CN1173846C - 永磁感应悬浮与导向装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于磁悬浮车或其它运动物体的悬浮与导向装置，它不需超导体，也不需要传感器及控制系统进行悬浮与导向，而是利用车上的π形永磁体阵列与矩形轨道感应线圈相对运动时感应磁场进行悬浮与导向的。也可以将矩形轨道感应线圈装在车上，π形永磁体阵列装在轨道上。它是一个自稳定系统，并且投资低，安全性好，即使高速运行时突然停止电力及蓄电池供电也不会出事故，它会缓慢平稳地停下来，它可以用于高速悬浮列车及城市轨道交通，噪声极低，也可用于火箭发射助推器及永磁悬浮轴承。

Description

永磁感应悬浮与导向装置

(一)技术领域：是一种利用磁场将运动的车厢或运动物体悬浮起来并导向的装置。

(二)背景技术：现阶段磁悬浮车主要有超导斥力悬浮和常导吸力悬浮两种方式。日本对超导斥力悬浮车的研究较多，首期投入30亿美元。在试验线上时速已达552km，但因可靠性、成本、噪声等问题实用前景不佳，99年日本政府已停止二期试验线30亿美元的拨款^[1]。常导吸力磁悬浮车德国研究投入较多，修建了总长31.5km，直线段12km的试验线，在直线段实验时速达400多公里，上海已建成33km这样的游览线。但被德国人称为“具有里程碑意义的柏林——汉堡磁悬浮铁路”于2000年2月决定停建呢^[2]。投入几十亿元进行研究为什么停建呢？既懂车辆动力学又懂电机的人一日了然：双轨直线同步电机驱动双轨串联供电，悬浮磁场兼作直线同步电机的励磁磁场，悬浮磁场在不断地调节，以保持悬浮高度在(8±4)mm范围内变化，并且两轨不同步，这使双轨直线电机功率不断地变化，将动力转化为一力矩，给车辆造成动力干扰，诸如此类的方案上原理性的错误使其在工程上无法实用。近年来西南交通大学得到“863”计划支持将高温超导用于磁悬浮车取得成功^[3]。但其缺点是要在两条轨道上布置稀土永磁体，不仅投资高，而且保护维修困难，更严重的问题是列车高速运行时稀土永磁体发热的问题目前还无法解决，稀土永磁体温升到摄氏一百多度就会失去磁性。

永磁悬浮的好处是不需要不断地供给电能，因此受到重视。但是仅用永磁体的吸力或斥力悬浮是不稳定的，多数已将永磁体与电磁铁结合起来使用，但人们对于稀土永磁体电阻很小的影响认识不足，将稀土永磁体与电磁铁硅钢片铁芯串联使用，为使悬浮稳定在对电磁铁磁场进行调节时，磁通的变化在永磁体中产生电涡流生热，稀土永磁体温升会失去磁性。若用铁氧体永磁材料，虽然电阻很大，但磁能积太小，自重太大，也没有实用价值。本人曾研究出解决办法，将电磁铁与永磁体并联，并用两个方向的电磁铁分别控制悬浮高度的变大和变小，以“双向电磁铁控制永磁悬浮及导向装置”为名申请了发明专利，已于2001年12月26日授权，专利号：ZL99117471.2，国际专利主分类号：B60L13/04。永磁感应悬浮与导向装置是利用永磁体悬浮的另一种方式。美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室也利用永磁体进行悬浮研究。

(三)发明内容：本发明要解决的技术问题是用永磁体及感应线圈构成永磁感应悬浮与导向装置，使其在磁悬浮车等运用中比现有技术一次投资、维修费低，并且安全哥靠。解决其技术问题采用的技术方案是用稀土永磁体构成横截面为π形的π形永磁体阵列，安装在车厢底面的两边，π形永磁体阵列的开口罩在矩形轨道感应线圈上，π形永磁体阵列的水平部分的作用是悬浮，两侧部是导向；感应线圈底面与轨道支撑结构之间敷设一层铜或铝板对经线圈底面闭合的感应磁场进行屏蔽；沿轨道长的方向一长度单元π形永磁体阵列截面由8块永磁体A、B、C、D、E、F、G、H组成，其中永磁体A、C、D、F、G、H为立方体或长方体定向永磁体，永磁体B、E在π形永磁体阵列转弯外，采用四分之一圆柱体非定向永磁体，永磁体A、B、C、D、E、F粘牢后整体充磁，永磁体G、H粘在一起充磁后再塞入A、F间粘牢；矩形轨道感应线圈是由同心的多层矩形短路环构成的平面线圈，再沿轨道紧密排列而成，矩形短路环的横截面为矩形，其较宽的一边平行于轨道长的方向，较窄的一边在铅垂方向，开车时车厢的车轮在钢轨上滚动，当时速达10km时开始悬浮并导向。

本发明与背景技术对照有益效果：本发明与美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室所采用的悬浮方式其原理都是基于英国物理学家法拉第在1831年所发现的电磁感应定律。本发明的π形永磁体阵列比劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的Halbach阵列产生更强的导向力，对于同一速度的磁悬浮列车可采用较小的曲线半径，并且列车从悬浮状态减速时车轮能够准确地落在钢轨上。线圈中的感应磁场多一侧向约束，增加线圈上部的磁通。否则磁通大量的从侧面闭合而减小了对悬浮与导向有用的磁通。在感应线圈结构方面，线圈由多层矩形短路环组成，矩形环从小到大，从内向外层层相套组成一平面线圈，许多线圈沿轨道长的方向紧密排列组成轨道感应线圈。矩形短路环用横截面为矩形的漆包线焊成，漆包线较宽的边在水平方向，较窄的一边在铅垂直方向，其有益的效果是永磁阵列的磁力线分布在悬浮高度方向是不均匀的，悬浮高度因空气动力影响而波动时在铅垂直方向穿过线圈导线的磁通就会有变化，磁通的变化感应出涡旋电流阻止悬浮高度波动。在两侧同样也有防止车体横向摆动的效果，这就解决了劳伦斯·利弗莫尔实验室提出的几个技术问题中的一个：“为了使Inductrack乘坐起来更加舒适，系统必须防止由空气动力造成的摇动。”当磁悬浮列车运行时永磁阵列在轨道感应线圈中产生的磁场频率是较高的，本发明在轨道线圈底面布置一层铜板或铝板，对感应磁场有屏蔽作用，使感应磁场不通过轨道线圈底边闭合，增强悬浮及导向磁场。

(四)附图说明：图1为车箱、轨道横截面图，图中略去了车轮及钢轨，图2为图1中A-A向剖视图。

图1中：

1.1——车厢，                              1.2——π形永磁体阵列，

1.3——矩形轨道感应线圈                    1.4——轨道支撑结构。

图2中：

2.1——π形永磁体阵列，                    2.2——矩形短路环横截面，

2.3——π形永磁体阵列磁力线的分布，        2.4——感应磁场屏蔽板(铜或铝)。

S、N为永磁体极性的常规标识，A、B、C、D、E、F、G、H为沿轨道方向π形永磁体阵列一个长度单元内的永磁体。

(五)具体实施方式：如附图1所示，将π形永磁体阵列1.2安装在车厢1.1底部的两边，π形永磁体阵列的开口罩在矩形轨道感应线圈1.3上，在低速时车厢下的车轮在钢轨上滚动(图中略去了车轮及钢轨)，当时速大于10km时(视永磁体用量及车体重量而定)π形永磁体阵列1.2在矩形轨道感应线圈1.3中感应出极性相同的磁场，在斥力作用下将车厢浮起，π形永磁体阵列两侧部分产生的斥力进行导向。当车速不变在空气动力等外界干扰下悬浮高度变小时斥力非线性地增加，在悬浮和导向方面均是一个恢复力很强的自稳定系统。

本发明π形永磁体阵列的内部结构：图2为图1A-A向剖视图的主要部分。在图1中沿轨道长方向一个长度单元π形永磁体阵列2.1由8块永磁体A、B、C、D、E、F、G、H组成，其中永磁体A、C、D、F、G、H为立方体或长方体定向永磁体，永磁体B、E在π形永磁体阵列转弯处，采用四分之一圆柱体非定向永磁体，永磁体A、B、C、D、E、F粘牢后整体充磁，永磁体G、H粘在一起充磁后再塞入A、F间粘牢。这样可以改善磁力线的分布，提高悬浮性能。π型永磁体阵列的两边与此类同。考虑到永磁体的生产工艺每块的边长不宜过大，也不宜过小，太小了π形永磁体阵列磁力线的分布2.3范围小，悬浮高度不高。利用以上永磁体及感应轨结构悬浮并导向的磁悬浮车是最安全、廉价、舒适的自稳定磁悬浮车，其驱动方式与其它磁悬浮车一样用直线电机。

本发明是将法拉第电磁感应定律应用于磁悬浮车。π型永磁体阵列安装在车厢底部两边，π型永磁体阵列的开口罩在轨道上的紧密排列的矩形感应线圈上。在低速时车厢依靠车轮在轻便钢轨上运行，时速大于10km时矩形轨道感应线圈中感应出极性相反的磁场，在斥力的作用下进行悬浮并导向。

本发明的矩形轨道感应线圈的结构：在图1中，矩形轨道感应线圈1.3是由同心的多层矩形短路环构成的平面线圈沿轨道紧密排列而成。矩形短路环从小到大，由内向外层层相套。矩形短路环横截面2.2为矩形，用横截面为矩形的漆包线铜焊而成，漆包线横截面较宽的一边在轨道长方向，较窄的一边在铅垂方向，矩形平面线圈的长短边之比按悬浮力与导向力之比的要求确定，另一方面在正常悬浮高度时图2中的π形永磁体阵列磁力线的分布2.3的最外层不要穿过短路环最内层下长边的漆包线，否则会使感应磁场减弱。

由于π形永磁体阵列的外形，内部结构及矩形轨道感应线圈的结构，使得该发明永磁体用量少，感应磁场利用率高，并能产生阻止车厢各方向波动的阻尼，成为最安全、廉价、舒适的不需控制系统的自稳定磁悬浮车。

本发明的永磁感应悬浮与导向装置也可以将感应线圈装在需悬浮的运动物体上，π形永磁体阵列装在轨道上。

以上两种方式中π形永磁体阵列也可以用电磁铁代替。

本发明的永磁感应悬浮与导向装置也可以用作发射火箭的助推器，火箭运动一段距离后再点火，其好处是能节省火箭所带燃料，并且是冷发射，发射地点不会被卫星红外跟踪器发现、锁定、摧毁。

如果将π形永磁体阵列及矩形轨道感应线圈做成同心圆环，低速旋转时用其它轴承，相对旋转到一定速度时就成为永磁感应悬浮轴承。

Claims (5)

1.永磁感应悬浮与导向装置，是一种利用磁场将运动的物体悬浮起来并导向的装置，其特征是：横断面为π形的π形永磁体阵列(1.2)安装在车厢(1.1)底面的两边，π形永磁体阵列的开口罩在矩形轨道感应线圈(1.3)上，π形永磁体阵列的水平部分的作用是悬浮，两侧部分是导向；感应线圈底面与轨道支撑结构之间敷设一层铜或铝板对经线圈底面闭合的感应磁场进行屏蔽，沿轨道长的方向一个长度单元π形永磁体阵列截面由8块永磁体A、B、C、D、E、F、G、H组成，其中永磁体A、C、D、F、G、H为立方体或长方体定向永磁体，永磁体B、E在π形永磁体阵列转弯处，采用四分之一圆柱体非定向永磁体，永磁体A、B、C、D、E、F粘牢后整体充磁，永磁体G、H粘在一起充磁后再塞入A、F间粘牢：矩形轨道感应线圈(1.3)是由同心的多层矩形短路环构成的平面线圈，再沿轨道紧密排列而成，矩形短路环的横截面(2.2)为矩形，其较宽的一边平行于轨道长的方向，较窄的一边在铅垂方向，开车时车厢的车轮在钢轨上滚动，当时速达到10km时开始悬浮并导向。

2.根据权利要求1所述的永磁感应悬浮与导向装置，其特征是：可以将矩形轨道感应线圈安装在需要悬浮的运动的物体上，π型永磁体阵列装在轨道上。

3.根据权利要求1和2之一所述的永磁感应悬浮与导向装置，其特征是：其π形永磁体阵列可以用电磁铁代替。

4.根据权利要求1和2之一所述的永磁感应悬浮与导向装置，其特征是：可以用作发射火箭的助推器，火箭运动一段距离后再点火。

5.根据权利要求1和2之一所述的永磁感应悬浮与导向装置，其特征是：将π形永磁体阵列及矩形轨道感应线圈作成同心圆环，相对旋转到一定速度时成为永磁感应悬浮轴承。