磁悬浮轨道结构的优化方法和应用技术

本发明专利技术涉及磁悬浮轨道优化技术领域，公开了一种磁悬浮轨道结构优化方法和应用，该方法包括以下步骤：(A)分析车载磁体与磁轨磁体受力情况，建立磁体悬浮力的力学表达式；所述磁体的结构为Halbach阵列；(B)采用定量分析法和/或耦合优化方法分析，求出取最大值时w的数值；或求出取最大值时z的数值；或求出取最大值时y的数值；或求出取最大值时d的数值；求出的w、z、y、d数值为优化数值。本发明专利技术方法能够优化永磁磁浮轨道结构尺寸，提升稀土永磁材料悬浮效率，从而降低永磁磁浮或超导磁浮的悬浮成本。悬浮成本。悬浮成本。

【技术实现步骤摘要】
磁悬浮轨道结构的优化方法和应用


[0001]本专利技术涉及磁悬浮轨道优化
，具体涉及一种磁悬浮轨道结构的优化方法和应用。

技术介绍

[0002]磁悬浮轨道交通技术是轨道交通技术未来发展的重要方向，其具有无机械接触的特点，运行摩擦主要来源于空气阻力，这为磁悬浮列车实现超高速的提供可能。目前，常导型电磁悬浮EMS和电动悬浮EDS是轨道磁悬浮轨道交通技术最为成熟的两种悬浮模式，然而EMS存在悬浮能耗大、EDS在静态或者低速下无法实现悬浮运行的问题，较大程度地影响磁悬浮轨道交通技术的向前发展。采用永磁磁浮或者混合悬浮模式是解决目前常导电磁悬浮能耗大的问题和电动悬浮无法实现低速运行问题的一种重要思路。在此背景下，人们提出了一些新的悬浮模式，即永磁悬浮(PMS)和高温超导悬浮HTSCM，与EMS和EDS相比，PMS和HTSCM具有悬浮能耗低、静态可悬浮、运维成本低等优点。
[0003]永磁磁轨是PMS和HTSCM技术的重要组成部分，PMS和HTSCM都需要永磁磁浮轨道提供基础悬浮力。Halbach阵列是一种新型永磁阵列，其按不用从磁化方向以一定的顺序排列，使得永磁阵列的磁场更加集中，即一侧磁场明显增加，另一侧的磁场强度明显减弱，如图1所示，因此，Halbach阵列在磁悬浮领域有着重要的应用。Halbach阵列的出现和强力永磁体的专利技术为永磁磁浮和超导磁浮提供可能。钕铁硼(NdFeB)永磁体因其具有磁力较强、磁能较高、技术成熟且成本相对较低的特点，是磁悬浮领域最为常用的永磁材料。但是，稀土永磁材料属于不可再生资源，另外，稀土永磁材料价格不断攀升，然而，Halbach组成的磁轨产生的悬浮力跟其空间结构及其几何尺寸有密切的关系，如何用最少量的磁体达到悬浮设计目标(悬浮间隙、悬浮重量)是值得思考的工程问题。在此背景下，如何优化永磁磁浮轨道结构尺寸，从而提升稀土永磁材料的悬浮效率(即单位体积提供的悬浮力大小)，为永磁磁浮和超导磁浮技术的应用推广提供技术支持，具有重要工程实际意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的稀土永磁材料悬浮效率低问题，提供一种磁悬浮轨道结构优化方法和应用，该方法能够提升稀土永磁材料悬浮效率，用最少的永磁体提供大于悬浮物体重力的悬浮力。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术一方面提供一种磁悬浮轨道结构优化方法，该方法包括以下步骤：
[0006](A)分析车载磁体与磁轨磁体受力情况，建立磁体悬浮力的力学表达式；所述磁体的结构为Halbach阵列，所述力学表达式为
[0007][0008][0009]其中，F
z
为Halbach阵列磁体沿z轴方向的悬浮力，B
Z
为磁感应强度沿Z轴的分量，B
r
为永磁体的剩磁，μ0为真空磁导率，k为Halbach阵列磁组的波长数，d为单位磁块的厚度，w为单位磁块的宽度，z为车载磁体与磁轨磁体的悬浮间隙，n为每个单位波长的磁块个数，m1和m2均为磁感应强度校正系数，y为单位磁块的长度；
[0010](B)采用定量分析法和/或耦合优化方法分析，
[0011]求出取最大值时w的数值；或
[0012]求出取最大值时z的数值；或
[0013]求出取最大值时y的数值；或
[0014]求出取最大值时d的数值；求出的w、z、y、d数值为优化数值。
[0015]本专利技术第二方面提供本专利技术所述磁悬浮轨道结构优化方法在直线型磁悬浮轨道中的应用。
[0016]通过上述技术方案，本专利技术方法能够优化永磁磁浮轨道结构尺寸，提升稀土永磁材料悬浮效率，从而降低永磁磁浮或超导磁浮的悬浮成本。
附图说明
[0017]附图是用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术实施例，但并不构成对本专利技术实施例的限制。在附图中：
[0018]图1是Halbach阵列磁场密度分布图；
[0019]图2是Halbach磁轨悬浮结构示意图；
[0020]图3是车载磁体垂向受力分析图；
[0021]图4是车载磁体悬浮力随悬浮气隙z变化曲线图；
[0022]图5是车载磁体悬浮力随磁轨长度y变化曲线图；
[0023]图6是车载磁体悬浮力随磁轨磁轨厚度d变化曲线图；
[0024]图7是单位磁体厚度产生的悬浮力F
d
随磁轨厚度d变化曲线图；
[0025]图8是车载磁体悬浮力随磁轨磁轨宽度w变化曲线图；
[0026]图9是单位磁体宽度产生的悬浮力F
w
随磁轨厚度w变化曲线图；
[0027]图10是车载磁体悬浮力随磁轨磁轨宽度w和厚度d变化三维图。
具体实施方式
[0028]在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
[0029]本专利技术提供一种磁悬浮轨道结构优化方法，该方法包括以下步骤：
[0030](A)分析车载磁体与磁轨磁体受力情况，建立磁体悬浮力的力学表达式；所述磁体的结构为Halbach阵列，所述力学表达式为
[0031]其中，F
z
为Halbach阵列磁体沿z轴方向的悬浮力，B
Z
为磁感应强度沿Z轴的分量，B
r
为永磁体的剩磁，μ0为真空磁导率，k为Halbach阵列磁组的波长数，d为单位磁块的厚度，w为单位磁块的宽度，z为车载磁体与磁轨磁体的悬浮间隙，n为每个单位波长的磁块个数，m1和m2均为磁感应强度校正系数，y为单位磁块的长度；
[0032](B)采用定量分析法和/或耦合优化方法分析，
[0033]求出取最大值时w的数值；或
[0034]求出取最大值时z的数值；或
[0035]求出取最大值时y的数值；或
[0036]求出取最大值时d的数值；求出的w、z、y、d数值为优化数值。
[0037]根据本专利技术一种特别优选的实施方式，本专利技术所述磁体为永磁体，选自钕铁硼磁铁、钐钴磁铁、永磁铁氧体中的一种或多种，优选为钕铁硼永磁体。
[0038]本专利技术悬浮力力学表达式可以根据悬浮力数学模型推导，具体如下：
[0039]导磁材料在磁化过程中，磁化体内部任意一点的磁化电流密度可以表示为
[0040][0041]式(1)中，为被磁化永磁体电流密度，为被磁化永磁体的磁化强度，为旋度计算符号。
[0042]在永磁体的磁化过程中，通常磁化强度是恒定不变的，因此被磁化体电流的密度为零。在永磁体内部与外部真空区的交界处存在磁化强度的不同，因此在交界处存在一定强度表面电流，其表面电流密度可以表示为
[0043][0044]式(2)中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁悬浮轨道结构优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(A)分析车载磁体与磁轨磁体受力情况，建立磁体悬浮力的力学表达式；所述磁体的结构为Halbach阵列，所述力学表达式为h阵列，所述力学表达式为其中，F
z
为Halbach阵列磁体沿z轴方向的悬浮力，B
Z
为磁感应强度沿Z轴的分量，B
r
为永磁体的剩磁，μ0为真空磁导率，k为Halbach阵列磁组的波长数，d为单位磁块的厚度，w为单位磁块的宽度，z为车载磁体与磁轨磁体的悬浮间隙，n为每个单位波长的磁块个数，m1和m2均为磁感应强度校正系数，y为单位磁块的长度；(B)采用定量分析法和/或耦合优化方法分析，求出取最大值时w的数值；或求出取最大值时z的数值；或求出取最大值时y的数值；或求出取最大值时d的数值；求出的w、z、y、d数值为优化数值。2.根据权利要求1所述的优化方法，其中，所述定量分析法包括以下步骤：以z、w、d或y中的一个参数作为变量，固定其它参数数值，代入所述力学表达式中，求出取最大值时w的数值；或求出取最大值时z的数值；或求出取最大值时y...

【专利技术属性】
技术研发人员：周发助，杨杰，杨斌，杨牧南，孔凯禾，欧阳晴芳，
申请(专利权)人：江西理工大学，
类型：发明
国别省市：