專利名稱：斥力型自導(dǎo)向磁懸浮列車車體、路軌及高速列車的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬磁懸浮列車技術(shù)，具體涉及磁懸浮列車車體、配合車體使用的路軌，以及包括二者的高速列車。
本發(fā)明磁懸浮列車車體的技術(shù)方案是列車車體由一個或一個以上的單個車體構(gòu)成，其中，1、每個單個車體底部的橫斷面均呈上寬下窄的等腰梯形狀；2、每個單個車體底部的兩個斜面上均緊固有只浮板，所說只浮板上帶有永磁體；3、至少一個單個車體底部的兩個斜面上還緊固有驅(qū)動板，只浮板與驅(qū)動板在車體底部的緊固位置相互錯開不重疊，所說驅(qū)動板上帶有金屬板柵狀電樞、板柵形電樞的柵條沿車體的橫向排列，并于兩側(cè)端部短接。
本發(fā)明磁懸浮列車路軌的技術(shù)方案是路軌基坑的橫斷面均呈上寬下窄的等腰梯形狀，于路軌基坑的兩個斜面上鋪設(shè)有能產(chǎn)生磁場、且與車體底部只浮板相對面為相同磁極的路軌。這樣，路軌與車體底部只浮板之間的磁斥力就能把列車浮起。路軌可以為永磁體，也可以為動態(tài)跟蹤、分段供電的激磁路軌。
本發(fā)明磁懸浮列車車體與路軌是相互關(guān)聯(lián)的、必須同時使用。
本發(fā)明高速列車包括上述磁懸浮列車車體和路軌。
以下進(jìn)一步分析磁浮原理如果在間隙相同的條件下，從斥力等效的觀點，將裝設(shè)于車底、對車體產(chǎn)生總斥力的多個只浮板，折合成為一個等效的直流磁勢F1；同時，將路軌上與之相正對面積范圍內(nèi)的“磁元”總合，也折合為一個等效直流磁勢F2，則可以推導(dǎo)出一個十分簡單的浮托力公式浮托力＝(綜合系數(shù))×(F1×F2)/(計算間隙)＝車體總重其中，綜合系數(shù)反映實測值與理論值之間的差異。計算間隙并不等于車、路間的機(jī)械間隙，它取決于具體的物理結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。
將上列公式移項，可得到計算間隙的表達(dá)式計算間隙＝(綜合系數(shù))×(F1×F2)/車體總重如果路軌方的F2為常量，我們可以在只浮板的永磁體上復(fù)合以直流電磁鐵讓其成為復(fù)合磁體，則口負(fù)饋調(diào)節(jié)”只浮板上直流電流的大小、讓F1與車體總重成正比，就可以保持間隙守恒。
采用直流方式，由于沒有渦流存在，磁鐵線圈中的電阻損失要比交流方式小，而且所產(chǎn)生的斥力是恒定的而不是脈動的。如果采用純永磁方式，則運行時的磁浮成本可以為零。
實際上，車體底部緊固的驅(qū)動板與能產(chǎn)生磁場的路軌共同構(gòu)成了驅(qū)動列車前進(jìn)的直線單向直流電機(jī)。該直線單向直流電機(jī)工作時，于板柵形電樞的兩側(cè)端部加上一個直流電壓，則板柵形電樞就會沿軌道縱向不斷前進(jìn)。以下說明該直線單向直流電機(jī)的工作原理圖1是法拉第“單向電機(jī)”的原型。圖中，1是蹄形永磁鐵，2是金屬圓盤，3是由圓盤7邊沿上引出的“+”電極接線端子，4是由轉(zhuǎn)軸上引出的“-”電極接線端子；5是作發(fā)電機(jī)使用時的搖手柄。當(dāng)將搖手柄5沿順時針方向轉(zhuǎn)動時，在圓盤周沿和轉(zhuǎn)軸的兩個滑動電刷之間，便建立起一個直流電勢。如果在接線端子3和4之間接通負(fù)載，電流就會沿負(fù)載電路從“+”極流向“-”極。根據(jù)電機(jī)的“可逆性原理”，如果將換能的方向倒過來，在“+”、“-”兩個電刷之間，從外部加上一個直流電壓，并將轉(zhuǎn)軸上的搖手柄5取下，換成機(jī)械負(fù)載。此時，電流將在圓盤2上從“周沿”流向“軸心”，而圓盤2在電動力的作用下，仍將按順時針方向轉(zhuǎn)動。
圖2的“單向電機(jī)”，是將圖1中的圓盤2拓樸映射(topological mapping)變形為一條金屬履帶6，并讓履帶6在N-S磁極間“轉(zhuǎn)動”的另一種結(jié)構(gòu)方案。若在“+”、“-”兩個電刷之間，從外部加上一個直流電壓，履帶6將按順時針方向轉(zhuǎn)動。單極電機(jī)有許多派生形式。但它們有共同點1)沒有“整流子”(即換向器)；2)必須以“無限送進(jìn)”的方式進(jìn)行“切割式”的電磁感應(yīng)。
在上面的兩個單向電機(jī)的實體模型中，“無限送進(jìn)”的切割運動，是由圓盤或者履帶的持續(xù)轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)的。而本發(fā)明中，將單向直流電動機(jī)的激磁元件派生成金屬板柵狀電樞模式。這樣，路軌的磁性路面，正好是“無限長”的“單磁極定子”，列車的前進(jìn)行為，正好就是這個單向直流電動機(jī)“無限送進(jìn)”的“切割式”的電磁感應(yīng)運動?？煽闯鲈诒景l(fā)明中，列車的“驅(qū)”、“浮”兩種基本功能，以最簡單的方式，在車上彼此獨立，在路軌上彼此兼容。
之所以采用金屬板柵狀電樞而不是整塊金屬，是為了避免渦流損耗和使電流能均勻分布。金屬板柵狀電樞最好為銅排或鋁排，但也可以是在鋼板上開槽、槽中放入銅條或鋁條，然后用銅帶或鋁帶在兩側(cè)端部短接而成。
金屬板柵狀電樞載流后受到的電動力F＝BLI(B為磁感應(yīng)密度，L為電樞的長度，I為電樞電流)就帶著列車向前運動。從F＝BLI公式可以看出L與‘導(dǎo)體’根數(shù)是常量；當(dāng)不調(diào)整“間隙”的大小時，B也是常量。故電動力F的大小，與電流I成正比。列車在F的作用下，先是作加速運動；當(dāng)空氣的阻力隨車速增長到與F相等時，列車進(jìn)入勻速行進(jìn)狀態(tài)。顯然F越大，達(dá)到勻速狀態(tài)時的車速V就越高。故調(diào)電流I即是調(diào)力F；調(diào)力F即是調(diào)速度V。
電流I的大小是可以連續(xù)變化的，故此處調(diào)節(jié)速度V是屬于無級調(diào)速。對比之下，直流電機(jī)的大范圍調(diào)速，比交流電機(jī)要簡易、方便得多，也經(jīng)濟(jì)得多。交流機(jī)的調(diào)速一般要通過變頻電源來實現(xiàn)。繞線轉(zhuǎn)子內(nèi)串電阻的調(diào)速方式在這種場合不適用。即使用了，也不經(jīng)濟(jì)。
現(xiàn)分析車體受力。先分析浮懸狀態(tài)下車體的受力關(guān)系面向車前進(jìn)方向，圖3和4中，力(如fL，fR)、間隙(如δL，δR)的下標(biāo)“L”表示“左”，下標(biāo)“R”表示“右”，梯形的“腰面”與地面的夾角為θ，左彎時軌面的法線向內(nèi)傾角為φ，C為車體重心，G為車體重力。在左邊的“腰面”上，車體的底部受到垂直于表面的斥力為fL；它的向上分量為fLY；向右分量為fLX。
同樣，右邊“腰”面上受到垂直于表面的斥力為fR；其向上和向左分量分別為fRY和fRX。從圖3可以看出左、右斥力的向上分量是兩個大小相等的同向平行力，它們的合力正好與車體總重G平衡。而左、右斥力的水平分量卻等值而反向，它們的效應(yīng)相當(dāng)一對“夾擠力”，其作用是使車體自動居中因為若車體偏左，則左邊的間隙δL必小于右邊的間隙δR，左邊的斥力必大于右邊的斥力，二者的水平分量差必將把偏左的車體推向右方。車體偏右時，則斥力的水平分量差會把車體推向左方。這就使車體在左、右方向?qū)崿F(xiàn)了自動歸中。如果車體已經(jīng)居中，那么左右斥力的水平分量差就等于零。
見圖4，當(dāng)列車進(jìn)入彎道時，外側(cè)(即離心側(cè))的間隙減小，外側(cè)斥力自動增大；而內(nèi)側(cè)(向心側(cè))的間隙則增大，內(nèi)側(cè)斥力自動減小。此時外側(cè)斥力大于內(nèi)側(cè)斥力，左右斥力的水平分量差，將提供轉(zhuǎn)彎所必需的導(dǎo)向力。為防止列車在彎道范圍內(nèi)發(fā)生離心傾覆，彎道區(qū)域的口軌面口的法線仍需要作向心傾斜，這一原則與常規(guī)鐵路的彎道設(shè)計相同。
本發(fā)明的有益效果是所提供的磁懸浮列車車體、配合車體使用的路軌，以及包括二者的高速列車技術(shù)簡單、成本低但使用安全。


圖1為法拉第單向電機(jī)的原型結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為一種派生形式的單向電機(jī)原型結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為懸浮狀態(tài)下車體的受力分析圖。
圖4為彎道區(qū)域內(nèi)車體的受力分析圖。
圖5為實施例中車體與路軌基坑的橫斷面形狀示意圖，其中7為車體、8為路軌基坑。
圖6為實施例中驅(qū)動列車前進(jìn)的直線單向直流電機(jī)的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為實施例中車體底部只浮板和驅(qū)動板的緊固位置示意圖。
以上實施例僅對發(fā)明做進(jìn)一步的說明，而本發(fā)明的范圍不受所舉實施例的局限。
權(quán)利要求
1.一種斥力型自導(dǎo)向磁懸浮列車車體，其特征是列車車體由一個或一個以上的單個車體構(gòu)成，其中，(1)每個單個車體底部的橫斷面均呈上寬下窄的等腰梯形狀，(2)每個單個車體底部的兩個斜面上均緊固有只浮板，所說只浮板上帶有永磁體，(3)至少一個單個車體底部的兩個斜面上還緊固有驅(qū)動板，只浮板與驅(qū)動板在車體底部的緊固位置相互錯開不重疊，所說驅(qū)動板上帶有金屬板柵狀電樞、板柵形電樞的柵條沿車體的橫向排列，并于兩側(cè)端部短接。
2.如權(quán)利要求1所說的磁懸浮列車車體，其特征是只浮板的永磁體上復(fù)合以直流電磁鐵讓其成為復(fù)合磁體。
3.如權(quán)利要求1所說的磁懸浮列車車體，其特征是驅(qū)動板上帶有的金屬板柵狀電樞由硬銅條制成。
4.一種斥力型自導(dǎo)向磁懸浮列車路軌，其特征是路軌基坑的橫斷面均呈上寬下窄的等腰梯形狀，于路軌基坑的兩個斜面上鋪設(shè)有能產(chǎn)生磁場、且與車體底部只浮板相對面為相同磁極的路軌。
5.如權(quán)利要求4所說的自導(dǎo)向磁懸浮列車路軌，其特征是于路軌基坑的兩個斜面上鋪設(shè)有永磁體。
6.一種高速列車，其特征是包括包括權(quán)利要求1的磁懸浮列車車體和權(quán)利要求4的路軌。
全文摘要
本發(fā)明為磁懸浮列車車體、配合車體使用的路軌，以及包括二者的高速列車。列車車體由一個或一個以上的單個車體構(gòu)成，其中(1)每個單個車體底部的橫斷面均呈上寬下窄的等腰梯形狀；(2)每個單個車體底部的兩個斜面上均緊固有只浮板，所說只浮板上帶有永磁體；(3)至少一個單個車體底部的兩個斜面上還緊固有驅(qū)動板，只浮板與驅(qū)動板在車體底部的緊固位置相互錯開不重疊，所說驅(qū)動板上帶有金屬板柵狀電樞、板柵形電樞的柵條沿車體的橫向排列，并于兩側(cè)端部短接。路軌基坑的橫斷面均呈上寬下窄的等腰梯形狀，于路軌基坑的兩個斜面上鋪設(shè)有能產(chǎn)生磁場、且與車體底部只浮板相對面為相同磁極的路軌。有益效果技術(shù)簡單、成本低但使用安全。
文檔編號B60L13/04GK1478688SQ0313536
公開日2004年3月3日 申請日期2003年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月3日
發(fā)明者張修啟, 陳鷹 申請人:云南變壓器電氣股份有限公司