专利名称：永磁感应悬浮与导向装置的制作方法
技术领域：
本发明是一种磁悬浮与导向装置，特别是一种利用永磁体使车厢或其它运动物体悬浮起来并导向的磁悬浮装置。
现阶段磁悬浮车主要有超导斥力悬浮和常导吸力悬浮两种方式。日本对超导斥力悬浮车的研究较多，首期投入约30亿美元。在试验线上时速已达552km，但因可靠性、成本、噪声等问题实用前景不佳，99年日本政府已停止二期试验线30亿美元的拨款[1]。常导吸力磁悬浮车德国研究投入较多，修建了总长31.5km，直线段12km的试验线。在直线段实验时速达400多公里，上海在修30km这样的实验线。但被德国人称为“具有里程碑意义的柏林——汉堡磁悬浮铁路”于2000年2月决定停建[2]。投入几十亿元进行研究为什么停建呢？既懂车辆动力学又懂电机的人一目了然，双轨直线同步电机驱动双轨串联供电，悬浮磁场兼作直线同步电机的励磁磁场，悬浮磁场是在不断地调节的，并且两边不同步，这使双轨直线电机功率不断地变化，给车辆造成动力干扰力矩，诸如此类的方案性的问题使其在工程上无法实用。近年来西南交通大学得到“863”计划支持将高温超导用于磁悬浮车取得成功[3]。但其缺点是要在两条轨道上布置稀土永磁体，不仅投资高而且给保护维修造成困难，长列车高速运行时稀土永磁体发热的问题还需妥善解决，稀土永磁体温升到一百多度会失去磁性。
永磁悬浮的好处是不需要不断地供给电能，因此受到重视。但是仅用永磁体的吸力或斥力悬浮是不稳定的，多数已将永磁体与电磁铁结合起来使用，但人们对于稀土永磁体电阻很小影响认识不足。将稀土永磁体与电磁铁硅钢片铁芯串使用，为使悬浮稳定在对电磁铁电流进行调节时，磁通发生变化。在永磁体中产生涡流生热，永磁体温升会失去磁性。若用铁氧体永磁材料。虽然电阻很大，但磁能积太小。自重太大，也没有实用价值。本人曾研究出解决办法，将电磁铁与永磁体并联，并用两个方向的电磁铁分别控制悬浮高度的变大和变小，以“双向电磁铁控制永磁悬浮及导向装置”为名申请了发明专利，申请号99117471.2。永磁感应悬浮及导向装置是利用永磁体悬浮的另一种方式。美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室也利用永磁体进行悬浮研究[4]。
本发明的目的一是用于磁悬浮车时降低投资及运营费，使其在工程上可行；二是提高稳定性，减小空气动力干扰引起的波动。
本发明要求保护的技术方案有二点其一是永磁体采用不同的磁特性与形状的永磁块构成的π型阵列；其二是感应轨线圈结构，其线圈导线用横截面为矩形的漆包线，在水平方向较宽。在铅垂方向很窄，并且感应轨线圈底面有一铜板或铝板。
发明与
背景技术：
相比所具有的有益效果，本发明与美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室所采用的悬浮方式其原理都是基于英阻物理学家法拉第在1881年所发现的电磁感应定律。本发明的π型永磁阵列比劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的Halbach阵列产生更强的导向力，对于同一速度的磁悬浮列车可以采用较小的曲线半径，并且列车从悬浮状态减速时车轮能够准确地落在钢轨上。线圈中的感应磁场多一侧向约束，增加线圈上部的磁通，否则磁通大量的从侧面闭合而减小了对悬浮与导向有用的磁通。在感应线圈结构方面线圈由多层矩形短路环组成，矩形环从小到大，从内向外层层相套组成一平面线圈，许多线圈沿轨道长的方向紧密排列组成轨道感应线圈串。矩形短路环用横截面为矩形的漆包线焊成，漆包线较宽的一边在水平方向，较窄的一边在铅垂方向，其有益的效果是永磁阵列的磁力线分布在悬浮高度方向是不均匀的，悬浮高度因空气动力影响而波动时在铅垂直方向穿过线圈导线的磁通就会有变化，磁通的变化感应出涡旋电流阻止悬浮高度波动。在两侧同样也有防止车体横向摆动的效果，这就解决了劳伦斯·利弗莫尔实验室提出的几个技术问题中的一个“为了使Inductrack乘坐起来更加舒适，系统必须防止由空气动力造成的摇动。”当磁悬浮列车运行时永磁阵列在轨道感应线圈串中产生的磁场频率是较高的，本发明在线圈串底面布置一层铜板或铝板，对感应磁场有屏蔽作用，使感应磁场不通过线圈底边闭合，增强悬浮及导向磁场。
说明书附图
中上图为车箱、轨道横截面图，下图为A--A向剖视图。图中(1)——车箱。(2)——π型永磁体阵列。
(3)——轨道感应线圈。(4)——感应磁场屏蔽板(铜或铝)。
(5)——轨道支持结构。(6)——π型永磁阵列水平部分剖面。
(7)——轨道感应线圈导线剖面。(8)——永磁体磁力线的分布。
S、N为永磁体极性的常规标识，A、B、C、D、E、F、G、H为沿轨道方向永磁体阵列一个长度单元内的永磁块。
实现本发明的最好方式如附图中(2)所示的π型永磁体阵列安装在轮轨车厢底部两边，在低时速时车厢下的车轮在钢轨上滚动(图中略去了车轮及钢轨)，当时速大于10km时(视永磁体用量及车体重量而定)π型永磁阵列(2)在线路线圈(3)中感应出极性相反的磁场，在斥力作用下将车厢浮起，π型永磁体两侧部分产生的斥力进行导向。在车速不变当空气动力等外界干扰下悬浮高度变小时斥力非线性地增加，在悬浮和导向方面均是一个恢复力很强的自稳定系统。
实现本发明的π型永磁阵列内部结构剖视图A--A中(6)为沿轨道方向一个长度单元永磁体的详细剖面图，(8)为其磁力线的分布。为了提高悬浮与导向的性能图中，由8块永磁体构成，考虑到永磁体的生产工艺每块的边长不宜过大，也不宜过小，太小了磁场(8)分布范围小，悬浮高度不高。8块稀土永磁体中A、C、D、F、G、H为立方体或长方体定向永磁体，充磁后磁通密度高，B、E在转变处，采用非定向永磁体，并且为了提高永磁体的利用率，将其改为四分之一圆柱体，A、B、C、D、E、F粘接为图示结构后整体充磁，G、H粘接充磁后再塞入图示位置并粘牢，这样可以改善磁力线(8)的分布，提高悬浮性能。π型永磁体阵的两边与此类同。
实现本发明的轨道线圈结构铜或铝屏蔽板(4)敷设在轨道支撑结构(5)上，在其上沿轨道长的方向紧密排列轨道感应线圈(3)，(3)为多层矩形平面短路环，用横截面为矩形的漆包线铜焊而成，矩形截面较长的一边在轨道长的方向，较短的一边在垂向如附图中(7)所示。(3)中矩形短路环两边长之比按悬浮力与导向力之比的要求确定，另一方面在正常悬浮高度时磁力线(8)的最外层不要穿过短路环最内层下长边的漆色线，否则会使感应磁场减弱。
利用以上永磁体及感应轨结构悬浮并导向的磁悬浮车是最安全、廉价、舒适的自稳定磁悬浮车，其驱动方式与其它磁悬浮车一样用直线电机。
本发明是将法拉第电磁感应定律应用于磁悬浮车。π型永磁阵列安装在车厢底部两边，π型的开口罩在轨道上的紧密排列的矩形感应线圈上。在低速时车厢依靠车轮在轻便钢轨上运行，时速大于10km时轨道线圈中感应出极性相反的磁场，在斥力的作用下进行悬浮并导向。由于π型永磁阵列的外形、内部结构及轨道感应线圈，使得该发明永磁体用量少，感应磁场利用率高，并能产生阻止车厢各方向波动的阻尼，成为最安全、廉价、舒适的不需控制系统的自稳定磁悬浮车。
权利要求
1.永磁感应悬浮与导向装置，是一种利用磁场将车厢或其它运动物体悬浮起来并导向的装置，其特征是利用永磁体进行悬浮与导向，但不是利用永磁体对衔铁或极性相反的永磁体的吸力进行悬浮，也不是利用极性相同的永磁体之间的斥力的悬浮，这两种悬浮方式都是不稳定的，而是按法拉弟电磁感应定律利用运动的永磁体与静止的线圈中的感应磁场之间的斥力进行悬浮与导向的，横断面为π型的稀土永磁体阵列(2)安装在车厢(1)底面的两边，π型永磁体的开口罩在轨道矩形感应线圈(3)上，π型永磁体的水平部分的作用是悬浮两则是导向，感应线圈(3)底面与轨道支撑结构(5)之间敷设一层铜或铝板(4)对经线圈底面闭合的感应磁场进行屏蔽，沿轨道方向永磁体阵列截面一个长度单元(6)由8块永磁体组成，其中A、C、D、F、G、H为立方体或长方体定向永磁体，B、E在转弯处采用四分之一圆柱体非定向永磁体，A、B、C、D、E、F粘牢后整体充磁，G、H粘在一起充磁后再塞入A、F间粘牢，这样能提高悬浮重量与永磁体重之比，并使磁力线(8)的分布利于增加悬浮高度；轨道感应线圈(3)由同心的多层矩形短路环构成平面线圈，再沿轨道密布，短路环的横断面(7)为矩形，其较宽的一边平行于轨道长的方向，较短的一边在垂向，悬浮高度的波动时穿过宽边的磁力线的变化，会对波动产生阻尼，π型永磁体的两侧也有相同的作用。开车时车厢的车轮在钢轨上滚动，当时速达到10km时开始悬浮并导向。
2.根据权利要求1所述的永磁感应悬浮与导向装置，其特征可以将感应线圈装在需悬浮的运动物体上，π型永磁阵列装在轨道上。
3.根据权利要求12所述的永磁感应悬浮与导向装置，其特征是π型永磁阵列可做成开口的环形，感应线圈的形状与支撑也作相应的改变，其优点是各方向波动都很小。
4.根据权利要求1、2所述的永磁感应悬浮与导向装置，其特征是其永磁体可以用电磁铁代替。
5.根据权利要求1、2所述的永磁悬浮与导向装置，其特征可以用作发射火箭的助推器，火箭运动一段距离后再点火，其好处是冷发射，发射地点不会被卫星红外跟踪器发现、锁定、摧毁。
6.根据权利要求1、2所述的永磁感应悬浮与导向装置，其特征是将永磁体阵列及感应线圈作成同心圆环，相对旋转到一定速度时成为永磁感应悬浮轴承。
全文摘要
本发明属于磁悬浮车或其它运动物体悬浮与导向装置,它不需超导体,也不需要传感器及控制系统进行悬浮与导向,而是利用车上的稀土永磁体与轨道上的线圈相对运动时感应的磁场进行悬浮与导向,也是一个自稳定系统,并且投资低,安全性好,即使高速运动时突然停止所有电力供应,也不需蓄电池供电也不会出事故,它会缓慢平稳地停下来,它可以用于高速磁悬浮列车及城市轨道交通,噪声极低,也可以用火箭发射助推器及永磁悬浮轴承。
文档编号B60L13/06GK1339370SQ0112890
公开日2002年3月13日 申请日期2001年9月28日 优先权日2001年9月28日
发明者刘尚举 申请人:刘尚举