CN117485136A - 一种永磁自然悬浮实现横向稳定的永磁坡结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了永磁自然悬浮实现横向稳定的永磁坡结构，包括：左侧磁轨、右侧磁轨、左侧磁轮、右侧磁轮、上侧向轮和下侧向轮，磁轮坡，磁轨坡，左侧磁轨和右侧磁轨通过相同坡度的磁轨坡固定安装于转向架的构架两侧的轨道上；左侧磁轮和右侧磁轮通过相同坡度的磁轮坡固定安装于转向架的构架的两侧，其中，所述左侧磁轮位于所述左侧磁轨的上方且与所述左侧磁轨相对设置；所述右侧磁轮位于所述右侧磁轨的上方且与所述右侧磁轨相对设置。本发明使得采用永磁自然悬浮的悬挂式空轨车辆转向架沿线路运行时始终趋向于可描述的、明确的几何迹线运行，即具备了对中运行的功能，从而解决了目前悬挂式空轨没有对中运行功能的问题，可提高车辆运行的平稳性。
Description
技术领域
本发明涉及轨道运输车辆技术领域，更具体的说是涉及一种永磁自然悬浮实现横向稳定的永磁坡结构。
背景技术
以下论述中“垂向”指重力加速度方向，“纵向”为前进方向，“横向”指“垂向”和“纵向”的水平方向，“侧向”指相对线路或转向架纵向中心线而言的两侧。
以下论述中“磁轨”指沿“纵向”两侧敷设的永磁体轨道，“磁轮”指固定安装于车辆转向架上的、与“磁轨”通过永磁体同性相斥实现自然悬浮的永磁体。
磁悬浮方式以非接触形式支撑物体并沿轨道运输，消除了机械摩擦，因而将其应用于轨道运输装置具有极大的吸引力。目前用于轨道客运车辆的主流磁悬浮方式有三种，分别是电磁悬浮、电动悬浮和高温超导钉扎悬浮，这3种方式实现横向稳定的措施各不相同，都需要付很高的代价，其中电磁悬浮需要电磁铁及复杂的控制系统，电动悬浮需要超导磁体及复杂的轨道悬浮导向线圈，高温超导钉扎悬浮需要在轨道外磁场中冷却置于低温保持器中的高温超导块材。3种主流磁悬浮方式保持悬浮和横向稳定所需要的复杂技术措施和成本，制约了磁悬浮在轨道运输车辆中的广泛应用。
现实中早已认识到永磁体之间同性相斥就可实现自然悬浮，但1842年英国物理学家恩绍就指出单靠永磁体不能使一个6自由度磁体保持稳定悬浮状态，这一特征使得轨道运输车辆采用永磁体自然悬浮非常困难。要实现永磁体自然悬浮的实用化，就必然要解决横向稳定问题，而解决该问题的途径只能是增加辅助机构，但至今在永磁体自然悬浮车辆方面的探索并没有提出令人满意的横向稳定机构。
早在2004年，李岭群团队就尝试采用永磁悬浮的悬挂式车辆，其匹配线路不到100米，后继未取得更多进展。近年来江西理工大学提出并实施了采用永磁自然悬浮的悬挂式磁悬浮轨道交通系统，建设有近1公里的工程试验线和全要素工程化样车，是轨道交通运输装置采用永磁自然悬浮的最新和最全面的探索，该项目中为保持车辆的横向稳定，在转向架两侧布置有机械轮导向。在永磁自然悬浮采用机械轮导向的同时，也开展了增加导向电磁铁的研究。
以目前工程化实施的悬挂式永磁悬浮空轨转向架为例，分析其采用的保持横向稳定的方法。该转向架由“转向架构架”及其上安装的“侧向轮”和“磁轮”，以及其他功能部件组成，如下图1所示，图中仅示意与悬浮、导向有关的功能件。
敷设于线路两侧的“磁轨”与“磁轮”相对应，利用永磁体同性相斥原理实现自然悬浮，但由于悬浮位置没有横向力，因此就不存在稳定平衡位置，因而采用4个“侧向轮”结构，当转向架发生侧滑时，最终可通过侧向轮达到横向平衡。
在此基础上，也提出了其他非接触的横向稳定方案，如电磁铁主动控制，所有技术方案的共性特征是两侧结构镜向对称。
现有技术中，由于永磁悬浮处没有横向作用力(可通俗地理解为根部打滑不稳)，因此不存在名义上的横向稳定位置，或者说每个时刻的名义平衡位置都不相同，侧向轮的接触具有随机性，导致运行过程中的振动噪声较大。即使采用轮胎式支撑的传统悬挂式空轨也存在类似问题，只是承载轮胎与轨道间因存在摩擦力而不会有侧滑，使得侧向轮随机性接触产生的负面影响没有永磁自然悬浮突出。
永磁悬浮的侧滑还与悬浮间隙有关，间隙越小越容易滑动，因而转向架姿态就越容易发生变化，变化过程中侧向轮受到的惯性力就越大，且由于空重车差别和垂向振动，导致侧向轮受到的垂向干摩擦力越大，影响侧向轮的可靠性和寿命，因此实际应用中悬浮工作高度不能过小，这就需要增加磁轨和磁轮的永磁体用量，以通过增加磁场强度提升悬浮工作高度，难以充分发挥永磁体自然悬浮在小间隙下的强大斥力以减小永磁体用量提升系统经济性。
由于悬浮高度不宜过小，而磁场强度随悬浮间隙的衰减又很大，导致空重车载荷发生变化时，悬浮高度的变化范围较大，使侧向轮在工作中垂向高度变化范围大，由于侧向轮垂向并非滚动摩擦而是滑动摩擦，因此侧向轮的可靠性进一步被削弱。
发明内容
本发明的目的在于提供一种永磁自然悬浮实现横向稳定的永磁坡结构，以期解决背景技术中的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种永磁自然悬浮实现横向稳定的永磁坡结构，包括：左侧磁轨、右侧磁轨、左侧磁轮、右侧磁轮、上侧向轮和下侧向轮，磁轮坡，磁轨坡，左侧磁轨和右侧磁轨通过相同坡度的磁轨坡固定安装于转向架的构架两侧的轨道上；
左侧磁轮和右侧磁轮通过相同坡度的磁轮坡固定安装于转向架的构架的两侧，其中，所述左侧磁轮位于所述左侧磁轨的上方且与所述左侧磁轨相对设置；所述右侧磁轮位于所述右侧磁轨的上方且与所述右侧磁轨相对设置；
上侧向轮和下侧向轮安装于转向架的构架上，且相对构架均能绕垂向轴自由回转；上侧向轮和下侧向轮的转轴在同一轴线上，上侧向轮位于磁轮坡上方，下侧向轮位于磁轨坡下方。
在一些实施例中，所述磁轮坡与磁轨坡坡度相等，两者呈中心对称设置，且磁轮坡的坡面与磁轨坡的坡面相对设置。
在一些实施例中，所述上侧向轮距离磁轮坡面的垂向距离和下侧向轮距离磁轨坡面的垂向距离相等。
在一些实施例中，磁轮坡通过焊接或螺接于转向架的构架形成固定连接。
在一些实施例中，磁轨坡通过焊接或螺接于轨道形成固定连接。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
本发明的目的是通过将左右两侧的永磁悬浮面人为设置成同方向有一定水平倾角的斜坡，借助永磁悬浮的侧滑特性使整个转向架滑向一侧，并同时在该侧通过机械轮方式或其他如电磁铁方式约束转向架横移，从原理上构建起转向架的名义平衡位置，该位置与外部干扰无关，即不会在外部干扰下发生改变。这一结构措施的左右两侧不是镜像对称，人为设置的“永磁坡”将永磁悬浮的侧滑特性由劣势转变为优势，即正是因为永磁自然悬浮的侧滑特性才能构建出稳定的名义平衡位置。
附图说明
图1为现有技术中非接触的转向架横向稳定的示意图；
图2为本申请的永磁自然悬浮实现横向稳定的永磁坡结构示意图。
图3为本申请的永磁自然悬浮实现横向稳定的永磁坡受力示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请的优选实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以使固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。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在本申请中的具体含义。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或显示不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或显示固有的其它步骤或单元。
以下将结合图2，对本申请实施例所涉及的一种永磁自然悬浮实现横向稳定的永磁坡结构进行详细说明。值得注意的是，以下实施例，仅仅用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
实施例1:
如图2-3所示，一种永磁自然悬浮实现横向稳定的永磁坡结构，包括：左侧磁轨、右侧磁轨、左侧磁轮、右侧磁轮、上侧向轮和下侧向轮，磁轮坡，磁轨坡，左侧磁轨和右侧磁轨通过相同坡度的磁轨坡固定安装于转向架的构架两侧的轨道上；
左侧磁轮和右侧磁轮通过相同坡度的磁轮坡固定安装于转向架的构架的两侧，其中，所述左侧磁轮位于所述左侧磁轨的上方且与所述左侧磁轨相对设置；所述右侧磁轮位于所述右侧磁轨的上方且与所述右侧磁轨相对设置；
上侧向轮和下侧向轮安装于转向架的构架上，且相对构架均能绕垂向轴自由回转；上侧向轮和下侧向轮的转轴在同一轴线上，上侧向轮位于磁轮坡上方，下侧向轮位于磁轨坡下方。
图2中，左侧磁轨8和右侧磁轨5通过相同坡度的磁轨坡6固定安装于轨道1上，磁轨坡6可以是独立部件通过焊接或螺接与轨道1形成固定连接。
左侧磁轮9和右侧磁轮4通过相同坡度的磁轮坡3固定安装于车辆转向架的构架2上，磁轮坡3可以是独立部件通过焊接或螺接与构架2形成固定连接。
磁轮坡3与磁轨坡6坡度相等。上侧向轮10和下侧向轮7安装于构架2上，且相对构架可以绕垂向轴自由回转；上侧向轮10和下侧向轮7的转轴在同一轴线上，上侧向轮10位于永磁支撑面上方，下侧向轮7位于永磁支撑面下方，上侧向轮10和下侧向轮7距永磁支撑面的垂向距离基本相等。
左侧磁轮9和左侧磁轨8在物理意义上构成“左侧永磁坡”，右侧磁轮4和右侧磁轨5在物理意义上构成“右侧永磁坡”。“左侧永磁坡”和“右侧永磁坡”在物理意义上构成了完整的“永磁坡”。
在“永磁坡”作用下，构架整体滑向左侧，并依靠上侧向轮10和下侧向轮7在横向压紧轨道1的左侧壁，轨道1的左侧壁成为构架2的横向稳定平衡位置，在运行过程中始保持与轨道1的左侧壁稳定接触，其横向力取决于“永磁坡”的坡度设置。
“永磁坡”位于上侧向轮10和下侧向轮7的中部，因此上侧向轮10和下侧向轮7的横向力在理论上相等。
本发明在物理意义上取得的上述效果，使得永磁自然悬浮在横向获得稳定的平衡位置，解决了目前悬挂式空轨没有稳定的横向平衡位置的核心问题；可以采用更小的永磁悬浮间隙充分发挥永磁自然悬浮的斥力，从而减小永磁体用量，提升系统经济性；空重车载荷发生变化时，坡度导致悬浮重叠面随载荷增大而增大，随载荷减小而减小，因此悬浮高度的变化范围更小，有利于减小上侧向轮10和下侧向轮7因垂向高度变化产生的滑动摩擦。
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 (5)
1.一种永磁自然悬浮实现横向稳定的永磁坡结构，其特征在于，包括：左侧磁轨、右侧磁轨、左侧磁轮、右侧磁轮、上侧向轮和下侧向轮，磁轮坡，磁轨坡，左侧磁轨和右侧磁轨通过相同坡度的磁轨坡固定安装于转向架的构架两侧的轨道上；
左侧磁轮和右侧磁轮通过相同坡度的磁轮坡固定安装于转向架的构架的两侧，其中，所述左侧磁轮位于所述左侧磁轨的上方且与所述左侧磁轨相对设置；所述右侧磁轮位于所述右侧磁轨的上方且与所述右侧磁轨相对设置；
上侧向轮和下侧向轮安装于转向架的构架上，且相对构架均能绕垂向轴自由回转；上侧向轮和下侧向轮的转轴在同一轴线上，上侧向轮位于磁轮坡上方，下侧向轮位于磁轨坡下方。
2.根据权利要求1所述的一种永磁自然悬浮实现横向稳定的永磁坡结构，其特征在于，所述磁轮坡与磁轨坡坡度相等，两者呈中心对称设置，且磁轮坡的坡面与磁轨坡的坡面相对设置。
3.根据权利要求1所述的一种永磁自然悬浮实现横向稳定的永磁坡结构，其特征在于，所述上侧向轮距离磁轮坡面的垂向距离和下侧向轮距离磁轨坡面的垂向距离相等。
4.根据权利要求1所述的一种永磁自然悬浮实现横向稳定的永磁坡结构，其特征在于，磁轮坡通过焊接或螺接于转向架的构架形成固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种永磁自然悬浮实现横向稳定的永磁坡结构，其特征在于，磁轨坡通过焊接或螺接于轨道形成固定连接。
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