移動物體靜磁磁懸浮和推進系統的製作方法

2023-06-10 14:29:01

專利名稱：移動物體靜磁磁懸浮和推進系統的製作方法
移動物體靜磁磁懸浮和推進系統
本發明的技術領域和
背景技術：
本發明在大範圍上涉及一種磁力懸浮和推進機制，更明確地講涉及到一種移動物 體的懸浮和推進機制。磁力是由磁體(永磁體或電磁鐵)與軟鐵磁體(鋼鐵)的靜磁排斥 而產生。在磁懸浮列車的應用上，包括兩套子系統一套是用於磁力懸浮和車體的穩定；另 一套是用於車體的推進和速度控制。 目前在磁懸浮列車市場上有兩種基本的磁懸浮技術一種被稱為電磁力懸浮技術 (EMS)。它是利用永磁體或電磁鐵對鐵軌的吸引力使得列車車體被懸浮。另外一種是電動 力懸浮技術(EDS)。它是利用永磁體或電磁鐵以及由他們對鐵軌上的非鐵磁的導體線圈感 應的磁場之間的排斥力使得車體懸浮。另外還有一種新的技術，被稱為磁動力懸浮(MDS)。 這種技術已經被授予專利，但僅僅被數學計算證實，但是還沒有具體設計出實體。它是利用 永磁體和鐵軌上導磁疊片之間的吸引力平衡來懸浮車體。 在電磁力懸浮(EMS)系統中，與車體相聯的電磁鐵被置於鐵軌之下。由於電磁鐵 和鐵軌之間吸引力的不穩定性質，不得不使用一反饋和調節計算機控制系統對電磁鐵的電 流不斷地進行監控和調節，以保持電磁鐵和鐵軌的距離恆定和車體的穩定，以避免列車與 鐵軌的摩擦和碰撞。由於系統整體的內在不穩定性和不得不依靠外在的不斷調節來穩定運 行的車體，震動不可避免。 一個EMS系統可以同時提供車體的懸浮和推進力。推進力由車 載的線性電機產生。鐵軌上鋪設線性電機的定子系統。EMS系統不需要配備啟動和著落輪 因為車體能被靜止浮起。鐵軌的建造和複雜的穩定控制系統是相當昂貴並且系統的內在不 穩定性是無法消除，而且有時是很危險的。 在電動力懸浮(EDS)系統中，軌道和車體共同產生磁場並且相斥而使得車體浮 起。車體提供的磁場由車載的永磁鐵或電磁鐵(或超導磁體)產生。軌道提供的磁場是由 鋪設的感應線圈所產生。在低速時，軌道線圈的感應磁場較小，不能完全浮起車體，所以該 系統必須配備啟動和著落輪，啟動時必須使用該輪一直到足夠的速度使得車體浮起。同樣 在減速停車時，也需要該輪支持車體著落。EDS系統只能提供懸浮力，不能提供推進力，所以 該系統還需要其他的推進技術配備。車載的線性電機是一個選擇。軌道需要鋪設該線性電 機的定子線圈。但是軌道全程鋪設這樣的線圈會是相當的昂貴甚至是行不通的。EDS系統 不能使得車體靜止懸浮。 現行的列車磁懸浮技術都不能提供與現有鐵軌系統線匹配的系統，都需要有建造 全新的軌道系統。這些新系統必須在軌道全程鋪設驅動或感應線圈。這是非常複雜和費用 昂貴的。作為比較，目前像TGV這樣的常規高速列車可以在降低速度的條件下可以在常規 的鐵路鐵軌系統下運行而可以減少成本，可以鋪設部分高速鐵軌(與常規鐵軌相連)，尤其 在不適合鋪設高速鐵軌的較少運輸量的分支段。EMS和EDS中笨重的電磁鐵成本和設計也 是一個很大的問題。特別對於載重大的車體，浮起它需要很大的磁力。在這個情況下用超 導磁體是一個選擇。 磁懸浮技術在風力發電機的應用旨在減少機械摩擦和磨損，使得風機在低風速的 環境下也能發電。低切入速度和無機械摩擦可以將更多的風能轉變為電力。利用磁浮技術風機的風葉在沒有機械摩擦接觸的環境下運作，需要很少的運行維護和大大提高風機的運 行壽命。磁懸浮技術使得大型甚至超大型的風力渦輪機的安裝和使用成為可能。磁浮風力 渦輪機可以提升比常規機20%以上的電力輸出，一臺大型機可以取代幾百甚至上千臺常規 風機，出電效率更高，大大減少建造成本和佔用更少的土地。目前的磁懸浮風力電機均採用 同極磁體磁力相斥原理來懸浮風葉轉子總量或平衡轉軸，不但單位磁體重量的出力低，懸 浮間歇有限制，而且具有懸浮機制的內在不穩定性。
本發明內容和
具體實施例方式
本發明的目的是提供一種全新的基於永磁鐵或電磁鐵的靜磁力磁懸浮和磁力推 進產生(MSS)機制。在該機制中，磁懸浮和推進力是永磁鐵或電磁鐵與軟鐵磁材料(例如 鋼鐵等)之間的靜磁排斥力。 本發明的另外一個目的是提供一種全新的磁懸浮列車系統作為本發明靜磁磁懸 浮(MSS)的一個實體。在該系統中，車體的懸浮力和推進力系統是包括靜磁磁懸浮機制，靜 磁排斥力產生於與磁鐵系統相連的車體和鐵軌系統。該系統具有更穩定，不需要輔助車輪， 靜態浮起，匹配常規鐵軌系統，構造簡單和造價低廉等特點。 本發明進一步的目的是提供一種全新的線性電機系統作為本發明靜磁磁懸浮
(MSS)的另一個實體。該系統中是一個靜磁磁懸浮(MSS)，電機的轉子是一磁鐵子系統，電
機的長定子是一軟鐵磁和非鐵磁材料相隔的軌道梁。驅動力是磁鐵與軌道梁之間的靜磁排
斥力。 一電源控制和位置反饋系統用來控制和調節驅動力和速度的大小和制動。 本發明的還有一個目的是提供一種全新的風力發電機的磁懸浮和平衡作為本發
明靜磁磁懸浮(MSS)的另一個實體。利用最少的磁鐵產生一個穩定和高效的懸浮，在減少
風機自身重量的同時降低切入速度以適用更寬的風速範圍。 本發明的其他優勢，目標實體和新穎特性通過下面之間進一步的詳細講述和具體 的實體應用會變得更加明顯。這勢必會讓熟悉該行業或技術的人員更好地理解和拓寬應用 本發明的原理和精神。
圖示說明

圖1-1是本發明的三種基本靜磁排斥力產生構造示意說明。
圖1-2是圖1-1三種基本靜磁力構造的加強型示意說明。 圖2是作為本發明實體之一的新型靜磁磁懸浮列車系統(磁懸浮和磁推進)的構 造示意說明。 圖3-1是靜磁磁懸浮系統的截面和側面構造示意說明。 圖3-2是作為本發明的一個實體-靜磁磁懸浮系統的另外一種結構的示意說明。
圖4是靜磁磁推進(長定子線性電機)系統的截面和側面構造示意說明。
圖5是靜磁磁力懸浮風力發電機的磁浮構造說明。
本發明的詳細描述 圖1-1列出本發明三種最基本的靜磁排斥力的構造(a) ， (b)和(c)。在所有這三 種構造中，磁體11， 12和13被特別排列成一種對軟鐵磁材料14能產生排斥力的梯度磁場。 構型(a)提供磁體系統11， 12和13相對於軟鐵磁材料14的懸浮力。構型(b)提供磁體系 統11， 12和13相對於軟鐵磁材料14的推進力。15是一非磁性的框架材料。構型(c)是 一種圓柱形結構，由圓環磁鐵11和圓柱磁體13提供軟鐵磁性材料力軸14以力墊，力緩衝或壓力。構造(a)中調節磁體13的磁取向可以改變排斥力的方向，同時提供垂直和水平方 向的排斥力分量。如果磁體是永磁體或恆流的電磁鐵，那麼該排斥力是靜磁且恆定的。所 有(a) ， (b)和(c)中的磁體系統11， 12和13可以被連接到要移動物體，同時軟鐵磁14可 以是鐵軌或導向梁或線性電機定子。這樣磁懸浮和推進力就在兩者之間產生了。
由於該靜磁排斥力總是發生在磁體系統和被該磁體系統的梯度場磁化的軟鐵磁 之間，該力是跟隨移動物體運動而且如果磁體是永磁體或恆流電磁體，則該排斥力的方向 和大小始終保持不變的。這使得該力具有內在的穩定性。磁體系統11，12和13可以是，但 不僅僅是，永磁體，電磁鐵或超導磁鐵。 一種由前述兩者或三者的混合結構在實現某些特定 的功能時可能是需要的。磁體系統也不限制於磁鐵的數量，大小以及磁體的排列。如果是 電磁鐵，電流供應的可能是直流，交流或任意波形的電流，視具體要實現的功能而定。軟鐵 磁14通常為含鐵的軟磁性材料，像鋼鐵等，但是也可以是其他一些軟鐵磁材料與其它材料 的混合體。 以上對圖1-1的描述僅僅是對本發明的一個例樣性的示意說明。圖l-2(a)， (b) 和(c)是對應圖1-1中(a)， (b)和(c)三種基本構造的加強型，實際上是由兩對基本構造 的組合。很多對圖1-1和圖1-2中所有構造的變體，像磁體的不同排列，磁體的個數，磁體 的種類，形狀等不應受到以上描述的局限或限制。本發明的原理精神可以被引用於無盡的 實體中。目的是應用本發明的原理在磁鐵系統組合和軟鐵磁部件之間產生靜磁排斥力來實 現具體的實體功能。 涉及本發明靜磁排斥力(MSS)的基本概念是如果置一軟鐵磁材料(像鋼鐵)與 一個磁體(永磁體或電磁鐵)產生的磁場中，那麼往往該軟鐵磁與磁體之間存在吸引力。原 因是磁體總是產生一個磁場方向與磁場梯度矢量方向相反的磁場，結果是在該磁場中被磁 化的軟鐵磁材料總是受到一個對磁體的吸引力。在本發明中，通過對一定數量磁體的特別 排列，在工作空間產生一個磁場方向與磁場梯度矢量方向相同的磁化場。結果是置於其中 的軟鐵磁體就會受到一個靜磁排斥力。 圖2給出作為本發明的一個實體-靜磁磁懸浮列車系統的示意說明。該系統包含 三種具體的本發明實體子系統MSS磁懸浮系統25 ;MSS磁推進系統23和車體穩定系統27。 車體21和與它底部相聯的磁體系統23， 25和27被安裝在非鐵磁導軌22上的鐵軌24和鐵 梁26浮起並推進。車體21和與它底部相聯的磁體系統23， 25和27被安裝在非鐵磁導軌 22上的鐵軌24和鐵梁26靜磁斥力浮起並推進。為浮起和推進比較重的車體，也許需要安 裝幾套這樣的磁懸浮和推進系統。可以看到，鐵軌24和鐵梁26具有與常規鐵軌一樣的架 構，唯一不同的是需要考慮其尺寸大小以滿足一定磁懸浮力和推進力的設計需要。但在現 有的鐵軌上架設或改進一條滿足一定條件的磁懸浮鐵軌並非難事。在車體設計時也可以選 擇儘量利用現有常規鐵軌而進行妥協性和兼容性的設計，做到與常規鐵軌的相容。本發明 的MSS磁懸浮列車系統不像EMS和EDS系統那樣與常規鐵軌不兼容而需要全新且昂貴的鐵 軌系統相配合。由於在橫向方向的力的不平衡，橫向平衡系統27需要安裝在車體兩側或底 部。 圖3-1給出圖二中靜磁懸浮系統26的更詳細的示意說明。軟鐵磁軌34置於與車 體底36部相連的一個倒置的有磁體31， 32和33形成的槽口中。磁體31， 32和33被用於 產生一對軟鐵磁軌34的靜磁排斥力梯度磁場。軟鐵磁軌34被安裝在非鐵磁性的路軌35上。用於產生磁懸浮力的磁體通常可以是永磁體(像釹鐵硼等)，但是在為實現某些設計或 達到某些功能時也可以用電磁鐵，超導磁體甚至由前述兩者或三者構成的混合體。圖3-2 給出作為本發明的一個實體-靜磁磁懸浮系統的另外一種結構的示意說明。利用圖1-2中 (a)的加強型構造，MSS磁浮的磁鐵系統可以置於鐵軌的下方，類似常導型EMS的構造，但是 明顯的區別是本發明的構造中，磁體是永磁體或永磁體與電磁鐵的混合體(電磁鐵用於水 平調節)，而且提供的懸浮力是穩定的，即懸浮力是隨著懸浮體(車體)的重量增加而增加 實現穩定的磁懸浮。 圖4給出圖2中推進系統23的兩種最基本的靜磁懸浮(MSS)磁力推進構造。構 造(a)具有與圖2中磁懸浮系統25相類似的結構和磁體的排列，但有著一些明顯的不同。 該推進系統或長定子線性電機包含作為轉子的磁體系統48(由磁體41，42和43組成)和 下面的作為定子的軟鐵磁軌道梁44。要用該構造產生水平的靜磁推進力，磁體系統48必須 有一個前傾的角度，或者磁體43的磁化取向與垂直方向有個角度。這個構造可以同時產生 靜磁磁懸浮力和靜磁推進力。構造(b)基本上與圖1-1中的結構(b)相同。磁體41，42和 43有另外一種排列，則可以產生在水平方向的靜磁排斥力或推進力。軌道梁44不是由單一 物料做成的，而是由軟鐵磁材料46和非鐵磁材料47沿著長度交替建造而成。該梁安裝在 非鐵磁的導軌基座45上。磁體41， 42和43通常是電磁鐵或超導磁鐵，但是一種永磁體和 電磁鐵或超導磁鐵的混合體也可能應用到一具體的實體中。該推進系統或長定子線性電機 的衝力，類似於電機的扭矩，取決於磁體的排列取向和磁體的強度。 一種類似於圖4(c)中 波形49的電流需要加載在磁鐵48上產生對車體的衝力。該交流電的頻率應該與軌道梁的 交變軟鐵磁和非鐵磁材料間隔變化頻率同步。該頻率由安裝在車體上的位置傳感器檢測並 反饋到電流控制系統。該同步性的偏移調節可以用來控制磁體的速度和制動。
圖5給出作為本發明的另一個實體-靜磁磁懸浮風力發電機系統的剖面示意說 明。風力渦輪機53的重量依靠一組或多組由磁體54磁軛55和軟鐵磁材料56構成的增強 型(圖l-2(a))的MSS磁浮系統51而支撐而實現無摩擦在風力驅動中懸浮旋轉。多組系 統52用來維持和調節水平方向軸心的偏轉的。該系統52可以是磁體系統，也可以是支撐 軸承或兩者的組合，目的是固定風輪的轉軸。風輪與底座間的磁懸浮空間沒有限制。磁體 被安裝在底座和轉軸上，從而減輕了風機的重量也減少了轉動的慣性。
需要說明的是以上的描述僅僅是為了本發明的原理的理解，並不是局限本發明的 實體的應用範圍和代表本發明的全部細節。無數的修正和變體在對本發明的精神原理了解 之後變成可能。以上所選的幾個應用實體例子很好地對本發明的原理實質進行了解釋。對 熟悉該行業或技術領域的專家來說，在此基礎上可以更好地應用本發明在許多具體的應用 中，並發展出許多變體和新的應用。
權利要求
一種靜磁懸浮力和推進力的構造(MSS)，利用磁體和軟鐵磁物體之間的靜磁排斥力對移動物體進行磁懸浮和磁推進，至少包括一個與移動物體相聯的磁體系統，用來磁化和磁力排斥一軟鐵磁導軌或軸梁或其它結構系統；和一個軟鐵磁導軌或軸梁或其它結構系統，用來磁懸浮或推進或加力於上述移動物體系統。
2. 在權利1的靜磁懸浮和推進構造中，所述磁體系統至少包括一個永磁體，或一恆流 或交流電磁鐵，或一超導磁體，或者一種包含前述兩者或三者的混合磁體，而且所述磁體系 統中磁體的排列，磁體的形狀等可以是各種各樣，並不限制於某一特定的排列或形狀，只要 其功能是產生一個磁場來磁化並在某個方向排斥被其磁化的含鐵或軟鐵磁材料。
3. 在權利1的靜磁懸浮和推進構造中，所述軟鐵磁導軌或軸梁或其它結構系統至少是 一種含鐵性或軟鐵磁材料，或一種軟鐵磁材料和非鐵磁材料或其它材料的的混合體或間隔 體。
4. 在權利1的靜磁懸浮和推進構造中，產生的磁排斥力用來提供懸浮，推進，加壓，力 緩衝和震動吸收等，但不局限於上述的用途。
5. —種應用權利1的靜磁懸浮和推進構造(MSS)的磁懸浮列車實體，至少包括 一個車體；一個連接於車體的磁體系統，提供車體磁懸浮力和車體的導向穩定和推進； 一個安裝在基座上的鋼鐵或軟鐵磁材料的鐵軌或導梁系統，車體在其上運行。
6. 在權利5的磁懸浮列車實體中，所述的磁體系統至少包括一個永磁體，或一個電磁 鐵，或超導磁體，或前述兩者或三者構成的混合磁體，而且所述磁體系統中磁體的排列，磁 體的形狀等可以是各種各樣，並不限制於某一特定的排列或形狀，只要其功能是產生一個 磁場來磁化並在一個方向排斥被其磁化的含鐵或軟鐵磁材料鐵軌或導梁。
7. 在權利5的磁懸浮列車實體中，所述的鐵軌或軟鐵磁導梁系統可以是單一含鐵或軟 鐵磁材料或一個含鐵或軟鐵磁材料之間或和其他非鐵磁材料的混合體。
8. —種應用權利1的靜磁懸浮和推進構造(MSS)的長定子線性電機實體，用於提供移 動物體或車體的驅動或推進力，至少包括一個作為定子的安裝在非鐵磁軌道基座上的含鐵或軟鐵磁軌道梁系統；禾口 一個作為轉子的與移動物體相連的產生磁懸浮和磁推進力，或單一磁推進力的磁體系 統；和一套電流供應，位置反饋和速度控制和制動系統。
9. 在權利8的長定子線性電機實體中，所述的轉子磁體系統所述的磁體系統至少包括 一個永磁體，或一個電磁鐵，或超導磁體，或前述兩者或三者構成的混合磁體，而且所述轉 子磁體系統中磁體的排列，磁體的形狀等可以是各種各樣，並不限制於某一特定的排列或 形狀，只要其功能是產生一個磁場來磁化並在某個方向排斥被其磁化的含鐵或軟鐵磁材料 鐵軌或導梁。
10. 在權利8的長定子線性電機實體中，所述的長定子軌道梁系統是一種含鐵或軟鐵 磁材料與非鐵磁材料塊或空氣沿著其長度交替相隔組合而成。間隔以及材 料塊的寬度和形 狀可以是多樣化，只要目的是與磁體系統相配產生推進力，以及速度和制動的控制。
11. 在權利8的長定子線性電機實體中，所述的電流，速度，位置反饋和制動控制系統 包含至少一個交變電流頻率和軌道梁上含鐵或軟鐵磁材料與非鐵磁材料交替頻率的同步 控制，一個位置傳感器反饋系統用來檢測速度和軌道梁上交替材料的位置。改變該同步度 用來控制移動物體的速度，制動以及定位。
12. —種應用權利1的靜磁懸浮和推進構造(MSS)的風力渦輪發電機實體，用於進行風 能電能的轉化，至少包括一個作為基礎底座的MSS磁體懸浮磁體系統和 一個與軟鐵磁體材料相連的作為風葉的轉動系統。
13. 在權利12的風力渦輪發電機實體中，所述的磁浮磁體系統至少包括一個永磁體。 磁體系統中磁體的排列，磁體的形狀等可以是各種各樣，並不限制於某一特定的排列或形 狀，只要其功能是產生一個磁場來磁化並在某個方向排斥被其磁化的含鐵或軟鐵磁材料鐵 軌或導梁。
全文摘要
本發明涉及一種全新的磁懸浮和推進機制。這種命名為「靜磁磁懸浮(MSS)」的機制能在磁體和軟鐵磁物質(鋼鐵)之間產生靜磁排斥力。一個應用實體是磁懸浮列車的磁力懸浮和推進系統。磁懸浮列車被靜力懸浮在鐵軌的上空且懸浮間歇沒有限制。磁懸浮列車可以在目前現有的普通鐵軌軌道上運行而無需鋪設昂貴的感應線圈或平衡控制系統，使得磁懸浮列車系統(車體和路軌)的建造成本大大下降。另一個應用實體是長定子線性電機。由磁體組成的驅動單元可以對一種由鐵或軟鐵磁材料與非鐵磁材料塊或空氣沿著其長度交替相隔組合而成的長定子施加推動力。長程驅動具有結構簡單，易實現，控制簡單和成本低的特點。第三個應用實體是磁懸浮風力發電機。可以大大提高單位重量磁鐵的懸浮出力，並提供一個不同於利用磁體間排斥力懸浮的更穩定的磁懸浮機制。
文檔編號B61B13/08GK101734170SQ20091016895
公開日2010年6月16日 申請日期2009年9月2日 優先權日2008年11月23日
發明者計齊根 申請人:計齊根