一种电磁型磁浮列车的永磁电磁混合磁铁设计方法技术

本发明专利技术提出了一种电磁型磁浮列车的永磁电磁混合磁铁的设计方法，其是根据磁浮列车的承载重量的变化范围调整永久磁铁的工作点，使得当承载重量变化范围较大时，永久磁铁工作点位于最大磁能积点附近。本发明专利技术还提供了一种电磁型磁浮列车的永磁电磁混合磁铁结构，包括永久磁铁、电磁线圈、铁芯及磁轭，所述电磁线圈采用导电材料线绕制于铁芯上，与铁芯构成电磁磁极，所述电磁磁极成行排列，磁轭置于所述永久磁铁之Ｓ极和Ｎ极外侧，从两侧夹紧永久磁铁，并与电磁磁极底部贴合，所述磁轭和永久磁铁置于相邻的两个电磁磁极之间。本发明专利技术方法可根据承载能力要求选择永久磁铁的工作点，所设计的混合磁铁可以满足不同的承载能力要求。

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及磁浮列车，具体涉及一种EMS型(电磁型)磁浮列车的永磁电磁混合 磁铁的设计方法以及根据该方法设计的结构。
技术介绍
EMS型磁浮列车的工作机理是利用磁铁吸引轨道来提供悬浮力，并通过改变磁铁 所提供的悬浮力使列车保持稳定悬浮，因此，悬浮磁铁是磁浮列车的关键部件，它决 定了磁浮列车的承载能力和悬浮性能。EMS型磁浮列车的悬浮磁铁通常采用电磁铁，例如德国的TR、日本的HSST都 采用电磁铁。为了提高承载能力，通常要求选择电磁铁的电流较大，而悬浮间隙又要 求较小，这样往往导致车载供电设备的体积和容量大，电磁铁发热严重，对悬浮间隙 控制精度的要求较高。从悬浮磁铁的角度来说，上述问题主要有以下两种解决方案(1)悬浮磁铁由电 磁铁和超导磁铁组成，超导磁铁提供主要的悬浮力，电磁铁控制系统的稳定；(2)悬 浮磁铁由电磁铁和永久磁铁组成，永久磁铁提供主要的悬浮力，电磁铁控制系统的稳 定。虽然超导磁铁能提供强磁场，但它的工作温度较低，因此还需提供制冷设备和磁 屏蔽装置，这样会增加系统的造价和复杂程度，实现起来比较困难。而永久磁铁能在 常温下工作，采用钕铁硼永久磁铁就可以提供磁浮列车所需的磁场，成本较低，实现 也比较容易。因此，目前的研究主要采用第二种方案，例如美国的M3、中科院电工 所、前沿所等单位都对该方案进行了一定的研究。美国的M3对该领域进行了较深入 的研究，但是受永久磁铁安装位置的限制，该装置的承载能力不足，还不能满足工程 应用要求。
技术实现思路
本专利技术针对目前EMS型磁浮列车现有技术存在的不足，提出了一种设计永磁电磁 混合磁铁的方法及结构，可根据承载能力要求选择永久磁铁的工作点，所设计的混合 磁铁可以满足不同的承载能力要求。本专利技术所提出的技术方案是一种电磁型磁浮列车的永磁电磁混合磁铁的设计方法，其是根据磁浮列车的承载 重量的变化范围调整永久磁铁的工作点，使得当承载重量变化范围较大时，永久磁铁 工作点位于最大磁能积点附近。所述调整永久磁铁工作点的步骤为(1) 根据永久磁铁的B-H曲线选取稳定悬浮时工作点的变化范围，使得该变化 范围在最大磁能积点附近；(2) 根据磁浮列车的承载重量的变化范围计算永久磁铁的磁极面积，使得永久磁 铁的工作点在步骤(1)所选定的变化范围内；(3) 根据磁浮列车的承载重量的变化范围和车载电网的容量，计算永久磁铁沿磁 场方向的最小长度和电磁铁的最大安匝数。其中，所述步骤(1)根据承载时悬浮磁场的磁通量计算永久磁铁的磁极面积范围， 以确定悬浮时永久磁铁的工作点的变化范围。根据上述设计方法,本专利技术提供了一种电磁型磁浮列车的永磁电磁混合磁铁结构， 包括永久磁铁、电磁线圈、铁芯及磁轭，所述电磁线圈采用导电材料线绕制于铁芯上， 与铁芯构成电磁磁极，所述电磁磁极成行排列，磁轭置于所述永久磁铁之S极和N极 外侧，从两侧夹紧永久磁铁，并与电磁磁极底部贴合，所述磁轭和永久磁铁置于相邻 的两个电磁磁极之间。所述相邻两个永久磁铁的磁场方向相反，通电以后相邻两个电磁线圈的磁场方向 亦相反。所述永久磁铁可为矩形结构。所述永久磁铁可采用至少两块拼装而成。本专利技术具有下列技术效果-(1 )本专利技术在承载重量变化范围较大时，可通过增大永久磁铁的磁极面积的方法， 使得永久磁铁工作在最大磁能积点附近，并且工作点的可调整范围较大。(2) 在满足额定承载要求的前提下减小永久磁铁沿磁场方向的长度，可使得永久磁铁的工作点能随电流变化迅速调整，即电流安匝数改变一定量时工作点的调整幅度 大，使得悬浮力随电流的变化显著，从而使混合磁铁具有较好的可控性。(3) 由于减小了永久磁铁沿磁场方向的长度，使永久磁铁的工作点随电流变化速度加快(永久磁铁沿磁场方向越短，永久磁铁的工作点随电流变化越迅速)，即悬浮力 改变一定量时所需的电流安匝数降低，故在磁浮列车的承载能力保持不变的前提下， 可减少电磁线圈所需的最大安匝数，减小电磁铁的体积和重量，进而可以减小车载供 电设备的体积和重量。(4)在同样的承载重量下，通过增大永久磁铁的磁极面积，还可以增大混合磁铁 的悬浮间隙，降低磁浮列车对轨道精度的要求。采用本专利技术设计的永磁电磁混合磁铁，既适用于EMS型磁浮列车，也适用于其它 EMS型磁悬浮系统。附图说明图1为永久磁铁的B-H曲线；图2为本专利技术三个磁极的永磁电磁混合磁铁的结构示意图； 图3为本专利技术EMS磁浮列车的全磁极混合磁铁的结构示意图； 图4为永久磁铁的拼装示意图。具体实施方式在永磁磁铁研究领域里，设计永磁电磁混合磁铁的关键在于合理选取永久磁铁的工作点。众所周知，永久磁铁的B-H曲线是由材料决定的，它反映了永久磁铁工作点 的变化趋势和变化范围。如图l所示，其中&为工作点的磁密，i^为工作点的磁场 强度，5,为永久磁铁的剩磁，i^为永久磁铁的矫顽力。如果永久磁铁的工作点过高或 过低，那么它的变化范围会很小，直接导致混合磁铁所提供的悬浮力的变化范围非常 有限，使得磁浮列车的动态调整过程比较困难，甚至无法实现稳定悬浮。根据磁通连续定理，悬浮磁场的磁通量等于永久磁铁提供的磁通量，即永久磁铁 工作点的磁密与悬浮磁场的磁通量成正比，与永久磁铁的磁极面积成反比。当承载重 量变化时，需要悬浮磁场提供的磁通量会随之改变，因此永久磁铁工作点的磁密也受 到影响，具体表现在承载重量越大，悬浮磁场的磁通量就越大，永久磁铁的工作点也 越高，反之亦然。考虑磁浮列车稳定悬浮时的工作点，如果列车满载，那么承载重量 最大，工作点最高；如果车辆空载，那么承载重量最小，工作点最低。磁浮列车的承 载能力越高，意味着承载重量的变化范围越大，稳定悬浮时工作点的变化范围也越大。同时，进一步考虑到磁浮列车的动态调整过程，工作点的实际变化范围更大。因此，对永久磁铁的材料和工作点的选取提出了约束， 一方面，永久磁铁的B-H曲线的范围 要比稳定悬浮时工作点的变化范围大；另一方面，稳定悬浮时工作点的变化范围应位 于B-H曲线的中间段。本专利技术针对磁浮列车承载重量变化范围较大时，永久磁铁的工作点容易偏高或偏 低的问题，提出了一种设计永磁电磁混合磁铁的方法，其主要是可根据承载重量的变 化范围来调整永久磁铁的工作点，可使得当磁浮列车承载重量变化范围较大时，永久 磁铁能工作在最大磁能积点附近。采用这种方法设计的永磁电磁混合磁铁，工作时， 即使承载重量变化范围较大时，也能提供足够的悬浮力，并且悬浮力能够随电流变化 迅速调整，使得混合磁铁具有较好的可控性。本专利技术具体做法是当承载重量变化范围较大时，增大永久磁铁的磁极面积，使 得永久磁铁工作点的变化范围变小，仅在最大磁能积点附近变化；并减小永久磁铁沿 磁场方向的最小长度和电磁铁的最大安匝数，以降低所需的车载电网的容量，并且加 快永久磁铁的工作点随电流的调整速度，使得混合磁铁具有较好的可控性。本专利技术具体步骤是1) 根据永久磁铁的B-H曲线选取稳定悬浮时工作点的变化范围，使得该变化范 围在最大磁能积点附近。如图1所示，点A表示永久磁铁的最大磁能积点，曲线段BC表示所选取的工作 点的变化范围，该变化范围包括点A，并且它相对于B-H曲线所允许的工作点变化范 围要小的多。记点B对应的磁密为S^，点C对应的磁密为^^，那么A^和^^分别 是永久磁铁所提供的磁密的最小值和最大值本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电磁型磁浮列车的永磁电磁混合磁铁的设计方法，其特征在于：其是根据磁浮列车的承载重量的变化范围调整永久磁铁的工作点，使得当承载重量变化范围较大时，永久磁铁工作点位于最大磁能积点附近。

【技术特征摘要】
1、一种电磁型磁浮列车的永磁电磁混合磁铁的设计方法，其特征在于其是根据磁浮列车的承载重量的变化范围调整永久磁铁的工作点，使得当承载重量变化范围较大时，永久磁铁工作点位于最大磁能积点附近。2、 根据权利要求1所述的电磁型磁浮列车的永磁电磁混合磁铁的设计方法，其特征在于所述调整永久磁铁工作点的步骤为(1) 根据永久磁铁的B-H曲线选取稳定悬浮时工作点的变化范围，使得该变化范围在最大磁能积点附近；(2) 根据磁浮列车的承载重量的变化范围计算永久磁铁的磁极面积，使得永久磁铁的工作点在步骤(1)所选定的变化范围内；(3) 根据磁浮列车的承载重量的变化范围和车载电网的容量，计算永久磁铁沿磁场方向的最小长度和电磁铁的最大安匝数。3、 根据权利要求2所述的电磁型磁浮列车的永磁电磁混合磁铁的设计方法，其特征在于所述步骤(1 )是...

【专利技术属性】
技术研发人员：李云钢，程虎，陈革，陈贵荣，陈慧星，吴志添，张鼎，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]