專利名稱：磁懸浮列車及其懸浮、導(dǎo)向和推進(jìn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種磁懸浮列車，包括懸浮系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)，特別涉及一種三維增強(qiáng)的磁懸浮系統(tǒng)，三維增強(qiáng)的磁導(dǎo)向系統(tǒng)，以及用磁嚙輪和磁嚙條相嚙合的不接觸式的推進(jìn)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
磁懸浮列車由于其高速、便捷、安全、節(jié)能、低噪音和舒適等優(yōu)點(diǎn)，近幾十年來成為各國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展的新一代的交通工具。
目前磁懸浮列車技術(shù)接近成熟，公認(rèn)為最有商業(yè)前途的磁懸浮列車有兩大類。第一類稱為電磁制式(EMS)，這是以列車上的電磁體和鐵磁質(zhì)路軌之間的吸引力來實(shí)現(xiàn)磁懸浮的，這最早由德國(guó)人在1934年提出。第二類稱為電動(dòng)制式(EDS)，這是利用車上的超導(dǎo)線繞磁體運(yùn)動(dòng)時(shí)在放置于路軌上的水平線圈中感生出的電流來實(shí)現(xiàn)磁懸浮，這是一種斥力磁懸浮，這是1966年由美國(guó)人提出的。日本人在電動(dòng)制式磁懸浮列車方面處于世界領(lǐng)先地位，德國(guó)人在電磁制式磁懸浮列車方向處于世界領(lǐng)先地位。在上海建造的從浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)到龍陽(yáng)路的商業(yè)運(yùn)行磁懸浮列車線正是從德國(guó)引進(jìn)的技術(shù)。電磁制式的缺點(diǎn)是第一，懸浮高度低，一般在10mm左右，且這種吸引式的懸浮很不穩(wěn)定，因此對(duì)懸浮高度的控制很苛刻。第二，對(duì)軌道梁的精度要求很高。第三，需要對(duì)列車供電，這需要饋電線和集電弓，這對(duì)高速運(yùn)行不利。電動(dòng)制式的缺點(diǎn)是第一，超導(dǎo)線繞磁體需要液氦低溫，這帶來復(fù)雜的技術(shù)問題。第二，雖然懸浮高度可達(dá)100mm，但仍需控制系統(tǒng)。第三，車載超導(dǎo)磁體的磁場(chǎng)較開放，為使列車內(nèi)的磁場(chǎng)降到允許水平需要作磁屏蔽，這又增加復(fù)雜度。第四，低速時(shí)不能懸浮，需要車輪。
中國(guó)西南交通大學(xué)于2000年12月31日試浮了不同于EMS和EDS的高溫超導(dǎo)磁懸浮列車(見王素玉等，《低溫與超導(dǎo)》，2001，29(1)14-17)。其結(jié)構(gòu)如下在路軌上鋪上永磁體，列車底部裝薄底低溫杜瓦，內(nèi)盛液氮。杜瓦內(nèi)底部裝YBCO高溫超導(dǎo)體。用非理想第二類超導(dǎo)體抗磁性和磁通釘扎來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定磁懸浮。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是懸浮本身不耗電，也不用液氦，但其突出的缺點(diǎn)是懸浮高度在5mm以下才能有較大的懸浮力(見江河等，《低溫與超導(dǎo)》，2002，30(1)18-24)。加上其他的技術(shù)問題，因此離實(shí)用有較大距離。
在導(dǎo)向方面，目前最好的是采用零磁通導(dǎo)向(見王家素、王素玉編著，《超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用》，成都科技大學(xué)出版社，1995P125)，這是利用車上的磁體與路基上的豎直安裝的線圈之間的作用來產(chǎn)生水平導(dǎo)向力。其不足之處是造價(jià)較高和也消耗能量。早期的磁懸浮列車也有用機(jī)械導(dǎo)向的。
磁懸浮的不接觸式的推進(jìn)系統(tǒng)目前有兩種。第一種為直線感應(yīng)電機(jī)，它的缺點(diǎn)是如果將初級(jí)線圈放在車上，則需要饋電線和集電弓，這在高速下有困難；如果將初級(jí)線圈放在路軌上，則造價(jià)高并且車上感應(yīng)板散熱困難。另外列車上無(wú)源感應(yīng)板和路軌初級(jí)線圈之間的間隙小，難以滿足高速運(yùn)行的要求(王家素，王素玉編著，《超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)》，成都科技大學(xué)出版，1995P134-136)。第二種為直線同步電機(jī)，它需要大功率的調(diào)頻調(diào)幅電源并且對(duì)路軌分段供電，這在技術(shù)上較復(fù)雜，造價(jià)也高。
本申請(qǐng)人在中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?2112164.8(公開號(hào)CN1385635A)中曾提出一種用于直線運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)之間進(jìn)行變換的磁性傳動(dòng)裝置，它由磁嚙輪、磁嚙條、燕尾槽和滑條組成。本發(fā)明將其改進(jìn)后用于磁懸浮列車的推進(jìn)系統(tǒng)。
目前在中、美、英、日等國(guó)專利中未發(fā)現(xiàn)有與本發(fā)明相近或類似的磁懸浮列車。
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于提供一種建造和運(yùn)行價(jià)格更低，操控更簡(jiǎn)單、更接近商業(yè)運(yùn)作的磁懸浮列車，包括大而穩(wěn)定的懸浮力、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、幾乎不耗能的磁懸浮系統(tǒng)，簡(jiǎn)單、節(jié)能、導(dǎo)向力大的導(dǎo)向系統(tǒng)和高效、簡(jiǎn)單且不接觸式的推進(jìn)系統(tǒng)。
技術(shù)方案本發(fā)明的磁懸浮列車主要包含三大系統(tǒng)，即懸浮、導(dǎo)向和推進(jìn)系統(tǒng)。下面分別描述。
磁懸浮系統(tǒng)由一個(gè)或多個(gè)磁陣列對(duì)(Pair of magnet array)組成，磁陣列對(duì)由車載懸浮磁陣列(magnet array)插入路軌懸浮磁陣列中而成。磁懸浮力由車載懸浮磁陣列和路軌懸浮磁陣列之間的磁相互作用產(chǎn)生，兩磁陣列之間無(wú)機(jī)械接觸。
每一路軌懸浮磁陣列由n(n＝1，2，3……)列相同的且長(zhǎng)度與路軌等長(zhǎng)的磁列(magnet column)相互平行而等間隔地沿垂直于路軌方向水平地排布在路基上而成。排布時(shí)磁列的長(zhǎng)方向平行于路軌方向，并且任意兩相鄰磁列間留有空間供插入車載懸浮磁陣列之用。每一磁列由m(m＝1，2，3……)層長(zhǎng)磁條(long magnet)與間隔條(spacer)沿豎直方向相間層疊而成，疊合時(shí)所有長(zhǎng)磁條的磁軸都在水平方向且垂直于路軌，并且疊合時(shí)磁軸交替排列。間隔條的作用是避免上下相鄰的長(zhǎng)磁條的磁力線被過分短路。長(zhǎng)磁條由條形磁體(strip magnet)沿長(zhǎng)度方向銜接而成。長(zhǎng)磁條中各條形磁體的磁軸同方向且在垂直于長(zhǎng)度方向的水平面內(nèi)。
車載懸浮磁陣列的結(jié)構(gòu)和上述路軌懸浮磁陣列類似。也是由條形磁體(strip magnet)按磁軸同方向的方式銜接成長(zhǎng)磁條(long magnet)，由長(zhǎng)磁條和間隔條相間層疊成磁列(magnet Column)，疊合時(shí)所有長(zhǎng)磁條的磁軸都在水平方向且垂直于列車前進(jìn)方向，并且疊合時(shí)磁軸交替排列。由相同的磁列平行而等間隔地排布在列車底的下面成為車載懸浮磁陣列(magnetarray)，排布時(shí)磁列的長(zhǎng)方向平行于列車前進(jìn)方向，并且任意兩相鄰磁列間留有空間供無(wú)接觸地插入路軌懸浮磁陣列之用。車載懸浮磁陣列中的磁列數(shù)可以取(n+1)，n或(n-1)，從懸浮力與造價(jià)之比來考慮取(n+1)為有利。同樣每一車載磁列中長(zhǎng)磁條的數(shù)目可取(m+1)，m或(m-1)。從懸浮力與造價(jià)之比來考慮取(m+1)為有利。車載懸浮磁陣列與路軌懸浮磁陣列的差別在于車載懸浮磁陣列的長(zhǎng)度受列車長(zhǎng)度的限制。
將上述車載懸浮磁陣列無(wú)接觸地插入路軌懸浮磁陣列形成懸浮磁陣列對(duì)后，車載懸浮陣列中每一長(zhǎng)磁條都在周圍路軌懸浮長(zhǎng)磁條所形成的一維磁勢(shì)阱的谷底。不論車載懸浮磁陣列向上或向下移動(dòng)，都受到與移動(dòng)方向相反的磁作用，這是本發(fā)明的磁懸浮的機(jī)理。
為增強(qiáng)磁陣列內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)和降低列車內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)，在磁陣列對(duì)的最外側(cè)的磁列上貼有高導(dǎo)磁率板。
本發(fā)明中所指的磁體是指永磁體、超導(dǎo)線線繞磁體、磁通俘獲超導(dǎo)永磁體和普通電磁體中的一種或幾種相結(jié)合。
水平導(dǎo)向系統(tǒng)的技術(shù)方案與懸浮系統(tǒng)類似。將懸浮磁陣列對(duì)以路軌方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)90度即構(gòu)成導(dǎo)向磁陣列對(duì)。導(dǎo)向磁陣列對(duì)由車載導(dǎo)向磁陣列插入路軌導(dǎo)向磁陣列而成。
路軌導(dǎo)向磁陣列由f(f＝1，2，3……)列相同的磁列沿豎直方向相互平行而等間隔地排布在路基側(cè)壁上而成，排布時(shí)兩相鄰的磁列間留有空間供無(wú)接觸地插入相應(yīng)的車載導(dǎo)向磁陣列之用。磁列由k(k＝1，2，3……)層長(zhǎng)磁條與間隔條水平相間層疊而成，疊合時(shí)各長(zhǎng)磁條的磁軸在豎直方向并交替排列，長(zhǎng)磁條由條形磁體按磁軸同方向的形成銜接而成。路軌導(dǎo)向磁陣列的長(zhǎng)度等于整條路軌的長(zhǎng)度。
車載導(dǎo)向磁陣列與路軌導(dǎo)向磁陣列類似。由條形磁體按磁軸同方向的形式銜接成長(zhǎng)磁條，由(k+1)，k或(k-1)層長(zhǎng)磁條與間隔條水平相間層疊成磁列，磁列中的長(zhǎng)磁條的磁軸在豎直方向并交替排列。由(f+1)，f或(f-1)列相同的磁列沿豎直方向相互平行且等間隔地排布在列車側(cè)壁上而形成車載導(dǎo)向磁陣列，排布時(shí)兩相鄰磁列間留有空間供無(wú)接觸地插入路軌導(dǎo)向磁陣列之用。車載導(dǎo)向磁陣列的長(zhǎng)度與列車等長(zhǎng)。類似地從導(dǎo)向力與造價(jià)之比考慮，磁列數(shù)取(f+1)為有利，長(zhǎng)磁條數(shù)取(k+1)為有利。
將車載導(dǎo)向磁陣列，無(wú)接觸地插入相應(yīng)的路軌導(dǎo)向磁陣列中，使車載導(dǎo)向磁陣列中每一長(zhǎng)磁條都處于周圍路軌導(dǎo)向磁陣列的長(zhǎng)磁條所形成的一維磁勢(shì)阱中，不論列車在水平方向向左或向右移動(dòng)，都受到反方向的磁作用力，這是水平導(dǎo)向的機(jī)理。
間隔條的作用是避免水平相鄰長(zhǎng)磁條的磁力線被過分短路。為了增強(qiáng)磁陣列對(duì)內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)和降低列車內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)，在最外側(cè)的磁列上貼有導(dǎo)磁板。
本導(dǎo)向磁陣列對(duì)中所述的磁體可以是永磁體、超導(dǎo)線線繞磁體、俘獲磁通超導(dǎo)永磁體和普通繞電磁體中的一種或其組合。
下面描述推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)方案。本發(fā)明人的另一項(xiàng)專利“多層磁嚙輪和磁性傳動(dòng)裝置”(申請(qǐng)?zhí)?2112164.8，公開號(hào)CN1385365A)中有一種直線運(yùn)動(dòng)與圓周運(yùn)動(dòng)間進(jìn)行變換的磁性傳運(yùn)裝置，將其滑條和燕尾槽去掉并將磁嚙條裝在路基上，將磁嚙輪裝在列車上，則構(gòu)成本磁懸浮列車的推進(jìn)系統(tǒng)。
更具體地說，本推進(jìn)系統(tǒng)由磁嚙輪和磁嚙條相嚙合而成。磁嚙條由j(j＝1，2，3……)條相同的磁片條與間隔條相間疊合而成，磁片條由長(zhǎng)條形基底及等距離排布在基底上的磁體構(gòu)成，排布時(shí)磁體的磁軸在水平又垂直于路軌方向且交替排列；磁嚙輪由(j+1)，j或(j-1)片相同的磁片輪與間隔片同軸相間疊合而成，磁片輪由基底及等間隔地排布在基底的分度圓上的偶數(shù)個(gè)磁體構(gòu)成。在分度圓上磁體的磁軸平行于轉(zhuǎn)軸且交替排列，并且分度圓上兩相鄰的磁體所占的弧長(zhǎng)與磁片條上相鄰兩磁體所占的距離相等。磁嚙條裝在路基上，其長(zhǎng)度方向平行于路軌而且與路軌等長(zhǎng)，磁嚙輪裝在列車底部。磁嚙輪與磁嚙條的嚙合方式是在磁嚙輪的間隔片所在的位置不接觸地插入磁嚙條的磁片條，磁嚙輪的軸在水平方向且垂直于路軌，磁嚙輪上最低的磁體與磁嚙條上的磁體等高。磁嚙輪在車載馬達(dá)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由磁嚙輪上的磁體與磁嚙條上的磁體相互作用而推動(dòng)列車前進(jìn)。這類似于列車上裝機(jī)械齒輪，路軌上裝機(jī)械齒條。所不同的是后者是機(jī)械接觸的，而磁嚙輪和磁嚙條之間無(wú)機(jī)械接觸。為增加推進(jìn)嚙合力，一列列車上可裝i(i＝1，2，3……)個(gè)磁嚙輪與一條磁嚙條相嚙合，這稱磁嚙輪與磁嚙條組(group)。當(dāng)然磁嚙條的數(shù)目也可以是多條。
為了增強(qiáng)磁嚙輪與磁嚙條組(group)內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)和降低列車內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)在最外側(cè)的磁片輪上貼上導(dǎo)磁板。
本推進(jìn)系統(tǒng)中所用的磁體可以是永久磁體、超導(dǎo)線線繞磁體、俘獲磁通超導(dǎo)永磁體和普通電磁體，也可是上述磁體的組合。
有益效果下面結(jié)合本磁懸浮系統(tǒng)的原理描述其有益效果。圖6為車載懸浮磁陣列插入路軌懸浮磁陣列后并忽略列車重量時(shí)的懸浮狀態(tài)。若由于列車重量使車體下降，則列車上每一長(zhǎng)磁條受到原來等高的路軌長(zhǎng)磁條的向上吸引力，同時(shí)還受到下一層的相鄰路軌長(zhǎng)磁條的向上的排斥力，從而阻止列車下降而懸浮。反之，如果有一外力使列車上移，則列車上每一長(zhǎng)磁條受到原來等高的路軌長(zhǎng)磁條的向下的吸引力，同時(shí)還受到上一層的相鄰路軌長(zhǎng)磁條向下的排斥力，從而阻止列車上移。由此可見，本懸浮系統(tǒng)的懸浮是很穩(wěn)定的，不需要人為控制。在本懸浮系統(tǒng)中，懸浮力隨車載磁陣列的長(zhǎng)度L的增加而增加，也隨每一磁列中長(zhǎng)磁條的數(shù)目m的增加而增加，還隨磁列的數(shù)目n的增加而增加?？偟膽腋×φ扔趎、m和L的乘積，所以懸浮力是三維增強(qiáng)的。由此產(chǎn)生較以前各種懸浮系統(tǒng)大得多的懸浮力。根據(jù)實(shí)驗(yàn)樣車測(cè)試，在用0.4T的NaFeB永磁體的情況下，其單位面積路軌的磁懸浮力可以超過500KN/m2，作為比較，懸浮力較大的超導(dǎo)磁懸浮只有150KN/m2，而YBCO超導(dǎo)體只有90KN/m2。除了上述懸浮力大、穩(wěn)定和不必人為控制三大優(yōu)點(diǎn)外。第四，若用永磁體，則懸浮系統(tǒng)不耗電。第五，列車的重量由與列車等長(zhǎng)的整段路軌來承受，故路基承受的壓強(qiáng)小。第六，懸浮高度取決于墊條，可隨意改變，第七，由于懸浮高度可調(diào)加上是穩(wěn)定懸浮故可運(yùn)行于高速。第八，本磁懸浮系統(tǒng)剛度大，在實(shí)驗(yàn)室樣車上測(cè)得其剛度大于114KN/mm·m2，即每平方米的軌道面積加上114KN的力于列車上，則列車下降小于1mm。第九，列車和路軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造價(jià)低。第十，浮力與車速無(wú)關(guān)。第十一，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以故障率低。第十二，不需要對(duì)列車作磁屏蔽。第十二，運(yùn)行時(shí)基本無(wú)拖曳力。第十三，可用內(nèi)燃機(jī)，蓄電池或燃料電池驅(qū)動(dòng)，不需要饋電線及集電弓。
本發(fā)明的導(dǎo)向系統(tǒng)和懸浮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是類似的，因此有導(dǎo)向力大、剛度大、不耗能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的推進(jìn)系統(tǒng)的最大允許推進(jìn)力隨磁嚙條數(shù)的增加而增加，也隨每一磁嚙條中磁片條數(shù)j的增加而增加，還隨磁嚙輪數(shù)i的增加而增加，因此可提供足夠的磁推進(jìn)嚙合力。本推進(jìn)系統(tǒng)有效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，無(wú)機(jī)械接觸等優(yōu)點(diǎn)。在剎車時(shí)可將驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，將電能回授給蓄電池。實(shí)驗(yàn)室樣車證明有這些優(yōu)點(diǎn)。


圖1(a)為條形磁體的主視圖，標(biāo)有字母N的面為北極。磁軸垂直于長(zhǎng)度方向。
圖1(b)為條形磁體的左視圖，N代表北極，S代表南極。箭頭表示磁軸方向，即磁體內(nèi)磁力線的方向，畫有三條線的一側(cè)也代表北極。
圖2是由條形磁體1，2，3……銜接而成的長(zhǎng)磁條101的立體圖，銜接時(shí)各條形磁體的磁軸保持在同一方向，虛線表示這種銜接沿路軌方向延伸。
圖3表示磁列(magnet column)201的立體圖。由條形磁體1、2、3……，4、5、6……7、8、9……分別銜接成長(zhǎng)磁條(long magnet)101、102、103。再由長(zhǎng)磁條101、102、103與間隔條501、502相間層疊成磁列201。疊合時(shí)上下相鄰的長(zhǎng)磁條的磁軸方向相反。虛線表示磁列向路軌方向延伸。圖中標(biāo)有直角坐標(biāo)，路軌方向即列車前進(jìn)方向?yàn)閦軸，豎直向上為x軸，垂直于z軸又在水平面內(nèi)為y軸。以后各附圖中的座標(biāo)與本圖相同。
圖4為路軌懸浮磁陣列(magnet array)301的立體圖。磁陣列301由相同的磁列201、202、203沿y方向相互平行而等間隔地排布在路基上而成，排布時(shí)相鄰磁列間留有空間P、Q供插入車載懸浮磁陣列之用。1～15為條形磁體，701、702、703為墊條。虛線表示磁陣列沿z方向延伸直至路軌終端。
圖5為車載懸浮磁陣列的立體圖，它的結(jié)構(gòu)與路軌懸浮磁陣列類似。由磁軸同方向的條形磁體銜接成長(zhǎng)磁條104，由長(zhǎng)磁條104～107與間隔條507～509相間層疊成磁列204，層疊時(shí)磁軸交替排列。再由相同的磁列204～207相互平行而等間隔地排布在列車底板704的下表面成車載懸浮磁陣列302，相鄰磁列間留有空間R、T、V供插入路軌懸浮磁陣列301之用。虛線表示該磁陣列向z方向延伸直至列車終端。
圖6為車載懸浮磁陣列302插入路軌懸浮磁陣列301所組成的懸浮磁陣列對(duì)(pair of magnet array)401的橫截面圖，這是忽略列車重量時(shí)的懸浮狀態(tài)。302和301互相插入時(shí)要求互不接觸并使嚙合的長(zhǎng)磁條數(shù)盡量多，圖6的情況是符合此要求的。601和602為導(dǎo)磁板，19～25為條形磁體。墊條701～703使車載懸浮陣列的最低長(zhǎng)磁條不至于觸及路基705。圖中所有的磁體的磁軸在(-y)和(+y)方向。
圖7為由磁陣列對(duì)402～405組成的水平導(dǎo)向系統(tǒng)的橫截面圖。303～306為四個(gè)車載導(dǎo)向磁陣列，它們被安裝在列車706的外側(cè)與列車等長(zhǎng)；307～310為安裝在路基705的側(cè)墻上的四個(gè)路軌導(dǎo)向磁陣列，它們與整個(gè)路軌等長(zhǎng)。這里所有磁體的磁軸在(-x)和(+x)方向。208～217為導(dǎo)向磁列，108～111代表長(zhǎng)磁條，510和511代表間隔條。
圖8(a)為磁片輪218的主視圖。512為間隔片，517為圓盤形基底，707為分度圓，26～37為等間隔地、磁軸交替地分布在基底517的分度圓707上的偶數(shù)個(gè)磁體。
圖8(b)為磁片輪218及間隔片512的軸向剖面圖。
圖9(a)為磁嚙條311的主視圖。219為磁片條，由磁體38～48等間隔水平一直線地排布在基底514上而成，排布時(shí)磁軸交替排列。磁片條的長(zhǎng)度等于路軌長(zhǎng)度。
圖9(b)為磁嚙條311的橫截面圖，47和51為磁體，514、515為排布磁體的基底。磁嚙條311由磁片條219、220和間隔條516相間疊合而成，疊合時(shí)不同的磁片條上的磁體互相對(duì)齊且磁軸方向相同，如圖中磁體47和51所示，為簡(jiǎn)明起見圖中只畫了兩條磁片條。
圖10(a)為磁嚙輪312、313與磁嚙條311相嚙合的主視圖。圖中只能看到磁嚙輪312的一片磁片輪218。38～50為磁體?？梢杂枚鄠€(gè)磁嚙輪與同一條磁嚙條相嚙合，為簡(jiǎn)明起見圖中只畫了兩個(gè)磁嚙輪312和313。
圖10(b)為磁嚙輪312與磁嚙條311嚙合后形成的推進(jìn)系統(tǒng)406的橫截面圖。圖上半部的磁嚙輪由多個(gè)磁片輪218、230、231與間隔片512、513相間同軸疊合而成。磁嚙輪裝在列車上，26、47、51為磁體，708為磁嚙輪312的轉(zhuǎn)軸。
圖11為實(shí)施例1的磁懸浮列車的橫截面圖。中央部分是磁嚙輪和磁嚙條推進(jìn)系統(tǒng)406。兩側(cè)為懸浮磁陣列對(duì)407和408。裝在兩側(cè)面的是四對(duì)導(dǎo)向磁陣列對(duì)409、410、411和412。為使圖面不至于太復(fù)雜，圖中懸浮磁陣列對(duì)是圖6的懸浮磁陣列對(duì)401的簡(jiǎn)化，圖中導(dǎo)向磁陣列對(duì)是圖7的導(dǎo)向磁陣列對(duì)的簡(jiǎn)化。607～616為導(dǎo)磁板，704為列車底板，705為路基。
圖12為實(shí)施例2的磁懸浮列車的橫截面圖，本實(shí)施例中導(dǎo)向磁陣列對(duì)415～418在中央，最外側(cè)是磁嚙輪與磁嚙條組419和420所構(gòu)成的推進(jìn)系統(tǒng)。導(dǎo)向系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)之間為懸浮磁陣列對(duì)413和414。為使圖面簡(jiǎn)單，圖中各磁陣列和推進(jìn)系統(tǒng)都畫得簡(jiǎn)略了。617～628為導(dǎo)磁板，709為安裝路基導(dǎo)向磁陣列用的彎立柱或隧道壁。本實(shí)施例可用于地鐵。
實(shí)施例在描述實(shí)施例之前先對(duì)本說明書附圖中的一些標(biāo)號(hào)作一些注釋。附圖中標(biāo)號(hào)為個(gè)位數(shù)或十位數(shù)的代表磁體。百位數(shù)以1開頭的代表長(zhǎng)磁條，百位數(shù)以2帶頭的代表磁列、磁片輪和磁片條。百位數(shù)以3帶頭的代表磁陣列、磁嚙輪和磁嚙條，百位數(shù)以4帶頭的代表磁陣列對(duì)以及磁嚙輪與磁嚙條組或推進(jìn)系統(tǒng)，百位數(shù)以5帶頭的代表間隔條和間隔片，百位數(shù)以6帶頭的代表導(dǎo)磁板，百位數(shù)以7帶頭的代表其他。
為描述和看圖方便，在本說明書附圖中引直角坐標(biāo)。z代表路軌方向，即列車前進(jìn)方向，x代表豎直向上方向，y代表水平且垂直于路軌方向。各圖中的坐標(biāo)是相同的。
圖11為本磁懸浮列車的實(shí)施例1的橫截面略圖，磁懸浮列車由路基705，車廂706，列車底板704，懸浮磁陣列對(duì)407、408導(dǎo)向磁陣列對(duì)409～412及由磁嚙輪和磁嚙條組成的推進(jìn)系統(tǒng)406等主要部分組成。下面描述本實(shí)施例中各部分的結(jié)構(gòu)及工作原理。兩個(gè)懸浮磁陣列對(duì)407、408是相同的，它們由車載懸浮磁陣列302(圖5)插入路軌懸浮磁陣列301(圖4)而成(見圖6)。
路軌懸浮磁陣列301(圖4)由3列(這里取n＝3，也可取其他值)相同的磁列201、202和203沿y方向(磁列長(zhǎng)度方向平行于路軌)平行而等間隔地排布在路基705(圖11)上而成。磁列201、202、203之間留有空間P、Q，供不接觸地插入車載懸浮磁陣列302之用。磁列201由3層(這里取m＝3，也可取其他值)長(zhǎng)磁條101、102、103與間隔條501、502相間層疊而成，疊合時(shí)各長(zhǎng)磁條的磁軸在(-y)和(+y)方向交替排列。長(zhǎng)磁條101由條形磁體1、2、3……沿長(zhǎng)度方向銜接而成，銜接時(shí)各條形磁體的磁軸都在同一方向。各磁列的墊條701、702、703的作用是使磁列中最低的長(zhǎng)磁條(例如103)離開路基，這里墊條的高度決定了所謂的懸浮高度。在這種結(jié)構(gòu)中等高的長(zhǎng)磁條的磁軸同方向并且互相吸引。圖2、圖3和圖4中的虛線表示這些長(zhǎng)磁條、磁列和磁陣列都向z方向延伸。間隔條的作用是避免上下相鄰長(zhǎng)磁條間的磁力線被過分短路。圖1(a)表示條形磁體的主視圖。圖1(b)表示條形磁體的左視圖，該圖中顯示了磁體極性的表示方法，即凡畫有三條線的一側(cè)代表北極，箭頭表示磁軸方向，即磁體內(nèi)磁力線的方向。
車載懸浮磁陣列302(圖5)在結(jié)構(gòu)上與路軌懸浮磁陣列301類似。每一車載懸浮磁陣列由4列(即取n+1列，從懸浮力與造價(jià)之比考慮，車載懸浮磁陣列中的磁列數(shù)取n+1為有利)相同的磁列204～207相互平行地沿y方向等間隔地排布在列車底板704的下方。相鄰磁列間留有空間S、T、V，供不接觸地插入路軌懸浮磁陣列301之用。磁列204由4層(即取m+1層，從懸浮力與造價(jià)之比考慮，取m+1為有利)長(zhǎng)磁條104～107與間隔條507、508、509相間層疊而成，疊合時(shí)長(zhǎng)磁條的磁軸在(-y)和(+y)方向交替排列。長(zhǎng)磁條104由條形磁體16、17、18……沿長(zhǎng)度方向銜接而成，銜接時(shí)各條形磁體的磁軸同方向。在這種結(jié)構(gòu)中，各磁列中等高的長(zhǎng)磁條的磁軸方向相同并且互相吸引。圖5中虛線表示該磁陣列沿z軸方向延伸直至列車終端。間隔條507～509的作用是防止上下相鄰長(zhǎng)磁條的磁力線被過分短路。
將車載懸浮磁陣列302插入路軌懸浮磁陣列301中(其實(shí)是互相插入)即構(gòu)成懸浮磁陣列對(duì)(Pair of magnet array)401。插入后的狀態(tài)是使盡量多的車載長(zhǎng)磁條和路軌長(zhǎng)磁條嚙合，并且兩磁陣列間無(wú)機(jī)械接觸，圖6就表示這種狀態(tài)。圖6也是忽略列車重量時(shí)的懸浮狀態(tài)。如果計(jì)及列車重量，則車載懸浮磁陣列將下降Δx。這時(shí)每一車載長(zhǎng)磁條將受到原來等高相鄰的路軌長(zhǎng)磁條向上的吸引力和受到斜下方的相鄰的路軌長(zhǎng)磁條的向上的排斥力，這兩個(gè)向上的力抵抗列車受到的重力而使列車懸浮；如果列車受到某外力使列車上升了Δx，則每一車載長(zhǎng)磁條將受到原來等高的相鄰的路軌長(zhǎng)磁條的向下的吸引力和斜上方相鄰的路軌長(zhǎng)磁條的向下的排斥力而阻止列車上升，所以這種懸浮力是指向平衡位置的，這種懸浮力在一定范圍內(nèi)隨列車的下降或上升量Δx的增加而增加，所以懸浮是很穩(wěn)定的。現(xiàn)再以車載長(zhǎng)磁條19(見圖6)為例來說明懸浮力的產(chǎn)生如果由于重力使車載長(zhǎng)磁條19下降了Δx，則長(zhǎng)磁條19將受到路軌長(zhǎng)磁條21和23向上的吸引力，同時(shí)受到路軌長(zhǎng)磁條20和22向上的排斥力，因而被阻止下降；如果列車受外力上移了Δx，則車載長(zhǎng)磁條19受到路軌長(zhǎng)磁條21、23的向下的吸引力和路軌長(zhǎng)磁條10、13向下的排斥力，因而被阻止上移。可見車載長(zhǎng)磁條19處于周圍路軌長(zhǎng)磁條10、13、20、21、22、23所形成的一維磁勢(shì)阱中。其他車載長(zhǎng)磁條的情況與長(zhǎng)磁條19相似，只是最外側(cè)的長(zhǎng)磁條單邊受力。從圖6還可以看出，懸浮力F隨著長(zhǎng)磁條的數(shù)目的增加而增加，即隨m和n的乘積的增加而增加。另外懸浮力F也隨車載長(zhǎng)磁條的長(zhǎng)度L的增加而增加。因而懸浮力F可表達(dá)為FαmnL。換句話說，懸浮力F隨y方向的磁列數(shù)n的增加而增加，也隨x方向的長(zhǎng)磁條的層數(shù)m的增加而增加，也隨z方向的長(zhǎng)磁條的長(zhǎng)度L的的增加而增加。故稱其為三維磁懸浮系統(tǒng)。當(dāng)然F也隨懸浮磁陣列對(duì)數(shù)目的增加而增加，不過這和y方向增加磁列數(shù)的作用是類似的。圖6和圖5中車載懸浮磁陣列302中的最上面的長(zhǎng)磁條(例如104)除了提供懸浮力以外還和間隔條一道起到墊條的作用，使最上面的路軌長(zhǎng)磁條和列車底板704不機(jī)械接觸。圖11中兩個(gè)懸浮磁陣列對(duì)407、408是圖6的磁陣列對(duì)401的簡(jiǎn)化圖形，為的是不使圖11太復(fù)雜。
原則上將懸浮磁陣列對(duì)繞z軸旋轉(zhuǎn)90度即可作為水平導(dǎo)向系統(tǒng)。本實(shí)施例的導(dǎo)向系統(tǒng)也由車載導(dǎo)向磁陣列插入路軌導(dǎo)向磁陣列而成，圖7是四個(gè)車載導(dǎo)向磁陣列303、304、305、306分別無(wú)接觸地插入路軌導(dǎo)向磁陣列307、308、309、310所組成的導(dǎo)向磁陣列對(duì)402、403、404和405。這里列車每一側(cè)安裝有兩個(gè)車載導(dǎo)向磁陣列，其長(zhǎng)度與列車等長(zhǎng)；相應(yīng)的有兩個(gè)路軌導(dǎo)向磁陣列，其長(zhǎng)度與整個(gè)路軌等長(zhǎng)。安裝四個(gè)(兩個(gè)也可以)導(dǎo)向磁陣列對(duì)是為防止列車?yán)@z軸翻傾。
下面以導(dǎo)向磁陣列對(duì)402(圖7)為例描述其結(jié)構(gòu)。此導(dǎo)向磁陣列對(duì)由車載導(dǎo)向磁陣列303插入路軌導(dǎo)向磁陣列307而成。
路軌導(dǎo)向磁列307由2列(這里取f＝2，也可以其他值)相同的磁列208、209沿x方向等間隔地相互平行地排布在路基705的側(cè)墻上而成，排布時(shí)相鄰兩磁列之間留有空間供不接觸地插入車載導(dǎo)向磁陣列303之用。磁列208由2層(這里取k＝2。也可以取其他值)長(zhǎng)磁條108、109和間隔條510相間層疊而成，疊合時(shí)長(zhǎng)磁條的磁軸在x方向交替排列。長(zhǎng)磁條108由條形磁體沿長(zhǎng)度方向銜接而成，銜接時(shí)各條形磁體的磁軸在同方向(x方向)。
車載導(dǎo)向磁陣列303由3列(從導(dǎo)向力與造價(jià)之比考慮取f+1為有利)相同的磁列210、211、212沿x方向等間隔地相互平行地排布在列車外側(cè)而成，排布時(shí)相鄰磁列間留有空間供無(wú)接觸地插入路軌導(dǎo)向磁陣列307之用。磁列210由2層(這里層數(shù)取值k與路軌導(dǎo)向磁陣列相同為的是圖面簡(jiǎn)潔，從導(dǎo)向力與造價(jià)比考慮取k+1為有利)長(zhǎng)磁條110、111與間隔條511相間疊合而成，疊合時(shí)磁軸在x方向交替排列。長(zhǎng)磁條110由條形磁體沿長(zhǎng)度方向銜接而成，銜接時(shí)各條形磁體的磁軸保持同方向。圖中603～606為導(dǎo)磁板，其作用與在懸浮磁陣列對(duì)中的相同。
為使圖面簡(jiǎn)潔，圖11中的四個(gè)導(dǎo)向磁陣列對(duì)409～412是對(duì)圖7的導(dǎo)向磁陣列對(duì)的進(jìn)一步簡(jiǎn)化。
圖11中央部分為不接觸式的磁嚙輪和磁嚙條相嚙合的推進(jìn)系統(tǒng)406。
磁嚙輪312由多片磁片輪218和間隔片512、513(圖10(b))同軸相間疊合而成，疊合的各磁體47、51軸向?qū)R并且軸向?qū)R的磁體互相吸引。磁片輪218由基底517及等間隔排布在基底分度圓707上的偶數(shù)個(gè)磁體26～37組成，排布時(shí)磁體的磁軸交替排列。
磁嚙條由磁片條219、220和間隔條516相間疊合而成，疊合時(shí)磁體沿y方向?qū)R，且對(duì)齊的磁體磁軸方向相同，也就是使兩磁片條219、220處于相吸狀態(tài)，圖9(b)中磁體47和51表示這種狀態(tài)。磁片條219由長(zhǎng)條形基底514和等間隔地排布于其上的磁體38～50組成，排布時(shí)所有的磁體等高且磁軸交替排列(見圖9(a))。排布時(shí)還要求同一磁片條中相鄰兩磁體間的距離和磁片輪218上兩相鄰磁體在分度圓707上所占的弧長(zhǎng)相等。磁嚙條裝在路基705上，其長(zhǎng)度等于整個(gè)路軌的長(zhǎng)度。
磁嚙輪和磁嚙條相嚙合的橫截面圖示于圖10(b)，嚙合時(shí)磁嚙輪312最低的磁體32和磁嚙條311上的磁體等高，磁嚙輪312通過其轉(zhuǎn)軸708裝在列車上，由車載動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，從而推動(dòng)列車前進(jìn)。為增加磁嚙輪和磁嚙條之間的最大嚙合力可以增加磁片條的數(shù)目j，并且相應(yīng)增加磁片輪的數(shù)目(從最大嚙合力與造價(jià)之比考慮，取磁片輪數(shù)為j+1)。為進(jìn)一步增加最大嚙合力可以在列車上裝i個(gè)(i＞1)磁嚙輪與同一條磁嚙條相嚙合。為了不使圖面太復(fù)雜，圖10中只是示意性地畫了兩個(gè)磁嚙輪和同一磁嚙條相嚙合，磁嚙輪312也只畫了三片磁片輪，磁嚙條311也只畫了兩條磁片條。
圖11中607～616為導(dǎo)磁板，其功能是增加系統(tǒng)內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)和降低車廂內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)。
本實(shí)施例中的磁體首選永磁體，特別是MdFeB永磁體。因此，本實(shí)施例中的懸浮和導(dǎo)向基本上不消耗能量，也不必主動(dòng)控制。主要的耗能是推進(jìn)，由于懸浮摩擦力小，可以用電池(包括蓄電池、燃料電池)—電機(jī)驅(qū)動(dòng)或內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)。剎車時(shí)可以將電機(jī)轉(zhuǎn)換成發(fā)電機(jī)，將能量回授給蓄電池。
實(shí)施例2圖12為實(shí)施例2的磁懸浮列車的橫截面圖。本實(shí)施例將導(dǎo)向磁陣列對(duì)415～418放在中央。車載導(dǎo)向磁陣列裝在車頂中線上和列車底中央的下面；上路軌導(dǎo)向磁陣列裝在路基的封閉腔709的頂上(例如地鐵隧道的頂)或裝在彎曲立柱的頂端。圖12中上下各畫了兩個(gè)導(dǎo)向磁陣列對(duì)，也可以上下各用一個(gè)導(dǎo)向磁陣列對(duì)。413和414為懸浮磁陣列對(duì)，419和420為兩個(gè)磁嚙輪與磁嚙條組構(gòu)成的推進(jìn)系統(tǒng)。619～628為導(dǎo)磁板，706為車廂。
實(shí)施例3將圖12中的懸浮磁陣列對(duì)413與推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)419調(diào)位置，而將懸浮磁陣列對(duì)414與推進(jìn)系統(tǒng)420對(duì)調(diào)位置，其他不變作為實(shí)施例3。
實(shí)施例4利用本發(fā)明的懸浮和推進(jìn)系統(tǒng)，但用機(jī)械導(dǎo)向。這可用于中、低速運(yùn)行，例如代替地鐵、輕軌線和公共汽車。
實(shí)施例5將路軌懸浮磁陣列安裝在高架路基梁的下方，將車載懸浮磁陣列裝在列車頂上，成為懸掛式磁懸浮列車。這可建于小河流的上方，也可用于地鐵。
聲明所舉的實(shí)施列不是本發(fā)明的實(shí)施方式的全部。
權(quán)利要求
1.一種磁懸浮列車的懸浮系統(tǒng)，其特征在于，它包含一個(gè)或多個(gè)懸浮磁陣列對(duì)，每一個(gè)所述之懸浮磁陣列對(duì)包含一個(gè)路軌懸浮磁陣列和一個(gè)與之嚙合的車載懸浮磁陣列，每一個(gè)所述之路軌懸浮磁陣列由等間隔地、水平地、與路軌平行地排布于路基上的相同的且與路軌等長(zhǎng)的一列或多列磁列構(gòu)成，每一所述之磁列由一條或多條長(zhǎng)磁條與間隔條上下相間層疊而成，在每一磁列中長(zhǎng)磁條的磁軸都在水平方向并且上下相鄰的長(zhǎng)磁條的磁軸反向，所述之長(zhǎng)磁條由磁軸垂直于長(zhǎng)度方向的條形磁體以磁軸同方向的形式銜接而成；以及每一個(gè)所述之車載懸浮磁陣列由等間隔地、水平地、與路軌平行地排布于列車底板下的相同的且與列車等長(zhǎng)的一列或多列磁列構(gòu)成，每一所述之磁列由一條或多條長(zhǎng)磁條與間隔條上下相間層疊而成，在每一磁列中長(zhǎng)磁條的磁軸都在水平方向且上下相鄰的長(zhǎng)磁條的磁軸反向，所述之長(zhǎng)磁條由磁軸垂直于長(zhǎng)度方向的條形磁體以磁軸同方向的形式銜接而成，車載懸浮磁陣列與路軌懸浮磁陣列的嚙合方式為在車載懸浮磁陣列的相鄰磁列間不接觸地插入相應(yīng)的路軌懸浮磁陣列的磁列，并使盡可能多的車載懸浮磁陣列的長(zhǎng)磁條處于路軌懸浮磁陣列的長(zhǎng)磁條所形成的在豎直方向的一維磁勢(shì)阱中。
2.如權(quán)利要求1所述的磁懸浮系統(tǒng)，其特征在于，所述之磁體為永久磁體、普通線繞電磁體、超導(dǎo)線繞電磁體、俘獲磁通超導(dǎo)永磁體中的任意一種或是上述磁體的組合。
3.一種磁懸浮列車的水平導(dǎo)向系統(tǒng)，其特征在于，它包含多個(gè)導(dǎo)向磁陣列對(duì)，每一個(gè)所述之導(dǎo)向磁陣列對(duì)包含一個(gè)路軌導(dǎo)向磁陣列和一個(gè)與其嚙合的車載導(dǎo)向磁陣列，每一個(gè)所述之路軌導(dǎo)向磁陣列由等間隔地、豎直地、與路軌平行地排布于路基側(cè)墻上的相同的且與路軌等長(zhǎng)的一列或多列磁列構(gòu)成，每一列所述之磁列由一條或多條長(zhǎng)磁條與間隔條相間疊合而成，每一磁列中長(zhǎng)磁條的磁軸在豎直方向并且在水平方向相鄰的長(zhǎng)磁條的磁軸反向，所述之長(zhǎng)磁條由磁軸垂直于長(zhǎng)度方向的條形磁體以磁軸同方向的形式銜接而成；以及每個(gè)所述之車載導(dǎo)向磁陣列由等間隔地、豎直地、與路軌平行地排布于列車側(cè)壁上的相同的且與列車等長(zhǎng)的一列或多列磁列構(gòu)成，每一所述之磁列由一條或多條長(zhǎng)磁條與間隔條相間疊合而成，在磁列中長(zhǎng)磁條的磁軸在豎直方向并且在同一磁列中在水平方向相鄰的兩長(zhǎng)磁條的磁軸反向，所述之長(zhǎng)磁條由磁軸垂直于長(zhǎng)度方向的條形磁體以磁軸同方向的形式銜接而成，車載導(dǎo)向磁陣列與路軌導(dǎo)向磁陣列的嚙合方式為在車載導(dǎo)向磁陣列的相鄰兩磁列間不接觸地插入相應(yīng)的路軌導(dǎo)向磁陣列的磁列并使盡可能多的車載導(dǎo)向磁陣列的長(zhǎng)磁條處于路軌導(dǎo)向磁陣列的長(zhǎng)磁條所形成的一維水平磁勢(shì)阱中。
4.如權(quán)利要求3所述之導(dǎo)向系統(tǒng)，其特征在于，所述之磁體為永久磁體、普通線繞電磁體、超導(dǎo)線線繞電磁體、俘獲磁通超導(dǎo)永磁體中的任一種或是上述磁體之組合。
5.一種磁懸浮列車的不接觸式推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于，包含一個(gè)或多個(gè)磁嚙輪與磁嚙條組，每一個(gè)所述之磁嚙輪與磁嚙條組包含一條與路軌等長(zhǎng)并安裝在路基上的磁嚙條，所述之磁嚙條由多片相同的磁片條與間隔條相間疊合而成，疊合時(shí)要求相鄰的磁片條之間處于相互吸引狀態(tài)，磁片條由長(zhǎng)條形基底及等間隔地沿長(zhǎng)度方向排布于基底上的磁體構(gòu)成，磁片條上磁體的磁軸交替排列，以及一個(gè)或多個(gè)安裝在列車底部的磁嚙輪，每個(gè)所述之磁嚙輪由多片磁片輪與間隔片相間同軸疊合而成，磁片輪由基底及等間隔地排布在基底分度圓上的偶數(shù)個(gè)磁體構(gòu)成，分度圓上的磁體的磁軸交替排列并且相鄰兩磁體在分度圓上所占的弧長(zhǎng)等于上述磁片條上兩相鄰磁體間的距離，磁嚙輪與磁嚙條之間的嚙合方式是在磁嚙輪的間隔片所在的位置不接觸地插入磁嚙條的磁片條，磁嚙輪的轉(zhuǎn)軸在水平方向且垂直于路軌，磁嚙輪上最低的磁體與磁嚙條上的磁體等高并使盡可能多的磁片輪與磁嚙條相嚙合。
6.如權(quán)利要求5所述之推進(jìn)系統(tǒng)，其特征在于，所述之磁體為永久磁體、普通線繞電磁體、超導(dǎo)線線繞電磁體、俘獲磁通超導(dǎo)永磁體中的任一種或是上述磁體之組合。
全文摘要
本發(fā)明提供一種磁懸浮列車，包括懸浮系統(tǒng)，導(dǎo)向系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)。懸浮系統(tǒng)由車載磁陣列和路軌磁陣列磁性地嚙合而成。磁陣列由若干相同的磁列等間隔地排布而成，磁列由長(zhǎng)磁條和間隔條相間疊合而成，磁列中長(zhǎng)磁條的磁軸交替排列。導(dǎo)向系統(tǒng)由懸浮系統(tǒng)繞路軌旋轉(zhuǎn)90°而成。推進(jìn)系統(tǒng)由裝在列車上的磁嚙輪和裝在路基上的磁嚙條磁性地嚙合而成，磁嚙輪由磁片輪和間隔片相間同軸疊合而成。磁片輪上等間隔地、磁軸交替地排布著偶數(shù)個(gè)磁體，磁嚙條由磁片條和間隔條相間疊合而成。磁片條上等間隔地、磁軸交替地排布許多磁體。本懸浮系統(tǒng)有浮力大(可大于500KN/m
文檔編號(hào)B60L13/04GK1431114SQ0311497
公開日2003年7月23日 申請(qǐng)日期2003年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月20日
發(fā)明者魏樂漢 申請(qǐng)人:魏樂漢