一种磁悬浮列车的制作方法

本发明涉及磁悬浮技术领域，更具体地说，涉及一种磁悬浮列车。

背景技术：

磁浮列车是利用电磁力将列车悬浮于轨道上，由直线电动机直接驱动而前进的在空中运行的列车。不同于其他需要接触地面的轮轨式列车，磁浮列车行走时实现了无接触运行，行走时仅受到来自空气的阻力，该列车具有乘坐舒适、运行安全、选线灵活、节地环保、噪声低振动小等显著优势。由此，磁浮列车克服了普通列车车辆必须通过轮轨粘着接触实现列车牵引且阻力较大的弊端，开辟了铁路交通的新前景。

现阶段研制中速磁悬浮列车，目的是提供一种适合城际市域及郊域使用的磁悬浮列车，中速磁悬浮列车的车速上接高速磁悬浮列车，下接中低速磁浮列车，基本形成磁悬浮列车的产品谱系。

现有的中低速磁悬浮列车采用感应式直线电机，并用于f形轨道，从其结构原理上看，进一步提高运行的速度是存在一定技术困难的。在原理上，f形状的轨道上侧向的悬浮自导力仅能达到垂向悬浮力的十分之一。在中速运行的情况下，由于离心力的大小与运行速度的平方成正比，所以，难以解决在弯道上高速运行的离心力平衡的问题。另外，现有技术中有采用高速磁悬浮列车的结构进行降速使用，但除了结构造价较高以外，长定子直线电机的变频牵引控制，会带来运行控制的复杂性以及运行条件突变的调度不灵活性。

综上所述，如何提供一种适用于中低速的磁悬浮列车，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种磁悬浮列车，该磁悬浮列车适用于中低速情况，解决了列车侧向自导力小的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种磁悬浮列车，包括转向架和牵引装置，所述转向架上设有与轨道垂向设置的悬浮电磁铁和与轨道横向设置的导向电磁铁；

所述牵引装置为磁阻式直线电机，包括设置于所述轨道的次级反应板和设置于所述转向架的电枢电磁铁；

所述磁阻式直线电机的各相所述电枢电磁铁串联连接，且在牵引方向上相距第一电角度，对应的所述次级反应板在牵引方向上相距第二电角度；

还包括传感器和控制装置，所述传感器用于检测所述电枢电磁铁与所述次级反应板的相对位置，所述控制装置用于根据所述相对位置控制各相所述电枢电磁铁工作。

优选的，若干个所述传感器用于分别检测当前所述电枢电磁铁与所述次级反应板的对应重合面积；

列车加速状态下所述对应重合面积增长到最小预设值时，所述控制装置控制当前所述电枢电磁铁通电，并将其他所有所述电枢电磁铁断电；当所述对应重合面积增长到最大预设值时，所述控制装置控制当前所述电枢电磁铁断电；

列车减速状态下所述对应重合面积减少到最小预设值时，所述控制装置控制当前所述电枢电磁铁通电，并将其他所有所述电枢电磁铁断电；当对应重合面积减少到最大预设值时，所述控制装置控制当前所述电枢电磁铁断电。

优选的，所述磁阻式直线电机的极距τ等于所述轨道的轨枕间距，所述磁阻式直线电机的初级电枢电磁铁长度为τ/2，所述次级反应板的长度也为τ/2。

优选的，所述磁阻式直线电机包括至少两组电枢电磁铁，各组所述电枢电磁铁在牵引方向上具有τ/2n的距离，其中，τ为所述磁阻式直线电机的极距，所述磁阻式直线电机为n相磁阻式直线电机，且n大于或等于3。

优选的，所述磁阻式直线电机包括三相磁阻式直线电机。

优选的，所述磁阻式直线电机的电枢电磁铁设于所述轨道的下部，所述次级反应板所在平面与所述悬浮电磁铁的轨道面具有20度至40度的夹角，用于补充悬浮支撑力和侧向导向力。

优选的，所述控制装置为igbt斩波器。

优选的，所述导向电磁铁的控制装置为采用差动控制策略的磁悬浮控制器。

优选的，所述悬浮电磁铁、导向电磁铁以及磁阻式直线电机均包括e形电磁铁或c形电磁铁。

优选的，所述轨道为u形轨道，所述u形轨道包裹在轨枕外侧。

本发明提供的磁悬浮列车乘坐舒适、运行安全、选线灵活、节地环保、噪声低振动小等显著优势外，解决了现有中低速磁浮列车方案提速困难或高速磁浮列车造价高、运行维护复杂度高的缺点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的磁悬浮列车的走行部结构的示意图；

图2为本发明所提供的磁悬浮列车的一半悬浮电磁铁模块的示意图；

图3为本发明所提供的磁悬浮列车的e形电磁铁磁通分布示意图；

图4为本发明所提供的磁悬浮列车的双c形电磁铁磁通分步示意图；

图5为电枢电磁铁与轨道反应板在位置重合时的示意图；

图6为电枢电磁铁与轨道反应板在位置错开τ/2时的示意图；

图7为电枢电磁铁与轨道反应板在位置错开τ/4时的示意图；

图8为电枢电磁铁与轨道反应板在位置错开3τ/4时的示意图；

图9为正向驱动时a相电枢电磁铁通电的示意图；

图10为正向驱动时b相电枢电磁铁通电的示意图；

图11为正向驱动时c相电枢电磁铁通电的示意图；

图12为三相磁阻式直线电机的正向驱动电磁反应力的示意图；

图13为三相电机的两组电枢电磁铁相互错开的合成正向驱动电磁反应力的示意图；

图14为正向驱动时的斩波器的工作状态的示意图；

图15为电制动时的斩波器的工作状态的示意图；

图16为反向驱动时a相电枢电磁铁通电的示意图；

图17为反向驱动时b相电枢电磁铁通电的示意图；

图18为反向驱动时c相电枢电磁铁通电的示意图；

图19为磁阻式直线电机的控制特性；

图20为磁阻式直线电机的机械特性；

图21为本发明所提供的磁悬浮列车的轨道结构示意图。

图1-21中：

1为车体、2为转向架、3为制动器、4为导向电磁铁、5为轨道、6为磁阻式直线电机、7为悬浮电磁铁、8为轨枕、11为电枢电磁铁、12为线圈、13为次级反应板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种磁悬浮列车，该磁悬浮列车适用于中低速情况，解决了列车侧向自导力小的问题。

请参考图1和图2，图1为本发明所提供的磁悬浮列车的走行部结构的示意图；图2为本发明所提供的磁悬浮列车的一半悬浮电磁铁模块的示意图。

本发明所提供的一种磁悬浮列车，主要包括车体1、转向架2和牵引装置等。转向架2上设有与轨道5垂向设置的悬浮电磁铁7和与轨道5横向设置的导向电磁铁4。

牵引装置为磁阻式直线电机6，包括设置于轨道5的次级反应板13和设置于转向架2的电枢电磁铁11。

磁阻式直线电机6的各相电枢电磁铁11串联连接，且在牵引方向上相距第一电角度，对应的次级反应板13在牵引方向上相距第二电角度。

还包括传感器和控制装置，传感器用于检测电枢电磁铁11与次级反应板13的相对位置，控制装置用于根据相对位置控制各相电枢电磁铁11工作。

需要说明的是，上述导向电磁铁4为在中速磁悬浮列车的转向架上增加的导向悬浮电磁铁，转向架2的结构可以现有的中低速磁悬浮列车的结构上，结合高速磁浮列车的双托架和中置扭曲梁的转向架结构设计。

磁阻式直线电机6以下简称电机，电机的各相电枢的凸磁极均为电磁铁，在安装的空间位置上，需要错开一定的电角度。磁阻式直线电机6的次级反应板凸极，可以选用与悬浮轨道相同的材料，并设置在与轨枕8的连接处，非凸极的部分可以采用机械加工的方式挖去。

在本发明所提供的一个具体实施例中，若干个传感器用于分别检测当前电枢电磁铁11与次级反应板13的对应重合面积。

列车加速状态下，或者说选定为加速状态，对应重合面积增长到最小预设值时，控制装置控制当前电枢电磁铁11通电，并将其他所有电枢电磁铁11断电；当对应重合面积增长到最大预设值时，控制装置控制当前电枢电磁铁11断电；这样的控制方式，可以使车辆处于加速状态中。

列车减速状态下，或者说选定为加速状态，对应重合面积减少到最小预设值时，控制装置控制当前电枢电磁铁11通电，并将其他所有电枢电磁铁11断电；当对应重合面积减少到最大预设值时，控制装置控制当前电枢电磁铁11断电。这样的控制方式，可以使车辆处于制动状态中。

请参考图5至图8，图5至图8分别是电枢电磁铁与轨道反应板在位置重合时的示意图、错开τ/2时的示意图、错开τ/4时的示意图和错开3τ/4时的示意图。其中τ为磁阻式直线电机6的极距。

当电枢电磁铁11与轨道5的次级反应板13对应重合时，如图5，在电枢电磁铁的磁路中，磁阻是最小的，此时铁芯和气隙的磁路中，将产生最大的磁通量，电枢电磁铁的电感最大。

当电枢电磁铁与轨道的反应板处于完全不重合时，在电枢电磁铁的磁路中，磁阻是最大的，如图6，此时在铁芯和气隙的磁路中，将产生最小的磁通量，电枢电磁铁中的电感最小。

当电枢电磁铁与轨道反应板的位置错开τ/4时，如图7，电枢电磁铁的磁路中，磁阻适中，电枢电磁铁处于向磁阻减小的方向运动并使磁通趋于逐渐增大的条件，即电枢电磁铁的电感处于逐渐增大的状态。

当电枢电磁铁与轨道反应板的位置错开3τ/4时，如图8，磁阻和磁通量也是适中。但是，此时电枢电磁铁是处于向磁阻增大的方向运动，磁通趋于逐渐减小的条件，即电枢电磁铁的电感处于逐渐减少的状态。

上面说明了不同对应位置产生电感和磁阻的情况，也就说明了通过在不同对应位置对电枢电磁铁进行通电的作用。

在上述实施例的基础之上，磁阻式直线电机6的极距τ等于轨道5的轨枕8间距，磁阻式直线电机6的初级电枢电磁铁11长度为τ/2，次级反应板13的长度也为τ/2。

在一个具体的实施例中，磁阻式直线电机6的极距与轨枕8的间距相同，根据现有设计，即可以为1.2m，这种设置适合于直线电机的中速牵引。

本发明所提供的一个可靠的实施例中，具体提供了一种三相磁阻式直线电机的设置方式，其中，包括三个电枢电磁铁，分别为a相电枢电磁铁、b相电枢电磁铁和c相电枢电磁铁。请参考图9至图11，图9至图11分别为正向驱动时a相电枢电磁铁通电的示意图、b相电枢电磁铁通电的示意图和c相电枢电磁铁通电的示意图。其中，电枢电磁铁向右侧移动的位移为x。

当a相电枢电磁铁位于x＝τ/12时，导通a相电枢电磁铁对应的斩波器的g1和g2两只igbt开关管，开始给a相电枢电磁铁通电，并在电枢电磁铁向右运动了x＝τ/3的距离后再关断a相斩波器。在此期间，a相电枢电磁铁将从通电电源处吸收电能，并以磁能的形式，储存在磁路之中，由于电枢电磁铁与反应板之间的磁阻随着磁通流过的面积增大而逐渐变小，同时铁芯中磁通在逐渐增大，于是a相电枢电磁铁的绕组中就会产生一个反电势和电流，试图阻止电枢电磁铁中的磁通变大，并输出正功率。此时，电枢电磁铁将产生一个正向的驱动电磁反应力。在a相斩波器关断之时，磁储能将在a相电枢电磁铁绕组中产生一个与电流方向相同的电势，以阻止磁通的减少，并通过斩波器的d1和d2两只二极管，将磁储能反馈给电源。

当b相电枢电磁铁位于x＝τ/12时，导通b相斩波器的g1和g2两只igbt开关管，开始给b相电枢电磁铁通电，并在电枢电磁铁向右运动了x＝τ/3的距离后再关断b相斩波器。此时，电枢电磁铁就同样可以获得一个正向驱动的电磁反应力。b相电枢电磁铁中的磁能变化，与a相电枢电磁铁在上一个工作期间的状态相同。

当c相电枢电磁铁位于x＝τ/12时，导通c相斩波器的g1和g2两只igbt开关管，开始给c相电枢电磁铁通电，并在电枢电磁铁向右运动了x＝τ/3的距离后再关断c相斩波器。此时，电枢电磁铁就同样可以获得一个正向驱动的电磁反应力。c相电枢电磁铁中的磁能变化，与b相电枢电磁铁在上一个工作期间的状态也是相同的。

由a相电枢电磁铁到b相电枢电磁铁，最后到c相电枢电磁铁，连续的进行通断电，电机就可以连续地运行下去了，而且处于正向驱动的电磁反应力最大的运行区间，只是驱动的电磁反应力的波动较大。

下面针对制动过程的控制进行介绍。请参考图16至图18，图16为反向驱动时a相电枢电磁铁通电的示意图；图17为反向驱动时b相电枢电磁铁通电的示意图；图18为反向驱动时c相电枢电磁铁通电的示意图。图中，a、b和c电枢电磁铁向右方移动。

当a相电枢电磁铁位于x＝7τ/12时，导通a相斩波器的g1和g2两只igbt开关管，开始给a相电枢电磁铁通电，并在电枢电磁铁向右运动了x＝τ/3的距离后再关断a相斩波器，如图16。此时，电枢电磁铁由于磁路的磁阻在不断地增大，致使磁通逐渐地减小，就可以同时产生一个反向驱动的电磁反应力，电枢电磁铁中将产生与电源同方向的感应电势和电流，以阻止磁路中的磁通减少。这个感应电势将会抬高电源的电压，并可以为其它电气设备或运行的列车所吸收，产生能量再生反馈的效果。然而此时，电源的电压继续升高，则需要实施电阻耗能，这个过程和感应式直线电机的电制动情况相似。

当b相电枢电磁铁位于x＝7τ/12时，导通b相斩波器的g1和g2两只igbt开关管，开始给b相电枢电磁铁通电，并在电枢电磁铁向右运动了x＝τ/3的距离后再关断b相斩波器。此时b相电枢电磁铁就同样可以产生一个反向驱动的电磁反应力。

当c相电枢电磁铁位于x＝7τ/12时，导通c相斩波器的g1和g2两只igbt开关管，开始给c相电枢电磁铁通电，并在电枢电磁铁向右运动了x＝τ/3的距离后再关断c相斩波器。此时，c相电枢电磁铁就同样可以产生一个反向驱动的电磁反应力。

此时a相电枢电磁铁又回到了第一个状态位置，向a通电后转换b相电枢电磁铁通电，周期性的进行通断电，电机就可以连续地进行电制动，而且处于反向驱动的电磁反应力最大的运行区间。

可选的，上述通过导通或关断电枢电磁铁的斩波器，以实现电枢电磁铁的通断电，当然，还可以通过其它类型的控制器实现。

然而，与上述加速过程相似，此时，反向驱动的电磁反应力的波动较大。在在上述实施例的，磁阻式直线电机6包括至少两组电枢电磁铁11，各组电枢电磁铁11在牵引方向上具有τ/2n的距离，其中，τ为磁阻式直线电机6的极距，磁阻式直线电机6为n相磁阻式直线电机6，且n大于或等于3。

具体地，以三相磁阻式直线电机的实施例，把另一侧错开τ/6的那一组电枢电磁铁的反向驱动电磁反应力也叠加在一起，波动的幅度就可以减少很多。

在上述任意一个实施例的基础之上，磁阻式直线电机6包括三相磁阻式直线电机。可选的，磁阻式直线电机6也可以为四相磁阻式直线电机、五相磁阻式直线电机或者六相磁阻式直线电机，当然，还可以为其他多种电机。

进一步的，把磁阻式直线电机设计成四相初级电枢电磁铁，既可以采用同时交错给两个电枢电磁铁同时供电的控制策略，使正向驱动力和反向电制动力的平均值提高4/π倍，也可以采用依次给单个电枢电磁铁供电的控制策略。

将这两种不同的驱动特点结合起来，采用分级控制驱动力的操作方法，在列车的起动阶段采用两个电枢电磁铁同时交错供电的控制策略，为的是提高列车的起动牵引力和加速度。当列车运行达到惰行的速度时，电机被转换到单个电枢电磁铁依次供电的控制策略，则可以降低电机的驱动功率。由于igbt斩波器的开关控制，可以用逻辑电路或嵌入式计算机很方便地实现和切换，能够满足无缝转换的运行控制的目的，这样可以获得更好的运行效率。选择最佳的运行转换速度。

上述的实施例中，改变电枢电磁铁中的激磁电流，也就是改变了电枢电磁铁中的磁储能量，即改变了驱动或电制动的电磁反应力的大小。通过在斩波器的igbt功率管中实施定频pwm控制，通过调节电枢电磁铁中的激磁电压来改变电枢电磁铁中的激磁电流。

在一个具体的实施例中，用于检测电枢电磁铁11与次级反应板13的相对位置的传感器可以包括三只互差τ/3距离的位置传感器，以检测轨道上的反应板的前后端部，作为电机数字式控制器的逻辑控制信号，实现这种自同步的逻辑控制效果。传感器的安装位置，需要对应各相的电枢电磁铁11开始通电和关断的位置。

列车上的转向架中有两个悬浮模块，悬浮模块分别具备悬浮电磁铁、导向电磁铁和磁阻式直线电机6，以三相电枢电磁铁为例，把安装在两个模块上的两组三相电枢电磁铁，相互错开τ/6的电角度，则两组三相电机的驱动电磁力将叠加，波动的频率增加一倍，但幅度却减少很多。两组六个位置传感器正好相互错开了τ/6的距离，另外，可以把它们输出的六个位置信号求和，作为列车运行的速度信号。

在上述任意一个实施例的基础之上，磁阻式直线电机6的电枢电磁铁11设于轨道5的下部，次级反应板13所在平面与悬浮电磁铁7的轨道面具有20度至40度的夹角，用于补充悬浮支撑力和侧向导向力。

具体地，将电机的电枢电磁铁设置在了轨道5的下部，次级反应板13(或称电机反应轨)的轨面与垂向支撑的悬浮电磁铁7的轨道面之间具有20°至40°的夹角，在其运行过程中，电枢电磁铁产生电磁吸力，将会有部分分力形成导向力，形成对导向方向的控制，部分分力成为悬浮支撑力，对悬浮支撑力和侧向导向力起到了补充的作用。

在一个具体的实施例中，次级反应板13的轨面与垂向支撑的悬浮电磁铁7的轨道面之间具有30°的夹角，将有1/2的电磁吸力成为导向力，另有的部分成为垂向的支撑力。

在上述任意一个实施例的基础之上，控制装置为igbt斩波器。在一个具体的实施例中，每台转向架2两侧边对应的各相初级电枢电磁铁11进行分相串联，串联连接的各相电枢电磁铁可以通过一个igbt斩波器来实施同步控制状态的开关控制，同步控制以实现整体的切换的稳定。

开关通电的时间与传感器给出的电枢电磁铁与轨道上的反应次级的相对位置有关，即采用同无刷直流电机相同的同步控制状态。磁阻式直线电机的再生制动和反向运行控制使用软硬件逻辑状态控制或者嵌入式计算机来实现这种控制并进行切换。

所述斩波器的igbt功率管中实施定频pwm控制，通过调节电枢电磁铁中的激磁电压来改变电枢电磁铁中的激磁电流。

在上述任意一个实施例的基础之上，导向电磁铁4的控制装置为采用差动控制策略的磁悬浮控制器。

可选的，导向电磁铁4的控制器可以采用高速磁悬浮列车的差动控制的策略进行控制，悬浮电磁铁7的控制器可以直接采用中低速磁悬浮列车的控制系统。

在上述任意一个实施例的基础之上，悬浮电磁铁7、导向电磁铁4以及磁阻式直线电机6均包括e形电磁铁或双c形电磁铁。

由于转向架2中垂向支撑用的悬浮电磁铁7不参与导向，其磁极的宽度能够按照车辆的悬浮重量自由调整，悬浮电磁铁7模块的截面可以采用“e”形结构，并可以时悬浮电磁铁的一端只设置一个电磁线圈。可选的，悬浮电磁铁截面的宽高比为2:1至2.2:1，轨道上加工两个略大于电磁铁的磁极宽度的磁极。

可选的，转向架2中的导向电磁铁4同样可以采用所述的“e”形结构，考虑到导向电磁铁4的作用，可以选择将导向电磁铁4安装在位于列车的端部和中部的三个转向架上。

磁阻式直线电机6的各相初级电枢电磁铁也可以为e形电磁铁，轨道上的次级反应凸极相当于电磁铁的下磁路。另外，这种电枢电磁铁11的铁芯，可以采用变压器的“c”形铁芯的加工方式，用各向异性的高导磁率的硅钢片绕制再切开，拼成“e”形电磁铁的铁芯。在一个具体的实施例中，磁阻式直线电机6的初级电枢电磁铁11的长度为τ/2，其中τ为电机的极距，悬浮轨道上的次级反应板13的长度也是τ/2。

可选的，上述磁阻式直线电机6的初级电枢电磁铁11与次级反应板13的气隙可以为8～12mm，具体可以为10mm。

在上述任意一个实施例的基础之上，轨道5为u形轨道，u形轨道包裹在轨枕8外侧。具体地说，轨道5呈现横向曲折弯曲的“п”形，并包裹在轨枕8的外侧。

上述各个实施例中所提供的直线电机的传感器可以使用与悬浮控制的气隙传感器相一致的组件，传感器与控制装置连接，传感器的控制信号经过脉冲转换及求和之后可以作为列车运行测速用的速度信号，以便实现列车的测速工作。

除了上述各个实施例所提供的磁悬浮列车的主要结构，该磁悬浮列车的其他各部分的结构请参考现有技术，本文不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的磁悬浮列车进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。