直线电机驱动的双层磁悬浮列车的制作方法

本实用新型涉及交通运输工具领域，具体涉及一种直线电机驱动的双层磁悬浮列车。

背景技术：

双层磁悬浮列车是一种具有双层结构的磁悬浮列车，它之所以被归类于磁悬浮列车是因为其驱动方式和悬浮方式与常规磁悬浮列车相似，即都是利用磁极相斥来悬浮和利用直线电机来驱动。相对于常规的磁悬浮列车，区别在于其（双层磁悬浮列车）比传统磁悬浮列车多了下挂车厢而非传统列车仅有单一的上车厢。这使双层磁悬浮列车在使用时有两个空间可以利用，即上车厢和下车厢。相比起传统的磁悬浮列车成倍的增加了运载能力，且由于双层磁悬浮列车采用架空轨道的安装方式，可以安装在现有的动车轨道、高铁轨道、市政公路和高速公路的上层空间，既能节约土地资源，又能充分利用空间，降低建设成本，这在迄今为止公开的专利、非专利文献和实际应用中均未见诸相应的技术启示。

传统磁悬浮列车的悬浮系统通常采用的是两种方案，第一是利用安装在磁悬浮列车底部的线圈并通以大电流产生足够强的磁场从而有足够大的斥力使磁悬浮列车脱离轨道实现悬浮；第二是直接在磁悬浮列车底部安装的永磁体，使其与轨道上的永磁体相互作用产生巨大的斥力使磁悬浮列车悬浮。两种方案均有不足之处，第一种方案由于全部的磁场均由通电线圈产生，那么为了产生足够大的作用力通常需要通以大电流，不仅浪费能源更有巨大的安全隐患；第二种方案由于直接使用永磁体，在实际的应用当中若磁悬浮列车底部不慎吸入磁性材料，清理起来将异常艰难。甚者，由于员工需要近距离对强磁进行操作，强磁所产生的磁辐射将对人体健康产生威胁。

从理论上讲可以将磁悬浮列车利用永磁体加线圈的悬浮方式，永磁体为主，线圈为辅的悬浮系统，永磁体使双层磁悬浮列车与行车轨道间有一定的斥力，但不足让双层磁悬浮列车完全悬浮，此时再通过通电线圈所产生的叠加磁场来控制双层磁悬浮列车的悬浮姿态。利用这种技术，不仅线圈不必通以大电流，更无需使用磁辐射较大的永磁体，节约能源的同时降低检修人员的受辐射剂量。这同样在目前公开的专利和非专利文献和实际应用中均未见诸相应的技术启示。

针对上述已有技术状况，本申请人作了持久而有益的探索与反复的设计及试验，最终形成了下面将要介绍的技术方案。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种采用双层结构设计的磁悬浮列车，其能成倍的增加运载能力的同时由于采用架空轨道的安装方式极大地减少土地的使用量，降低建设成本。特别地，本实用新型提供的永磁加线圈的悬浮系统能显著降低磁悬浮列车使用中的能耗和减小永磁辐射对人体健康危害。

本实用新型所采用的技术方案是：一种直线电机驱动的双层磁悬浮列车，其中，底板上安装支撑系统，支撑系统由固定架和支撑架组成，固定架两个为一组，对称安装在底板上，支撑架安装在固定架上；行车轨道由底面支撑面和上下侧阻挡面围成并且由直轨道和弯轨道组成，其底面支撑面安装悬浮用永磁体并与所述支撑架固定，上侧阻挡面安装驱动用永磁体并固定在底面支撑面的外边沿上部且与底面支撑面垂直，下侧阻挡面安装导向用永磁体并固定在底面支撑面的内边沿下部且与底面支撑面垂直；永磁体安装方式，在行车轨道的底面支撑面紧密无间隙的安装悬浮用永磁体，悬浮用永磁体的同极性面朝向同一方向，在行车轨道的上侧阻挡面紧密无间隙的安装NS交错的驱动用永磁体，而在行车轨道的下侧阻挡面紧密无间隙的安装导向用永磁体，导向用永磁体的同极性面朝向同一方向；双层磁悬浮列车由多节车厢组成，车厢与车厢之间由列车连接柱连接，单节车厢由上车厢、下车厢、车厢连接柱等组成，车厢内部由导向装置、悬浮装置、驱动装置、检测装置和控制装置等组成。

在具体的实施方式中，其中的固定架和支撑架的结构，固定架由相互垂直的长侧平面与短侧平面组成，短侧平面固定在底板上，长侧平面上有一个限位孔且与底板垂直，支撑架由两相同的平面相互垂直构成，各平面上各有一个限位孔，其有益效果是，能将轨道稳定的固定在底板上，确保列车稳定运行。

在具体的实施方式中，其中的行车轨道的安装，行车轨道通过支撑架对称安装在固定架上，且两轨道中间留有30mm的空隙，其有益效果是，行车轨道架空安装减少土地资源的占用，降低建设成本。

在具体的实施方式中，其中的车轨道底面支撑面的悬浮用永磁体安装方式，底面支撑面上紧密安装同极朝上的悬浮用永磁体，即NN或SS紧密排列安装。

在具体的实施方式中，其中的行车轨道上侧阻挡面的驱动用永磁体安装方式，上侧阻挡面紧密安装磁极交错排列的驱动用永磁体，即根据先N后S的排列规则安装。

在具体的实施方式中，其中的行车轨道下侧阻挡面的导向用永磁体安装方式，下侧阻挡面紧密安装同极朝内的导向用永磁体，即NN或SS紧密排列安装。

在具体的实施方式中，上下车厢之间由车厢连接柱连接，所述导向装置由安装在车厢连接柱两侧的同极性的车载导向用永磁体组成且该车载导向用永磁体与行车轨道的下侧阻挡面上的导向用永磁体对齐，所述悬浮装置由车载悬浮用永磁体加悬浮线圈组成，悬浮用永磁体安装在双层磁悬浮列车底部，悬浮线圈安装在车载悬浮用永磁体下方并与所述行车轨道底面支撑面的悬浮用永磁体对齐，所述驱动装置由安装在双层磁悬浮列车车头左右两侧的驱动线圈紧密排列组成，驱动线圈与所述行车轨道上侧阻挡面的驱动用永磁体对齐，所述检测装置由霍尔元件组成，霍尔元件的数量为驱动线圈数量的一半，其安装在所述双层磁悬浮列车左右两侧的驱动线圈之间的位置，所述控制装置由中央处理器、无线通讯模块、直线电机驱动模块等组成。

在具体的实施方式中，其中的控制装置的工作方式，用户通过上位机发送控制指令，中央处理器通过无线通讯模块传入的控制信号，判断用户的操作指令，再将信号导入直线电机驱动模块，其有益的效果是，用户可以远程控制列车的动作。

在具体的实施方式中，其中的直线电机驱动模块，直线电机驱动模块由六臂全桥驱动电路搭建，直线电机驱动模块上有6个I/O口，它们6个I/O口分别连接着直线电机驱动模块上的6个金属氧化物半导体场效应晶体管，其有益的效果是，利用六臂全桥驱动电路能更简单地驱动直线电机。

附图说明

图一为双层磁悬浮列车装置的全局视图。

图二为双层磁悬浮列车装置的支撑系统。

图三为双层磁悬浮列车直轨道视图。

图四为双层磁悬浮列车斜视图。

图五为双层磁悬浮列车单节车厢的侧视图。

图六为双层磁悬浮列车单节车厢的俯视图。

图七为双层磁悬浮列车单节车厢的斜视图。

图八为直线电机驱动控制原理图。

图九为直线电机驱动模块的六臂全桥驱动电路。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

图一示出的底板1由实心原木制作，底板长1.5米，宽0.9米，在底板上有预先钻好的M5的孔洞，金属固定架2通过自攻螺丝与底板固定。

图二示出的安装于底板的金属材质的固定架2，该固定架2由长侧平面与短侧平面组成并且长侧平面与短侧平面相互垂直成90度，其短侧平面通过M5螺丝和M5垫片固定在原木底板1上，长侧平面与底板垂直且长侧上有限位孔14，该固定架2起支撑与固定行车轨道的作用。

图二示出的支撑架3，由两侧表面积和厚度相同的平面相互垂直构成，两侧平面均有一个限位孔14，其中一个限位孔14通过铜质M5螺丝和螺母与固定架2上的限位孔14固定，而另一个限位孔14通过铜质M5螺丝螺母与行车轨道底部固定，该支撑架3用来衔接固定架2的长侧平面与行车轨道的底面支撑面4。

图三示出的行车轨道，由普通轨道中间剖开得来，剖开后形成中空两对称的半轨道，每侧轨道由底面支撑面4和上下侧阻挡面组成，底面支撑面4与支撑架3连接，上侧阻挡面6与底面支撑面4相互垂直并固定在底面支撑面4的外边沿，下侧阻挡面9与底面支撑面4相互垂直并固定在底面支撑面4的内边沿，底面支撑面4安装悬浮用永磁体5，该永磁体同极性面朝上，NN或SS的排列方式，该永磁体与双层磁悬浮列车底部车载悬浮用永磁体17相互排斥，使列车悬浮，上侧阻挡面6安装驱动用永磁体7，该永磁体采取NS交错的排列方式该永磁体与双层磁悬浮列车上的驱动线圈19相对应，下侧阻挡面9安装导向用永磁体8，该永磁体采取NN或SS的排列方式，该永磁体与双层磁悬浮列车上车厢连接柱上的车载导向用永磁体16相对齐。

图三示出的行车轨道宽度为11.5厘米。

图三和图七示出的安装在行车轨道底部的铷铁硼永磁体的直径为20mm，安装在行车轨道上侧阻挡面6的铷铁硼永磁体的直径为30mm，安装在双层磁悬浮列车底部的铷铁硼永磁体的直径为20mm，安装在行车轨道下侧阻挡面9长方体的铷铁硼永磁体的长为60mm，宽为30mm。所述铷铁硼永磁体的厚度均为5mm。

图三和图七示出的安装在行车轨道底部的悬浮用永磁体5，行车轨道侧面的驱动用永磁体7，双层磁悬浮列车上的车载悬浮用永磁体18，中间均有一个M2的孔洞，便于螺丝固定安装。

图四示出的磁悬浮列车的驱动装置，由安装在双层磁悬浮列车左右两侧的各6个共12个驱动线圈19紧密排列组成，通过调整悬浮线圈的通电电流使驱动线圈19圆心与行车轨道侧面的驱动用永磁体7的几何中心在同一水平线上。磁悬浮列车上驱动线圈19与行车轨道上驱动用永磁7的对应关系，原则上驱动用永磁体7与驱动线圈19的比值按2:3的比例安装，本实例单侧采用4个驱动用永磁体7和6个驱动线圈19的数量关系安装。

图五示出的霍尔元件20的安装位置及数量，霍尔元件20数量为驱动线圈19数量的一半。霍尔元件20安装在两个驱动线圈19之间的位置。本实例单侧安装3个霍尔元件20，两侧共6个。

图五示出的双层磁悬浮列车上的导向装置，导向装置由安装在车厢连接柱两侧的车载导向用永磁体16组成，该车载导向用永磁体16与行车轨道下侧阻挡面上安装的导向用永磁体8对齐，左右斥力平衡，使双层磁悬浮列车能稳定的悬浮在行车轨道中。

图六示出的控制装置，由中央处理器21、无线通讯模块22、直线电机驱动模块23等组成，并由3节18650电池组成的电池组进行供电，所述中央处理器为STM32F407ZGT6，所述无线通讯模块为ESP8266WIFI，所述直线电机驱动模块23由六臂全桥驱动电路搭建。

图七示出的双层磁悬浮列车外形特点，该双层磁悬浮列车由上车厢11与下车厢12组成，上下车厢以及车厢连接柱13均用3D打印出来，两车厢由车厢连接柱13连接，在上车厢11安装驱动装置，下车厢12跟随上车厢11一起运动。

图八示出的双层磁悬浮列车控制原理图，由上位机发出操作指令并通过无线传输模块22传输信号，双层磁悬浮列车上的无线模块接收到上位机的信号，将信号送入中央处理器21，由中央处理器调用直线电机驱动模块23来控制双层磁悬浮列车上的驱动线圈19通断电，进而控制磁场的变化从而控制双层磁悬浮列车的启动、停止、加速、减速等动作。所述上位机可以是手机、电脑或平板电脑等。

图九示出的双层磁悬浮列车上用于控制驱动线圈19通断电的直线电机驱动模块23的电路原理图，所述直线电机驱动模块23由六臂全桥驱动电路搭建，其能接受中央处理器21的指令，在同一时刻单侧仅让4个驱动线圈19通电，其他驱动线圈19断电，产生行波磁场。Q1 到 Q6 为功率场效应管，当需要 AB 相导通时，只需要打开 Q1, Q4 管，而使其他管保持截止。此时，电流的流经途径为：正极→Q1→线圈 A→绕组 B→Q4→负极。这样，六种相位导通模式： AB, AC, BC, BA, CA, CB 分别对应的场效应管打开顺序为 Q1Q4, Q1Q2,Q3Q2, Q3Q6, Q5Q6, Q5Q4。

综上所述，本发明提供的技术方案弥补了已有技术中的缺憾，顺利地完成了发明任务，如实地兑现了申请人在上面的技术效果栏中载述的技术效果。