CN113415170A - 一种具有悬浮和导向的磁浮装置、磁浮列车及磁浮系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及悬浮、导向的磁浮装置技术领域，特别涉及一种具有悬浮和导向的磁浮装置、磁浮列车及磁浮系统。通过将轨道两侧的悬浮反应轨设置成一定的倾角，使得永磁体与悬浮反应轨之间的排斥力斜向上倾斜，分别产生水平方向与垂直方向的两个分量，垂直的分量实现悬浮列车竖直方向的悬浮，当负载于所述环状永磁电动悬浮系统的装置向一侧发生倾斜时，对应的一侧的永磁体所受到的排斥力会随之增大，水平的分量也会随之增大，进而对负载于所述环状永磁电动悬浮系统的装置产生反作用，使其被推向反方向，从而实现了该负载装置的导向。该方案轨道和车辆结构都简单，系统可靠性高、易于实现，特别适用于中低速磁浮列车系统。
Description
技术领域
本发明涉及悬浮、导向的磁浮装置技术领域，特别涉及一种具有悬浮和导向的磁浮装置、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；环状Halbach永磁阵列旋转板式电动悬浮可实现磁浮列车静止时悬浮，但板式水平导轨不能产生导向力，无法满足列车运行的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的板式电动悬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力的缺陷，提供一种具有悬浮与导向功能的环状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：
一种具有悬浮和导向的磁浮装置，包括：
轨道，所述轨道上表面包括位于两端的朝内倾斜的斜面，两个所述斜面上分别设置有悬浮反应轨；
至少一个悬浮架，位于所述轨道上方，每个所述悬浮架底部两端均设有朝外倾斜的一排永磁体阵列组，每排所述永磁体阵列组包括至少一个永磁体阵列，每个所述永磁体阵列与所述悬浮反应轨相对设置，每个所述永磁体阵列设有用于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。
本发明的技术方案中，通过将轨道两侧的悬浮反应轨设置成一定的倾角，使得永磁体与悬浮反应轨之间的排斥力斜向上倾斜，分别产生水平方向与垂直方向的两个分量，垂直的分量实现悬浮列车竖直方向的悬浮，当负载于所述环状永磁电动悬浮系统的装置向一侧发生倾斜时，对应的一侧的永磁体所受到的排斥力会随之增大，水平的分量也会随之增大，进而对负载于所述环状永磁电动悬浮系统的装置产生反作用，使其被推向反方向，从而实现了该负载装置的导向。
作为本发明的优选技术方案，所述斜面相对水平面的夹角大小为α，其中20°≤α≤50°。悬浮架两端的所述永磁体阵列组，其向外倾斜的角度为β，α和β两个角度相等。
进一步具体的，所述夹角α或夹角β可根据竖直方向的悬浮力以及水平方向的导向力的比值要求而定，列车运行速度低时，需要的导向力小，夹角可以小点；列车运行速度高时，需要的导向力大，夹角可设置大点。
作为本发明的优选技术方案，所述永磁体阵列为环状Halbach永磁阵列，所述驱动电机的输出轴的轴线与所述环状Halbach永磁阵列的旋转轴线重合或平行，所述环状Halbach永磁阵列的旋转轴线垂直于所述悬浮反应轨平面设置。
具体的，将若干永磁体按照不同方向充磁并组成Halbach永磁环形阵列。其极对数、内径、外径、宽度以及布置个数可根据永磁材料、工艺以及车辆需求的悬浮力、牵引力和轨道结构经优化比较后确定。
作为本发明的优选技术方案，所述永磁体阵列还包括驱动电机，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连接。
通过驱动电机驱动Halbach永磁阵列的旋转，环状Halbach永磁阵列旋转磁场将在悬浮反应轨上感应涡流，该涡流产生的磁场将阻碍环状Halbach永磁阵列旋转磁场的变化，从而产生垂直于所述悬浮反应轨的排斥力，该排斥力在水平方向和竖直方向分别产生分量，其中竖直方向上的分量为悬浮力，水平方向上的分量为导向力。
作为本发明的优选技术方案，每排所述永磁体阵列组包括两个所述永磁体阵列，两排所述永磁体阵列组相互对称设置。
作为本发明的优选技术方案，每个所述永磁体阵列的位置对应都设置有一个所述支撑块。当驱动电机不工作时，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，该装置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保持一定的间隙。
作为本发明的优选技术方案，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连接。所述驱动电机包括永磁同步电机、永磁直流电机、异步电机、开关磁阻电机、直流电机中的任意一种。该转轴的轴线垂直于所述悬浮反应轨平面，以使得环状Halbach永磁阵列与悬浮反应轨相互作用，而产生排斥力。
作为本发明的优选技术方案，两排所述永磁体阵列之间的旋转方向相反设置，以保证磁浮列车的受力对称和列车的平衡；对应同一个所述悬浮反应轨的所有所述永磁体阵列之间的旋转方向相反设置；以保证在导体轨道中产生更大的悬浮力。
作为本发明的优选技术方案，所述悬浮反应轨为铝板材质。所述铝板的厚度为10-20mm。此处，所述悬浮反应轨不仅限于铝板，还包括铜等导电材料构成的反应轨。所述反应轨设置于环状永磁阵列斜下方向，起到导电作用。
作为本发明的优选技术方案，所述永磁体阵列在所述悬浮反应轨上的悬浮距离为50-100mm。该悬浮距离指所述悬浮架在竖直方向上提升的高度。
一种磁浮列车，包括车体，还包括如上所述的具有悬浮和导向的磁浮装置，所述车体与所述具有悬浮和导向的磁浮装置的每个悬浮架通过悬挂组件相连。
一种磁浮系统，包括相互连接的若干个如上所述的磁浮列车的车体，以及如上所述的具有悬浮和导向的磁浮装置，所有所述车体底部与所述具有悬浮和导向的磁浮装置的各个悬浮架通过悬挂组件相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明的一种具有悬浮和导向的磁浮装置，通过将轨道两侧的悬浮反应轨设置成一定的倾角，使得永磁体与悬浮反应轨之间的排斥力斜向上倾斜，分别产生水平方向与垂直方向的两个分量，垂直的分量实现悬浮列车竖直方向的悬浮，当负载于所述环状永磁电动悬浮系统的装置向一侧发生倾斜时，对应的一侧的永磁体所受到的排斥力会随之增大，水平的分量也会随之增大，进而对负载于所述环状永磁电动悬浮系统的装置产生反作用，使其被推向反方向，从而实现了该负载装置的导向。该方案轨道和车辆结构都简单，系统可靠性高、易于实现，特别适用于中低速磁浮列车系统。
2、本发明的所述的磁浮列车，通过车体与具有悬浮和导向的磁浮装置连接，由于该具有悬浮和导向的磁浮装置设置有悬浮反应轨，通过与永磁体阵列组的相互作用，即当驱动电机驱动旋转永磁体阵列组过程中，能够分别与悬浮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，从而分解为向上的悬浮力，以及水平向轨道里侧的导向力,实现了磁浮列车的悬浮及导向。该磁浮列车能够实现静浮、自稳悬浮、自稳导向，该磁浮列车结构简单可靠，控制简便，适应性广。
3、本发明的所述的磁浮系统包括若干个车体，每个车体连接的具有悬浮和导向的磁浮装置，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为本发明的永磁电动悬浮列车结构示意图；
图2为本发明的驱动电机-永磁体阵列的局部放大图；
图3为本发明的受力原理分析示意图；
图4为本发明的轨道两侧的永磁体阵列的转动方向示意图；
图5为本发明同一侧轨道上永磁体阵列的转动方向示意图；
图中标记：1-轨道，11-斜面，2-悬浮架，3-悬浮反应轨，4-永磁体阵列，5-斜面，6-驱动电机，61-输出轴，7-悬挂组件，8-车体，9-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
一种具有悬浮和导向的磁浮装置，如图1-5所示，包括轨道1，所述轨道1上表面包括位于两端的朝内倾斜的斜面11，两个所述斜面11上分别设置有悬浮反应轨3；具体的，所述斜面11相对水平面的夹角大小为α，其中20°≤α≤50°。
至少一个悬浮架2，位于所述轨道1上方，每个所述悬浮架2底部两端均设有朝外倾斜的一排永磁体阵列组，每排所述永磁体阵列组包括至少一个永磁体阵列4，具体的，所述永磁体阵列为环状Halbach永磁阵列，每个所述永磁体阵列4与所述悬浮反应轨3相对设置，悬浮架2两端的所述永磁体阵列组，其向外倾斜的角度为β，α和β两个角度相等。
每个所述永磁体阵列4设有用于驱动其旋转的驱动电机6，所述驱动电机6设置于所述悬浮架2内腔中，所述驱动电机6的输出轴61从所述悬浮架2的内腔贯穿至所述悬浮架2外侧与所述永磁体阵列4连接。更具体的，所述驱动电机6的输出轴61的轴线与所述环状Halbach永磁阵列的旋转轴线重合或平行，所述环状Halbach永磁阵列的旋转轴线垂直于所述悬浮反应轨平面设置。
每排所述永磁体阵列组包括两个所述永磁体阵列4，两排所述永磁体阵列组相互对称设置。每个所述永磁体阵列4的位置对应都设置有一个所述支撑块9。当驱动电机6不工作的状态下，负载于所述悬浮架2上的装置处于静止状态，此时，支撑块9与轨道1相接触，该装置的全部重量作用于所述支撑块9上。永磁体阵列4与所述悬浮反应轨3保持一定的间隙。
两排所述永磁体阵列4之间的旋转方向相反设置，以保证磁浮列车的受力对称和列车的平衡；如图4所示，为同一轨道1位置处，对应的两侧的永磁体阵列4的俯视图，相对设置的所述永磁体阵列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；
对应同一个所述悬浮反应轨3的所有所述永磁体阵列4之间的旋转方向相反设置；如图5所示，以保证在悬浮反应轨3中产生更大的悬浮力。
具体的，所述悬浮反应轨3为铝板材质。所述铝板的厚度为10-20mm。此处，所述悬浮反应轨3不仅限于铝板，还包括铜等导电材料构成的反应轨。所述反应轨设置于环状永磁阵列4斜下方向，起到导电作用。所述永磁体阵列4在所述悬浮反应轨3上的悬浮距离为50-100mm。
工作原理：
利用驱动电机6驱动环状Halbach永磁阵列的旋转，环状Halbach永磁阵列的旋转磁场将在悬浮反应轨3上感应涡流，该涡流产生的磁场将阻碍环状Halbach永磁阵列旋转磁场的变化，从而产生垂直于所述悬浮反应轨3的排斥力，具体如图3所示，因为所述悬浮反应轨3倾斜设置，所述排斥力为F，以图3的视角所处的平面为x-z平面坐标系，轨道1左侧的为Fl，轨道1右侧的为Fr，该排斥力在水平方向和竖直方向分别产生分量，其中竖直方向上的分量为悬浮力即(Fzl或Fzr)，水平方向上的分量为导向力(Fxl或Fxr)。
环状Halbach永磁阵列相对于水平面具有夹角α，排斥力(F)方向为斜向上，分解为垂直分量和水平分量，垂直分量为悬浮力(Fzl或Fzr)，两侧的垂直分量托起负载于所述悬浮架2的装置，实现悬浮；两侧的水平分量(Fxl或Fxr)分别指向轨道中心，负载于所述悬浮架2的装置在轨道1中心时，水平分量大小相等，相互抵消保持负载于所述悬浮架2的装置左右平衡；当负载于所述悬浮架2的装置偏向某一侧时，该侧的总的排斥力变大，水平分量产生的导向力增加，另一侧则减小，负载于所述悬浮架2的装置将被推向气隙变大的那一侧，负载于所述悬浮架2的装置最终被约束到轨道中间，从而实现导向。
实施例2
一种磁浮列车，包括车体8，还包括实施例1中的具有悬浮和导向的磁浮装置，所述车体8与所述具有悬浮和导向的磁浮装置的每个悬浮架2通过悬挂组件7相连。
本实施例2中的所述磁浮列车，通过车体8与具有悬浮和导向的磁浮装置连接，由于该具有悬浮和导向的磁浮装置设置有悬浮反应轨3，通过与永磁体阵列组的相互作用，即当驱动电机6驱动旋转永磁体阵列组过程中，能够分别与悬浮反应轨3产生感应电流，其中悬浮反应轨3感应电流产生磁场与永磁体阵列组件产生斥力，从而分解为向上的悬浮力，以及水平向轨道里侧的导向力,实现了磁浮列车的悬浮及导向。该磁浮列车能够实现静浮、自稳悬浮、自稳导向，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如实施例2所述的磁浮列车的车体8，以及如实施例1所述的具有悬浮和导向的磁浮装置，所有所述车体8底部与所述具有悬浮和导向的磁浮装置的各个悬浮架2通过悬挂组件7相连。
本实施例3所述的磁浮系统包括若干个车体8，每个车体8连接实施例1的具有悬浮和导向的磁浮装置，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)
1.一种具有悬浮和导向的磁浮装置，其特征在于，包括：
轨道(1)，所述轨道(1)上表面包括位于两端的朝内倾斜的斜面(11)，两个所述斜面(11)上分别设置有悬浮反应轨(3)；
至少一个悬浮架(2)，位于所述轨道(1)上方，每个所述悬浮架(2)底部两端均设有朝外倾斜的一排永磁体阵列组，每排所述永磁体阵列组包括至少一个永磁体阵列(4)，每个所述永磁体阵列(4)与所述悬浮反应轨(3)相对设置，每个所述永磁体阵列(4)设有用于驱动其旋转的驱动电机(6)，每个所述悬浮架(2)底部还设有至少一个支撑块(9)。
2.根据权利要求1所述的具有悬浮和导向的磁浮装置，其特征在于，所述斜面(11)相对水平面的夹角大小为α，其中20°≤α≤50°。
3.根据权利要求1所述的具有悬浮和导向的磁浮装置，其特征在于，所述永磁体阵列(4)为环状Halbach永磁阵列，所述驱动电机(6)的输出轴(61)的轴线与所述环状Halbach永磁阵列的旋转轴线重合或平行，所述环状Halbach永磁阵列的旋转轴线垂直于所述悬浮反应轨平面设置。
4.根据权利要求3所述的具有悬浮和导向的磁浮装置，其特征在于，每排所述永磁体阵列组包括两个所述永磁体阵列(4)，两排所述永磁体阵列(4)相互对称设置。
5.根据权利要求4所述的具有悬浮和导向的磁浮装置，其特征在于，每个所述永磁体阵列(4)的位置对应都设置有一个所述支撑块(10)。
6.根据权利要求4所述的具有悬浮和导向的磁浮装置，其特征在于，两排所述永磁体阵列(4)之间的旋转方向相反设置，对应同一个所述悬浮反应轨(3)的所有所述永磁体阵列(4)之间的旋转方向相反设置。
7.根据权利要求6所述的具有悬浮和导向的磁浮装置，其特征在于，所述悬浮反应轨为铜板、铝板中的任意一种。
8.根据权利要求6所述的具有悬浮和导向的磁浮装置，其特征在于，所述永磁体阵列(4)在所述悬浮反应轨(3)上的悬浮距离为50-100mm。
9.一种磁浮列车，其特征在于，包括车体(9)，还包括如权利要求1-8任一项所述的具有悬浮和导向的磁浮装置，所述车体(9)与所述具有悬浮和导向的磁浮装置的每个悬浮架(2)通过悬挂组件(7)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任一项所述的具有悬浮和导向的磁浮装置，所有所述车体(9)底部与所述具有悬浮和导向的磁浮装置的各个悬浮架(2)通过悬挂组件(7)相连。
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