CN1808866B

CN1808866B - 永磁全补偿式磁悬浮结构

Info

Publication number: CN1808866B
Application number: CN 200510005618
Authority: CN
Inventors: 毕大川; 何叶青
Original assignee: BEIJING INSTITUTE FOR FRONTIER SCIENCE
Current assignee: BEIJING INSTITUTE FOR FRONTIER SCIENCE
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2005-01-21
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2025-01-21
Also published as: CN1808866A

Abstract

为了提高悬浮体在磁悬浮系统中的悬浮比，本发明提供了一种磁悬浮结构，包括：悬浮体；轨道；以及安装于上述悬浮体上且置于上述轨道下方的永磁体，其中，通过永磁体与轨道之间的吸引力，使悬浮体悬浮于上述轨道上。紧靠上述永磁体的外围安装有一个或多个电磁控制线圈，该电磁控制线圈与具有位置传感器的控制器连接，该控制器根据位置传感器的信息来控制上述电磁控制线圈中的电流，使得悬浮体与轨道之间的吸引力与悬浮体的重力相等，从而大大减少了悬浮功耗。磁体与导磁体的系统设计提高了悬浮比，从而可减少磁悬浮转向架上的磁模块长度，于是也可为减少转弯半径提供了选择。本发明使悬浮体能够始终处于永磁全补偿悬浮状态，提高了整个系统的有效负荷，也使悬浮功耗大大降低。

Description

永磁全补偿式磁悬浮结构

技术领域

本发明涉及一种永磁式磁悬浮结构，应用于各种运输领域如磁悬浮列车(悬浮控制系统)、以及相关工业运输设施。

背景技术

磁悬浮系统是利用磁力使负载与承载物不直接接触，从而具有无摩擦、无磨损、无污染、低能耗、低噪音、运输平稳等优点。磁悬浮列车以高速、平稳舒适、无污染、噪声低等为主要特点，目前正成为世界各国研究与开发的热点。

磁悬浮列车从其悬浮方式的原理上可分为电磁悬浮(EMS)和电动悬浮(EDS)两种。

由于磁悬浮系统主要应用于磁悬浮列车，下面我们以磁悬浮列车为例，来具体说明其基本工作原理。

磁悬浮列车的基本工作原理是利用安装在车体和/或轨道上的永磁铁或电磁铁之间的相互吸引力或者排斥力来实现悬浮。已有的EMS悬浮气隙一般约为8-10毫米，并在直线电机牵引下行驶。悬浮的气隙大小靠调节悬浮电磁铁线圈的电流来控制。

电磁式磁悬浮列车以德国的TR型和日本的HSST(High SpeedSurface Transport，高速表面传输)型为代表；电动式以日本的MLX型为代表。(这些现有技术均可参见《磁悬浮列车重大技术经济问题研究报告》——磁悬浮列车技术汇编1998.8)

已有的磁悬浮系统存在许多不足。例如，由于磁与磁之间的吸引、排斥力服从距离平方反比定律，也就是说当工作气隙作微小的波动时，会造成吸引、排斥力显著变化。因此，通常的电磁式磁悬浮很难克服在运行过程中的平稳性问题。而靠采用增加外部约束的方法(例如专利CN1173846C)所采用的技术，造成结构非常复杂，制造成本高昂。

此外，电磁式磁悬浮的悬浮比(负荷重量/磁引力系统重量)在6～7之间，电动式为7～8之间，而且电动式的超导磁悬浮系统需要液氦或液氮来维持超导材料在低温下的超导特性。其他的问题还包括电磁式磁悬浮的功耗在800瓦/吨～1000瓦/吨之间。上述问题造成了磁悬浮结构庞大复杂、转弯半径大、耗能高、运行及维护成本高昂等缺点。

发明内容

本发明的目的恰在于解决现有技术中所存在的不足，通过对应用永磁材料的磁悬浮结构进行设计，提高现有磁悬浮结构的悬浮比。

本发明提供了一种磁悬浮结构，包括：通过悬臂连接于悬浮体下方的永磁体模块；以及位于上述悬浮体与上述永磁体模块之间的轨道，轨道最好包括导轨和位于导轨下表面上的导磁结构，导磁结构与位于该导磁结构下方的永磁体模块彼此面对，最好导磁结构比永磁体模块更向轨道内侧偏离，以便使上述悬浮体通过磁吸引力稳定悬浮于上述轨道上方；通过上述永磁体模块与上述轨道之间的磁吸引力，使上述悬浮体悬浮于上述轨道上。

在本发明的磁悬浮结构中，导磁结构最好至少在其两侧具有面向下方的永磁体模块伸出的铁轨极靴。

在本发明的磁悬浮结构中，位于轨道外侧的铁轨极靴与轨道内侧平面之间的夹角最好为80～170度。

在本发明的磁悬浮结构中，导磁结构的铁轨极靴的厚度最好为20-60mm，所述厚度为铁轨极靴的法线方向，该法线方向与磁力线方向和运动方向垂直。

在本发明的磁悬浮结构中，导轨最好由纯铁、碳钢、合金钢、叠装的硅钢片、或者由软磁材料组装而成。

在本发明的磁悬浮结构中，导磁结构最好由纯铁、碳钢、合金钢、叠装的硅钢片、或者由软磁材料组装而成。

在本发明的磁悬浮结构中，导轨和导磁结构最好通过非导磁体材料结构用机械方式加以接合。

在本发明的磁悬浮结构中，永磁体模块最好包括导磁轭铁和位于导磁轭铁上表面上的永磁体，永磁体与位于该永磁体上方的轨道彼此面对。

在本发明的磁悬浮结构中，导磁轭铁的厚度最好为20-50mm。

在本发明的磁悬浮结构中，最好永磁体模块至少在导磁轭铁上表面上的两侧具有面向上方的轨道伸出的永磁体。

在本发明的磁悬浮结构中，紧靠永磁体的外围可以安装有一个或多个电磁控制线圈，该电磁控制线圈与具有位置传感器的控制器连接，该控制器根据位置传感器的信息来控制电磁控制线圈中流动的电流，使得悬浮体与轨道之间的吸引力与悬浮体的重力相等。

在本发明的磁悬浮结构中，最好永磁体各自的高度为30-100mm，宽度为30-120mm，纵向长度为30-100mm。

在本发明的磁悬浮结构中，永磁体最好是N33-N60钕铁硼、钐钴或者铁氧体。

在本发明的磁悬浮结构中，导磁轭铁最好由导磁材料构成。

在本发明的磁悬浮结构中，构成导磁轭铁的导磁材料最好为A3钢。

在本发明的磁悬浮结构中，导磁轭铁和永磁体最好通过非导磁体材料结构用机械方式加以接合。

在本发明的磁悬浮结构中，最好悬浮高度区间被设计成包含工作高度区间，当作为负荷的悬浮体的重力发生变化时，在该工作高度区间内存在某一高度，于此高度上相应的磁吸引力等于重力。

在本发明的磁悬浮结构中，最好悬浮高度区间为20mm-30mm，工作高度区间为7mm-25mm。

通过本发明的上述构成，克服了现有技术中磁悬浮结构的缺陷，使悬浮物能够始终处于悬浮状态，磁悬浮比高，不仅提高了整个系统的稳定性，降低了成本，而且噪声小，耗能低。

附图说明

图1示出了本发明的磁悬浮结构的一个例子；

图2示出了本发明的磁悬浮结构中的磁力线走向。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

图1示出了本发明的磁悬浮结构10的一个例子。以下以磁悬浮列车为例对本发明进行说明，但显然本发明也可应用于任何利用磁悬浮结构的设备上。

本发明磁悬浮列车的磁悬浮结构10包括轨道20和永磁体模块30。本发明的永磁体模块30通过安装在磁悬浮列车车体上的悬臂(图中未示出)，而悬置于导引列车行驶的固定轨道20的下方。通过对永磁体模块30和轨道20中的导磁结构2进行设计，使得在悬浮高度区间内的引力范围包含悬浮体从空载到满载时的工作重力区间范围。通过控制使悬浮体始终处在磁吸引力与悬浮体的重力相等的状态即磁力平衡状态，从而实现稳定悬浮。其中，悬浮高度例如为20-30mm，工作高度区间例如为7mm-25mm。

如图2所示，导磁结构2位于导轨1下方，图中所示的导轨1和导磁结构2由硅钢片叠装而成。硅钢片法线方向与磁力线方向和运动方向垂直。导磁结构2通过未图示的不锈钢螺栓与导轨1连接在一起。当然，上述导轨和导磁结构的材料不仅限于硅钢片，只要能达到本发明的效果，选用其它的材料也是可以的。例如，导轨和导磁材料还可以是纯铁、碳钢、合金钢或由多种软磁材料组装而成。而且，上述导轨和导磁结构既可以一体地形成，也可以在分别单独制作后通过各种机械方式加以连接。

导磁结构至少在其两个侧端分别具有铁轨极靴2a和2b，该铁轨极靴由朝向下方伸出的2个凸出部分构成，该2个凸出部分分别与下面的永磁体相互面对并利用磁力彼此吸引。其靠向导轨外侧的铁轨极靴2b与导轨的内端平面不一定是垂直的，而是二者之间倾斜有一定的角度。即，外侧的铁轨极靴2b与导轨的内端平面之间的角度为80～170°，优选为120～140°。这样的结构由于能够有效屏蔽磁力线的流失，因此可以显著提高悬浮体在运行过程中的稳定性。

铁轨极靴2面对轨道下面的永磁体模块30，该永磁体模块30的结构对应于铁轨极靴的结构，包括导磁轭铁4和分别位于该导磁轭铁4上面两侧的至少两个永磁体3。导磁轭铁4与永磁铁3通过非导磁体材料结构(图中未示出)用机械方式加以接合。永磁体的材料可以是钕铁硼、钐钴或铁氧体或其它永磁材料。导磁轭铁的材质例如是A3钢或其他导磁材料。

当然，铁轨极靴并不限于两个，例如可以设计成具有多个铁轨极靴，并且相应更改永磁体3的数目，使永磁体与铁轨极靴分别面对，以便更为有效地避免磁力线的流失，进一步提高悬浮比。

在紧靠上述永磁体3的外围安装有一个或多个电磁控制线圈，该电磁控制线圈与未图示的具有位置传感器的控制器连接，该控制器根据位置传感器的信息来控制上述电磁控制线圈中的电流的大小和方向，使与永磁体模块相连的图中未示出的悬浮体始终处在磁吸引力与悬浮体的重力相等的永磁全补偿状态(这里简称磁力平衡状态)，从而使悬浮体稳定悬浮于平衡点高度上。

作为一个例子，图2中永磁体3的尺寸是：单侧永磁体的宽度b大致等于构成轨道导磁结构的叠装硅钢片的总厚度，例如为40mm左右。永磁体3的高度a例如为50mm左右。导磁轭铁4的厚度c例如为25mm。而永磁体沿轨道方向的纵向长度例如是80mm。

本发明中各部件的尺寸并不仅仅局限于上述所给出的例子。本领域技术人员可以根据需要在一定的范围内进行取值，例如，永磁体3的高度a可以取为30-100mm，单侧的宽度b可以取为30-120mm，导磁轭铁4的厚度c可以取为20-50mm。

此外，轨道20中导磁结构2的硅钢片厚度d可以取为20-60mm，而永磁体3沿轨道方向的纵向长度则可以取为30-100mm。

在图2中示出了上述图1所示的本发明的磁悬浮结构中的磁力线走向分布。

图2中的箭头表示磁力线的走向。从图2可以看出，本发明磁悬浮结构能够使大部分磁力线在导磁回路中闭合，最大限度地减少磁力流失。

通过本发明的上述构成，克服了现有技术中磁悬浮结构的缺陷，使悬浮体能够在控制系统闭合后处于悬浮状态，节省悬浮电流的功耗。永磁体材质可以是N33-N60钕铁硼。在永磁体模块长度上的悬浮能力可达到悬浮比10-20。例如，用钕铁硼N33材料制作的永磁体可以使悬浮比超过12，应用N55钕铁硼永磁体可使悬浮比超过18。由于本发明磁悬浮结构的悬浮比大，因此有效载荷大于现有的磁悬浮结构。

本发明的这种设计提高了悬浮比及相应的工作高度区间，并可减小转向架的长度，从而与现有的磁悬浮列车相比，转弯半径小，选线自由度大，因而可以减小线路周围的净空，降低了造价，此外，对磁悬浮路轨精度要求低，可适应修建磁悬浮路轨的地段多，因而可减少拆迁、隧道和架桥等建筑费用。

最后，由于本发明的悬浮体始终可以控制在磁力平衡状态，基本的悬浮势能被永磁势能平衡从而实现全补偿，而控制电流仅用于稳定，因此本发明磁悬浮结构的功耗大幅减小。本发明磁悬浮结构的静态控制功耗能够达到1瓦/吨，动态悬浮电流功耗可小于30瓦/吨。

Claims

1.一种磁悬浮结构，包括：

通过悬臂连接于悬浮体下方的永磁体模块；以及

位于上述悬浮体与上述永磁体模块之间的轨道，轨道包括导轨和位于上述导轨下表面上的导磁结构，上述导磁结构与位于该导磁结构下方的上述永磁体模块彼此面对，导磁结构比上述永磁体模块更向轨道内侧偏离，以便使上述悬浮体通过磁吸引力稳定悬浮于上述轨道上方；

通过上述永磁体模块与上述轨道之间的磁吸引力，使上述悬浮体悬浮于上述轨道上。

2.根据权利要求1的磁悬浮结构，其中，上述导磁结构至少在其两侧具有面向下方的上述永磁体模块伸出的铁轨极靴。

3.根据权利要求2的磁悬浮结构，其中，位于上述轨道外侧的上述铁轨极靴与上述轨道内侧平面之间的夹角为80～170度。

4.根据权利要求2的磁悬浮结构，其中，

上述导磁结构的上述铁轨极靴的厚度为20-60mm，所述厚度为铁轨极靴的法线方向，该法线方向与磁力线方向和运动方向垂直。

5.根据权利要求1的磁悬浮结构，其中，上述导轨由纯铁、碳钢、合金钢、叠装的硅钢片、或者由软磁材料组装而成。

6.根据权利要求1的磁悬浮结构，其中，上述导磁结构由纯铁、碳钢、合金钢、叠装的硅钢片、或者由软磁材料组装而成。

7.根据权利要求1的磁悬浮结构，其中，上述导轨和上述导磁结构是通过非导磁体材料结构用机械方式加以接合的。

8.根据权利要求1的磁悬浮结构，其中，上述永磁体模块包括导磁轭铁和位于上述导磁轭铁上表面上的永磁体，上述永磁体与位于该永磁体上方的上述轨道彼此面对。

9.根据权利要求8的磁悬浮结构，其中，上述导磁轭铁的厚度为20-50mm。

10.根据权利要求8的磁悬浮结构，其中，上述永磁体模块至少在上述导磁轭铁上表面上的两侧具有面向上方的上述轨道伸出的永磁体。

11.根据权利要求10的磁悬浮结构，其中，紧靠上述永磁体的外围安装有一个或多个电磁控制线圈，该电磁控制线圈与具有位置传感器的控制器连接，该控制器根据位置传感器的信息来控制上述电磁控制线圈中流动的电流，使得上述悬浮体与上述轨道之间的吸引力与悬浮体的重力相等。

12.根据权利要求10的磁悬浮结构，其中，上述永磁体各自的高度为30-100mm，宽度为30-120mm，纵向长度为30-100mm。

13.根据权利要求10的磁悬浮结构，其中，上述永磁体是N33-N60钕铁硼、钐钴或者铁氧体。

14.根据权利要求8的磁悬浮结构，其中，上述导磁轭铁由导磁材料构成。

15.根据权利要求14的磁悬浮结构，其中，上述导磁材料为A3钢。

16.根据权利要求8的磁悬浮结构，其中，上述导磁轭铁和上述永磁体是通过非导磁体材料结构用机械方式加以接合的。

17.根据权利要求1的磁悬浮结构，其中，悬浮高度区间被设计成包含工作高度区间，当作为负荷的悬浮体的重力发生变化时，在该工作高度区间内存在某一高度，于此高度上相应的磁吸引力等于上述重力。

18.根据权利要求17的磁悬浮结构，其中，上述悬浮高度区间为20mm-30mm，上述工作高度区间为7mm-25mm。