专利名称：驱浮分离的自导向磁悬浮列车车体、路轨及高速列车的制作方法
技术领域：
本实用新型属磁悬浮列车技术，具体涉及磁悬浮列车车体、配合车体使用的路轨，以及包括二者的高速列车。
背景技术：
此前的磁悬浮列车，“驱动”和“浮悬”两种功能，大多是兼容在一个“感应界面”上实现的。例如；日本的大间隙“斥力型”磁悬浮列车，必须在轮轨接触状态下进行起动和加速；只有当车速高过某一界限，斥力也相应大过某一数值时，列车才离地浮起。又如德国的“小间隙”、长定子“吸力型”磁悬浮列车，其浮悬间隙仅为8到10毫米，采用同步直线电动机原理实现驱动和浮悬“车体”上的直流电磁铁，与“路轨”长定子之间的“磁拉力”、其“前后”分量用于实现驱动，“上下”分量用于实现浮悬，“左右”分量用于实现导向。而这种吸力式的悬浮，要求车、轨之间“小间隙”的宽度严格保持恒定。若间隙小于设定值，车身则会被吸死；反之，若间隙大于设定值，车身则会坠脱。为保证间隙的严格守恒，一套“绝对可靠”的、高精度的、由光敏感测元件和“实时瞬应的司服装置”组成的负反馈自控系统必不可少。这种高精度、高技术难度的控制手段，大大增加了浮悬成本。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种技术简单、成本低但使用安全的磁悬浮列车车体、配合车体使用的路轨，以及包括二者的高速列车。
本实用新型磁悬浮列车车体的技术方案是列车车体由一个或者一个以上的单个车体构成，其中，1、每个单个车体底部的横断面均呈上宽下窄的等腰梯形状；2、在每个单个车体底部的两个斜面上均紧固有只浮板，所说只浮板上设有三个或三个以上的单相绕组，每两个绕组之间隔一个磁轭，在磁路上形成南、北极交错排列；3、至少一个单个车体底部的两个斜面上还紧固有驱动板，所说驱动板上设有交流直线异步电机的初级绕组。
只浮板上设有的绕组最好为单层波单相绕组，每个绕组单独绕制、各绕组相互之间头尾相联。
本实用新型磁悬浮列车路轨的技术方案是路轨基坑的横断面均呈上宽下窄的等腰梯形状，于路轨基坑的两个斜面上铺设有铁磁质金属直线长鼠笼结构的路轨。
本实用新型磁悬浮列车车体与路轨是相互关联的、必须同时使用。
本实用新型高速列车包括上述磁悬浮列车车体和路轨。
只浮板上的绕组接通交流电后、直线长鼠笼结构的路轨受感应，路轨与只浮板间产生的斥力可使列车处于悬浮状态。驱动板上的绕组接通交流电后，驱动板与路轨构成交流直线异步电机，电力驱动处于悬浮状态的列车高速运行。
以下对本实用新型做进一步的说明。
见
图1和2。
图1中i1W1≈i2W2，i1为原边电流，i2为副边电流，W1为原边绕组匝数，W2为副边绕组匝数，i0为励磁电流。图2中A表示车体上的只浮板绕组，B表示间隙，C表示路轨。
类似于两根反向通电的长直导线间的作用力公式，对本发明可以推导出一个简单的“浮托力”公式浮托力＝(综合系数)×(原边电流的平方)/(计算间隙)＝车体总重。
匝数、变比、实测值与理论值之间的差异等等关系，皆可最终量化反映于综合系数的数值上。
计算间隙并不等于车箱和路轨间的机械间隙，它取决于电磁结构的物理、数学模型，此为本专业普通技术人员所熟知。
将上面浮托力的公式，进行移项变换，可以得出计算间隙的表达式计算间隙＝(综合系数)×(原边电流的平方)/(车体总重)。
标准化了的只浮板可按其单位面积在“额定间隙”下的“额定净荷重”值进行选用。
力的宏观计算可用下式F＝KI2/δ，F为总斥力的平均值，I为正弦电流的有效值，K为综合系数，δ为计算间隙。
某一点的力的“面密度”为 其中 为该点处的磁通密度， 为该点处的磁场强度，沿力线方向为“拉强”，垂直力线方向为“压强”。 用小单圈感应法很容易测出。
根据前面给出的计算间隙表达式可知计算间隙与电流平方成正比，与车体总重成反比。当车体总重增大时，间隙将因此而随之成反比例地减小。然而，间隙的减小，相应让“原、副边”靠近，就使得原、副边之间的耦合变得更紧密，从而使漏磁电抗相应减小。而漏磁电抗的减小，将使“原、副边”电流增大。而电流的增大，又将使浮托力按电流的平方成正比例地增大。这种浮托力因间隙减小而自动增大的物理因果关系，其自身就是一种负馈式的自动调节，即间隙减小的后果是阻止间隙的进一步减小。
这一因果关系所带来的诸方面结果都是积极的(1)、不必担心列车“吸死”和“坠脱”这两种灾难的发生。作为现有技术的吸力式悬浮列车处于吸力间隙既不能大、也不能小的悬浮状态，在力学上属于一种不稳平衡状态。离开不稳平衡点以后，物体不能“自归”。这就像针尖上的鸡蛋那样，处于不稳平衡点上。杂技演员可以把它顶起来，这是用不断的、精微的实时感觉和微调做到的。用高精度和高难度手段，去保证一个8到10毫米的吸力间隙严格守恒的方案，有如高空走索的杂技演员一样。而采用本发明技术托起的车体，却是随时处于一种稳定平衡的状态。其表现为间隙大小在允许范围内的微小变化，总是让“浮力”等于总重。
(2)、从经济上说，那一整套为保证间隙守恒的复杂、昂贵的测、控、伺服装置可以全部取消。
(3)、间隙不必做得那么小，也不必严格守恒。用简单的跟踪调压或调流的手段，让电流与总重的平方根成正比例地变化，则间隙可以大致守恒。在现有的吸力式悬浮列车中，如果将吸力间隙加大一些，为产生同样大的吸力，其短转子的直流电磁铁重量就会大大增加。所以用高难度保证小间隙守恒，实属一种不得已的匹配。即便用高技术、高成本实现了，也并不能保证万无一失。从对比中可看出使用本发明方法，斥力间隙的大小，是自动随着载重大小而相应变化的。只要额定间隙的变化许可范围能满足载重变化范围的要求，就可以确保安全。
(4)、在列车采用了只浮板后，车底尚可设置了一组隐悬式柔性轮组，即便突然“失电”，车体落下2厘米，即转入柔轮与路轨的接触状态，不会有灾难性的后果。只浮板在列车处于停站状下时，仍然“托浮”着列车，与列车行进与否无关。
此外，本实用新型的以下积极效果也是重要的直接用交流实现斥力浮悬，不需要直流电源，省去了整流装置。
只浮板制作简单，不需要昂贵的成本和高难的技术。只浮板为独立浮悬板，以极简便的方法，实现了“浮悬”与“驱动”两种基本功能的分离。这就使得整个系统的分项控制变得简单易行。“驱”和“浮”两种功能，与“长鼠笼”的路轨之间，各有自己的感应界面，互不牵扯，互不干扰。路轨的“长鼠笼”结构简单，易于制作。而且路轨属于受感元件，不激磁不带电，既安全，又便于维护。路轨鼠笼，既是只浮板的副边，又是车体上“驱动板”(直线异步电动机)的副边。车底下的磁场就好像轮船下面的水，它既提供对船的浮力，又提供对动力旋桨的反作用力，把“船”推向前进。将“驱”、“浮”分离，带来的另一个结果是在制造上可以将“驱”、“浮”两大类组件分别标准化和系列化，这对于大批量生产将产生巨大的经济效果。
只浮板从单相馈线上吸取的励磁功率主要是感性无功，如将端口的补偿电容的容抗设置到接近等于在线所有只浮板的等效总漏抗(即近于并联谐振的状况)，则供电的视在容量可减到最小。
现分析车体受力。先分析浮悬状态下车体的受力关系面向车前进方向，图4和5中，力(如 )、间隙(如δL，δR)的下标“L”表示“左”，下标“R”表示“右”，梯形的“腰面”与地面的夹角为θ。在左边的“腰面”上，车体的底部2受到垂直于表面的斥力为 它的向上分量为fLY；向右分量为fLX。同样，右边“腰”面上受到垂直于表面的斥力为 其向上和向左分量分别为fRY和fRX。从图4可以看出左、右斥力的向上分量是两个大小相等的同向平行力，它们的合力正好与车体总重G平衡。而左、右斥力的水平分量却等值而反向，它们的效应相当一对“夹挤力”，其作用是使车体自动居中因为若车体偏左，则左边的间隙δL必小于右边的间隙δR，左边的斥力必大于右边的斥力，二者的水平分量差必将把偏左的车体推向右方。车体偏右时，则斥力的水平分量差会把车体推向左方。这就使车体在左、右方向实现了自动归中。如果车体已经居中，那么左右斥力的水平分量差就等于零。
当列车进入弯道时，外侧(即离心侧)的间隙减小，外侧斥力自动增大；而内侧(向心侧)的间隙则增大，内侧斥力自动减小。此时外侧斥力大于内侧斥力，左右斥力的水平分量差，将提供转弯所必需的导向力。但须指出，这种不接触的自动导向，只是替代了常规铁轨对车轮的接触式导向。为防止列车在弯道范围内，因高重心和列车上部惯性的离心效应而产生向外倾覆，在设计路轨时，仍有必要让轨面法线上端在弯道范围向内倾斜。倾角的大小是由根据弯道半径、车速、每节车的质量大小、车体的重心高度计算出的向心力大小所决定。这一点与传统铁路路轨设计相同。
驱动原理本实用新型的无接触驱动，是采用按直线异步电动机原理做成的独立式感应驱动板(简称“‘驱动板’)。驱动板可装设在动力车厢车底的中部，成左右对称布置。根据力学常识，在车体的总体结构设计时，首先要求装设在四角的只浮板浮托力合力的“力心”(“浮心”)处于车体重心所在的铅垂线上。对动力车厢而言，同时还要求驱动板感应面的“形心”，也与浮心(浮心是借用船舶设计的术语)在同一条铅垂线上。其目的是让“驱动感应”对“浮悬间隙”的细微影响也是均匀的。
本实用新型的有益效果是所提供的磁悬浮列车车体、配合车体使用的路轨，以及包括二者的高速列车技术简单、成本低但使用安全。
图1为只浮板与路轨电流的向量图和波形图，其中(a)为精确向量图，(b)为略去I0后的近似向量图，(c)为只浮板与路轨电流的近似波形图。
图2为只浮板与路轨间的磁场示意图。
图3为车体与路轨基坑的横断面形状示意图，其中1为车体、2为车体底部、3为路轨基坑。
图4为悬浮状态下车体的受力分析图，其中2为车体底部、3为路轨基坑。
图5为弯道区域内车体的受力分析图。
图6为实施例车体底部只浮板和驱动板的紧固位置示意图。
具体实施方式
动力车厢车体底部只浮板和驱动板的紧固位置见图6。只浮板5布置车厢底部的四角部位。驱动板4上设有扁平型直线异步电动机的初级绕组，为三相双层叠绕组。车底装设有一组隐悬的柔性轮组6，即便只浮板与驱动板同时突然失电，车体也只下降2厘米，转入柔性轮组6与路轨直接接触的惯性行驶状态。这只是一个停电事故，并不是安全事故，更不是灾难性事故。
于只浮板的绕组(激磁线圈)磁轭处还装上罩极。罩极可采用嵌入式，并且罩极相对于板宽的中线成对称布置。罩极的作用是在每个线圈正中一段产生一个在时相上滞后的磁场面域。在此面域内，斥力的过零时间，与罩外区域斥力的过零时间不同。这样，就能消除只浮板(相当一块交流电磁铁)的振动和噪音。
以上实施例仅对实用新型做进一步说明，而本实用新型的范围不受所举实施例的局限。
权利要求1.一种驱浮分离的自导向磁悬浮列车车体，其特征是列车车体由一个或者一个以上的单个车体构成，其中，每个单个车体底部的横断面均呈上宽下窄的等腰梯形状，在每个单个车体底部的两个斜面上均紧固有只浮板，所说只浮板上设有三个或三个以上的单相绕组，每两个绕组之间隔一个磁轭，在磁路上形成南、北极交错排列，至少一个单个车体底部的两个斜面上还紧固有驱动板，所说驱动板上设有交流直线异步电机的初级绕组。
2.如权利要求1所说的磁悬浮列车车体，其特征是只浮板上设有的绕组为单层波单相绕组，每个绕组单独绕制、各绕组相互之间头尾相联。
3.一种驱浮分离的自导向磁悬浮列车路轨，其特征是路轨基坑的横断面均呈上宽下窄的等腰梯形状，于路轨基坑的两个斜面上铺设有铁磁质金属直线长鼠笼结构的路轨。
4.一种高速列车，其特征是包括权利要求1的磁悬浮列车车体和权利要求2的路轨。
专利摘要本实用新型属磁悬浮列车技术。列车车体由一个或者一个以上的单个车体构成，每个单个车体底部的横断面均呈上宽下窄的等腰梯形状，在每个单个车体底部的两个斜面上均紧固有只浮板，所说只浮板上设有三个或三个以上的单相绕组，每两个绕组之间隔一个磁轭，在磁路上形成南、北极交错排列。至少一单个车体底部的两个斜面上还紧固有驱动板，其上设有交流直线异步电机的初级绕组。路轨基坑的横断面均呈上宽下窄的等腰梯形状，于两个斜面上铺设有铁磁质金属直线长鼠笼结构的路轨。本实用新型的有益效果是磁悬浮列车车体、配合车体使用的路轨，以及包括二者的高速列车技术简单、成本低但使用安全。
文档编号B61B13/08GK2637272SQ03234578
公开日2004年9月1日 申请日期2003年5月21日 优先权日2003年5月21日
发明者张修启, 陈鹰 申请人:云南变压器电气股份有限公司