CN219727881U - 一种电动悬浮导向系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及磁浮设备技术领域，具体为一种电动悬浮导向系统，包括磁块机构和线圈机构；磁块机构包括两组磁块，两组所述磁块分别安装在车体下部的左右两侧；线圈机构包括两个第一线圈组件和多对导线；两组磁块分别悬浮在两个第一线圈组件内；第一线圈组件包括多对沿轨道基础的长度方向阵列的8字线圈；每个8字线圈均由两个独立线圈组成，两个独立线圈的引出线相互连接构成并联结构；8字线圈的对数和导线的对数相等且分别对应，多对8字线圈分别通过多对导线电连接。本实用新型相对现有悬浮系统，在悬浮力和导向力上均得到了显著的提升，并能够降低磁块结构的机械强度要求，同时其悬浮和导向刚度、抗俯仰、偏航和滚动刚度也更好。

Description

一种电动悬浮导向系统

技术领域

本实用新型涉及磁悬浮设备技术领域，特别涉及一种电动悬浮导向系统。

背景技术

随着科技水平的提升，很多地面高速载运平台对运行时的平稳度要求越来越高；如地面超高速电磁发射系统可以在地面轨道上实现超声速的推进速度，用于开展飞行器气动力学测量、逃生装备试验等相关测试。在这一领域，目前国内外通常采用火箭橇技术，通过火箭推动车体在地面轨道上实现超音速滑动。然而，基于滑块摩擦轨道的支撑形式会导致严重的冲击和振动，不仅会影响试验效果，严重时还会导致结构损伤。因此，利用磁悬浮技术将车体悬浮起来，可以实现车体在运动中与轨道无接触，从而避免传统火箭橇因滑轨摩擦产生的振动和冲击。

在磁悬浮领域，目前用于商业磁浮列车的相对成熟的技术方案是电磁悬浮方案。这种方案利用电磁铁通电后产生的磁场吸引轨道实现悬浮。但是这种吸力型悬浮方案需要实时进行电流调节以维持恒定的悬浮间隙，因此需要电磁铁、悬浮控制器、传感器等部件，结构复杂，自重大，对悬浮控制技术的性能要求较高。此外，电磁悬浮技术的悬浮间隙通常较小(8～10mm)，在高速运行时还会在轨道中产生显著的涡流效益，从而大大降低悬浮力的大小，不适合高速条件下大加速度及突发载荷的冲击。

另外一种磁悬浮方案是电动悬浮方案。这种方案通过运动的磁场在线圈或导体中产生感生电流形成排斥力，利用二者之间的斥力实现悬浮。与上述电磁悬浮方案不同，这种方案无需主动控制，因而具有结构简单、悬浮间隙大等优点，在高速、超高速磁浮系统中得到较多的关注。这种方案又分为两大类：线圈式悬浮方案和导体板式悬浮方案。前者利用运动的磁体在地面铺设的线圈中产生感应电流来排斥磁体实现悬浮和导向，具有浮阻比大的特点；后者利用运动的磁体在地面铺设的导体板中感生涡流来产生排斥力，具有结构简单、但运行阻力大的特点。

对于地面超高速电磁发射系统的应用来说，急需一种悬浮结构简单、浮力大、阻力小、适应超音速应用且具有较好的导向能力的悬浮导向方案。这一需求对于高速磁浮交通同样适用。

实用新型内容

本实用新型提供了一种电动悬浮导向系统，以解决现有磁悬浮系统悬浮力和导向能力不足的技术问题。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

本实用新型提供了一种电动悬浮导向系统，包括磁块机构和线圈机构；所述磁块机构安装在外部的车体的下部，所述线圈机构安装在外部的轨道基础上；外部的车体停放在外部的轨道基础上；

所述磁块机构包括直线电机，直线电机包括两组磁块，两组所述磁块分别安装在所述车体下部的左右两侧；

所述线圈机构包括两个第一线圈组件和多对导线；两组所述磁块分别悬浮在两个所述第一线圈组件内；所述第一线圈组件包括多对沿外部的轨道基础的长度方向阵列的8字线圈，每对所述8字线圈均由两个横向排布的8字线圈组成；每个8字线圈均由两个竖向排布的独立线圈组成，且两个独立线圈的引出线相互连接构成并联结构；8字线圈的对数和导线的对数相等且分别对应，多对8字线圈分别通过多对导线电连接。

进一步地，所述导线与两个所述8字线圈的连接位置均位于两个独立线圈的引出线上。

进一步地，所述导线采用铜线或者铝线。

进一步地，所述磁块为超导磁体或者永磁体。

本实用新型的有益效果：

1、相对日本超导高速磁浮列车采用的悬浮方案，本实用新型采用双侧对称8字线圈结构消除了8字线圈对超导磁体产生的水平方向静排斥力，降低了对超导磁体安装结构的机械强度要求；

2、相对导体板式电动悬浮结构，本实用新型采用的8字线圈悬浮导向结构具有浮阻比大的优点，且电磁阻力随速度的增大而减小，因而能耗小；

3、本实用新型无需主动控制，因此无需电磁悬浮系统必需的控制器、传感器、电源等设备，因而结构简单，稳定性好；

4、本实用新型采用的双侧对称8字线圈结构，相对日本超导高速磁浮列车采用的悬浮方案，在悬浮力和导向力上均可提高一倍，因而其悬浮和导向刚度、以及抗俯仰、偏航和滚动刚度也更好。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型中8字线圈组件和磁块机构的布局示意图；

图3为本实用新型中8字线圈的悬浮导向原理示意图；

图4为超导磁体向下偏离8字线圈的水平中心线时左侧的8字线圈的电流方向示意图；

图5为超导磁体向左偏离中心线时左右两侧8字线圈的电流方向示意图；

图6为本实用新型中8字线圈的结构示意图。

附图标记说明：

1、磁块机构；2、线圈机构；21、8字线圈；22、导线；3、车体；4、轨道基础。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型再作进一步详细的说明。在本实用新型的描述中，相关方位或位置关系为基于图1所示的方位或位置关系，其中，“上”、“下”是指图1的上下方向，以图1为例，垂直纸面向上为上，垂直纸面向下为下，垂直纸面向左为左，垂直纸面向右为右，垂直纸面向内为前，垂直纸面向外为后，左右方向为横向，上下方向为竖向。需要理解的是，这些方位术语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。

在本实用新型的描述中，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；可以是机械连接，也可以是电连接；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，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

另外，在本实用新型中的“第一”、“第二”等描述，仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或顺序。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

参照图1，本申请实施例提供了一种电动悬浮导向系统，包括磁块机构1和线圈机构2；所述磁块机构1安装在外部的车体3的下部，所述线圈机构2安装在外部的轨道基础4上；外部的车体3停放在外部的轨道基础4上；

所述磁块机构1包括两组磁块，两组所述磁块分别安装在外部的所述车体3下部的左右两侧；

所述线圈机构2包括两个第一线圈组件和多对导线22；每对导线22均包含两根导线22，两组所述磁块分别悬浮在两个所述第一线圈组件内；所述第一线圈组件包括多对沿轨道基础4的长度方向阵列的8字线圈21，每对所述8字线圈21均由两个横向排布的8字线圈21组成；每个8字线圈21均由两个竖向排布的独立线圈组成，且两个独立线圈的引出线相互连接构成并联结构；8字线圈21的对数和导线22的对数相等且分别对应，每对8字线圈21均包括两个8字线圈21，多对8字线圈21分别通过多对导线22电连接。

在本实施例中，所述磁块为超导磁体或者永磁体；超导磁体或称为超导线圈。在本实施例中，由于永磁体产生的悬浮和导向力通常小于超导磁体，所以本实施例，磁块优选为超导磁体。超导磁体是使用超导导线制作的磁体。通常采用外加电流源供电方式工作，升场、降场都方便、安全。原则上也可以用闭合超导回路采用超导开关方式工作。在低温下，超导线可以无电阻运行，故稳定工作时可以去除外加电流源，且能维持电流在超导磁体内流动，因此具有非常大的优势，广泛用于工业及科研、医疗领域。

多个8字线圈21构成阵列，如图2所示，多个8字线圈21沿轨道方向均匀布置在轨道基础4上，构成线圈阵列。当超导磁体沿轨道运动时，超导磁体的磁场会逐次与每个8字线圈21产生作用，从而产生持续的悬浮和导向力。

在本实施例中，所述导线22与两个所述8字线圈21的连接位置均位于两个独立线圈的引出线上；连接方式如图3所示，以保证双侧8字线圈21的同极性端子互联。

在本实施例中，所述导线22采用铜线或者铝线。

在本实施例中，两个所述第一线圈组件对称设置在外部的车体3的下部。

本实用新型的悬浮原理是：

当车体3带动载流的超导磁体沿轨道基础4运动时，超导磁体的磁场会在其左右两侧的8字线圈21中产生感应电压。8字线圈21由上下方向布局的两个独立线圈组成，以下为了便于理解，分别命名为上线圈和下线圈；这些线圈由导体线材(如铜、铝等良导体)绕制而成，通常采用多层多匝结构以减少涡流损耗。上线圈和下线圈采用并联方式形成闭合回路，如图6所示。当线圈中产生闭合电流时，上下线圈中的电流方向相反，形成“8”字形状。

如图4所示，当超导磁体的水平中心线向下偏离8字线圈21的中心线时，下线圈产生的电压高于上线圈产生的电压，于是在上线圈和下线圈构成的闭合回路中将产生电流，分别为图4中的i₁和i₂。由于上线圈和下线圈采用并联结构(上线圈和下线圈的并联结构如图6所示)，因此流过上线圈和下线圈的电流方向是相反的，它们产生的磁场方向也是相反的。对于下线圈来说，其电流产生的磁场与超导磁体相互排斥产生斥力，而上线圈的电流产生的磁场与超导磁体相互吸引，二者共同作用将对超导磁体产生向上的浮力分量。

当超导磁体的水平中心线向上偏离8字线圈21的中心线时，上线圈产生的电压高于下线圈产生的电压，该过程产生的感应电流方向和上述过程正好相反，而上线圈和下线圈产生的作用力方向也将相反，其效果是上线圈和下线圈产生的合力将对超导磁体产生向下的斥力分量。该过程也表明，采用8字线圈21的悬浮系统具有上下对称的双向悬浮刚度，既能产生向上的浮力，也能约束超导磁体产生向下的压力，这种双向悬浮刚度特性对于大推力的地面超高速电磁发射系统来说是必须的。

对于地面超高速电磁发射系统或高速磁浮交通等实际应用场景，参考图1所示，在车体3下方的前后和左右两侧分别安装超导磁体，将超导磁体置于8字线圈21阵列中。在运行前应当将超导磁体充磁(施加励磁电流)。

本实用新型的导向原理是：

当车体3带动载流的超导磁体沿轨道基础4运动时，超导磁体的磁场会在其左右两侧的8字线圈21中产生感应电压。当超导磁体的垂直中心线向左偏离靠近左侧8字线圈21时，左侧8字线圈21在并联端子上产生的电压将高于右侧8字线圈21并联端子产生的电压，该电压差将通过连接左右线圈的交叉互联导线22产生附加电流分量，导致左右两侧8字线圈21的附加电流方向如图5所示，图5中，左侧8字线圈21的上线圈和下线圈的电流为i₁和i₂，右侧8字线圈21的上线圈和下线圈的电流为i₃和i₄；由于左侧8字线圈21上线圈和下线圈产生的附加电流方向相同，它们共同对超导磁体产生向右的排斥力，而右侧8字线圈21的附加电流和左侧的8字线圈21附加电流正好相反，因此对超导磁体产生向右的吸引力，左右两侧的8字线圈21共同作用将对超导磁体产生向右的导向力。

当超导磁体的垂直中心线向右偏离靠近右侧8字线圈21时，右侧8字线圈21在并联端子上产生的电压将高于左侧8字线圈21并联端子的电压，该过程产生的附加感应电流方向正好与上述过程相反，因而对超导磁体产生的排斥力是向左的。该过程说明，本方案同样具有双向导向刚度，这一特性对于地面超高速电磁发射系统来说是必须的。

值得说明的是，本实用新型采用双侧对称8字线圈21阵列结构，当超导磁体的水平中心和8字线圈21阵列的中心线平齐时，由于左右两侧8字线圈21对超导磁体产生的排斥力方向是相反的，因此8字线圈21对超导磁体产生的水平静斥力相互抵消，这一点大大降低了对超导磁体安装结构的机械强度要求。而当超导磁体的水平中心和8字线圈21阵列的中心线不平齐时，左右8字线圈产生的排斥力无法完全抵消，二者的差值正好提供了导向力。

以上所述，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。并且，本实用新型各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种电动悬浮导向系统，其特征在于：包括磁块机构(1)和线圈机构(2)；所述磁块机构(1)安装在车体(3)的下部，所述线圈机构(2)安装在外部的轨道基础(4)上；车体(3)停放在外部的轨道基础(4)上；

所述磁块机构(1)包括两组磁块，两组所述磁块分别安装在所述车体(3)下部的左右两侧；

所述线圈机构(2)包括两个第一线圈组件和多对导线(22)；两组所述磁块分别悬浮在两个所述第一线圈组件内；第一线圈组件包括多对沿轨道基础(4)的长度方向阵列的8字线圈(21)，每对8字线圈(21)均由两个8字线圈(21)组成；每个8字线圈(21)均由两个独立线圈组成，且两个独立线圈的引出线相互连接构成并联结构；8字线圈(21)的对数和导线(22)的对数相等且分别对应，多对8字线圈(21)分别通过多对导线(22)电连接。

2.根据权利要求1所述的电动悬浮导向系统，其特征在于，所述导线(22)与两个所述8字线圈(21)的连接位置均位于两个独立线圈的引出线上。

3.根据权利要求2所述的电动悬浮导向系统，其特征在于，所述导线(22)采用铜线或者铝线。

4.根据权利要求1至3任一项所述的电动悬浮导向系统，其特征在于，所述磁块为超导磁体或者永磁体。