本发明涉及一种列车,特别是一种电磁列车。
背景技术:
电磁悬浮列车具有无摩擦的优点,已在上海得到商业应用。但磁悬浮列车运行时其定转子之间的悬浮间隙一般要保持在8-10mm,停车时的气隙更大,约为15~20mm,要保持这样的悬浮气隙,悬浮磁铁(转子)的励磁电流势必要大,造成悬浮磁铁耗电量大,自重大,导致车辆的有效载荷低。更为重要的是,磁悬浮系统是一个强耦合、本质非线性、开环不稳定的系统,在列车起浮、降落、直行等悬浮过程中需要气隙传感器实时监测气隙的大小,其控制复杂、不易实现,因而限制着磁悬浮列车的推广使用。
技术实现要素:
本发明的主要目的在于:针对现有技术中存在的缺陷或不足,提供一种功耗小、自重轻、成本低、控制简单易行、运行效果与磁悬浮列车相当的电磁列车。
为了达到以上目的,本发明电磁列车,包括:线路轨道,所述线路轨道两侧沿行驶方向安装有多个长定子;驱动系统,所述驱动系统含有所述长定子;车辆,所述车辆含有车辆支撑架、车厢;导向系统,所述导向系统含有导向磁铁、导向轨道、导向气隙传感器、导向控制器;以及电磁支撑系统,其特征在于:所述电磁支撑系统包括转子、转子控制器、车辆载荷传感器,所述转子位于所述长定子下方,所述转子与所述长定子之间具有小气隙,气隙的取值范围为2mm-6mm;所述车辆通过其底部的支撑滑撬与所述线路轨道接触,列车在整个行驶过程中,均与所述线路轨道接触。
所述转子控制器根据所述车辆载荷传感器测得的车辆载荷,实时调节所述转子的励磁电流,使得励磁电流产生的电磁吸力等于所述车辆载荷。
所述电磁支撑系统安装在所述车辆支撑架上。
本发明电磁列车与磁悬浮列车的主要区别在于:1)车辆与线路轨道固定接触,没有悬浮,因而可省去悬浮气隙传感器,也无需起浮、降落、悬浮控制,使得控制简单、运行稳定;2)定子与转子之间的气隙为2-6mm,显著小于磁悬浮列车定转子之间的悬浮气隙(8-10mm),其带来的有益效果是:如果产生同样的电磁吸力f(即同样的车辆载荷),本发明电磁列车所需的转子励磁电流I可以成倍缩小,而根据功率P=I2R(其中R为转子励磁线圈的电阻),则功耗将成平方倍减小,同时自重减轻;3)新增车辆载荷传感器,通过它实时测量车辆载荷,只要调节转子的励磁电流I,使其产生的电磁吸力f等于车辆载荷,也就是说电磁吸力抵消了车辆载荷重力,则车辆作用于轨道上的作用力为零,因而摩擦力亦为零,这样虽然是固定接触,但仍可达到与磁悬浮列车同样的无摩擦效果;进一步地,在遇到紧急情况时,通过降低转子的励磁电流I,使得电磁吸力f变小,即可增加摩擦力,达到辅助迅速制动停车的目的。
综上所述,本发明的有益效果是:1)无需悬浮气隙传感器,没有起浮、降落、悬浮控制,控制简单、运行稳定;2)由于定转子之间的气隙显著缩小,使得列车自重轻、成本低、有效载荷大、功耗大大降低;3)虽然是固定接触,但仍可达到与磁悬浮列车同样的无摩擦效果;4)在遇到紧急情况时,通过降低转子的励磁电流,使得电磁吸力变小,即可增加列车与轨道之间的摩擦力,达到迅速制动停车的目的。
附图说明
附图1为本发明电磁列车的结构示意图。
附图2为本发明电磁支撑系统的力学分析示意图。
图中标号:1-轨道,1a-定子面,1b-侧面导向轨面,1c-滑行轨面,2-钢筋混凝土支墩基础,3-长定子,4-转子,4a-转子励磁线圈,4b-转子铁心,5-车辆载荷传感器,6-车辆支撑架,6a-横梁,6b-纵梁,7-支撑滑撬,8-车辆,9-导向磁铁。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明作进一步详细说明。
如附图1所示,本发明电磁列车的线路轨道包括轨道1、钢筋混凝土支墩基础2,其作用是引导列车前进方向,同时承受列车载荷并将之传至地基。轨道1为线路的上部结构,包括定子面1a(用于悬浮)、侧面导向轨面1b(用于控制列车方向)、滑行轨面1c(用于支承列车)及其固定附件;钢筋混凝土支墩基础2为线路的下部结构。
电磁列车的驱动系统包括长定子3,它沿整个线路敷设在轨道两侧,与安装在车辆8上的转子4构成长定子线性同步电动机,既用于驱动也用于制动,其工作原理是:长定子3带有三相行波线圈,输入三相交流电后产生直线移动磁场,电磁力将列车吸引推动向前,其运行速度与长定子3中三相电流的频率成正比,因而列车可以根据三相电流的频率实现无级变速;长定子3中三相电流由地面固定的控制设备通过调节其频率、电压、电流及相位角来实施控制列车的牵引和制动。
电磁列车的车辆8包括车辆支撑架6和车厢。车辆支撑架6是车辆的主要部件,它由横梁6a、纵梁6b、支撑滑撬7等组成,转子4、导向磁铁9等均安装在车辆支撑架6上,车辆支撑架6将电磁力、导向力、牵引力和制动力通过悬挂系统传递给车厢。转子4和导向磁铁9安装在相邻两个车辆支撑架6的纵梁6b上。车辆8通过支撑滑撬7与线路轨道接触。滑撬7位于车辆8底部,固定在空气弹簧支架上,用于列车支撑车体和特殊情况下的紧急制动(利用其与轨道的摩擦力),承受列车载荷并将之传至地基。
电磁列车的电磁支撑系统包括转子4、转子控制器、车辆载荷传感器5。转子4安装在车辆支撑架6上,且位于长定子3的下方,它们之间的气隙很小,其取值范围是2-6mm;车辆载荷传感器5安装在车辆支撑架6的横梁6a与支撑滑撬7之间,转子控制器根据车辆载荷传感器5测得的车辆载荷,实时调节所述转子的励磁电流,使得励磁电流产生的电磁吸力等于车辆载荷,即电磁吸力抵消了车辆载荷重力,则车辆8施加在线路轨道滑行轨面1c上的作用力等于零,从而车辆8与线路轨道之间的摩擦力也为零,达到与磁悬浮列车同样的无摩擦效果。
电磁列车的导向系统包括导向磁铁9、导向轨道(即轨道1的侧面导向轨面1b)、导向气隙传感器、导向控制器,导向气隙传感器位于导向磁铁9侧,通过其实时监测,控制导向磁铁9产生的电磁力的大小,保证列车侧向与轨道1的侧面导向轨面1b保持8-10mm的导向间隙。
下面举例进一步说明本发明电磁列车实现无摩擦、辅助制动、自重轻、功耗小、成本低的实施方式。
图2为本发明电磁支撑系统的力学分析示意图,图中f为转子4通电以后产生的方向向上的电磁吸力,mg为车辆8的自重,即车辆载荷,方向向下,δ为转子4与定子3之间的气隙。
根据电磁学理论,有:
式中,μ0为真空磁导率,N为转子励磁线圈4a的匝数,S为电磁铁(即转子4)的磁极表面有效面积,I为转子4的励磁电流。
根据图2,车辆施加在线路轨道上的作用力F等于其自重mg与电磁吸力f之差,即:
通过调节转子的励磁电流I,使得电磁吸力f等于车辆载荷mg,则由式(1)可得:
因此,只要调节转子的励磁电流I,使I满足式(3),则电磁吸力f就等于车辆载荷mg,由式(2)可知,此时车辆施加在线路轨道上的作用力F(合力)等于零,因而车辆与线路轨道之间的摩擦力也为零,达到磁悬浮列车的无摩擦效果。
进一步地,在遇到紧急情况时,通过降低转子的励磁电流I,则电磁吸力f变小,使得合力F大于零,即可增加车辆与线路轨道之间的摩擦力,达到辅助迅速制动停车的目的。
与磁悬浮列车相比,本发明电磁列车定子3、转子4之间的气隙δ很小,气隙取值范围仅为2mm-6mm。不失一般性,举例:选取电磁列车定子3、转子4之间的气隙为4mm,而磁悬浮列车定转子之间的气隙是10mm,则电磁列车气隙是磁悬浮列车气隙的2/5(即40%)。由于定转子之间的气隙减小,如果产生与磁悬浮列车同样的电磁吸力f(即同样的车辆载荷),则从式(1)可以得出三种效果:
1)所需励磁电流I可以相应同比例减小为原来的40%(即降低60%),则根据功率P=I2R(其中R为转子励磁线圈4a的电阻)可算出:转子的电磁功耗P仅为磁悬浮列车的16%(即节约84%),功耗大大降低;同时由于励磁电流I减小,转子励磁线圈4a可以选用线径较小的导线,转子铁心4b可以变薄,转子4体积变小,转子4的自重得以减轻,则可降低长定子3的驱动功耗,或可增加车辆8的有效载荷。
2)如果保持励磁电流I不变,则所需转子励磁线圈4a的匝数N可相应同比例减小为原来的40%(即减少60%),从而转子铁心4b可以变薄,高度减小为原来的40%(即降低60%),转子4体积变小,节约了励磁线圈4a导线和转子铁心4b的成本,且显著减轻了转子4的自重,同样可降低长定子3的驱动功耗,或增加车辆8的有效载荷。
3)如果保持励磁电流I和转子励磁线圈4a的匝数N不变,则电磁铁(转子4)的磁极表面积S可以减小到仅为磁悬浮列车的16%(即减少84%),则转子4体积变小,降低了转子铁心4b的成本,且显著减轻了转子4的自重,同样可降低长定子3的驱动功耗,或增加车辆8的有效载荷。
由上可知,本发明电磁列车的节能降耗效果非常显著。如果定子3与转子4之间的气隙选择得更小,则功耗可以更小、自重更轻、成本更低,节能降耗效果更为显著。