專利名稱：驅(qū)浮分離的自導(dǎo)向磁懸浮列車(chē)車(chē)體、路軌及高速列車(chē)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬磁懸浮列車(chē)技術(shù)，具體涉及磁懸浮列車(chē)車(chē)體、配合車(chē)體使用的路軌，以及包括二者的高速列車(chē)。
背景技術(shù)：
此前的磁懸浮列車(chē)，“驅(qū)動(dòng)”和“浮懸”兩種功能，大多是兼容在一個(gè)“感應(yīng)界面”上實(shí)現(xiàn)的。例如；日本的大間隙“斥力型”磁懸浮列車(chē)，必須在輪軌接觸狀態(tài)下進(jìn)行起動(dòng)和加速；只有當(dāng)車(chē)速高過(guò)某一界限，斥力也相應(yīng)大過(guò)某一數(shù)值時(shí)，列車(chē)才離地浮起。又如德國(guó)的“小間隙”、長(zhǎng)定子“吸力型”磁懸浮列車(chē)，其浮懸間隙僅為8到10毫米，采用同步直線電動(dòng)機(jī)原理實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和浮懸“車(chē)體”上的直流電磁鐵，與“路軌”長(zhǎng)定子之間的“磁拉力”、其“前后”分量用于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，“上下”分量用于實(shí)現(xiàn)浮懸，“左右”分量用于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向。而這種吸力式的懸浮，要求車(chē)、軌之間“小間隙”的寬度嚴(yán)格保持恒定。若間隙小于設(shè)定值，車(chē)身則會(huì)被吸死；反之，若間隙大于設(shè)定值，車(chē)身則會(huì)墜脫。為保證間隙的嚴(yán)格守恒，一套“絕對(duì)可靠”的、高精度的、由光敏感測(cè)元件和“實(shí)時(shí)瞬應(yīng)的司服裝置”組成的負(fù)反饋?zhàn)钥叵到y(tǒng)必不可少。這種高精度、高技術(shù)難度的控制手段，大大增加了浮懸成本。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種技術(shù)簡(jiǎn)單、成本低但使用安全的磁懸浮列車(chē)車(chē)體、配合車(chē)體使用的路軌，以及包括二者的高速列車(chē)。
本實(shí)用新型磁懸浮列車(chē)車(chē)體的技術(shù)方案是列車(chē)車(chē)體由一個(gè)或者一個(gè)以上的單個(gè)車(chē)體構(gòu)成，其中，1、每個(gè)單個(gè)車(chē)體底部的橫斷面均呈上寬下窄的等腰梯形狀；2、在每個(gè)單個(gè)車(chē)體底部的兩個(gè)斜面上均緊固有只浮板，所說(shuō)只浮板上設(shè)有三個(gè)或三個(gè)以上的單相繞組，每?jī)蓚€(gè)繞組之間隔一個(gè)磁軛，在磁路上形成南、北極交錯(cuò)排列；3、至少一個(gè)單個(gè)車(chē)體底部的兩個(gè)斜面上還緊固有驅(qū)動(dòng)板，所說(shuō)驅(qū)動(dòng)板上設(shè)有交流直線異步電機(jī)的初級(jí)繞組。
只浮板上設(shè)有的繞組最好為單層波單相繞組，每個(gè)繞組單獨(dú)繞制、各繞組相互之間頭尾相聯(lián)。
本實(shí)用新型磁懸浮列車(chē)路軌的技術(shù)方案是路軌基坑的橫斷面均呈上寬下窄的等腰梯形狀，于路軌基坑的兩個(gè)斜面上鋪設(shè)有鐵磁質(zhì)金屬直線長(zhǎng)鼠籠結(jié)構(gòu)的路軌。
本實(shí)用新型磁懸浮列車(chē)車(chē)體與路軌是相互關(guān)聯(lián)的、必須同時(shí)使用。
本實(shí)用新型高速列車(chē)包括上述磁懸浮列車(chē)車(chē)體和路軌。
只浮板上的繞組接通交流電后、直線長(zhǎng)鼠籠結(jié)構(gòu)的路軌受感應(yīng)，路軌與只浮板間產(chǎn)生的斥力可使列車(chē)處于懸浮狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)板上的繞組接通交流電后，驅(qū)動(dòng)板與路軌構(gòu)成交流直線異步電機(jī)，電力驅(qū)動(dòng)處于懸浮狀態(tài)的列車(chē)高速運(yùn)行。
以下對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的說(shuō)明。
見(jiàn)


圖1和2。
圖1中i1W1≈i2W2，i1為原邊電流，i2為副邊電流，W1為原邊繞組匝數(shù)，W2為副邊繞組匝數(shù)，i0為勵(lì)磁電流。圖2中A表示車(chē)體上的只浮板繞組，B表示間隙，C表示路軌。
類似于兩根反向通電的長(zhǎng)直導(dǎo)線間的作用力公式，對(duì)本發(fā)明可以推導(dǎo)出一個(gè)簡(jiǎn)單的“浮托力”公式浮托力＝(綜合系數(shù))×(原邊電流的平方)/(計(jì)算間隙)＝車(chē)體總重。
匝數(shù)、變比、實(shí)測(cè)值與理論值之間的差異等等關(guān)系，皆可最終量化反映于綜合系數(shù)的數(shù)值上。
計(jì)算間隙并不等于車(chē)箱和路軌間的機(jī)械間隙，它取決于電磁結(jié)構(gòu)的物理、數(shù)學(xué)模型，此為本專業(yè)普通技術(shù)人員所熟知。
將上面浮托力的公式，進(jìn)行移項(xiàng)變換，可以得出計(jì)算間隙的表達(dá)式計(jì)算間隙＝(綜合系數(shù))×(原邊電流的平方)/(車(chē)體總重)。
標(biāo)準(zhǔn)化了的只浮板可按其單位面積在“額定間隙”下的“額定凈荷重”值進(jìn)行選用。
力的宏觀計(jì)算可用下式F＝KI2/δ，F(xiàn)為總斥力的平均值，I為正弦電流的有效值，K為綜合系數(shù)，δ為計(jì)算間隙。
某一點(diǎn)的力的“面密度”為 其中 為該點(diǎn)處的磁通密度， 為該點(diǎn)處的磁場(chǎng)強(qiáng)度，沿力線方向?yàn)椤袄瓘?qiáng)”，垂直力線方向?yàn)椤皦簭?qiáng)”。 用小單圈感應(yīng)法很容易測(cè)出。
根據(jù)前面給出的計(jì)算間隙表達(dá)式可知計(jì)算間隙與電流平方成正比，與車(chē)體總重成反比。當(dāng)車(chē)體總重增大時(shí)，間隙將因此而隨之成反比例地減小。然而，間隙的減小，相應(yīng)讓“原、副邊”靠近，就使得原、副邊之間的耦合變得更緊密，從而使漏磁電抗相應(yīng)減小。而漏磁電抗的減小，將使“原、副邊”電流增大。而電流的增大，又將使浮托力按電流的平方成正比例地增大。這種浮托力因間隙減小而自動(dòng)增大的物理因果關(guān)系，其自身就是一種負(fù)饋式的自動(dòng)調(diào)節(jié)，即間隙減小的后果是阻止間隙的進(jìn)一步減小。
這一因果關(guān)系所帶來(lái)的諸方面結(jié)果都是積極的(1)、不必?fù)?dān)心列車(chē)“吸死”和“墜脫”這兩種災(zāi)難的發(fā)生。作為現(xiàn)有技術(shù)的吸力式懸浮列車(chē)處于吸力間隙既不能大、也不能小的懸浮狀態(tài)，在力學(xué)上屬于一種不穩(wěn)平衡狀態(tài)。離開(kāi)不穩(wěn)平衡點(diǎn)以后，物體不能“自歸”。這就像針尖上的雞蛋那樣，處于不穩(wěn)平衡點(diǎn)上。雜技演員可以把它頂起來(lái)，這是用不斷的、精微的實(shí)時(shí)感覺(jué)和微調(diào)做到的。用高精度和高難度手段，去保證一個(gè)8到10毫米的吸力間隙嚴(yán)格守恒的方案，有如高空走索的雜技演員一樣。而采用本發(fā)明技術(shù)托起的車(chē)體，卻是隨時(shí)處于一種穩(wěn)定平衡的狀態(tài)。其表現(xiàn)為間隙大小在允許范圍內(nèi)的微小變化，總是讓“浮力”等于總重。
(2)、從經(jīng)濟(jì)上說(shuō)，那一整套為保證間隙守恒的復(fù)雜、昂貴的測(cè)、控、伺服裝置可以全部取消。
(3)、間隙不必做得那么小，也不必嚴(yán)格守恒。用簡(jiǎn)單的跟蹤調(diào)壓或調(diào)流的手段，讓電流與總重的平方根成正比例地變化，則間隙可以大致守恒。在現(xiàn)有的吸力式懸浮列車(chē)中，如果將吸力間隙加大一些，為產(chǎn)生同樣大的吸力，其短轉(zhuǎn)子的直流電磁鐵重量就會(huì)大大增加。所以用高難度保證小間隙守恒，實(shí)屬一種不得已的匹配。即便用高技術(shù)、高成本實(shí)現(xiàn)了，也并不能保證萬(wàn)無(wú)一失。從對(duì)比中可看出使用本發(fā)明方法，斥力間隙的大小，是自動(dòng)隨著載重大小而相應(yīng)變化的。只要額定間隙的變化許可范圍能滿足載重變化范圍的要求，就可以確保安全。
(4)、在列車(chē)采用了只浮板后，車(chē)底尚可設(shè)置了一組隱懸式柔性輪組，即便突然“失電”，車(chē)體落下2厘米，即轉(zhuǎn)入柔輪與路軌的接觸狀態(tài)，不會(huì)有災(zāi)難性的后果。只浮板在列車(chē)處于停站狀下時(shí)，仍然“托浮”著列車(chē)，與列車(chē)行進(jìn)與否無(wú)關(guān)。
此外，本實(shí)用新型的以下積極效果也是重要的直接用交流實(shí)現(xiàn)斥力浮懸，不需要直流電源，省去了整流裝置。
只浮板制作簡(jiǎn)單，不需要昂貴的成本和高難的技術(shù)。只浮板為獨(dú)立浮懸板，以極簡(jiǎn)便的方法，實(shí)現(xiàn)了“浮懸”與“驅(qū)動(dòng)”兩種基本功能的分離。這就使得整個(gè)系統(tǒng)的分項(xiàng)控制變得簡(jiǎn)單易行。“驅(qū)”和“浮”兩種功能，與“長(zhǎng)鼠籠”的路軌之間，各有自己的感應(yīng)界面，互不牽扯，互不干擾。路軌的“長(zhǎng)鼠籠”結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作。而且路軌屬于受感元件，不激磁不帶電，既安全，又便于維護(hù)。路軌鼠籠，既是只浮板的副邊，又是車(chē)體上“驅(qū)動(dòng)板”(直線異步電動(dòng)機(jī))的副邊。車(chē)底下的磁場(chǎng)就好像輪船下面的水，它既提供對(duì)船的浮力，又提供對(duì)動(dòng)力旋槳的反作用力，把“船”推向前進(jìn)。將“驅(qū)”、“浮”分離，帶來(lái)的另一個(gè)結(jié)果是在制造上可以將“驅(qū)”、“浮”兩大類組件分別標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，這對(duì)于大批量生產(chǎn)將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效果。
只浮板從單相饋線上吸取的勵(lì)磁功率主要是感性無(wú)功，如將端口的補(bǔ)償電容的容抗設(shè)置到接近等于在線所有只浮板的等效總漏抗(即近于并聯(lián)諧振的狀況)，則供電的視在容量可減到最小。
現(xiàn)分析車(chē)體受力。先分析浮懸狀態(tài)下車(chē)體的受力關(guān)系面向車(chē)前進(jìn)方向，圖4和5中，力(如 )、間隙(如δL，δR)的下標(biāo)“L”表示“左”，下標(biāo)“R”表示“右”，梯形的“腰面”與地面的夾角為θ。在左邊的“腰面”上，車(chē)體的底部2受到垂直于表面的斥力為 它的向上分量為fLY；向右分量為fLX。同樣，右邊“腰”面上受到垂直于表面的斥力為 其向上和向左分量分別為fRY和fRX。從圖4可以看出左、右斥力的向上分量是兩個(gè)大小相等的同向平行力，它們的合力正好與車(chē)體總重G平衡。而左、右斥力的水平分量卻等值而反向，它們的效應(yīng)相當(dāng)一對(duì)“夾擠力”，其作用是使車(chē)體自動(dòng)居中因?yàn)槿糗?chē)體偏左，則左邊的間隙δL必小于右邊的間隙δR，左邊的斥力必大于右邊的斥力，二者的水平分量差必將把偏左的車(chē)體推向右方。車(chē)體偏右時(shí)，則斥力的水平分量差會(huì)把車(chē)體推向左方。這就使車(chē)體在左、右方向?qū)崿F(xiàn)了自動(dòng)歸中。如果車(chē)體已經(jīng)居中，那么左右斥力的水平分量差就等于零。
當(dāng)列車(chē)進(jìn)入彎道時(shí)，外側(cè)(即離心側(cè))的間隙減小，外側(cè)斥力自動(dòng)增大；而內(nèi)側(cè)(向心側(cè))的間隙則增大，內(nèi)側(cè)斥力自動(dòng)減小。此時(shí)外側(cè)斥力大于內(nèi)側(cè)斥力，左右斥力的水平分量差，將提供轉(zhuǎn)彎所必需的導(dǎo)向力。但須指出，這種不接觸的自動(dòng)導(dǎo)向，只是替代了常規(guī)鐵軌對(duì)車(chē)輪的接觸式導(dǎo)向。為防止列車(chē)在彎道范圍內(nèi)，因高重心和列車(chē)上部慣性的離心效應(yīng)而產(chǎn)生向外傾覆，在設(shè)計(jì)路軌時(shí)，仍有必要讓軌面法線上端在彎道范圍向內(nèi)傾斜。傾角的大小是由根據(jù)彎道半徑、車(chē)速、每節(jié)車(chē)的質(zhì)量大小、車(chē)體的重心高度計(jì)算出的向心力大小所決定。這一點(diǎn)與傳統(tǒng)鐵路路軌設(shè)計(jì)相同。
驅(qū)動(dòng)原理本實(shí)用新型的無(wú)接觸驅(qū)動(dòng)，是采用按直線異步電動(dòng)機(jī)原理做成的獨(dú)立式感應(yīng)驅(qū)動(dòng)板(簡(jiǎn)稱“‘驅(qū)動(dòng)板’)。驅(qū)動(dòng)板可裝設(shè)在動(dòng)力車(chē)廂車(chē)底的中部，成左右對(duì)稱布置。根據(jù)力學(xué)常識(shí)，在車(chē)體的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要求裝設(shè)在四角的只浮板浮托力合力的“力心”(“浮心”)處于車(chē)體重心所在的鉛垂線上。對(duì)動(dòng)力車(chē)廂而言，同時(shí)還要求驅(qū)動(dòng)板感應(yīng)面的“形心”，也與浮心(浮心是借用船舶設(shè)計(jì)的術(shù)語(yǔ))在同一條鉛垂線上。其目的是讓“驅(qū)動(dòng)感應(yīng)”對(duì)“浮懸間隙”的細(xì)微影響也是均勻的。
本實(shí)用新型的有益效果是所提供的磁懸浮列車(chē)車(chē)體、配合車(chē)體使用的路軌，以及包括二者的高速列車(chē)技術(shù)簡(jiǎn)單、成本低但使用安全。
圖1為只浮板與路軌電流的向量圖和波形圖，其中(a)為精確向量圖，(b)為略去I0后的近似向量圖，(c)為只浮板與路軌電流的近似波形圖。
圖2為只浮板與路軌間的磁場(chǎng)示意圖。
圖3為車(chē)體與路軌基坑的橫斷面形狀示意圖，其中1為車(chē)體、2為車(chē)體底部、3為路軌基坑。
圖4為懸浮狀態(tài)下車(chē)體的受力分析圖，其中2為車(chē)體底部、3為路軌基坑。
圖5為彎道區(qū)域內(nèi)車(chē)體的受力分析圖。
圖6為實(shí)施例車(chē)體底部只浮板和驅(qū)動(dòng)板的緊固位置示意圖。
具體實(shí)施方式
動(dòng)力車(chē)廂車(chē)體底部只浮板和驅(qū)動(dòng)板的緊固位置見(jiàn)圖6。只浮板5布置車(chē)廂底部的四角部位。驅(qū)動(dòng)板4上設(shè)有扁平型直線異步電動(dòng)機(jī)的初級(jí)繞組，為三相雙層疊繞組。車(chē)底裝設(shè)有一組隱懸的柔性輪組6，即便只浮板與驅(qū)動(dòng)板同時(shí)突然失電，車(chē)體也只下降2厘米，轉(zhuǎn)入柔性輪組6與路軌直接接觸的慣性行駛狀態(tài)。這只是一個(gè)停電事故，并不是安全事故，更不是災(zāi)難性事故。
于只浮板的繞組(激磁線圈)磁軛處還裝上罩極。罩極可采用嵌入式，并且罩極相對(duì)于板寬的中線成對(duì)稱布置。罩極的作用是在每個(gè)線圈正中一段產(chǎn)生一個(gè)在時(shí)相上滯后的磁場(chǎng)面域。在此面域內(nèi)，斥力的過(guò)零時(shí)間，與罩外區(qū)域斥力的過(guò)零時(shí)間不同。這樣，就能消除只浮板(相當(dāng)一塊交流電磁鐵)的振動(dòng)和噪音。
以上實(shí)施例僅對(duì)實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明，而本實(shí)用新型的范圍不受所舉實(shí)施例的局限。
權(quán)利要求1.一種驅(qū)浮分離的自導(dǎo)向磁懸浮列車(chē)車(chē)體，其特征是列車(chē)車(chē)體由一個(gè)或者一個(gè)以上的單個(gè)車(chē)體構(gòu)成，其中，每個(gè)單個(gè)車(chē)體底部的橫斷面均呈上寬下窄的等腰梯形狀，在每個(gè)單個(gè)車(chē)體底部的兩個(gè)斜面上均緊固有只浮板，所說(shuō)只浮板上設(shè)有三個(gè)或三個(gè)以上的單相繞組，每?jī)蓚€(gè)繞組之間隔一個(gè)磁軛，在磁路上形成南、北極交錯(cuò)排列，至少一個(gè)單個(gè)車(chē)體底部的兩個(gè)斜面上還緊固有驅(qū)動(dòng)板，所說(shuō)驅(qū)動(dòng)板上設(shè)有交流直線異步電機(jī)的初級(jí)繞組。
2.如權(quán)利要求1所說(shuō)的磁懸浮列車(chē)車(chē)體，其特征是只浮板上設(shè)有的繞組為單層波單相繞組，每個(gè)繞組單獨(dú)繞制、各繞組相互之間頭尾相聯(lián)。
3.一種驅(qū)浮分離的自導(dǎo)向磁懸浮列車(chē)路軌，其特征是路軌基坑的橫斷面均呈上寬下窄的等腰梯形狀，于路軌基坑的兩個(gè)斜面上鋪設(shè)有鐵磁質(zhì)金屬直線長(zhǎng)鼠籠結(jié)構(gòu)的路軌。
4.一種高速列車(chē)，其特征是包括權(quán)利要求1的磁懸浮列車(chē)車(chē)體和權(quán)利要求2的路軌。
專利摘要本實(shí)用新型屬磁懸浮列車(chē)技術(shù)。列車(chē)車(chē)體由一個(gè)或者一個(gè)以上的單個(gè)車(chē)體構(gòu)成，每個(gè)單個(gè)車(chē)體底部的橫斷面均呈上寬下窄的等腰梯形狀，在每個(gè)單個(gè)車(chē)體底部的兩個(gè)斜面上均緊固有只浮板，所說(shuō)只浮板上設(shè)有三個(gè)或三個(gè)以上的單相繞組，每?jī)蓚€(gè)繞組之間隔一個(gè)磁軛，在磁路上形成南、北極交錯(cuò)排列。至少一單個(gè)車(chē)體底部的兩個(gè)斜面上還緊固有驅(qū)動(dòng)板，其上設(shè)有交流直線異步電機(jī)的初級(jí)繞組。路軌基坑的橫斷面均呈上寬下窄的等腰梯形狀，于兩個(gè)斜面上鋪設(shè)有鐵磁質(zhì)金屬直線長(zhǎng)鼠籠結(jié)構(gòu)的路軌。本實(shí)用新型的有益效果是磁懸浮列車(chē)車(chē)體、配合車(chē)體使用的路軌，以及包括二者的高速列車(chē)技術(shù)簡(jiǎn)單、成本低但使用安全。
文檔編號(hào)B61B13/08GK2637272SQ03234578
公開(kāi)日2004年9月1日 申請(qǐng)日期2003年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月21日
發(fā)明者張修啟, 陳鷹 申請(qǐng)人:云南變壓器電氣股份有限公司