CN117162795A - 一种基于永磁体阵列和闭合线圈组的悬浮导向一体化磁悬浮机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于永磁体阵列和闭合线圈组的悬浮导向一体化磁悬浮机构，包括悬浮车体和悬浮轨道两部分，悬浮车体由悬浮架和永磁体阵列组成，悬浮轨道由独立的闭合线圈组排列固定在轨道梁上的底座，闭合线圈组包括两个作用层边，一个作用层边与轨道面平行、一个作用层边与轨道面呈一定的倾斜角度，平行层边、斜层边分别与相应位置的车载永磁体阵列平行布置，永磁体阵列与闭合线圈组的平行层边、斜层边之间设置气隙，悬浮车体下部安装直线驱动电机的动子，地面安装直线电机定子以驱动悬浮车体沿轨道运行，当悬浮车体沿轨道运行时，车载永磁体阵列在闭合线圈组内产生感应电流，感应电流与永磁体阵列的相互作用实现悬浮车体与轨道非接触运行。
Description
技术领域
本发明涉及磁悬浮系统领域，具体涉及一种基于永磁体阵列和闭合线圈组的悬浮导向一体化磁悬浮机构。
背景技术
高速磁悬浮列车、电磁驱动发射设备等地面电磁驱动系统，可以将发射体在短时间内从零加速到很高的运行速度，这个过程通常能够在不到1秒时间内完成。电磁驱动形式的系统相比于传统的机械式轮轨交通或蒸汽式发射，电磁驱动的能量具有利用率高、速度精准可控、运行平稳等优点。
直线电磁驱动中车架的支撑系统是保证电磁驱动系统稳定运行的关键因素。从接触方式来说，车架的支撑方式包括机械支撑系统、气浮导轨系统以及磁悬浮系统几大类。其中，机械式支撑系统利用轮轨或者滑撬，车架与轨道之间存在较大的摩擦力，并且支撑体磨损严重；气浮导轨则存在悬浮效率较低，支撑不稳定等问题。利用磁悬浮方式实现车辆的无机械接触支撑技术近几年得到较快发展，磁悬浮技术主要有电磁悬浮和电动悬浮两种方式，后者的优势在于牵引运行过程中，悬浮间隙较大，具有自调节功能、结构简单等优点，尤其是永磁电动悬浮，不会像超导体电动悬浮技术存在失超的风险，更加经济节能、稳定可靠。
但是，通常的永磁电动悬浮系统由于采用了导体板式整块反应板，造成涡流损耗大，相比超导电动悬浮技术，磁悬浮力与磁阻力之比相对较低，会给电机驱动带来阻力，影响系统驱动加速能力。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于永磁体阵列和闭合线圈组的悬浮导向一体化磁悬浮机构，基于电动斥力式磁悬浮原理，具有无机械摩擦，自调节悬浮导向间隙等优点，同时磁悬浮力与磁阻力之比较高。本发明以永磁体作为励磁源，独立闭合的线圈组排列组成悬浮轨道。当车载永磁源磁场与悬浮导向线圈组轨道间存在相对运动时，励磁源磁场会在短路线圈组内产生感应电流，感应电流与源磁场相互作用进一步产生悬浮力。通过合理设计悬浮导向线圈组轨道的拓扑形式，可以在使用相同励磁源的同时使机构同时实现悬浮和导向功能。本发明采用单匝或多匝导线缠绕的闭合线圈组构成的轨道可以有效提高悬浮导向系统的浮阻比性能，而且高速运行过程中导体轨道的趋肤效应更小。本发明为可用于高速磁悬浮列车、高速电磁驱动发射系统中同时实现悬浮和导向功能的磁悬浮机构，以减小发射过程中发射体所受的阻力。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于永磁体阵列和闭合线圈组的悬浮导向一体化磁悬浮机构，包括悬浮车体和悬浮轨道，悬浮车体包括悬浮架、上部永磁体阵列、下部永磁体阵列、车载支撑轮、设置在悬浮车体下部的直线电机次级动子；悬浮轨道包括独立闭合线圈模块组，支撑轨道，安装固定底座，固定在支撑轨道上的直线驱动电机长定子和轨道梁。
进一步地，车载的上部永磁体阵列和下部永磁体阵列为采用多块磁钢组成的Halbach方式排布阵列，每块磁钢安装在固定套筒中，上部永磁体阵列和下部永磁体阵列与悬浮架左右上下对称位置安装、刚性连接；车载支撑轮安装在悬浮架的左右两侧，落在支撑轨道上，车载支撑轮能够收起、左右可以导向。
进一步地，所述独立闭合线圈模块组为封装成独立的模块，每个线圈组由N匝导线闭合绕制成空芯绕组或采用Litz线闭合绕制成空芯绕组，N为大于或等于1的正整数；独立闭合线圈模块组沿着悬浮架前进方向紧密铺设，悬浮架左右两侧上部安装的上部永磁体阵列与两侧独立闭合线圈模块组的平行层边平行并分别设置第一气隙和第二气隙；悬浮架两侧下部安装的下部永磁体阵列与两侧独立闭合线圈模块组的斜层边平行并分别设置第三气隙和第四气隙，独立闭合线圈模块组安装在地面的安装固定底座上。
进一步地，所述独立闭合线圈模块组的平行层边与支撑轨道面平行，斜层边与支撑轨道面间具有一定的夹角。
进一步地，所述独立闭合线圈模块组的平行层边与支撑轨道面平行，斜层边与平行层边(41)之间具有一定的夹角。
进一步地，所述独立闭合线圈模块组在安装固定底座敷设的长度要远长于悬浮架的长度。
进一步地，采用长初级直线电机驱动方式，电机的直线电机次级动子安装在悬浮车体上；直线驱动电机长定子安装在地面轨道上，直线驱动电机长定子与轨道梁的上平面平行垂直或放置，采用单边初级长定子或双边初级长定子，相应地，直线电机次级动子轨道梁的上平面平行或垂直放置。
悬浮车体上安装放置于套筒中的永磁体作为励磁源，并且优选地，车载励磁源使用的永磁磁钢应具有尽量大的矫顽力，同时磁钢排列方式采用可实现一侧磁密加强的Halbach阵列排布，每相邻两块磁钢的充磁间隔角为180°/N，N为大于或等于4的正整数。悬浮轨道由独立的短路线圈模块密集排列而成。当悬浮车体在直线电机驱动下开始运行，永磁体在短路线圈中感应出电流和源磁场之间的相互作用产生悬浮力。
本发明中组成悬浮轨道的独立短路线圈模块可选单匝或多匝导线绕制，并且优选地，模块内线圈可由多匝Litz线绕制而成。线圈的上边沿平行于地面以及车载的上部永磁体阵列；线圈的下边沿平行于车载的下部永磁体阵列，但是与上边沿之间存在一定的倾斜角度。当悬浮车体在运行过程中出现横向偏移，则悬浮车体左右两侧的下部的气隙将不再平衡，此时小气隙侧对应的磁体相比于大气隙侧对应的磁体将受到更多的横向力，在差动横向力作用下能够使悬浮车体强制对中实现自导向功能。
有益效果：
本发明中所述机构的悬浮导向功能均基于电动悬浮原理实现，当悬浮车体的运行速度为零或小于起浮速度时，依靠轮轨支撑车体的运行；当运行速度超过起浮速度后，永磁磁钢所受悬浮力开始大于悬浮车体自重，此时上侧气隙会随着悬浮力的增大而增大，车架上的支撑轮收起后即与轨道脱离，列车进入悬浮状态。导向功能的工作与悬浮相似，依靠差动实现。由于悬浮导向功能的本质为电动式斥力悬浮，因此系统本身具有自调节悬浮导向间隙的特性，无需施加外部主动控制，减小了电磁驱动系统中车辆悬浮系统的复杂性。此外，线圈式电动悬浮系统相比于板式电动悬浮，具有更好的浮阻比性能，可以减少发射车体在高速运行条件下所受到的磁阻力。
附图说明
图1为本发明的一种基于永磁体阵列和闭合线圈组的悬浮导向一体化磁悬浮机构实施例一的整体结构示意图；
图2为本发明的一种基于永磁体阵列和闭合线圈组的悬浮导向一体化磁悬浮机构实施例二的整体结构示意图；
图3为独立闭合线圈模块实施例一的三维排列示意图；
图4为独立闭合线圈模块实施例二的三维排列示意图；
图5为悬浮车体的俯视二维结构示意图；
图6为由双边永磁Halbach阵列与独立闭合线圈组构成的悬浮导向系统的侧视二维示意图；
图7为由双边永磁Halbach阵列与独立闭合线圈构成的悬浮导向一体化磁浮机构的实施例一的正视二维示意图；
图8为由双边永磁Halbach阵列与独立闭合线圈构成的悬浮导向一体化磁浮机构的实施例二正视二维示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1、图2、图3和图4所示，本发明的一种基于永磁体阵列和闭合线圈组的悬浮导向一体化磁悬浮机构由两部分组成，即悬浮车体以及悬浮轨道。悬浮车体主要包括悬浮架1，安装于悬浮架1左右两侧上部的上部永磁体阵列2，安装于悬浮架1左右两侧下部的下部永磁体阵列3，车载支撑轮5以及悬浮车体下部的直线电机次级动子8。一侧的上部永磁体阵列2和下部永磁体阵列3构成一组悬浮磁体阵列模块。悬浮轨道主要由独立闭合线圈模块组4，支撑轨道6，轨道梁10及其安装固定底座7，直线驱动电机长定子9等部分组成。独立闭合线圈模块4包括长垂直边43、立短垂直边45，长垂直边43、立短垂直边45与平行层边41和斜层边42共同组成闭合线圈。轨道梁10固定在支撑轨道6上。
直线驱动电机长定子9的形式可选择直线同步电机、直线异步电机、直线横磁通电机、直线永磁磁通切换电机、直线感应子电机等，需要满足提供超高速运行、大推力输出要求的直线电机。
独立闭合线圈模块组4成型后安装在具有较高强度的支撑材料上后，作为悬浮轨道整体固定在悬浮轨道的安装固定底座7上，且独立闭合线圈模块组4内优选采用多匝Litz导线绕制，以抑制高速运行情况下悬浮轨道线圈内感应涡流的趋肤效应。
如图3和图4所示，独立闭合线圈模块组4的平行层边41与悬浮轨道面平行，斜层边42与悬浮轨道面间具有一定的夹角。
如图5所示，一个悬浮架1上安装两对车载支撑轮5，分别为第一车载支撑轮5-1、第二车载支撑轮5-2、第三车载支撑轮5-3、第四车载支撑轮5-4，当悬浮车体处于静止以及低速运行阶段时起到支撑作用；另外，一个悬浮架1上共携带四组上部永磁体阵列2，分别为第一上部永磁体阵列2-1、第二上部永磁体阵列2-2、第三上部永磁体阵列2-3、第四上部永磁体阵列2-4，安装在如图5所示的位置结构件上，四部永磁体阵列分布于悬浮架1的四角处。当悬浮车体在加速至起浮速度后的起到悬浮与导向的作用。
如图6所示，描述了图1所示实施例中双边永磁Halbach阵列与独立闭合线圈之间的二维磁场分布与作用力分布情况。独立闭合线圈模块组4构成的悬浮轨道夹在车载的上部永磁体阵列2和下部永磁体阵列3之间，上部永磁体阵列2和下部永磁体阵列3均采用Halbach阵列排布，图6中所示实施例的一对极内磁钢充磁夹角为45°。以右侧悬浮导向系统为例，当上部永磁体阵列2和下部永磁体阵列3开始相对独立闭合线圈模块组4运行，独立闭合线圈的上下边沿均衡切割永磁磁场并在独立闭合线圈内感应产生电流，独立闭合线圈上边沿的感应电流与上部永磁体阵列2的源磁场之间的相互作用贡献了系统所受到的主要悬浮力Fyr1，同时也伴随产生了与运行方向相反的磁阻力Fxr1；相似的，独立闭合线圈下边沿的感应电流与下部永磁体阵列3的永磁磁场之间的相互作用则产生了与悬浮力相反的力Fyr2，如果考虑上下边沿之间的倾斜角，则力Fyr2的垂向分量会抵消部分Fyr1的悬浮效果。但是磁阻力的方向与悬浮车体运行方向相反，因此不会受到悬浮线圈下边沿倾角的影响，运行过程中悬浮车体所受阻力Fx即为所有磁体磁阻力之和：
Fx＝Fxl1+Fxl2+Fxr1+Fxr2
式中Fxl1与Fxl2分别为悬浮车体左侧上部、下部永磁体阵列在运行过程中与独立闭合线圈模块组4之间感应产生的阻力，Vx为悬浮车体运行速度。
如图7、图8所示，组成悬浮轨的两侧独立闭合线圈平行层边与斜边具有一定的夹角θ，当上部永磁体阵列2、下部永磁体阵列3运动并在线圈内感应产生电流的条件下，悬浮轨道与上部永磁体阵列2、下部永磁体阵列3之间的相互作用产生的悬浮力Fy的表达式为：
Fy＝|Fyl1+Fyr1-(Fyl2+Fyr2)·cosθ|
以附图7为实施例一，上式中Fyl1为第二上部永磁体阵列2-2与独立闭合线圈模块组4-2平行层边之间的电磁作用力，Fyl2为第二下部永磁体阵列3-2与独立闭合线圈模块组4-2斜层边之间的电磁作用力，θ独立闭合线圈平行层边与斜边之间的夹角。图7中，下部永磁体阵列包括第一下部永磁体阵列3-1和第二下部永磁体阵列3-2。
由于悬浮车体运行过程中，如图7所示，通常情况下第一上侧气隙10-1、第二上侧气隙10-2会大于第一下侧气隙11-1、第二下侧气隙11-2，如图8所示，第一上侧气隙10-1、第二上侧气隙10-2会大于第一下侧气隙11-1、第二下侧气隙11-2，在差动的作用下悬浮车体整体会受到方向向上的悬浮力，而高速时下部永磁体阵列3可以起到防止列车脱轨以及改善垂向振动的作用。
如图7所示，悬浮架1左右两侧上部安装的上部永磁体阵列2与两侧独立闭合线圈模块组4的平行层边41平行，且第一上部永磁体阵列2-1与右侧独立闭合线圈模块组4-1的平行层边之间存在第一上侧气隙10-1；第二上部永磁体阵列2-2与左侧独立闭合线圈模块组4-2的平行层边之间存在第二上侧气隙10-2。悬浮架1左右两侧下部安装的下部永磁体阵列3与两侧独立闭合线圈模块组4的斜层边42平行，且第一下部永磁体阵列3-1与右侧独立闭合线圈模块组4-1的斜层边之间存在第一下侧气隙11-1；第二下部永磁体阵列3-2与左侧独立闭合线圈模块组4-2的斜层边之间存在第二下侧气隙11-2。
附图8为实施例二，如图8所示，悬浮架左右两侧上部安装的上部永磁体阵列2与两侧独立闭合线圈模块组4的斜层边平行，且右侧第一上部永磁体阵列2-1与右侧第一独立闭合线圈模块组4-1的斜层边之间存在第一上侧气隙10-1；上部左侧永磁体阵列2-2与左侧独立闭合线圈模块组4-2的斜层边之间存在第二上侧气隙10-2。悬浮架左右两侧下部安装的下部永磁体阵列3与两侧独立闭合线圈模块组4的平行层边平行，且第一下部永磁体阵列3-1与右侧独立闭合线圈模块组4-1的平行层边之间存在第一下侧气隙11-1；第二下部永磁体阵列3-2与左侧独立闭合线圈模块组4-2的平行层边之间存在第二下侧气隙11-2。
以图7作为典型实施例，当悬浮车体运行在较高速度下且车体存在横向偏移时，以列车向右偏移为例，此时第一下部永磁体阵列3-1对应的第一下侧气隙11-1减小，第二下部永磁体阵列3-2对应的第二下侧气隙11-2增大，则此时第一下部永磁体阵列3-1所受排斥力Fyr1将大于第二下部永磁体阵列3-2所受排斥力Fyr2，同样在差动的条件下横向合力能够将悬浮车体推回悬浮轨道正中，因此导向力Fz表达式为：
Fz＝(Fyr2-Fyl2)·sinθ
图8中导向力的描述与计算过程与图7类似，不再赘述。
为了满足车体的对中回复能力，倾斜角θ的取值可以根据发射体最高运行速度下的导向力，导向刚度需求进行优选设计。
如图1、图2，以及图6、图7、图8所示，根据悬浮车体最高的运行速度，可以在设计时对独立闭合线圈模块组4的上下边沿倾角θ进行设计，倾角越大，则悬浮车体在高速运行的条件下能够产生的对中导向力以及导向刚度越大，反正则越小。
本发明在其全运行速度范围内的工作过程可以描述为：在悬浮轨道的起点处，悬浮车体静止不动，此时车载的上部永磁体阵列2和下部永磁体阵列3与独立闭合线圈模块组4之间没有相对运动，悬浮车体依靠车载支撑轮5在支撑轨道6上能够进行滑动；发射开始时，地面安装的直线驱动电机长定子9的绕组内通入多相交变电流，此时直线驱动电机长定子9与直线电机次级动子8之间的电磁作用推动悬浮车体使其具有初速度以及加速度，当悬浮车体的运行速度小于起浮速度时，产生的悬浮力不足以使悬浮车体悬浮，因此此时车体依然依靠车载支撑轮滑动；当悬浮车体的运行速度超过起浮速度后，此时悬浮车体所受悬浮力能够克服自身重力，可将车载支撑轮收起使列车仅依靠悬浮力与悬浮轨之间进行无接触运行，同时此时横向的自由度通过车载下部永磁体阵列3产生的导向力进行约束；当达到最大速度后，为了防止悬浮车体脱出轨道运行，此时直线驱动电机进入制动工作状态，同时随着运行速度的减小第一上侧气隙10-1，第二上侧气隙10-2逐渐减小直到锁死的车载支撑轮5与支撑轨道6接触进行摩擦制动；在悬浮车体即将接近悬浮轨道尽头的时候，支撑轨道6上的机械制动装置应开始工作强制将悬浮车体的运行速度降低至零，并结束整个运行过程。
上述针对示例性实施例的具体描述为参照附图说明的关于本发明的一些相关原理，而本发明的保护范围并不局限于这一种示例性实施例。凡是根据上述描述作出各种可能的替换以及改变的实施例，都被认为属于本发明的权利要求保护范围。
Claims (7)
1.一种基于永磁体阵列和闭合线圈组的悬浮导向一体化磁悬浮机构，其特征在于：包括悬浮车体和悬浮轨道，悬浮车体包括悬浮架(1)、上部永磁体阵列(2)、下部永磁体阵列(3)、车载支撑轮(5)、设置在悬浮车体下部的直线电机次级动子(8)；悬浮轨道包括独立闭合线圈模块组(4)，支撑轨道(6)，安装固定底座(7)，固定在支撑轨道(6)上的直线驱动电机长定子(9)和轨道梁(10)。
2.根据权利要求1所述的一种基于永磁体阵列和闭合线圈组的悬浮导向一体化磁悬浮机构，其特征在于：车载的上部永磁体阵列(2)和下部永磁体阵列(3)为采用多块磁钢组成的Halbach方式排布阵列，每块磁钢安装在固定套筒中，上部永磁体阵列(2)和下部永磁体阵列(3)与悬浮架(1)左右上下对称位置安装、刚性连接；车载支撑轮(5)安装在悬浮架(1)的左右两侧，落在支撑轨道(6)上，车载支撑轮(5)能够收起、左右可以导向。
3.根据权利要求1所述的一种基于永磁体阵列和闭合线圈组的悬浮导向一体化磁悬浮机构，其特征在于：所述独立闭合线圈模块组(4)为封装成独立的模块，每个线圈组由N匝导线闭合绕制成空芯绕组或采用Litz线闭合绕制成空芯绕组，N为大于或等于1的正整数；独立闭合线圈模块组(4)沿着悬浮架(1)前进方向紧密铺设，悬浮架(1)左右两侧上部安装的上部永磁体阵列(2)与两侧独立闭合线圈模块组(4)的平行层边(41)平行并分别设置第一气隙(10-1)和第二气隙(10-2)；悬浮架(1)两侧下部安装的下部永磁体阵列(3)与两侧独立闭合线圈模块组(4)的斜层边(42)平行并分别设置第三气隙(11-1)和第四气隙(11-2)，独立闭合线圈模块组(4)安装在地面的安装固定底座(7)上。
4.根据权利要求3所述的一种基于永磁体阵列和闭合线圈组的悬浮导向一体化磁悬浮机构，其特征在于：所述独立闭合线圈模块组(4)的平行层边(41)与支撑轨道面平行，斜层边(42)与支撑轨道面间具有夹角。
5.根据权利要求3所述的一种基于永磁体阵列和闭合线圈组的悬浮导向一体化磁悬浮机构，其特征在于：所述独立闭合线圈模块组(4)的平行层边(41)与支撑轨道面平行，斜层边(42)与平行层边(41)之间具有夹角。
6.根据权利要求3所述的一种基于永磁体阵列和闭合线圈组的悬浮导向一体化磁悬浮机构，其特征在于：所述独立闭合线圈模块组(4)在安装固定底座(7)敷设的长度要远长于悬浮架(1)的长度。
7.根据权利要求1所述的一种基于永磁体阵列和闭合线圈的悬浮导向一体化磁悬浮机构，其特征在于：采用长初级直线电机驱动方式，电机的直线电机次级动子(8)安装在悬浮车体上；直线驱动电机长定子(9)安装在地面轨道上，直线驱动电机长定子(9)与轨道梁(10)的上平面平行或垂直放置，采用单边初级长定子或双边初级长定子，相应地，直线电机次级动子(8)与轨道梁(10)的上平面平行或垂直放置。
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| CN117394639A (zh) * | 2023-12-11 | 2024-01-12 | 深圳市克洛诺斯科技有限公司 | 一种高精度直线电机模组 |
| CN117394639B (zh) * | 2023-12-11 | 2024-02-20 | 深圳市克洛诺斯科技有限公司 | 一种高精度直线电机模组 |
| CN118029205A (zh) * | 2024-04-10 | 2024-05-14 | 西南交通大学 | 一种V型halbach永磁轨道 |
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