，两排所述永磁体阵列组件(4)相互对称设置。
5.根据权利要求4所述的悬浮导向驱动系统，其特征在于，两排所述永磁体阵列组件(4)组件之间的旋转方向相反，对应同一个所述悬浮反应轨(31)的所有所述永磁体阵列组件(4)之间的旋转方向相同。
6.根据权利要求1所述的悬浮导向驱动系统，其特征在于，所述永磁体阵列组件(4)在所述悬浮反应轨(31)的悬浮距离为50-100mm，所述永磁体阵列组件(4)与所述导向反应轨(32)之间的导向距离为50-100mm。
7.根据权利要求6所述的悬浮导向驱动系统，其特征在于，每个所述永磁体阵列组件(4)位置对应都设置有一个所述支撑块(10)。
8.根据权利要求1所述的悬浮导向驱动系统，其特征在于，所述驱动电机(7)设置于所述悬浮架(2)内腔中，所述驱动电机(7)的输出轴(71)从所述悬浮架(2)的内腔贯穿至所述悬浮架(2)外侧，并与所述永磁体阵列组件(4)连接。
9.一种磁浮列车，其特征在于，包括车体(9)，以及如权利要求1-8任一项所述的一种悬浮导向驱动系统，所述车体(9)与所述悬浮导向驱动系统的每个悬浮架(2)通过悬挂组件(8)相连。
10.一种磁浮系统，其特征在于，包括相互连接的若干个车体(9)，以及如权利要求1-8任一项所述的一种悬浮导向驱动系统，所有所述车体(9)底部与所述悬浮导向驱动系统的各个悬浮架(2)通过悬挂组件(8)相连。
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