一種磁懸浮列車的製作方法
2023-09-23 01:28:00
專利名稱：一種磁懸浮列車的製作方法
技術領域：
本發明涉及地面高速軌道交通工具，特別涉及一種磁懸浮列車。
背景技術：
磁懸浮列車是利用電磁力將列車懸浮於軌道之上，由直線電機推進的無接觸地面運行交通工具。目前，從懸浮方式上，主要有超導電動式和常導吸引式兩種，前者以日本的MLU系列為代表，後者應首推已達到商業運營技術水平的德國TR系列磁懸浮列車。超導電動式磁懸浮列車是利用車載超導磁體運動時與安裝在軌道側壁上的線圈感應出的渦流相互作用實現車輛的懸浮與導向，而常導吸引式磁懸浮列車是通過車載常溫電磁鐵與軌道上的電磁鐵相互吸引實現車輛的懸浮與導向。二者都是靠直線電機來推進。以上無論是MLU系列還是TR系列，都存在結構複雜、造價昂貴的問題，MLU系列磁懸浮列車已經研發了30年至今不能商業化運營，其重要原因主要是車載超導磁體的複雜程度和成本太高；TR系列由於與車輛與軌道間的懸浮間隙比較小(上海的TR7隻有8mm)，為保證高速運行時的安全，電源的控制系統非常複雜，軌道的建造精度要求也非常高，從而提高了整個系統的造價。
發明內容
本發明目的是克服現有類型的磁懸浮列車系統結構複雜、造價昂貴的問題，提出一種全新概念的磁懸浮列車，車輛的懸浮、導向和推進是通過磁力線重接來實現的。
本發明採用以下技術方案在車輛的底部安裝有向下突出的一列方形鋸齒狀非鐵磁性--例如銅或鋁等導體板，在地面軌道上連續鋪設有電磁線圈，線圈兩兩相對，將非鐵磁性導體板豎直夾在中間，但彼此間留有一定的間距，非鐵磁性導體板豎直處於兩個相對的線圈的中間位置，即導體板厚度方向上的對稱面與兩兩相對線圈間間隙的對稱面重合。線圈產生的磁場方向相同並且垂直於導體板表面。導體板鋸齒的形狀和尺寸要足以把線圈的橫截面完全覆蓋，其中線圈的寬度應該等於導體板上齒的寬度，齒與齒的間距要大於齒寬，也即線圈的寬度。
在車輛向前運動過程中，導體板的鋸齒前沿到達線圈前沿時，線圈開始充電；當線圈電流充到峰值，同時導體板鋸齒的後沿與線圈的後沿重合時，線圈被短接，由於導體板鋸齒內的感應渦流的作用，兩個相對線圈間的磁力線完全被切斷，車輛繼續向前運動，鋸齒的後邊沿與線圈的後邊沿出現縫隙時，磁力線開始重接，重接使磁力線有由彎曲被拉直的趨勢，從而推動導體板包括車輛向前繼續運動，在鋸齒後沿完全從線圈內部推出後，線圈開路斷電。地面上的線圈是連續鋪設的，上述推進過程重複，可以推進車輛持續前進。線圈在推進的同時可以起到導向的作用，如果鋸齒邊沿和線圈形狀都是傾斜的，就會對車輛產生一個向上分力來抵消車輛的重力，同時也就起到了懸浮的作用。這種磁懸浮列車在靜止的時候是不能懸浮的，車輛需要用輪子暫時支撐。可以利用直線異步電機的運行模式實現車輛的啟動和剎車。
由於單排導體板和線圈之間產生的懸浮與推進力是非連續的，可以採用多排導體板和多排線圈的方式，使鋸齒的位置在前進方向上相互錯開，就可以實現車輛的連續懸浮與推進。
根據牛頓第三定律，作用力與反作用力大小相等方向相反，因此，車輛上的導體板和地面上的線圈是可以互換的，也就是說，可以將線圈裝在車輛上，把導體板鋪設在地面上，其工作原理不變，只是在這種情況下，車輛上要攜帶電源或者通過受電弓來為車載線圈供電，也可以通過各種無接觸饋電的方式為車輛供電。
本發明提出了一種全新概念的磁懸浮列車，利用鋸齒形導體板與線圈之間的的磁力線重接的方式來實現車輛的懸浮、導向與推進，是一種有著廣闊前景的高速地面軌道交通工具。
圖1、圖2為本發明結構及車輛運動過程示意圖；圖1為側視圖，其中圖1a齒部開始進入線圈，線圈開始充電；圖1b齒部將線圈完全覆蓋；圖1c線圈開始短接，重接效應開始；圖1d導體板被推進；圖2為俯視圖，其中圖2a齒部開始進入線圈，線圈開始充電；圖2b齒部將線圈完全覆蓋，兩線圈間的磁力線被切斷；圖2c線圈開始短接，重接效應開始；圖2d導體板被推進；圖3斜齒同時產生推進與懸浮力的示意圖；圖4連續的齒和相應的線圈的示意圖；圖中1導體板，2鋸齒，3線圈。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步說明。
如圖1所示，本發明在車輛上安裝有向下突起的一列鋸齒狀非鐵磁性導體板1，在地面上連續鋪設有兩兩相對的線圈3，將非鐵磁性導體板1豎直夾在中間，彼此間留有一定的間距，非鐵磁性導體板豎直處於兩個相對的線圈的中間位置，也就是說導體板厚度方向上的對稱面與兩兩相對線圈間間隙的對稱面重合。通電時線圈3產生的磁場方向相同。鋸齒的形狀和尺寸要足以將線圈3的橫截面遮擋住，其中線圈3的寬度應該等於導體板1上鋸齒2的寬度，齒與齒的間距要大於齒寬，也即線圈的寬度。
本發明工作過程如下圖1為本發明側視圖，圖2為俯視圖。圖1和圖2僅畫出了一個線圈3和一個鋸齒2，圖2中只畫出了鋸齒2的齒部。
如圖1和圖2所示，在車輛向前運動過程中，導體板1的鋸齒2前沿到達線圈3前沿時，如圖1a和圖2a所示，線圈開始充電。同時導體板1鋸齒2的後沿與線圈3的後沿重合時，如圖1b和圖2b所示，線圈3電流充到峰值，然後線圈3被短接。如圖1c和圖2c所示，由於導體板1鋸齒2內的感應渦流的作用，兩個相對線圈3間的磁力線完全被切斷，車輛繼續向前運動，鋸齒2的後邊沿與線圈3的後邊沿出現縫隙時，磁力線開始重接，重接使磁力線有由彎曲被拉直的趨勢，從而推動導體板1包括車輛向前繼續運動。如圖1d和圖2d所示，在鋸齒2後沿完全從線圈3內部推出後，線圈3開路斷電。重複上述過程，車輛就會連續被推進。圖2c和2d表示出了推進力F的方向，單個齒推力F的大小由下式表示F=12i2(t)dL(x(t))dx---(1)]]>式中x為前進方向的距離坐標，t為時間，i(t)為兩兩相對的線圈3中隨時間變化的總電流函數，L(x(t))為電感梯度，包括線圈3的自感、線圈3與鋸齒2間的互感，是相關於鋸齒2的位置和時間的函數，以上兩個函數由具體系統結構參數確定。
在前進方向上，線圈3的寬度應該等於導體板1上齒2的寬度，因為齒寬若小於線圈3寬度，重接效應就會被削弱而降低推進力和系統效率；如果齒寬大於線圈寬度，在前進過程中就會出現大於線圈寬度的整個鋸齒在通電的線圈中向前運動的情況，由於這種情況下導體板1中的渦流反而會行成阻力，因此也是不利的。齒與齒的間距要大於齒寬，也就是線圈3的寬度，以保證在上一個齒的重接過程完成之後再進入下一個齒的重接，線圈3要完成一個完整的充放電過程。由於單排導體板1和線圈3之間產生的懸浮與推進力是非連續的，可以採用多排導體板和多排線圈的方式，使鋸齒2的位置在前進方向上相互錯開，就可以實現車輛的連續懸浮與推進。當齒與齒之間的距離大於一個線圈的寬度時，則存在導體板1在一定時間內不受力的情況，但這種情況不是不允許出現，如果車輛上安裝有多排導體板，在一排或幾排導體板不受力的情況下，只要其他導體板上的齒能夠保證為車輛提供足夠的推進和懸浮力，就可以保證車輛運行的穩定性，因此齒與齒的間距要根據實際系統來確定，但應大於一個齒寬。
如果導體板鋸齒和線圈的形狀都是傾斜的，如圖3所示，導體板1就會在磁力線重接過程中受到一個斜向上的推力，這樣可以同時實現車輛的推進與懸浮。如果導體板1與豎直線的夾角為θ，則一個齒產生的推力Fd＝Fcosθ(2)懸浮力Fl＝Fsinθ(3)其中F由(1)式確定。車輛在運行中豎直方向上保持受力平衡，則有F1=G---(4)]]>∑F1為車輛受到總的懸浮力，G為車輛與載荷的總重量，聯合(3)和(4)式，就可以確定θ的大小，也就是說，齒2的傾斜度要根據實際系統參數來確定。
圖4示意了一排齒(圖中繪出了局部4個)的相互位置情況。
鋸齒在線圈中運動時會自動對中導向，因為如果導體板偏移中間位置，磁力線空間被壓縮量大一些的一側線圈會產生一個將導體板向中間位置推的回覆力，偏移越大，回復力也就越大，當導體板處於中間位置時，回復力為零。
這種磁懸浮列車在靜止的時候是不能懸浮的，車輛需要用輪子暫時支撐。可以利用直線異步電機的運行模式實現車輛的啟動和剎車。
根據牛頓第三定律，作用力與反作用力大小相等方向相反，因此，車輛上的導體板1和地面上的線圈3是可以互換的，也就是說，可以將線圈3裝在車輛上，把導體板1鋪設在地面上，其工作原理不變，這樣軌道只是連續的有齒導體板，結構非常簡單，造價也會相對低廉的多。在這種情況下，車輛上要攜帶電源或者通過受電弓來為車載線圈供電，也可以通過各種無接觸饋電的方式為車輛供電。
本發明提出了一種全新概念的磁懸浮列車，利用鋸齒形導體板與線圈之間的的磁力線重接的方式來實現車輛的懸浮、導向與推進。
權利要求
1.一種磁懸浮列車，其特徵在於利用磁力線的重接實現車輛的懸浮、導向與推進；車輛上裝有一列或多列鋸齒突起的非鐵磁性導體板[1]，在地面軌道上連續鋪設有電磁線圈[3]，線圈[3]兩兩相對，將非鐵磁性導體板[1]豎直夾在中間，彼此間留有一定的間距，導體板厚度方向上的對稱面與兩兩相對線圈間間隙的對稱面重合；通電時線圈[3]產生磁場的方向相同。
2.按照權利要求1所述的磁懸浮列車，其特徵在於鋸齒[2]要足以將線圈[3]的橫截面遮擋住，線圈[3]的寬度應該等於導體板[1]上鋸齒[2]的寬度，齒與齒的間距要大於齒寬，即線圈[3]的寬度。
3.按照權利要求1所述的磁懸浮列車，其特徵在於齒與齒的間距大於一個齒寬。
4.按照權利要求1所述的磁懸浮列車，其特徵在於導體板[1]和線圈[3]的位置可以互換，在地面上鋪設鋸齒向上的導體板[1]，在車輛上安裝線圈[3]。
5.按照權利要求1-4的任何一項所述的磁懸浮列車，其特徵在於導體板[1]上的鋸齒[2]和線圈[3]的形狀可以是傾斜的。
6.按照權利要求1-5的任何一項所述的磁懸浮列車，其特徵在於有鋸齒[2]的導體板可以多列同時應用。
7.按照權利要求1-5的任何一項所述的磁懸浮列車，其特徵在於有鋸齒[2]的導體板可以多列同時應用。
全文摘要
本發明涉及一種磁懸浮列車，利用磁力線重接實現車輛的懸浮、導向與推進。其特徵在於在車輛上安裝有鋸齒突起的導體板[1]，地面上鋪設線圈[3]，導體板[1]上鋸齒[2]和線圈[3]的形狀可以是傾斜的，在車輛上裝多排有鋸齒的導體板[1]，實現車輛的連續懸浮與推進，線圈[3]和導體板[1]的位置可以互換。
文檔編號B60L13/10GK1970335SQ20061016488
公開日2007年5月30日 申請日期2006年12月7日 優先權日2006年12月7日
發明者王厚生, 王秋良, 金能強 申請人:中國科學院電工研究所