CN1478688A - 斥力型自导向磁悬浮列车车体、路轨及高速列车 - Google Patents

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Abstract

本发明为磁悬浮列车车体、配合车体使用的路轨,以及包括二者的高速列车。列车车体由一个或一个以上的单个车体构成,其中:(1)每个单个车体底部的横断面均呈上宽下窄的等腰梯形状;(2)每个单个车体底部的两个斜面上均紧固有只浮板,所说只浮板上带有永磁体;(3)至少一个单个车体底部的两个斜面上还紧固有驱动板,只浮板与驱动板在车体底部的紧固位置相互错开不重叠,所说驱动板上带有金属板栅状电枢、板栅形电枢的栅条沿车体的横向排列,并于两侧端部短接。路轨基坑的横断面均呈上宽下窄的等腰梯形状,于路轨基坑的两个斜面上铺设有能产生磁场、且与车体底部只浮板相对面为相同磁极的路轨。有益效果:技术简单、成本低但使用安全。

Description

斥力型自导向磁悬浮列车车体、路轨及高速列车
所属技术领域本发明属磁悬浮列车技术,具体涉及磁悬浮列车车体、配合车体使用的路轨,以及包括二者的高速列车。
本发明磁悬浮列车车体的技术方案是:列车车体由一个或一个以上的单个车体构成,其中,1、每个单个车体底部的横断面均呈上宽下窄的等腰梯形状;2、每个单个车体底部的两个斜面上均紧固有只浮板,所说只浮板上带有永磁体;3、至少一个单个车体底部的两个斜面上还紧固有驱动板,只浮板与驱动板在车体底部的紧固位置相互错开不重叠,所说驱动板上带有金属板栅状电枢、板栅形电枢的栅条沿车体的横向排列,并于两侧端部短接。
本发明磁悬浮列车路轨的技术方案是:路轨基坑的横断面均呈上宽下窄的等腰梯形状,于路轨基坑的两个斜面上铺设有能产生磁场、且与车体底部只浮板相对面为相同磁极的路轨。这样,路轨与车体底部只浮板之间的磁斥力就能把列车浮起。路轨可以为永磁体,也可以为动态跟踪、分段供电的激磁路轨。
本发明磁悬浮列车车体与路轨是相互关联的、必须同时使用。
本发明高速列车包括上述磁悬浮列车车体和路轨。
以下进一步分析磁浮原理:如果在间隙相同的条件下,从斥力等效的观点,将装设于车底、对车体产生总斥力的多个只浮板,折合成为一个等效的直流磁势F1;同时,将路轨上与之相正对面积范围内的“磁元”总合,也折合为一个等效直流磁势F2,则可以推导出一个十分简单的浮托力公式:浮托力=(综合系数)×(F1×F2)/(计算间隙)=车体总重其中,综合系数反映实测值与理论值之间的差异。计算间隙并不等于车、路间的机械间隙,它取决于具体的物理结构和相应的数学模型。
将上列公式移项,可得到计算间隙的表达式:计算间隙=(综合系数)×(F1×F2)/车体总重如果路轨方的F2为常量,我们可以在只浮板的永磁体上复合以直流电磁铁让其成为复合磁体,则口负馈调节”只浮板上直流电流的大小、让F1与车体总重成正比,就可以保持间隙守恒。
采用直流方式,由于没有涡流存在,磁铁线圈中的电阻损失要比交流方式小,而且所产生的斥力是恒定的而不是脉动的。如果采用纯永磁方式,则运行时的磁浮成本可以为零。
实际上,车体底部紧固的驱动板与能产生磁场的路轨共同构成了驱动列车前进的直线单向直流电机。该直线单向直流电机工作时,于板栅形电枢的两侧端部加上一个直流电压,则板栅形电枢就会沿轨道纵向不断前进。以下说明该直线单向直流电机的工作原理:图1是法拉第“单向电机”的原型。图中,1是蹄形永磁铁,2是金属圆盘,3是由圆盘7边沿上引出的“+”电极接线端子,4是由转轴上引出的“-”电极接线端子;5是作发电机使用时的摇手柄。当将摇手柄5沿顺时针方向转动时,在圆盘周沿和转轴的两个滑动电刷之间,便建立起一个直流电势。如果在接线端子3和4之间接通负载,电流就会沿负载电路从“+”极流向“-”极。根据电机的“可逆性原理”,如果将换能的方向倒过来,在“+”、“-”两个电刷之间,从外部加上一个直流电压,并将转轴上的摇手柄5取下,换成机械负载。此时,电流将在圆盘2上从“周沿”流向“轴心”,而圆盘2在电动力的作用下,仍将按顺时针方向转动。
图2的“单向电机”,是将图1中的圆盘2拓朴映射(topological mapping)变形为一条金属履带6,并让履带6在N-S磁极间“转动”的另一种结构方案。若在“+”、“-”两个电刷之间,从外部加上一个直流电压,履带6将按顺时针方向转动。单极电机有许多派生形式。但它们有共同点:1)没有“整流子”(即换向器);2)必须以“无限送进”的方式进行“切割式”的电磁感应。
在上面的两个单向电机的实体模型中,“无限送进”的切割运动,是由圆盘或者履带的持续转动来实现的。而本发明中,将单向直流电动机的激磁元件派生成金属板栅状电枢模式。这样,路轨的磁性路面,正好是“无限长”的“单磁极定子”,列车的前进行为,正好就是这个单向直流电动机“无限送进”的“切割式”的电磁感应运动。可看出在本发明中,列车的“驱”、“浮”两种基本功能,以最简单的方式,在车上彼此独立,在路轨上彼此兼容。
之所以采用金属板栅状电枢而不是整块金属,是为了避免涡流损耗和使电流能均匀分布。金属板栅状电枢最好为铜排或铝排,但也可以是在钢板上开槽、槽中放入铜条或铝条,然后用铜带或铝带在两侧端部短接而成。
金属板栅状电枢载流后受到的电动力F=BLI(B为磁感应密度,L为电枢的长度,I为电枢电流)就带着列车向前运动。从F=BLI公式可以看出:L与‘导体’根数是常量;当不调整“间隙”的大小时,B也是常量。故电动力F的大小,与电流I成正比。列车在F的作用下,先是作加速运动;当空气的阻力随车速增长到与F相等时,列车进入匀速行进状态。显然F越大,达到匀速状态时的车速V就越高。故调电流I即是调力F;调力F即是调速度V。
电流I的大小是可以连续变化的,故此处调节速度V是属于无级调速。对比之下,直流电机的大范围调速,比交流电机要简易、方便得多,也经济得多。交流机的调速一般要通过变频电源来实现。绕线转子内串电阻的调速方式在这种场合不适用。即使用了,也不经济。
现分析车体受力。先分析浮悬状态下车体的受力关系:面向车前进方向,图3和4中,力(如fL,fR)、间隙(如δL,δR)的下标“L”表示“左”,下标“R”表示“右”,梯形的“腰面”与地面的夹角为θ,左弯时轨面的法线向内倾角为φ,C为车体重心,G为车体重力。在左边的“腰面”上,车体的底部受到垂直于表面的斥力为fL;它的向上分量为fLY;向右分量为fLX。  同样,右边“腰”面上受到垂直于表面的斥力为fR;其向上和向左分量分别为fRY和fRX。从图3可以看出:左、右斥力的向上分量是两个大小相等的同向平行力,它们的合力正好与车体总重G平衡。而左、右斥力的水平分量却等值而反向,它们的效应相当一对“夹挤力”,其作用是使车体自动居中:因为若车体偏左,则左边的间隙δL必小于右边的间隙δR,左边的斥力必大于右边的斥力,二者的水平分量差必将把偏左的车体推向右方。车体偏右时,则斥力的水平分量差会把车体推向左方。这就使车体在左、右方向实现了自动归中。如果车体已经居中,那么左右斥力的水平分量差就等于零。
见图4,当列车进入弯道时,外侧(即离心侧)的间隙减小,外侧斥力自动增大;而内侧(向心侧)的间隙则增大,内侧斥力自动减小。此时外侧斥力大于内侧斥力,左右斥力的水平分量差,将提供转弯所必需的导向力。为防止列车在弯道范围内发生离心倾覆,弯道区域的口轨面口的法线仍需要作向心倾斜,这一原则与常规铁路的弯道设计相同。
本发明的有益效果是:所提供的磁悬浮列车车体、配合车体使用的路轨,以及包括二者的高速列车技术简单、成本低但使用安全。
附图说明
图1为法拉第单向电机的原型结构示意图。
图2为一种派生形式的单向电机原型结构示意图。
图3为悬浮状态下车体的受力分析图。
图4为弯道区域内车体的受力分析图。
图5为实施例中车体与路轨基坑的横断面形状示意图,其中7为车体、8为路轨基坑。
图6为实施例中驱动列车前进的直线单向直流电机的立体结构示意图。
图7为实施例中车体底部只浮板和驱动板的紧固位置示意图。
以上实施例仅对发明做进一步的说明,而本发明的范围不受所举实施例的局限。

Claims (6)

1.一种斥力型自导向磁悬浮列车车体,其特征是:列车车体由一个或一个以上的单个车体构成,其中,(1)每个单个车体底部的横断面均呈上宽下窄的等腰梯形状,(2)每个单个车体底部的两个斜面上均紧固有只浮板,所说只浮板上带有永磁体,(3)至少一个单个车体底部的两个斜面上还紧固有驱动板,只浮板与驱动板在车体底部的紧固位置相互错开不重叠,所说驱动板上带有金属板栅状电枢、板栅形电枢的栅条沿车体的横向排列,并于两侧端部短接。
2.如权利要求1所说的磁悬浮列车车体,其特征是:只浮板的永磁体上复合以直流电磁铁让其成为复合磁体。
3.如权利要求1所说的磁悬浮列车车体,其特征是:驱动板上带有的金属板栅状电枢由硬铜条制成。
4.一种斥力型自导向磁悬浮列车路轨,其特征是:路轨基坑的横断面均呈上宽下窄的等腰梯形状,于路轨基坑的两个斜面上铺设有能产生磁场、且与车体底部只浮板相对面为相同磁极的路轨。
5.如权利要求4所说的自导向磁悬浮列车路轨,其特征是于路轨基坑的两个斜面上铺设有永磁体。
6.一种高速列车,其特征是包括包括权利要求1的磁悬浮列车车体和权利要求4的路轨。
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