CN117141242A - 一种涡流制动磁铁 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种涡流制动磁铁，所述涡流制动磁铁用于在钢轨或铁轨上行驶的轨道交通车辆的制动系统；所述涡流制动磁铁包括：磁轭，通过两侧的支撑臂设置在所述轨道交通车辆的底部；设置在磁轭下方的多个磁极；在所述轨道交通车辆制动的情况下，靠近磁轭中点的磁极所产生的垂向吸力小于远离磁轭中点的磁极所产生的垂向吸力；其中，磁轭中点位于两侧支撑臂的距离中点。本方案通过将磁极设计成不同吸力水平，优化磁极吸力在磁轭上的分布，实现在安装空间和磁轭挠度限定的前提下获得较高的涡流制动力。
Description
技术领域
本发明涉及了一种轨道车辆制动技术领域，特别涉及一种涡流制动磁铁。
背景技术
轨道线性涡流制动以涡流制动磁铁为初级、以钢轨为次极，通过电磁感应生成制动力，并将制动力直接传递至转向架上，是一种不依赖轮轨黏着条件的非黏制动技术。涡流制动磁铁一般由磁轭及若干个磁极构成。涡流制动施加时，涡流制动磁铁与钢轨之间产生平行于轨道方向的制动力及垂直于轨道方向的吸力。垂向吸力会导致磁轭发生弯曲变形，如变形较大可能会导致磁极底面与钢轨发生磕碰。为避免磁极磕碰钢轨，在产品自重和垂向吸力的作用下，磁轭垂向变形的设计指标一般不大于2mm。
为实现上述设计目标，通常将磁轭纵截面设计为阶梯型、横截面设计为工字型，以便在适当的重量范围内获得较高的抗弯刚度。当转向架安装空间有限，常用提高磁轭抗弯刚度的措施无法满足挠度要求时，必须限制磁极的吸力，由于制动力与吸力正相关，涡流制动力也会受到一定程度的限制。
因此，在安装空间及磁轭挠度的限定前提下，如何合理设计磁铁以获得最大制动力是涡流制动装置亟需解决的问题。
发明内容
本说明书的目的是提供一种涡流制动磁铁，以解决在安装空间及磁轭挠度的限定前提下，如何合理设计磁铁以获得最大制动力问题。
本发明提供一种涡流制动磁铁，所述涡流制动磁铁用于在钢轨或铁轨上行驶的轨道交通车辆的制动系统；所述涡流制动磁铁包括：磁轭，通过两侧的支撑臂设置在所述轨道交通车辆的底部；设置在磁轭下方的多个磁极；在所述轨道交通车辆制动的情况下，靠近磁轭中点的磁极所产生的垂向吸力小于远离磁轭中点的磁极所产生的垂向吸力；其中，磁轭中点位于两侧支撑臂的距离中点。
在一些实施例中，任意相邻的两个磁极中，靠近磁轭中点的磁极所产生的垂向吸力小于或等于远离磁轭中点的磁极所产生的垂向吸力。
在一些实施例中，所述多个磁极采用2或3种不同的规格。
在一些实施例中，所述多个磁极均为永磁磁极；靠近磁轭中点的磁极与远离磁轭中点的磁极在以下至少一个方面不同，以使得靠近磁轭中点的磁极所产生的垂向吸力小于远离磁轭中点的磁极所产生的垂向吸力：永磁体的磁体所在的空间、永磁体的磁能积。
在一些实施例中，所述多个磁极均为电磁磁极；靠近磁轭中点的磁极与远离磁轭中点的磁极在以下至少一个方面不同，以使得靠近磁轭中点的磁极所产生的垂向吸力小于远离磁轭中点的磁极所产生的垂向吸力：绕组匝数、铁芯截面积、铁芯材料、铁芯高度。
在一些实施例中，各电磁磁极的励磁电路是串联的。
在一些实施例中，所述磁轭的底面为平面。
在一些实施例中，所述磁轭底面的中部向下凸起。
在一些实施例中，所述磁轭上方的中部向上凸起。
本发明的技术方案具有以下显著有益效果：将各磁极设计成不同垂向吸力水平，中间磁极的垂向吸力相对较小，两端磁极的垂向吸力相对较大，使垂向吸力分布更加合理，从而实现磁轭的垂向挠度可控，同时又可获得较大的涡流制动力。通过将磁极设计成不同吸力水平，优化磁极吸力在磁轭上的分布，实现在安装空间和磁轭挠度限定的前提下获得较高的涡流制动力。
参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
附图说明
在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。
图1示出了用于轨道交通车辆的涡流制动磁铁的结构示意图；
图2示出了磁轭受力分析示意图；
图3示出了各磁极对应的挠度相对值；
图4示出了本说明书提供的涡流制动磁铁的一种实施方式示意图；
图5示出了普通电磁磁极的结构示意图；
图6至图8示出了三种形式的小吸力电磁磁极的结构示意图；
图9示出了普通永磁磁极的结构示意图；
图10至图11示出了两种形式的小吸力永磁磁极的结构示意图；
图12示出了本说明书提供的涡流制动磁铁的另一种实施方式示意图；
图13示出了磁轭的横截面的示意图；
图14示出了比普通电磁磁极矮的电磁磁极示意图；
图15示出了比普通永磁磁极矮的永磁磁极示意图。
以上附图的附图标记：涡流制动磁铁-1，磁轭-11，磁极-12，支撑臂-2、支撑滚轮-3；121至128分别表示8个磁极，9表示一个端板，10表示另一个端板，11表示磁轭；51表示接线柱，52表示绕组，53表示外壳，54表示铁芯；71表述外壳，72表述永磁体，73表示软磁材料。
具体实施方式
结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
轨道线性涡流制动磁铁组件通常由涡流制动磁铁1、支撑臂2、支撑滚轮3等构成，涡流制动磁铁1包括磁轭11和磁极12，如图1所示。涡流制动施加时，涡流制动磁铁与钢轨之间产生平行于轨道方向的制动力及垂直于轨道方向的吸力，垂向吸力导致磁轭发生弯曲变形。
本说明书中所述的“垂向”是指垂直于钢轨或铁轨所在平面的方向。
根据材料力学的理论，磁轭中间部位的弯矩和挠度最大，且挠度值对中间磁极的吸力最敏感。因此，控制弯曲变形的关键在于提高磁轭中间部位的抗弯刚度和控制各磁极垂向吸力的分布。
发明人对“各磁极垂向吸力与磁轭中间部位的挠度之间的关系”进行了研究。具体研究过程如下：将图1所示的涡流制动磁铁简化为图2所示的简支梁受力模型，其中，Fai(i＝1,2,……,8)表示各磁极上所产生的垂向吸力，然后，应用叠加法分析各磁极吸力对磁轭中间位置挠度的影响，计算各磁极分别施加1kN垂向吸力时中间部位产生的挠度，并将各磁极分别对应的挠度归一化(即各磁极分别对应的挠度/各磁极分别对应的挠度中的挠度最大值)，观察各磁极产生的挠度相对比值，得到结果如图3所示。
从图3中可以看出，磁轭中间部位的挠度值对中间磁极的垂向吸力Fa3、Fa4、Fa5、Fa6比较敏感，例如垂向吸力Fa4所产生的挠度约为Fa1所产生的挠度的1.3倍，垂向吸力Fa3所产生的挠度约为Fa1所产生的挠度的1.1倍。因此，理论上可以通过协调各磁极的吸力分布，实现涡流制动磁铁垂向变形可控并且涡流制动磁铁的总体吸力最大，由于吸力与制动力正相关，所以最终可实现涡流制动力最大。
基于上述分析，本说明书提供一种涡流制动磁铁，该涡流制动磁铁用于在钢轨或铁轨上行驶的轨道交通车辆的制动系统。如图1、图4及图12所示，该涡流制动磁铁包括磁轭11和设置在磁轭11下方的多个磁极12。
磁轭11通过两侧的支撑臂设置在轨道交通车辆的底部。
在轨道交通车辆制动的情况下，靠近磁轭中点的磁极所产生的垂向吸力小于远离磁轭中点的磁极所产生的垂向吸力；其中，磁轭中点位于两侧支撑臂的距离中点。
在一些实施例中，任意相邻的两个磁极中，靠近磁轭中点的磁极所产生的垂向吸力小于或等于远离磁轭中点的磁极所产生的垂向吸力。
在图4和图12中，121至128分别表示8个磁极，9表示一个端板，10表示另一个端板，11表示磁轭。
在轨道交通车辆制动的情况下，磁极124、125所产生的垂向吸力可以小于磁极121、122、123、126、127、128所产生的垂向吸力；也可以是以磁极124、125之间的界线作为起点，从起点至端板9或10的方向上，各磁极所产生的垂向吸力依次增大。以下为了表述方便，将靠近磁轭中点的磁极简称为中间磁极，将远离磁轭中点的磁极简称为两端磁极。
需要说明的是，根据图3，每个磁极对挠度的影响均不相同，理论上可以将所有磁极设置成不同规格，但是为了方便生产组装，不建议设计较多规格，一般情况下采用2至3种不同的规格即可满足要求。根据各磁极所产生的垂向吸力对挠度的影响程度，可以优先减小中间磁极所产生的垂向吸力，如不满足挠度要求再减小其相邻磁极所产生的吸力。例如，优先将磁极124和磁极125设计成小吸力磁极，如不满足挠度要求，再将磁极123和磁极126也设计成小吸力磁极，以此类推。
在一些实施例中，多个磁极均为电磁磁极，所有磁极必须串联以保障制动安全，因此所有磁极的励磁电流相同。为了使磁极产生不同的吸力，靠近磁轭中点的磁极与远离磁轭中点的磁极在以下至少一个方面不同，以使得靠近磁轭中点的磁极所产生的垂向吸力小于远离磁轭中点的磁极所产生的垂向吸力：绕组匝数、铁芯截面积、铁芯材料。
图5示出了普通电磁磁极的结构示意图，其中，51表示接线柱，52表示绕组，53表示外壳，54表示铁芯。普通电磁磁极可以作为上述两端磁极。图6至图8示出了三种形式的小吸力磁极的结构示意图，图6至图8中的电磁磁极可以作为上述中间磁极。
图6与图5所示的电磁磁极的区别在于：绕组匝数减少了，因此励磁磁势比普通磁极小，在电磁磁极整体体积不变的情况下空余绕线空间由外壳补充；图7与图5所示的电磁磁极的区别在于：铁芯截面积增大，那么相应地，在电磁磁极整体体积不变的情况下绕组匝数就减少了；铁芯截面积与绕组匝数存在使吸力最大的最优搭配，可以通过调整二者的参数可以实现中间磁极吸力比普通磁极吸力小；图8与图5所示的电磁磁极的区别在于：铁芯材料的导磁性能比图5中铁芯材料的导磁性能稍差，如使用中高碳钢，由此引起中间磁极对应的气隙磁密较小，从而对应的吸力较小，绕组、外壳与普通磁极相同。
在另一些实施例中，多个磁极均为永磁磁体，靠近磁轭中点的磁极与远离磁轭中点的磁极在以下至少一个方面不同，以使得靠近磁轭中点的磁极所产生的垂向吸力小于远离磁轭中点的磁极所产生的垂向吸力：永磁体的磁体所在的空间、永磁体的磁能积。
对于永磁体励磁的涡流制动磁铁，永磁体必须包覆在保护壳内，可以通过调整永磁体的牌号(也即磁能积)或者体积改变永磁体的体积，进而改变磁极所产生的垂向吸力。
图9示出了普通永磁磁极的结构示意图，其中，71表述外壳，72表述永磁体，73表示软磁材料。图10和图11示出了两种形式的小吸力永磁磁极的结构示意图。图9所示的永磁磁极可以作为上述两端磁极，图10和图11所示的永磁磁极可以作为上述中间磁极。
图10与图9所示的永磁磁极的区别在于：图10的永磁体比图9的永磁体体积小，为使图10与图9中磁极的外形尺寸相同，在图10的永磁体上叠加一层软磁材料；图11与图9所示的永磁磁极的区别在于：图11的永磁体与图9的永磁体尺寸相同，但牌号不同，选用了磁能积较小的永磁体规格。
在一些实施例中，如图4所示，磁轭的底面为平面。
在另一些实施例中，如图12所示，磁轭底面的中部向下凸起。在这种情况下，磁轭上方可以是平面的，也可以是中部向上凸起的，视转向架安装空间决定。
磁轭的横截面为工字型，如图13所示，横截面指垂直于钢轨长度方向的截面。根据材料力学，增加磁轭的横截面高度可以提高其抗弯刚度，截面高度指图4和图12所示的尺寸H。如图4和图12所示，如果受安装空间限制，磁轭中部可向上增加的截面高度有限，可将磁轭中部设计成向上下两个方向增加截面高度，将磁轭中部设计成鱼腹型，从而最大程度地提高磁轭中部的抗弯刚度。鱼腹型凸起的长度L及高度H可以根据转向架安装空间及抗弯刚度的具体要求进行设计调整。
为保证所有磁极的底面齐平，受磁轭中部向下增加高度的影响，中间磁极的高度需相应减小。
对于电励磁的磁极，中间磁极如图14所示，铁芯的横截面与图5所示的普通磁极相同，但铁芯高度相对较小，因此绕线空间较小、绕组匝数较少。
对于永磁体励磁的磁极，中间磁极如图15所示，永磁体体积比图7所示的普通磁极小。因此，无论涡流制动磁铁的类型是电磁铁还是永磁铁，中间磁极的磁势均比两端磁极小，由此导致中间磁极的垂向吸力比两端磁极小。
下面以图4所示的涡流制动磁铁为例，来说明本方案的技术效果。由于涡流制动力与所产生的垂向吸力正相关，并且垂向吸力是引起磁轭垂向变形的主要原因，因此将垂向吸力作为优化目标，在磁轭挠度不超过2mm的约束条件下将吸力优化至最大。若所有磁极规格相同，则各磁极的垂向吸力需控制在3.57kN以下，即各磁极总体的垂向吸力控制在28.56kN以下。若磁极设计为2种规格，磁极123至磁极126的垂向吸力不超过每磁极2.70kN，磁极121、磁极122、磁极127、磁极128的垂向吸力不超过每磁极4.70kN，即各磁极总体的垂向吸力控制在29.60kN以下，则磁轭的挠度也满足不超过2mm的要求，但本发明涡流制动磁铁的总体垂向吸力比单一磁极规格涡流制动磁铁的吸力提高了约3.6％。根据垂向吸力与涡流制动力的正相关关系，以及垂向吸力与制动力提升比例的设计经验，可以推测本方案中涡流制动磁铁的平均制动力将比单一磁极规格涡流制动磁铁的制动力提高3.6％以上。
本说明书所提供的涡流制动磁铁，将各磁极设计成不同垂向吸力水平，中间磁极的垂向吸力相对较小，两端磁极的垂向吸力相对较大，使垂向吸力分布更加合理，从而实现磁轭的垂向挠度可控，同时又可获得较大的涡流制动力。通过将磁极设计成不同吸力水平，优化磁极吸力在磁轭上的分布，实现在安装空间和磁轭挠度限定的前提下获得较高的涡流制动力。
本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。
披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。
多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
以上仅为本发明的几个实施方式，虽然本发明所揭露的实施方式如上，但内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。
Claims (9)
1.一种涡流制动磁铁，其特征在于，所述涡流制动磁铁用于在钢轨或铁轨上行驶的轨道交通车辆的制动系统；所述涡流制动磁铁包括：
磁轭，通过两侧的支撑臂设置在所述轨道交通车辆的底部；
设置在磁轭下方的多个磁极；在所述轨道交通车辆制动的情况下，靠近磁轭中点的磁极所产生的垂向吸力小于远离磁轭中点的磁极所产生的垂向吸力；其中，磁轭中点位于两侧支撑臂的距离中点。
2.根据权利要求1所述的涡流制动磁铁，其特征在于，任意相邻的两个磁极中，靠近磁轭中点的磁极所产生的垂向吸力小于或等于远离磁轭中点的磁极所产生的垂向吸力。
3.根据权利要求1所述的涡流制动磁铁，其特征在于，所述多个磁极采用2或3种不同的规格。
4.根据权利要求2所述的涡流制动磁铁，其特征在于，所述多个磁极均为永磁磁极；
靠近磁轭中点的磁极与远离磁轭中点的磁极在以下至少一个方面不同，以使得靠近磁轭中点的磁极所产生的垂向吸力小于远离磁轭中点的磁极所产生的垂向吸力：永磁体的磁体所在的空间、永磁体的磁能积。
5.根据权利要求2所述的涡流制动磁铁，其特征在于，所述多个磁极均为电磁磁极；
靠近磁轭中点的磁极与远离磁轭中点的磁极在以下至少一个方面不同，以使得靠近磁轭中点的磁极所产生的垂向吸力小于远离磁轭中点的磁极所产生的垂向吸力：绕组匝数、铁芯截面积、铁芯材料、铁芯高度。
6.根据权利要求5所述的涡流制动磁铁，其特征在于，各电磁磁极的励磁电路是串联的。
7.根据权利要求1所述的涡流制动磁铁，其特征在于，所述磁轭的底面为平面。
8.根据权利要求1所述的涡流制动磁铁，其特征在于，所述磁轭底面的中部向下凸起。
9.根据权利要求8所述的涡流制动磁铁，其特征在于，所述磁轭上方的中部向上凸起。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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