CN115991102B - 一种磁浮汽车轨道交通系统及侧板高度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁浮汽车轨道交通系统及侧板高度计算方法，涉及磁悬浮技术领域，包括封装车轮和轨道，所述封装车轮外圈设有两层，包括径向Halbach阵列和轴向Halbach阵列；所述轨道包括三种结构，每种结构均包括底板和侧板，所述底板和侧板均为导体板，所述侧板与所述封装车轮端面平行。本发明结构简单，充分利用了径向Halbach阵列和轨道中底板相互作用，产生了悬浮和驱动力；同时利用轴向Halbach阵列与轨道中侧板相互作用，产生导向力，解决了磁悬浮汽车系统横向不稳定的问题的同时实现了导向对中的功能，同时可以产生少部分驱动力和悬浮力，增加磁浮汽车的浮重比和驱重比。

Description

一种磁浮汽车轨道交通系统及侧板高度计算方法

技术领域

本发明涉及磁悬浮技术领域，具体而言，涉及一种磁浮汽车轨道交通系统及侧板高度计算方法。

背景技术

磁悬浮汽车依靠前、后磁轮旋转在导体板中感应出镜像磁场，原磁场和镜像磁场之间相互作用产生排斥力和磁阻力，进而来实现悬浮和驱动功能，但是，磁轮在旋转过程中产生的侧向力很小，可以忽略不计，无法作为导向力，因此整个磁悬浮汽车系统横向是不稳定的，目前对于磁悬浮汽车如何保持在车道中行驶不产生偏移并且实现导向对中功能，尚未提出有效的解决办法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磁浮汽车轨道交通系统及侧板高度计算方法，以解决上述问题。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一方面，本申请提供了一种磁浮汽车轨道交通系统，包括：封装车轮和轨道，所述轨道设置在所述封装车轮下方，所述轨道包括一块底板和一块位于底板一侧边并垂直于底板的侧板，所述侧板与所述封装车轮端面平行。

进一步的，所述底板的另一侧边也设有一块侧板，两所述侧板互相平行。

进一步的，所述侧板为L形，分为横板和竖板，所述横板设有安装孔，所述底板设有长条形安装槽，通过改变所述安装孔在长条形安装槽上的安装位置从而调节所述侧板与所述封装车轮的侧向间隙。

进一步的，所述侧板与所述底板为一体结构。

进一步的，所述侧板与封装车轮的侧向间隙小于所述封装车轮胎面宽度的一半。

进一步的，所述封装车轮包括外圈的径向Halbach阵列，所述径向Halbach阵列的两端面均设有轴向Halbach阵列。

进一步的，所述径向Halbach阵列由多个第一永磁块材组成为环形结构，所述第一永磁块材磁化方向与车轮转动面平行布置。

进一步的，所述轴向Halbach阵列由多个第二永磁块材组成为环形结构，所述第二永磁块材磁化方向与车轮转动面垂直布置。

进一步的，所述封装车轮还包括内圈的轮毂和所述封装车轮胎面的外壳，所述轮毂和所述轴向Halbach阵列的端面设有压板。

另一方面，在本申请还提供一种侧板高度计算方法，包括：

获取汽车参数、轨道的曲率、封装车轮参数，所述汽车参数包括汽车的总质量和行驶速度，所述封装车轮参数包括封装车轮的数量、半径和转速；

通过汽车参数和轨道的曲率计算得到汽车在轨道上行驶所需的导向力；

根据汽车在轨道上行驶所需的导向力、封装车轮参数和预设的导向力公式，得到侧板高度。

所述单个封装车轮提供的预设导向力F₂表达式为：

F₂＝a₀·h

式中，所述a₀为导向力系数，h表示侧板高度；

所述导向力系数a₀的计算公式为：

a₀＝4623·e^{-0.00004818·n}-4729·e^-0.001566·n

式中，e为自然常数；n表示封装车轮的转速。

本发明的有益效果为：

本发明结构简单，实现了导向对中的功能，通过组合式Halbach磁悬浮车轮充分利用了径向Halbach阵列和轨道中底板相互作用，产生了悬浮和驱动力；同时利用轴向Halbach阵列与轨道中侧板相互作用，产生导向力，解决了磁悬浮汽车系统横向不稳定的问题，同时可以产生较小驱动力和悬浮力，增加磁浮汽车的浮重比和驱重比。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明第一种轨道结构示意图；

图2为本发明第二种轨道结构示意图；

图3为本发明第三种轨道结构示意图；

图4为本发明封装车轮剖面示意图，即图7中所示的A-A剖面图；

图5为本发明径向Halbach阵列示意图；

图6为本发明轴向Halbach阵列示意图；

图7为本发明封装车轮示意图；

图8为本发明侧板高度与导向力的关系图；

图9为本发明侧板高度与驱动力和悬浮力的关系图；

图10为本发明侧向间隙与驱动力的关系图；

图11为本发明侧向间隙与悬浮力的关系图；

图12为本发明侧向间隙与导向力的关系图。

图中标记：1、封装车轮；2、轨道；11、径向Halbach阵列；12、轴向Halbach阵列；13、外壳；14、压板；15、轮毂；21、侧板；22、底板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例一：

本实施例提供了包括：封装车轮1和轨道2，所述轨道2设置在所述封装车轮1下方。如图1所示，所述轨道2包括一块底板22和一块位于底板22一侧边并垂直于底板22的侧板21，所述侧板21与所述封装车轮1端面平行。所述侧板21和底板22底板均为导体板。所述封装车轮1与侧板21相互作用，产生较大的导向力和较小的驱动力和悬浮力；所述封装车轮1与底板22相互作用，产生较大的驱动力和悬浮力以及较小的导向力。在本申请中，通过设置侧板21利用了封装车轮1两侧的磁场，为本实施例的磁悬浮汽车提供了水平导向力，并且结合磁悬浮汽车多轮驱动的特点实现了磁悬浮汽车对中功能。

如图2所示，所述底板22的另一侧边也设有一块侧板21，两所述侧板21互相平行，且与所述封装车轮1端面的侧向间隙相等，所述封装车轮1两侧均设有侧板21，同时对封装车轮1提供导向力，实现了导向对中的功能。

如图1和图2所示，所述侧板21为L形，分为横板和竖板，所述横板设有安装孔，所述底板22设有长条形安装槽，所述安装孔和所述长条形安装槽通过紧固螺栓连接，通过改变所述安装孔在长条形安装槽上的安装位置从而调节所述侧板21与所述封装车轮1的侧向间隙，实际场景中可以动态调节。

如图3所示所述侧板21与所述底板22为一体结构，用焊接的方式实现涡流的连通。

当所述侧板21与封装车轮1的侧向间隙小于所述封装车轮1胎面宽度的一半，可以起到较好的导向作用。

如图4所示，所述封装车轮1包括外圈的径向Halbach阵列11，所述径向Halbach阵列11的两端面均设有轴向Halbach阵列12。组合Halbach磁悬浮车轮充分利用了径向Halbach阵列11和底板22的作用以及轴向Halbach阵列12和侧板21的作用。

如图5所示，所述径向Halbach阵列11由多个第一永磁块材组成为环形结构，所述第一永磁块材磁化方向与车轮转动面平行布置，所述径向Halbach阵列11产生分布在圆周外侧的强磁场，分布在内部的弱磁场，与底板22作用，产生悬浮和驱动力。

如图6所示，所述轴向Halbach阵列12由多个第二永磁块材组成为环形结构，所述第二永磁块材磁化方向与车轮转动面垂直布置，图中的·表示垂直纸面向外，×表示垂直纸面向里。所述轴向Halbach阵列12产生垂直纸面向外的强磁场，分布在纸面内侧的弱磁场侧，本申请巧妙利用了轴向Halbach阵列12与侧板21作用产生导向力，为磁悬浮汽车提供横向作用力，解决了磁悬浮汽车系统横向不稳定的问题，同时可以产生少部分驱动力和悬浮力，增加磁浮汽车的浮重比和驱重比。

所述径向Halbach阵列11和所述轴向Halbach阵列12内部存在较大的斥力，通过磁体胶水粘接。

如图4和图7所示，所述封装车轮1还包括内圈的轮毂15和所述封装车轮1胎面的外壳13，所述轮毂15和所述轴向Halbach阵列12的端面设有压板14，所述压板14与所述轮毂15通过沉头螺钉连接。所述轴向Halbach阵列12端面设有多个凹槽，所述压板14设有多个凸块，所述凹槽和所述凸块位置对应并且过盈配合。所述外壳13可以采用高强度，轻质量的材料，如碳纤维。所述外壳13也可以采用良导体，如铝壳，当径向Halbach阵列11与轨道2作用时，所述封装车轮1的磁场会在轨道2中产生感应涡流，从而产生作用力，加上良导体外壳13之后，轨道2中的涡流可以和良导体外壳13之间形成二次感应，增加悬浮驱动效果。同理，压板14也可以采用良导体材料，可以和侧板21中产生的涡流形成二次感应，增加导向力和悬浮驱动效果。

实施例二：

一种侧板高度计算方法，包括：

获取汽车参数、轨道2的曲率k、封装车轮1参数，所述汽车参数包括汽车的总质量m和行驶速度v，所述封装车轮参数包括封装车轮1的数量i、半径R和转速n：

通过汽车参数和轨道2的曲率k计算得到汽车在轨道2上行驶所需的导向力F₁，所述导向力F₁的计算公式为；

F₁＝mv²k

汽车行驶速度v与封装车轮1转速n的关系式为：

式中，v为汽车行驶速度；

所以导向力F₁：

根据汽车在轨道2上行驶所需的导向力F、封装车轮1参数和预设的导向力公式，得到侧板21高度h。

所述单个封装车轮1提供的预设导向力F₂：

F₂＝a₀·h

式中，所述a₀为导向力系数，h表示侧板高度；

所述导向力系数a₀的计算公式为：

a₀＝4623·e^{-0.00004818·n}-4729·e^-0.001566·n

式中，e为自然常数；n表示封装车轮1的转速；

由F₁＝iF₂可得侧板高度h：

通常汽车采用四个轮子，即i＝4，因此：

式中，h为侧板高度；m为汽车质量；k为曲率；n为封装车轮1转速；R为封装车轮半径；e为自然常数。

本实施例选用封装车轮1半径为150mm时，侧板高度与导向力的关系如图8所示，侧板21的高度决定了封装车轮1和轨道2的作用面积，作用面积决定了导向力的大小，导向力随侧板21高度的增加而增加，但是，过高的侧板21又会影响附属设备如电机，车架的安装，所以对于侧板21高度而言并不是越高越好。

侧板高度h与驱动力和悬浮力的关系如图9所示，可以看出侧板高度h对驱动力的影响较大，可以发现当封装车轮1半径R为150mm(并不是对所有情况来说都是150mm，是根据封装车轮1半径R来决定的)即侧板21顶部在封装车轮1中心时，增加的驱动力是最大的；侧板21高度对增加的悬浮力影响不大，随着侧板21高度的变化，悬浮力基本稳定在50N上下，是一个稳定的值。

实施例三：

除了侧板21高度h对导向力、驱动力和悬浮力产生影响外，侧向间隙对导向力、驱动力和悬浮力也有影响。

本实施例选用封装车轮1胎面宽度为110mm，侧板21高度固定。

通过仿真拟合得到，有侧板21比无侧板21时增加的驱动力F_p：

F_p＝2*b·e^-0.04742·s

式中，e为自然常数；s表示侧向间隙；b为驱动力增加系数：

b＝(1147·e^{-0.00004818·n}-117e^-0.001566·n)

式中，e为自然常数；n表示封装车轮1转速。

侧向间隙s与驱动力F_p的关系如图10所示，加上侧板21后对单独一块底板22产生驱动力F_p的增益是显著的。侧向间隙s增加，对驱动力F_p的增益逐渐减小。

通过仿真拟合得到，有侧板21比无侧板21增加的悬浮力F_l：

F_l＝2*c·e^-0.0706·s

式中，e为自然常数；s表示侧向间隙；c表示悬浮力增加系数：

c＝67.78.e^{-0.00004818·n}-69.43·e^-0.001566·n

式中，e为自然常数；n表示封装车轮1转速。

侧向间隙s与悬浮力F_l的关系如图11所示。可以看出侧向间隙s增加，对悬浮力F_l的增益逐渐减小，但比驱动力F_p衰减得慢。

通过仿真拟合得到，有侧板21比无侧板21增加的导向力F_c：

F_c＝a·e^-0.006843·s

式中，e为自然常数；s表示侧向间隙；a表示导向力增加系数：

a＝4973·e^{-0.00004818.n}-5087·e^-0.001566·n

式中，e为自然常数；n表示封装车轮1转速。

导向力F_c与侧向间隙s的关系如图12所示。当侧向间隙s大于封装车轮1胎面宽度一半时，侧板21便失去作用。因此，要对侧向间隙s合适的进行控制，尽量在保证安全的情况下减小侧向间隙s，但侧向间隙减小s的同时又会出现底板22的宽度不能完全接受封装车轮1径向磁场问题，所以要对侧向间隙s和底板宽度同时进行考虑。

通过上述实施例二和实施例三提出的导向力增加系数a、驱动力增加系数b、悬浮力增加系数c，根据封装车轮1的半径R和实际运行所需导向力的不同情况，可以选取合适的侧板21高度h和侧向间隙s。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种磁浮汽车轨道交通系统，其特征在于，包括：

封装车轮(1)；

轨道(2)，所述轨道(2)设置在所述封装车轮(1)下方，所述轨道(2)包括一块底板(22)和一块位于底板(22)一侧边并垂直于底板(22)的侧板(21)，所述侧板(21)与所述封装车轮(1)端面平行并设有侧向间隙，所述侧板(21)和底板(22)底板均为导体板；所述侧板(21)与封装车轮(1)的侧向间隙小于所述封装车轮(1)胎面宽度的一半；

所述侧板(21)产生的导向力F_c为：

F_c＝a·e^-0.006843·s

式中，e为自然常数；s表示侧向间隙；a表示导向力增加系数：

a＝4973·e^{-0.00004818.n}-5087·e^-0.001566·n

式中，e为自然常数；n表示封装车轮(1)的转速。

2.根据权利要求1所述的磁浮汽车轨道交通系统，其特征在于，所述底板(22)的另一侧边也设有一块侧板(21)，两所述侧板(21)互相平行。

3.根据权利要求1或2任意一项所述的磁浮汽车轨道交通系统，其特征在于，所述侧板(21)为L形，分为横板和竖板，所述横板设有安装孔，所述底板(22)设有长条形安装槽，通过改变所述安装孔在长条形安装槽上的安装位置从而调节所述侧板(21)与所述封装车轮(1)的侧向间隙。

4.根据权利要求1或2任意一项所述的磁浮汽车轨道交通系统，其特征在于，所述侧板(21)与所述底板(22)为一体结构。

5.根据权利要求1所述的磁浮汽车轨道交通系统，其特征在于，所述封装车轮(1)包括外圈的径向Halbach阵列(11)，所述径向Halbach阵列(11)的两端面均设有轴向Halbach阵列(12)。

6.根据权利要求5所述的磁浮汽车轨道交通系统，其特征在于，所述径向Halbach阵列(11)由多个第一永磁块材组成为环形结构，所述第一永磁块材磁化方向与车轮转动面平行布置。

7.根据权利要求5所述的磁浮汽车轨道交通系统，其特征在于，所述轴向Halbach阵列(12)由多个第二永磁块材组成为环形结构，所述第二永磁块材磁化方向与车轮转动面垂直布置。

8.根据权利要求5所述的磁浮汽车轨道交通系统，其特征在于，所述封装车轮(1)还包括内圈的轮毂(15)和所述封装车轮(1)胎面的外壳(13)，所述轮毂(15)和所述轴向Halbach阵列(12)的端面设有压板(14)。

9.一种侧板高度计算方法，其特征在于，包括：

获取汽车参数、轨道(2)的曲率k、封装车轮(1)参数，所述汽车参数包括汽车的总质量m和行驶速度v，所述封装车轮参数包括封装车轮(1)的数量i、半径R和转速n；

通过汽车参数和轨道(2)的曲率k计算得到汽车在轨道(2)上行驶所需的导向力F₁，所述导向力F₁的计算公式为；

F₁＝mv²k

汽车行驶速度v与封装车轮(1)转速n的关系式为：

式中，v为汽车行驶速度；

所以导向力F₁：

根据汽车在轨道(2)上行驶所需的导向力F₁、封装车轮(1)参数和预设的导向力公式，得到侧板(21)高度h；

所述单个封装车轮(1)提供的预设导向力F₂：

F₂＝a₀·h

式中，所述a₀为导向力系数，h表示侧板21高度；

所述导向力系数a₀的计算公式为：

a₀＝4623·e^{-0.00004818·n}-4729·e^-0.001566·n

式中，e为自然常数；n表示封装车轮(1)的转速；

由F₁＝iF₂可得侧板高度h：

通常汽车采用四个轮子，即i＝4，因此：

式中，h为侧板高度；m为汽车质量；k为曲率；n为封装车轮1转速；R为封装车轮半径；e为自然常数。

Images