本發(fā)明涉及電磁懸浮領(lǐng)域，特別涉及一種用于磁浮列車的線圈式永磁電動(dòng)懸浮裝置。

背景技術(shù)：

磁浮列車是一種通過電磁力實(shí)現(xiàn)無接觸運(yùn)動(dòng)的交通工具，自上世紀(jì)20年代德國(guó)工程師肯佩爾提出磁浮列車概念以來，這種新型交通方式以其高速、安全等優(yōu)勢(shì)成為未來交通的主要方式之一。經(jīng)過近百年的發(fā)展，磁浮列車逐漸形成電磁吸力懸浮(EMS)和電動(dòng)斥力懸浮(EDS)兩種主要。其中電磁吸力懸浮是利用電磁鐵與磁性材料產(chǎn)生的吸力作為懸浮力，目前這種方式最為常見和成熟。但吸力是一種不穩(wěn)定力，故這種磁浮方式需要依靠主動(dòng)控制才能實(shí)現(xiàn)，因此系統(tǒng)較為復(fù)雜，可靠性較低。電動(dòng)斥力懸浮是利用永磁體或超導(dǎo)體產(chǎn)生源磁場(chǎng)，通過運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體切割該磁場(chǎng)，在導(dǎo)體中感生電流，該電流與源磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生排斥力，從而達(dá)到懸浮的目的。這種懸浮方式能實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)定懸浮，不需要控制，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)。特別是永磁電動(dòng)懸浮，因?yàn)槠湓创艌?chǎng)由永磁體產(chǎn)生，失磁等風(fēng)險(xiǎn)較小，故其更加穩(wěn)定可靠，本專利就是一種永磁電動(dòng)懸浮裝置。

根據(jù)永磁體陣列數(shù)量不同，永磁電動(dòng)懸浮又可分為單邊懸浮和雙邊懸浮兩大類，常見的懸浮方式都屬于單邊懸浮，即永磁陣列位于導(dǎo)體一側(cè)，這種方式只能產(chǎn)生單側(cè)排斥力，電磁力隨氣隙增大呈指數(shù)衰減，因此其懸浮剛度較低，不能有效抑制列車振動(dòng)。而雙邊懸浮，永磁陣列分別位于導(dǎo)體兩側(cè)，因具有結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，其懸浮剛度較大，對(duì)列車振動(dòng)抑制效果更好。但通常情況下，雙邊懸浮中的導(dǎo)體會(huì)受到兩個(gè)永磁陣列的作用力，因此其阻力更大，美國(guó)學(xué)者Richard等人發(fā)明的裝置證明了這一點(diǎn)。西南交通大學(xué)陳殷等人提出的基于薄板結(jié)構(gòu)的雙邊永磁電動(dòng)懸浮方式雖然能減小低速時(shí)的電磁阻力，但由于集膚效應(yīng)，不適用于高速領(lǐng)域。且薄板結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度較低，通常情況下不能承受列車的重力，因此不利于其工程化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于磁浮列車的線圈式永磁電動(dòng)懸浮裝置，以在沒有控制系統(tǒng)的情況下實(shí)現(xiàn)列車的自穩(wěn)定懸浮，且懸浮剛度更高，阻力和能耗較低。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明的一種用于磁浮列車的線圈式永磁電動(dòng)懸浮裝置，包括列車車體、軌道，以及驅(qū)動(dòng)列車車體沿軌道運(yùn)動(dòng)的直線電機(jī)，其特征是：所述軌道兩側(cè)各固定安裝有一組線圈，每組線圈由若干沿軌道延伸方向間隔設(shè)置的零磁通線圈構(gòu)成；所述列車車體上橫向間隔與線圈相對(duì)應(yīng)的雙邊永磁陣列，雙邊永磁陣列包括位于零磁通線圈以上的上部直線型Halbach陣列和位于零磁通線圈以下的下部直線型Halbach陣列，零磁通線圈與上部直線型Halbach陣列底面之間存在上部氣隙，與下部直線型Halbach陣列頂面之間存在下部氣隙。

本發(fā)明的有益效果是，相比于電磁吸力懸浮，該裝置能實(shí)現(xiàn)列車的自穩(wěn)定懸浮，不需要控制系統(tǒng)，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性更強(qiáng)；由于裝置采用雙邊永磁陣列結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)的單邊結(jié)構(gòu)，該裝置懸浮剛度更大，能有效抑制列車振動(dòng)；軌道采用線圈結(jié)構(gòu)，因此電磁阻力明顯低于板式結(jié)構(gòu)，能有效降低能耗，且線圈結(jié)構(gòu)集膚效應(yīng)較弱，故高速性能更好，機(jī)械強(qiáng)度也更高。

附圖說明

本說明書包括如下六幅附圖：

圖1是本發(fā)明一種用于磁浮列車的線圈式永磁電動(dòng)懸浮裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明是一種用于磁浮列車的線圈式永磁電動(dòng)懸浮裝置的側(cè)視圖，圖中箭頭為一種可行的Halbach陣列充磁方式；

圖3是圖1中A局部的放大圖；

圖4是本發(fā)明是一種用于磁浮列車的線圈式永磁電動(dòng)懸浮裝置中零磁通線圈的立體圖；

圖5是本發(fā)明是一種用于磁浮列車的線圈式永磁電動(dòng)懸浮裝置中零磁通線圈的正面投影圖，圖中箭頭為其中電流方向；

圖6為本發(fā)明是一種用于磁浮列車的線圈式永磁電動(dòng)懸浮裝置中給定參數(shù)條件下的電磁力特性隨氣隙偏移量變化的計(jì)算曲線。

圖中零部件、部位及編號(hào)：列車車體10，直線電機(jī)11、軌道12、剛性連接件13、非金屬支架14；零磁通線圈20，上部頂段21，上部左側(cè)段22，上部右側(cè)段23，下部底段24，下部左側(cè)段25，下部右側(cè)段26，上下部第一過渡段27，上下部第二過渡段28；上部直線型Halbach陣列31，下部直線型Halbach陣列32，上部氣隙33，下部氣隙34。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。

參照?qǐng)D1和圖2，本發(fā)明的一種用于磁浮列車的線圈式永磁電動(dòng)懸浮裝置，包括列車車體10、軌道12，以及驅(qū)動(dòng)列車車體10沿軌道12運(yùn)動(dòng)的直線電機(jī)11。所述軌道12兩側(cè)各固定安裝有一組線圈，每組線圈由若干沿軌道12延伸方向間隔設(shè)置的零磁通線圈20構(gòu)成。所述列車車體10上橫向間隔與線圈相對(duì)應(yīng)的雙邊永磁陣列，雙邊永磁陣列包括位于零磁通線圈20以上的上部直線型Halbach陣列31和位于零磁通線圈20以下的下部直線型Halbach陣列32，零磁通線圈20與上部直線型Halbach陣列31底面之間存在上部氣隙33，與下部直線型Halbach陣列32頂面之間存在下部氣隙34。

參照?qǐng)D1，上部直線型Halbach陣列31、下部直線型Halbach陣列32構(gòu)成雙邊永磁陣列，產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)滿足：豎向磁場(chǎng)相互抵消，水平方向磁場(chǎng)相互疊加。當(dāng)直線電機(jī)11牽引列車車體10沿軌道12運(yùn)動(dòng)時(shí)，雙邊永磁陣列與安裝于軌道12上的線圈發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)線圈中會(huì)感生電流，該電流與永磁體磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生排斥力，從而提供懸浮力，實(shí)現(xiàn)列車車體10與軌道12的無接觸運(yùn)動(dòng)。

參照?qǐng)D2和圖3，零磁通線圈20位于上部直線型Halbach陣列31、上部氣隙33與下部直線型Halbach陣列32、下部氣隙34之間。參照?qǐng)D4和圖5，所述零磁通線圈20的正面投影呈8字形，包括上部頂段21、上部左側(cè)段22、上部右側(cè)段23、下部底段24、下部左側(cè)段25和下部右側(cè)段26，以及上部左側(cè)段22、下部右側(cè)段26間的上下部第一過渡段27和上部右側(cè)段23、下部左側(cè)段25之間的上下部第二連過渡段28。

圖1、圖3為一種可行的布置方式的斷面圖，本發(fā)明的懸浮裝置位于列車底部?jī)蓚?cè)，零磁通線圈20通過非金屬支架14安裝固定在軌道12側(cè)壁上，上部直線型Halbach陣列31、下部直線型Halbach陣列32安裝固定在剛性連接件13，剛性連接件13安裝固定在列車車體10底部。當(dāng)直線電機(jī)11工作時(shí)，會(huì)帶動(dòng)上部直線型Halbach陣列31、下部直線型Halbach陣列32同步運(yùn)動(dòng)。上部直線型Halbach陣列31、下部直線型Halbach陣列32產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)切割位于其上部氣隙33、下部氣隙34之間的零磁通線圈20，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流。由零磁通線圈20的特性可知，其電流方向如附圖4所示，由于線圈的對(duì)稱性，除線圈中上部頂段21和下部底段24外，其余各段存在對(duì)稱電流，如上部左側(cè)段22，上部右側(cè)段23的電流大小相同方向相反，因此這些電流產(chǎn)生的電磁力會(huì)相互抵消，最終線圈的受力為上部頂段21和下部底段24受力的合力。又上部頂段21和下部底段24電流大小方向均相同，兩組雙邊永磁陣列在其對(duì)應(yīng)處產(chǎn)生的水平方向磁場(chǎng)相互疊加而豎直方向磁場(chǎng)相互抵消，由安培定理可知上部頂段21和下部底段24電流產(chǎn)生的懸浮力相互疊加，阻力相互抵消，線圈最終所受到的懸浮力F_L和阻力F_D可分別表示為：

F_L＝(B_x1+B_x2)I

F_D＝(B_y1-B_y2)I

式中，B_x1和B_x2分別為上部頂段21和下部底段24處磁場(chǎng)的水平分量，B_y1和B_y2分別為上部頂段21和下部底段24處磁場(chǎng)的豎直分量，I為線圈中通過的電流大小。故有：

$\frac{F_L}{F_D}=\frac{(B_{\mathrm{\φ}1}+B_{\mathrm{\φ}2})}{(B_{z1}-B_{z2})}\>\>1$

通過以上分析可知，該裝置產(chǎn)生的懸浮力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其產(chǎn)生的阻力，因此在承受相同大小的列車重力時(shí)，其產(chǎn)生的阻力更低，從而能耗也更低。又根據(jù)楞次定律可知，當(dāng)在列車外力作用下，上部氣隙33減小、下部氣隙34增大時(shí)，裝置所產(chǎn)生的排斥力會(huì)阻礙上部氣隙33減小，反之亦然。故該系統(tǒng)是自穩(wěn)定的，不需要控制系統(tǒng)。

上部直線型Halbach陣列31、下部直線型Halbach陣列32有多種充磁方式，圖2中箭頭所示為一種可行的方式。以這種充磁方式為例，對(duì)該裝置的提供的電磁力特性進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示時(shí)，其計(jì)算結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，此裝置提供的最大懸浮力和阻力之比可大于600，隨著上下氣隙差增加，該數(shù)值有所下降，但仍高于50，故其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有雙邊永磁電動(dòng)懸浮。且圖6中曲線為奇函數(shù)，證明了該裝置的雙向穩(wěn)定性。

附表1計(jì)算實(shí)例參數(shù)

綜上所述，本發(fā)明的一種用于磁浮列車的線圈式永磁電動(dòng)懸浮裝置能實(shí)現(xiàn)列車的自穩(wěn)定懸浮，不需要控制系統(tǒng)，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性更強(qiáng)。相比于傳統(tǒng)的單邊結(jié)構(gòu)，該裝置懸浮剛度更大，能有效抑制列車振動(dòng)。軌道采用線圈結(jié)構(gòu)，電磁阻力明顯低于板式結(jié)構(gòu)，能有效降低能耗，且線圈結(jié)構(gòu)集膚效應(yīng)較弱，故高速性能更好，機(jī)械強(qiáng)度也更高。

以上所述只是用圖解說明本發(fā)明一種用于磁浮列車的線圈式永磁電動(dòng)懸浮裝置的一些原理，并非是要將本發(fā)明型局限在所示和所述的具體結(jié)構(gòu)和適用范圍內(nèi)，故凡是所有可能被利用的相應(yīng)修改以及等同物，均屬于本發(fā)明型所申請(qǐng)的專利范圍。