專利名稱：電動電磁混合懸浮系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁浮列車懸浮系統(tǒng)，尤其是一種電動懸浮和電磁懸浮混合的懸浮系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
磁浮列車是依靠磁鐵吸力或斥力使得列車與軌道脫離，并利用直線電機驅(qū)動列車沿軌道運行的新型交通工具。磁浮列車與地面軌道間沒有機械接觸，具有節(jié)能、環(huán)保、快捷、舒適等優(yōu)點，具有廣闊的發(fā)展前景。按照懸浮原理來分，磁浮列車的懸浮系統(tǒng)有電動懸浮型(EDS型)、電磁懸浮型(EMS型)以及永磁吸引或排斥型等多種。
EDS型磁浮系統(tǒng)利用磁場和導(dǎo)電體之間的相對運動所產(chǎn)生的排斥力來實現(xiàn)懸浮。一種典型的EDS型系統(tǒng)是，在軌道上安裝多相繞組產(chǎn)生移動磁場，車體底部充當導(dǎo)電體。當磁場的移動速度和車速不同時，導(dǎo)電體和磁場之間就發(fā)生了相對運動，從而產(chǎn)生實現(xiàn)懸浮的排斥力。另一種常用的EDS型系統(tǒng)是在車體上安裝高安匝數(shù)的電磁線圈，并使之相對于導(dǎo)電體軌道運動，由此產(chǎn)生的排斥力起支撐車體的作用。后一種系統(tǒng)往往采用超導(dǎo)線圈來產(chǎn)生強大的磁場，如日本的Express系統(tǒng)和美國的Maglev2000系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)有采用永久磁鐵代替電磁線圈的方案，如美國的GA和Magplane方案。在EDS型系統(tǒng)中，懸浮力的大小與導(dǎo)電體和磁場之間的相對運動速度有關(guān)，速度較高時懸浮力較大。在啟動和著陸的過程中，由于速度較慢，懸浮力不足以支撐車體，因而必須采用支撐輪輔助支撐。
EMS型磁浮系統(tǒng)利用安裝在磁浮列車上的電磁鐵與導(dǎo)磁軌道之間的吸引力來實現(xiàn)懸浮，以德國Transrapid和日本HSST磁浮列車為代表。這類系統(tǒng)的懸浮力在間隙增大時減小，間隙減小時增大，必須施加主動控制才能保證間隙穩(wěn)定。此外，為了保證電磁鐵功耗不致太大，系統(tǒng)要求采用較小的懸浮間隙，通常為10毫米左右。
EDS型磁浮系統(tǒng)懸浮間隙較大，對軌道精度的要求相應(yīng)較低，加之它是一種自穩(wěn)的懸浮方案，無需懸浮傳感器和懸浮控制器等設(shè)備，若采用永磁鐵，那么也不需要超導(dǎo)的冷卻系統(tǒng)，整個系統(tǒng)造價比較低，但是EDS型系統(tǒng)抑制干擾的能力較差，列車與軌道之間易發(fā)生耦合振動?，F(xiàn)有的EDS型磁浮系統(tǒng)在穩(wěn)定方面采取了很多措施，但尚不能令人滿意。EMS型磁浮系統(tǒng)由于其懸浮間隙小，對軌道精度要求較高，并且為了保持穩(wěn)定懸浮，需要懸浮傳感器和懸浮控制器等設(shè)備，加之為了確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，一般使用冗余設(shè)計方法，導(dǎo)致整個系統(tǒng)造價比較高。設(shè)備重量增加后，整個列車的承重比就比較小。因此如何設(shè)計抗干擾能力強、穩(wěn)定性好、造價相對較低、承重效率高的磁浮系統(tǒng)成為人們關(guān)注的重要問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是既克服EMS型磁浮系統(tǒng)造價高和系統(tǒng)復(fù)雜的缺點，又解決EDS型磁浮系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。
本發(fā)明的技術(shù)方案是提出一種永磁EDS和電磁EMS混合的磁浮列車懸浮系統(tǒng)，永磁EDS部分為整個懸浮系統(tǒng)提供主要懸浮力；電磁EMS部分一方面為系統(tǒng)提供少部分懸浮力，一方面通過施加主動控制為永磁EDS部分提供豎直方向的阻尼力，增強系統(tǒng)的抗干擾能力，使得整個系統(tǒng)穩(wěn)定懸浮。
本發(fā)明的永磁EDS部分和電磁EMS部分通過連接件連接，它們均安裝在位于磁浮列車下面的懸浮機構(gòu)以及軌道上。
永磁EDS部分，由永磁陣列與感應(yīng)體組合而成，永磁陣列安裝在位于車體下面的懸浮機構(gòu)上，并與嵌在軌道上表面的感應(yīng)體正對。永磁陣列采用Halbach排列結(jié)構(gòu)。在Halbach排列結(jié)構(gòu)中所有的永磁體都提供有效磁勢，可以提供較強的磁場。感應(yīng)體通常為非導(dǎo)磁性金屬板或金屬導(dǎo)軌，比如鋁、銅。永磁陣列到感應(yīng)體之間的距離定義為懸浮間隙δ。
電磁EMS部分位于軌道下面，由電磁鐵、懸浮傳感器、懸浮控制器、磁鐵電流驅(qū)動器以及倒U型軌道鐵芯構(gòu)成。電磁鐵由U型鐵芯和電磁線圈組成。電磁線圈纏繞在U型鐵芯上，U型鐵芯通過連接件固定在懸浮機構(gòu)上，并與安裝在軌道下面的倒U型軌道鐵芯正對。懸浮傳感器根據(jù)實際情況選定安裝位置，關(guān)鍵在于能夠檢測出電磁鐵和軌道之間的間隙，即U型鐵芯的上表面與倒U型軌道鐵芯的下表面之間的氣隙δ′。由于懸浮機構(gòu)、軌道上面的部件都是剛體連接，所以δ′直接反映δ的大小，且二者之和是定值。
電磁EMS部分各部件之間的電氣連接為，懸浮傳感器與懸浮控制器輸入端相連，懸浮控制器輸出端連接磁鐵電流驅(qū)動器輸入端，磁鐵電流驅(qū)動器的輸出接電磁線圈。懸浮傳感器將測得的間隙信號傳送給懸浮控制器；懸浮控制器按照阻止電磁鐵和軌道發(fā)生相對運動的要求，輸出電壓調(diào)整指令給磁鐵電流驅(qū)動器；磁鐵電流驅(qū)動器給電磁鐵線圈提供電流。通過施加這種主動控制，電磁EMS部分可以給列車的運動提供豎直方向的阻尼力。
本發(fā)明由永磁EDS部分產(chǎn)生懸浮斥力當永磁陣列以速度v相對感應(yīng)體運動時，在感應(yīng)體回路中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，并且感應(yīng)體與永磁陣列之間會產(chǎn)生力的作用。此力沿垂直軌道方向分量記為Fz，且表現(xiàn)為排斥作用，即磁浮列車受到感應(yīng)體對其向上的懸浮斥力。平均懸浮斥力的表達式為|Fz|=A·e(-2kδ)·11+(b/v)2]]>其中A，b，k為常數(shù)，與永磁陣列和感應(yīng)體的材料、結(jié)構(gòu)相關(guān)。從上式可以看出，速度v越大浮力越大。
本發(fā)明由電磁EMS部分產(chǎn)生電磁引力Ff電磁鐵對倒U型軌道鐵芯的引力Ff為Ff=μ04[NI0δ′]2S]]>其中μ0為真空磁導(dǎo)率，N為電磁線圈的匝數(shù)，S為電磁鐵磁極面積；電磁引力Ff與電流I0的平方成正比關(guān)系，與氣隙δ′是成非線性的平方反比關(guān)系。
本發(fā)明的工作原理是磁浮列車在運行過程中分別受到支撐輪支持力Ft、永磁EDS部分的懸浮斥力Fz、電磁EMS部分的懸浮引力Ff、重力G的作用。磁浮列車靜止時，懸浮斥力Fz為零，懸浮引力Ff不足以克服磁浮列車重力G，此時，主要由支撐輪提供支撐力。隨著速度的增加，懸浮斥力也增加，但它與電磁引力的合力還不能克服磁浮列車的重力時，磁浮列車依然與軌道接觸。當磁浮列車移動速度v＝vp時(vp為臨界懸浮速度)，F(xiàn)z+Ff＝G，處于臨界懸浮狀態(tài)。當vt＞vp時，F(xiàn)z進一步增大，于是有，F(xiàn)z+Ff＞G，磁浮列車與軌道脫離，懸浮間隙δ增大。隨著δ的增大，懸浮斥力Fz將減小。通過這種速度增大導(dǎo)致懸浮力增大、懸浮力增大導(dǎo)致懸浮間隙增大、懸浮間隙增大又導(dǎo)致懸浮力減小的自動調(diào)節(jié)作用，保持Fz+Ff＝G，是一種自穩(wěn)的過程。實際上由于軌道不平和空氣流動等擾動的存在，懸浮間隙的大小將會在穩(wěn)定值δ0附近振蕩，這種振蕩產(chǎn)生噪聲，并對乘坐舒適性產(chǎn)生較大影響。為此本發(fā)明的EMS部分的懸浮控制器根據(jù)間隙變化的動態(tài)過程相應(yīng)調(diào)整電磁鐵的電磁引力的大小，以減小間隙的振蕩。
為降低系統(tǒng)電功率消耗，本發(fā)明可采用電磁永磁混合型EMS懸浮，即在電磁EMS部分的電磁鐵中加入永磁鐵，由永磁鐵提供額外的靜態(tài)EMS型懸浮力，而電磁鐵的電流可以正負變化，其平均值為零。永磁鐵加入到電磁鐵的方式有三種一種是使用兩塊永磁鐵分別安裝在U型鐵芯的兩個極面上，使得永磁鐵的在U型鐵芯內(nèi)部產(chǎn)生的磁路方向相同；另一種是使用一塊永磁鐵，安裝在U型鐵芯的中部；第三種就是前面兩種方式的復(fù)合，既使用兩塊永磁鐵分別安裝在U型鐵芯的兩個極面上，使得永磁鐵的在U型鐵芯內(nèi)部產(chǎn)生的磁路方向相同，又使用另一塊永磁鐵，安裝在U型鐵芯的中部。電磁永磁混合EMS型懸浮可以降低系統(tǒng)的電能消耗，穩(wěn)定懸浮時可以使得系統(tǒng)電功率的消耗趨近于零。
采用本發(fā)明可以達到以下技術(shù)效果1.本發(fā)明綜合了現(xiàn)有EMS型和EDS型磁浮系統(tǒng)的優(yōu)點，克服了EMS型和EDS型系統(tǒng)各自的不足，降低了現(xiàn)有磁浮列車懸浮系統(tǒng)的復(fù)雜度，可降低列車以及軌道的造價。特別是本發(fā)明的EMS部分不是用于提供主要的懸浮力，因此電磁鐵和懸浮控制器等裝置都可以做得很小，而且不必通過它們的冗余設(shè)計來保證系統(tǒng)的安全，因此可以大大簡化系統(tǒng)。
2.本發(fā)明既利用EDS型系統(tǒng)懸浮間隙大對軌道精度要求低的特點，又利用EMS型系統(tǒng)施加主動控制為永磁EDS部分提供豎直方向的阻尼力，使得磁浮列車運行平穩(wěn)，提高乘坐舒適性。
3.采用電磁永磁混合EMS懸浮可以實現(xiàn)零功率懸浮，功耗大大降低。
4.當電磁EMS部分出現(xiàn)故障時本發(fā)明仍然能夠依靠永磁EDS部分實現(xiàn)懸浮，系統(tǒng)可靠性相比單純EMS型或者EDS型極大增強。


圖1是磁浮列車與軌道示意圖；圖2是本發(fā)明磁浮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明采用電磁永磁混合EMS懸浮時三種永磁鐵的安裝結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式圖1是磁浮列車與軌道示意圖。磁浮列車由車廂1、懸浮機構(gòu)2以及必要的連接件組成。軌道3呈T型結(jié)構(gòu)。懸浮機構(gòu)2從兩側(cè)環(huán)抱軌道3。非懸浮狀態(tài)時，懸浮機構(gòu)2與軌道3接觸，磁浮列車靠機械力支撐于軌道3上；懸浮狀態(tài)時，懸浮機構(gòu)2可以與軌道3脫離，磁浮列車沿軌道無摩擦行進。
圖2是本發(fā)明懸浮系統(tǒng)的一側(cè)的縱向剖視圖，另外一側(cè)與其對稱。車廂1通過阻尼裝置10與懸浮機構(gòu)2連接。懸浮機構(gòu)2上裝有永磁陣列12、支撐輪13、U型鐵芯14、電磁線圈15、懸浮傳感器16，這些部件均由連接件11固定。軌道3上裝有感應(yīng)體17和倒U型軌道鐵芯18。U型鐵芯14和電磁線圈15組成電磁鐵。圖中，懸浮控制器20以及磁鐵電流驅(qū)動器21盡管畫在電磁鐵的下面，實際上是安裝在磁浮列車上的，通過電纜22與電磁線圈15和懸浮傳感器16連接。感應(yīng)體17為非鐵磁性金屬材料，嵌在軌道3上表面內(nèi)，與安裝在懸浮機構(gòu)2底部的永磁陣列12正對。永磁陣列12采用Halbach排列結(jié)構(gòu)。支撐輪13排列在永磁陣列12兩側(cè)，當磁浮列車處于非懸浮狀態(tài)時起支撐車體作用。電磁鐵裝在懸浮機構(gòu)2的最底部，從懸浮機構(gòu)2兩側(cè)伸進軌道3下面，并且電磁鐵U型鐵芯14的兩個極面與倒U型軌道鐵芯18的下表面兩極正對。懸浮傳感器16根據(jù)實際情況選定安裝位置，圖中給出一種安裝示例安裝在電磁鐵旁且靠近軌道3豎梁一側(cè)，與安裝在倒U型軌道鐵芯18旁的參考擋板19正對。永磁陣列到感應(yīng)體之間的距離為懸浮間隙δ，U型鐵芯的上表面與倒U型軌道鐵芯的下表面之間的氣隙為δ′。
永磁陣列12與感應(yīng)體17即為本發(fā)明的永磁EDS部分；電磁鐵、懸浮傳感器16、懸浮控制器20、磁鐵電流驅(qū)動器21以及倒U型軌道鐵芯18構(gòu)成本發(fā)明系統(tǒng)的電磁EMS部分。
電磁EMS部分各部件之間的電氣連接為，懸浮傳感器16與懸浮控制器20輸入端相連，懸浮控制器20輸出端連接磁鐵電流驅(qū)動器21輸入端，磁鐵電流驅(qū)動器21的輸出接電磁線圈15。懸浮傳感器16將測得的間隙信號傳送給懸浮控制器20；懸浮控制器20按照阻止電磁鐵和軌道發(fā)生相對運動的要求，輸出電壓調(diào)整指令給磁鐵電流驅(qū)動器21；磁鐵電流驅(qū)動器21按照懸浮控制器20的電壓調(diào)整指令調(diào)整電磁線圈15內(nèi)的電流大小和方向，從而改變電磁鐵與倒U型軌道鐵芯18之間的電磁引力的大小。
圖3為常見的三種永磁鐵安裝結(jié)構(gòu)圖。圖3(a)中永磁鐵25分別安裝在U型鐵芯14的兩個極面上，磁極方向相反，使得兩個磁鐵在U型鐵芯中的磁路同向；圖3(b)中永磁鐵25安裝在U型鐵芯14的中部。圖3(c)是前面兩種方式的復(fù)合，既使用兩塊永磁鐵分別安裝在U型鐵芯的兩個極面上，又使用另一塊永磁鐵安裝在U型鐵芯的中部。
權(quán)利要求
1.一種電動電磁混合懸浮系統(tǒng)，其特征在于它由永磁EDS即永磁電動懸浮系統(tǒng)和電磁EMS即電磁懸浮系統(tǒng)混合而成，永磁EDS部分和電磁EMS部分通過連接件連接，它們均安裝在位于磁浮列車下面的懸浮機構(gòu)以及軌道上；永磁EDS部分為整個懸浮系統(tǒng)提供主要懸浮力；電磁EMS部分一方面為系統(tǒng)提供少部分懸浮力，一方面通過施加主動控制為永磁EDS部分提供豎直方向的阻尼力，增強系統(tǒng)的抗干擾能力，使得整個系統(tǒng)穩(wěn)定懸浮。
2.如權(quán)利要求1所述的電動電磁混合懸浮系統(tǒng)，其特征在于所述永磁EDS部分由永磁陣列與感應(yīng)體組合而成，永磁陣列安裝在位于車體下面的懸浮機構(gòu)上，并與嵌在軌道上表面的感應(yīng)體正對；永磁陣列采用Halbach排列結(jié)構(gòu)；感應(yīng)體通常為非導(dǎo)磁性金屬板或金屬導(dǎo)軌；永磁陣列到感應(yīng)體之間的距離定義為懸浮間隙δ。
3.如權(quán)利要求1所述的電動電磁混合懸浮系統(tǒng)，其特征在于所述電磁EMS部分位于軌道下面，由電磁鐵、懸浮傳感器、懸浮控制器、磁鐵電流驅(qū)動器以及倒U型軌道鐵芯構(gòu)成；電磁鐵由U型鐵芯和電磁線圈組成；電磁線圈纏繞在U型鐵芯上，U型鐵芯通過連接件固定在懸浮機構(gòu)上，并與安裝在軌道下面的倒U型軌道鐵芯正對；懸浮傳感器根據(jù)實際情況選定安裝位置，關(guān)鍵在于能夠檢測出電磁鐵和軌道之間的間隙，即U型鐵芯的上表面與倒U型軌道鐵芯的下表面之間的氣隙δ′；懸浮機構(gòu)、軌道上面的部件都是剛體連接，δ′直接反映δ的大小，且二者之和是定值；電磁EMS部分各部件之間的電氣連接為，懸浮傳感器與懸浮控制器輸入端相連，懸浮控制器輸出端連接磁鐵電流驅(qū)動器輸入端，磁鐵電流驅(qū)動器的輸出接電磁線圈；懸浮傳感器將測得的間隙信號傳送給懸浮控制器；懸浮控制器按照阻止電磁鐵和軌道發(fā)生相對運動的要求，輸出電壓調(diào)整指令給磁鐵電流驅(qū)動器；磁鐵電流驅(qū)動器給電磁鐵線圈提供電流；通過這種作用，電磁EMS部分可以給列車的運動提供豎直方向的阻尼力。
4.權(quán)利要求1所述的電動電磁混合懸浮系統(tǒng)，其特征在于本發(fā)明的工作原理是磁浮列車在運行過程中分別受到支撐輪支持力Ft、永磁EDS部分的懸浮斥力Fz、電磁EMS部分的懸浮引力Ff、重力G的作用；磁浮列車靜止時，懸浮斥力Fz為零，懸浮引力Ff不足以克服磁浮列車重力G，此時，主要由支撐輪提供支撐力；隨著速度的增加，懸浮斥力也增加，但它與電磁引力的合力還不能克服磁浮列車的重力時，磁浮列車依然與軌道接觸；當磁浮列車移動速度v＝vp時，vp為臨界懸浮速度，F(xiàn)z+Ff＝G，處于臨界懸浮狀態(tài)；當vt＞vp時，F(xiàn)z進一步增大，于是有，F(xiàn)z+Ff＞G，磁浮列車與軌道脫離，懸浮間隙δ增大；隨著δ的增大，懸浮斥力Fz將減??；通過這種速度增大導(dǎo)致懸浮力增大、懸浮力增大導(dǎo)致懸浮間隙增大、懸浮間隙增大又導(dǎo)致懸浮力減小的自動調(diào)節(jié)作用，保持Fz+Ff＝G，是一種自穩(wěn)的過程；實際上由于軌道不平和空氣流動等擾動的存在，懸浮間隙的大小將會在穩(wěn)定值δ0附近振蕩，這種振蕩產(chǎn)生噪聲，并對乘坐舒適性產(chǎn)生較大影響；為此本發(fā)明的EMS部分的懸浮控制器根據(jù)間隙變化的動態(tài)過程相應(yīng)調(diào)整電磁鐵的電磁引力的大小，以減小間隙的振蕩。
5.如權(quán)利要求1所述的電動電磁混合懸浮系統(tǒng)，其特征在于為降低系統(tǒng)電功率消耗，本發(fā)明可采用電磁永磁混合型EMS懸浮，即在電磁EMS部分的電磁鐵中加入永磁鐵，由永磁鐵提供額外的靜態(tài)EMS型懸浮力，而電磁鐵的電流可以正負變化，其平均值為零；永磁鐵加入到電磁鐵的方式有三種一種是使用兩塊永磁鐵分別安裝在U型鐵芯的兩個極面上，使得永磁鐵的在U型鐵芯內(nèi)部產(chǎn)生的磁路方向相同；另一種是使用一塊永磁鐵，安裝在U型鐵芯的中部；第三種就是前面兩種方式的復(fù)合，既使用兩塊永磁鐵分別安裝在U型鐵芯的兩個極面上，使得永磁鐵的在U型鐵芯內(nèi)部產(chǎn)生的磁路方向相同，又使用另一塊永磁鐵，安裝在U型鐵芯的中部。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電動電磁混合懸浮系統(tǒng)，目的是解決懸浮系統(tǒng)要么造價高、系統(tǒng)復(fù)雜，要么穩(wěn)定性差的問題。技術(shù)方案是它由永磁EDS和電磁EMS混合而成，永磁EDS部分和電磁EMS部分通過連接件連接，它們均安裝在位于磁浮列車下面的懸浮機構(gòu)以及軌道上；永磁EDS部分為整個懸浮系統(tǒng)提供主要懸浮力；電磁EMS部分既為系統(tǒng)提供少部分懸浮力，又為永磁EDS部分提供豎直方向的阻尼力，增強系統(tǒng)的抗干擾能力，使得整個系統(tǒng)穩(wěn)定懸浮。本發(fā)明綜合了現(xiàn)有EMS型和EDS型磁浮系統(tǒng)的優(yōu)點，克服了EMS型和EDS型系統(tǒng)各自的不足，降低了現(xiàn)有磁浮列車懸浮系統(tǒng)的復(fù)雜度，可降低列車以及軌道的造價。
文檔編號B60L13/04GK1840381SQ20051003218
公開日2006年10月4日 申請日期2005年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月23日
發(fā)明者李云鋼, 閆宇壯, 常文森, 張鼎, 張曉 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)