CN217074053U - 一种永磁电动悬浮式驱动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种永磁电动悬浮式驱动装置，包括车体；轨道架设在地面上；直线驱动装置连接在所述车体下方且位于所述车体和所述轨道之间，所述直线驱动装置驱动所述车体沿所述轨道运动，所述直线驱动装置包括导体板、线圈和Halbach永磁体阵列，所述导体板、所述线圈和所述Halbach永磁体阵列相互作用实现整车的驱动和悬浮。解决了悬浮导向和驱动功能的问题。本实用新型优点是：提出一种轨道交通磁悬浮列车新制式,在列车转向架两侧端加装直线型Halbach永磁体阵列，同时在转向架中部加装车载感应导体板，可以实现在现有轨道两侧路面镶嵌导体板以及钢轨之间搭建定子铁芯与线圈绕组的情况下运行，与现有轮轨式列车可以同轨运行。

Description

一种永磁电动悬浮式驱动装置

技术领域

本实用新型涉及磁悬浮技术领域，具体而言，涉及一种永磁电动悬浮式驱动装置。

背景技术

现有国内自主设计的中低速常导电磁悬浮列车的最大运营速度为100 km/h，下一步有望提速至160 km/h的运营速度运行，而中低速常导电磁悬浮列车运行能耗较高，且不能实现大范围速度区间的运行。高速常导电磁悬浮列车目前所采用的直线同步电机，所需造价成本高、对土建地基要求较高且需要相对复杂的控制系统来实现不同区段的驱动控制等。常导电磁悬浮列车实现悬浮需要给车载电磁铁通以大电流，耗能较大；并且为功耗考虑，通常采取较小的悬浮间隙，这使得对轨道的要求较高。常导电磁悬浮列车通过电磁吸力实现悬浮，但这种吸力本身不稳定，需要复杂的控制系统实施主动控制。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供永磁电动悬浮式驱动装置，能解决上述问题。为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案如下：

本申请提供了一种永磁电动悬浮式驱动装置，包括：车体；

轨道，所述轨道架设在地面上；

直线驱动装置，所述直线驱动装置设置在所述车体和所述轨道之间，所述直线驱动装置包括导体板、线圈和Halbach永磁体阵列，所述导体板设置在所述车体和所述轨道之间,所述导体板、所述线圈和所述Halbach永磁体阵列相互作用实现所述车体的驱动和悬浮。

综合上述提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述导体板包括车载感应导体板和地面感应导体板，所述车载感应导体板设置转向架上，所述转向架设置所述车体下方，所述地面感应导体板嵌于地面上,所述线圈与所述车载感应导体板相互作用产生牵引力和制动力实现所述整车牵引和制动;所述Halbach永磁体阵列和所述地面感应导体板相互作用实现所述车体悬浮。

综合上述提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述线圈通过导线依次与电感和牵引逆变器相连，使得电源通过电感和牵引逆变器后，以三相交流电的形式通入所述线圈。

综合上述提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述车体下方设置有转向架，所述转向架的两侧分别设置有一个辅助轮，所述Halbach永磁体阵列设置有两组，两组所述Halbach永磁体阵列分别设置在所述车体的两侧。

综合上述提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述地面感应导体板内嵌有导向材料。

综合上述提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述转向架上安装有升降装置，所述升降装置设在所述Halbach永磁体阵列上方，所述升降装置用于调节所述Halbach永磁体阵列的高度。

综合上述提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述车体和所述线圈之间设置有制动装置，所述制动装置的输出端设置在所述转向架上,所述辅助轮上设置有制动盘,所述输出端与所述制动盘相互夹紧实现制动。

综合上述提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，线圈以交叉间隔方式阵列绕制在所述定子铁芯上。

综合上述提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述Halbach永磁体阵列与所述地面感应导体板作用产生的悬浮力会随所述车体运行速度的减小而降低。

综合上述提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述车体内设有可用于容纳设备舱的空间。

本实用新型的有益效果为：

1、本实用新型提出一种轨道交通磁悬浮列车新制式,在列车转向架两侧端加装直线型Halbach永磁体阵列，同时在转向架中部加装车载感应导体板，可以实现在现有轨道两侧路面镶嵌导体板以及钢轨之间搭建定子铁芯与线圈绕组的情况下运行，改装较为容易，结构比较简单，与现有轮轨式列车可以同轨运行。

2、采用直线感应电机作为驱动装置，相比高速常导电磁悬浮列车所采用的直线同步电机，其具有运行可靠性高、造价成本较低、制造和维护更加简便，对土建制造要求低等优点。

3、在启动加速阶段由直线感应电机通过牵引转向架来驱动辅助轮在钢轨上纵向前进，当车辆达到一定速度后，在两侧的悬浮驱动装置的作用下可以实现车辆悬浮，达到与地面钢轨零接触摩擦的目的。

4、在直线运行阶段是在车辆经启动加速后，车辆可以达到稳定悬浮状态，由直线驱动装置提供整车驱动力，同时整车可以在各地形下以及0-300 km/h速度区间内实现无人驾驶运行。

5、在上、下坡道运行阶段是通过改变定子线圈中的励磁电流，来控制车辆的驱动力大小，以实现上坡增大驱动，下坡减小驱动的功能，可以有效提高能源利用率，并且可以实现坡道悬浮功能。

6、在制动减速阶段是通过改变定子线圈电流方向，然后通过调控励磁电流大小来控制制动力大小来进行制动减速，避免了高速下对轮对的摩擦制动所造成的严重磨耗。

7、在辅助轮上安装有紧急制动装置，当车辆突遇紧急情况时，可以调整Halbach永磁体阵列高度来降低悬浮力，使车辆退出悬浮状态，通过辅助轮进行支撑并紧急制动。

8、在Halbach永磁体阵列上设计有升降装置，可以通过调整Halbach永磁体阵列高度来调整整车所受的悬浮力和磁阻力大小，并依据不同路段进行分段调控，达到高质量运行的目的。

9、在车辆悬浮离地后，可以实现车辆与地面零接触摩擦，进而有效降低驱动能耗以达到减小碳排放的目的。

10、可以实现坡道运行，在坡道运行阶段可以通过调控励磁电流大小来控制驱动力以及制动力大小，且悬浮车辆可以维持一定悬浮高度，可以实现较复杂地形的运营，以实现全地形运营的目的。

11、在山地轨道运行状态阶段，可以通过调整升降装置高度，使车辆退出悬浮状态，在轮轨接触运行下，通过直线电机的牵引作用继续前进，实现在山地坡道路段的安全运行。

12、两侧直线型Halbach永磁体悬浮装置基于电磁感应定律，当永磁磁场与弱磁性良导体（铝板或铜板）在一定气隙下发生相对位移时，可以产生悬浮力以实现系统的悬浮功能，从而实现整车与地面钢轨的无接触摩擦运行。

13、其最大运营速度可以达到300 km/h，突破了国内自主设计的中低速传统常导电磁悬浮列车在运行速度上的局限。

14、车载感应导体板需采用铝、铜或铜铁合金等，地面感应导体板需采用弱磁性良导体材料，如铝复合材料、铜复合材料等。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型实施例了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例提供的整体结构示意图。

图2为本实用新型实施例提供的永磁体与感应板局部示意图。

图3为本实用新型实施例提供的直线感应电机剖切示意图。

图4为本实用新型实施例提供的直线感应电机俯视示意图。

图中标记：1、定子铁芯；2、线圈；3、轨道；4、车载感应导体板；5、地面感应导体板；6、导向材料；7、Halbach永磁体阵列；8、升降装置；9、转向架；10、辅助轮；11、设备舱；12、车体；13、制动装置；14、电感；15、牵引逆变器。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

现有国内自主设计的中低速常导电磁悬浮列车的最大运营速度为100 km/h，下一步有望提速至160 km/h的运营速度运行，而中低速常导电磁悬浮列车运行能耗较高，且不能实现大范围速度区间的运行,并且高速常导电磁悬浮列车目前所采用的直线同步电机，所需造价成本高、对土建地基要求较高且需要相对复杂的控制系统来实现不同区段的驱动控制等。

而常导电磁悬浮列车实现悬浮需要给车载电磁铁通以大电流，耗能较大。并且为功耗考虑，通常采取较小的悬浮间隙，这使得对轨道的要求较高；是通过电磁吸力实现悬浮，但这种吸力本身不稳定，需要复杂的控制系统实施主动控制，其中，轮轨式列车通过轮对与钢轨相接触，然后通过牵引轮对的滚动来实现车辆的纵向移动，这样即存在轮对与钢轨之间的纵向摩擦力。轮轨式列车在运行过程中存在横向滑移，则在横向滑移作用的影响下，钢轨与轮对之间还存在有横向摩擦力，有时候由于摩擦力的影响，轮轨式列车在运行过程中会出现较大噪声，且在磨损消耗下，需要定期检修、更换轮对以保证车辆的正常运行，进而造成了轮轨式列车需要较高的运营成本。

并且现有常导电磁悬浮和轮轨式列车在运营上由于其功耗较高、运营成本较大，进而存在造成碳排放量高、环境污染较大等缺点。

实施例

如图1-图4所示，本实施例提供了一种永磁电动悬浮式驱动装置，车体12；轨道3，即钢轨，架设在地面上；直线驱动装置，直线驱动装置连接在车体12下方且位于车体12和轨道3之间，直线驱动装置驱动车体12沿轨道3运动，直线驱动装置包括导体板、线圈2和Halbach永磁体阵列7，导体板、线圈2和Halbach永磁体阵列7相互作用实现整车的驱动和悬浮。

在一些可选的实施方案中，在启动加速阶段，电源通过牵引逆变器15和电感14后，以三相交流电的形式通入线圈2，线圈2与车载感应导体板4相互作用，产生纵向驱动力，进而实现整车的驱动运行；辅助轮10通过连接在转向架9上的车载感应导体板4进行牵引驱动，本实用新型依靠辅助轮10与钢轨的轮轨关系，在车载感应导体板4的驱动下，辅助轮10带动整车沿钢轨进行加速起步运行，其中辅助轮10起到支撑和导向作用；在车辆运行同时Halbach永磁体阵列7将与地面感应导体板5相互作用产生悬浮力，随着运行速度的增加，悬浮力逐渐增大，达到一定速度后，车辆实现悬浮，进入悬浮运行阶段，驱动力仍由线圈2与车载感应导体板4相互作用产生，地面感应导体板5与Halbach永磁体阵列7相互作用发生电磁感应产生悬浮力，整车系统实现牵引、悬浮和导向功能。

在一些可选的实施方案中，在坡道运行阶段，可以通过控制通入线圈2中的电流大小以达到不同阶段所需不同驱动载荷的特点。当车辆在上坡运行的过程中，增大定子线圈2中的电流，可以保证足够的牵引功率以增加车辆运行时的驱动力，使列车能够在一定速度下平稳上坡的同时，还能使Halbach永磁体阵列7与地面感应导体板5相互作用实现悬浮状态；车辆下坡运行的过程中，可以通过减小定子线圈2中的电流使驱动力减小，而使车辆在自身重力作用下运行。

当车辆在山地坡道运行状态下，车辆可以通过调整升降装置8距离Halbach永磁体阵列7的间隙距离，进而改变车辆所受悬浮力大小，使车辆退出悬浮状态，在辅助轮10与钢轨的轮轨接触下运行，通过直线电机的牵引力作用安全通过坡道。

在一些可选的实施方案中，在制动减速阶段电源通过牵引逆变器15和电感14后，施以与启动加速时相反的反向三相交流电的形式通入线圈2，线圈2与车载感应导体板4相互作用，产生制动力，进而实现整车的制动减速效果；实用新型在车辆制动过程中Halbach永磁体阵列7与地面感应导体板5作用产生的悬浮力会随车辆运行速度的减小而降低，直至辅助轮10与钢轨黏着后辅助轮10起支撑和导向作用。

在一些可选的实施方案中，在运行过程中，可以通过改变Halbach永磁体阵列7的离地高度，来调整车辆的悬浮力和磁阻力大小。

在一些可选的实施方案中，应急制动阶段，是通过升降装置8来调整Halbach永磁体阵列7的离地间隙，进而改变车辆所受悬浮力和磁阻力的大小，使车辆退出悬浮状态，在辅助轮10和钢轨的作用下，通过应急制动装置13紧急制动后，实现安全刹车。

需要说明的是，目前常导电磁悬浮列车，利用电磁铁的吸力将列车吸离地面，实现列车的悬浮和导向。在列车车体12上装有悬浮电磁铁，在轨道3梁上装有磁浮铁芯，通过对车载的悬浮电磁铁通以励磁电流，从而产生可以控制的电磁场，电磁铁与轨道3上的磁浮铁芯相互吸引，产生的吸引力将列车向上吸起，实现悬浮功能。由于这种电磁吸力的不稳定，通过引入反馈控制，保证悬浮的稳定性。列车的悬浮系统通过集成间隙传感器和加速度传感器的悬浮传感器监测并实时反馈信号至悬浮控制器，经过控制算法处理来调整电磁铁励磁电流的大小，实时调节悬浮磁场，使电磁铁的吸力和列车重力达到平衡，从而使得悬浮间隙保持在一个动态稳定的范围。导向控制与悬浮控制相似，依赖于控制系统。在低速时列车偏离轨道3中央后，由于电磁体与轨道3铁芯发生横向偏移，悬浮磁场发生畸变，电磁吸力会产生横向分力以抵抗偏移，实现导向。高速时则依靠装在车体12两侧的导向电磁铁对铁磁性轨道3的吸力实现导向，发生偏移时只能通过导向传感器来控制两侧导向电磁体中的电流，增大一侧的电流，减小另一侧的电流，调整两侧吸力的大小，将列车吸回轨道3中央。现有高速常导电磁悬浮列车的推进系统采用长定子直线同步电机。列车的悬浮与推进采用同一轨道3铁芯以及同一车载电磁铁。前述的磁浮铁芯兼做电机铁芯由硅钢片叠成，开有横向槽，将三相线圈2埋入槽中构成直线电机的长定子，在三相线圈2中通电后产生直线移动的磁场即行波磁场，带动磁体移动进而使得与磁体相连的列车向前移动。而现有中低速常导电磁悬浮列车的推进系统则采用的是短定子直线感应电机。车载短定子直线感应电机将转子铺设在轨道3上，定子安装于悬浮架上，由每个车辆配置的车载逆变器驱动，轨道3上铺设感应板作为转子。目前国内的中低速常导电磁悬浮列车最高运营速度均在80~160 km/h的速度区间。而现有传统的轮轨式列车利用的是转向架9支撑车体12，通过转向架9上的轮对与钢轨相互作用，固定轨迹的钢轨引导列车前进，实现车辆的导向及运行。其中轮对利用大功率交流旋转电机驱动旋转，通过与钢轨的黏着，产生纵向的牵引力，使列车能够沿钢轨前进。

而本实用新型可解决上述现有技术存在的不能实现大范围速度区间的运行、所需造价成本高、对土建地基要求较高且需要相对复杂的控制系统来实现不同区段的驱动控制等问题。

综上所述，本实用新型的有益优点为：本实用新型提出一种轨道交通磁悬浮列车新制式,在列车转向架9两侧端加装直线型Halbach永磁体阵列7，同时在转向架9中部加装车载感应导体板4，可以实现在现有轨道3两侧路面镶嵌导体板以及钢轨之间搭建定子铁芯1与线圈2绕组的情况下运行，改装较为容易，结构比较简单，与现有轮轨式列车可以同轨运行；采用直线感应电机作为驱动装置，相比高速常导电磁悬浮列车所采用的直线同步电机，其具有运行可靠性高、造价成本较低、制造和维护更加简便，对土建制造要求低等优点。在启动加速阶段由直线感应电机通过牵引转向架9来驱动辅助轮10在钢轨上纵向前进，当车辆达到一定速度后，在两侧的悬浮驱动装置的作用下可以实现车辆悬浮，达到与地面钢轨零接触摩擦的目的。

在悬浮运行阶段是在车辆经启动加速后，车辆可以达到稳定悬浮状态，由直线驱动装置提供整车驱动力，同时整车可以在各地形下以及0-300 km/h速度区间内实现无人驾驶运行。在上、下坡道运行阶段是通过改变定子线圈2中的励磁电流，来控制车辆的驱动力大小，以实现上坡增大驱动，下坡减小驱动的功能，可以有效提高能源利用率，并且可以实现坡道悬浮功能。在制动减速阶段是通过改变定子线圈2电流方向，然后通过调控励磁电流大小来控制制动力大小来进行制动减速，避免了高速下对轮对的摩擦制动所造成的严重磨耗。在辅助轮10上安装有紧急制动装置13，当车辆突遇紧急情况时，可以调整Halbach永磁体阵列7高度来降低悬浮力，使车辆退出悬浮状态，通过辅助轮10进行支撑并紧急制动。在Halbach永磁体阵列7上设计有升降装置8，可以通过调整Halbach永磁体阵列7高度来调整整车所受的悬浮力和磁阻力大小，并依据不同路段进行分段调控，达到高质量运行的目的。

在车辆悬浮离地后，可以实现车辆与地面零接触摩擦，进而有效降低驱动能耗以达到减小碳排放的目的。可以实现坡道运行，在坡道运行阶段可以通过调控励磁电流大小来控制驱动力以及制动力大小，且悬浮车辆可以维持一定悬浮高度，可以实现较复杂地形的运营，以实现全地形运营的目的。在山地坡道运行阶段，可以通过调整升降装置8高度，使车辆退出悬浮状态，在轮轨接触运行下，通过直线电机的牵引力作用安全行驶。两侧直线型Halbach永磁体悬浮装置基于电磁感应定律，当永磁磁场与弱磁性良导体（铝板或铜板）在一定气隙下发生相对位移时，可以产生悬浮力以实现系统的悬浮功能，从而实现整车与地面钢轨的无接触摩擦运行。其最大运营速度可以达到300 km/h，突破了国内自主设计的中低速传统常导电磁悬浮列车在运行速度上的局限。车载感应导体板4需采用铝、铜或铜铁合金等，地面感应导体板5需采用弱磁性良导体材料，如铝复合材料、铜复合材料等。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

以上，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种永磁电动悬浮式驱动装置，其特征在于，包括：

车体（12）；

轨道（3），所述轨道（3）架设在地面上；

直线驱动装置，所述直线驱动装置设置在所述车体（12）和所述轨道（3）之间，所述直线驱动装置包括导体板、线圈（2）和Halbach永磁体阵列（7），所述导体板设置在所述车体(12)和所述轨道（3）之间,所述导体板、所述线圈（2）和所述Halbach永磁体阵列（7）相互作用实现所述车体（12）的驱动和悬浮。

2.根据权利要求1所述的永磁电动悬浮式驱动装置，其特征在于：所述导体板包括车载感应导体板（4）和地面感应导体板（5），所述车载感应导体板（4）设置转向架（9）上，所述转向架（9）设置所述车体（12）下方，所述地面感应导体板（5）嵌于地面上,所述线圈（2）与所述车载感应导体板（4）相互作用产生牵引力和制动力实现所述车体（12）牵引和制动;所述Halbach永磁体阵列（7）和所述地面感应导体板（5）相互作用实现所述车体（12）悬浮。

3.根据权利要求1所述的永磁电动悬浮式驱动装置，其特征在于：所述线圈（2）通过导线依次与电感（14）和牵引逆变器(15)相连，使得电源通过电感（14）和牵引逆变器（15）后，以三相交流电的形式通入所述线圈（2）。

4.根据权利要求2所述的永磁电动悬浮式驱动装置，其特征在于：所述车体（12）下方设置有转向架（9），所述转向架（9）的两侧分别设置有一个辅助轮（10），所述Halbach永磁体阵列（7）设置有两组，两组所述Halbach永磁体阵列（7）分别设置在所述车体（12）的两侧。

5.根据权利要求2所述的永磁电动悬浮式驱动装置，其特征在于：所述地面感应导体板（5）内嵌有导向材料（6）。

6.根据权利要求4所述的永磁电动悬浮式驱动装置，其特征在于：所述Halbach永磁体阵列（7）与所述车体（12）之间设置有升降装置（8）。

7.根据权利要求4所述的永磁电动悬浮式驱动装置，其特征在于：所述辅助轮（10）上设置有制动装置（13），所述制动装置(13)的输出端设置在所述转向架(9)上,所述辅助轮(10)上设置有制动盘,所述制动装置(13)的输出端与所述制动盘相互夹紧实现制动。

8.根据权利要求6所述的永磁电动悬浮式驱动装置，其特征在于：所述线圈（2）下方设有定子铁芯（1），所述线圈（2）以交叉间隔方式阵列绕制在所述定子铁芯（1）上。

9.根据权利要求1所述的永磁电动悬浮式驱动装置，其特征在于：所述车体（12）内设有可用于容纳设备舱（11）的空间。

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