CN101656458A - 直线永磁驱动机及磁悬浮车路*** - Google Patents

直线永磁驱动机及磁悬浮车路*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种传动效率高、制造工艺简单、成本低、噪音小、适合高速大推力传动的新一代直线永磁驱动机及速度更快、轨道造价更低的磁悬浮车路***。直线永磁驱动机包括螺线定子和螺线转子，传动速度可以达到超音速。整个轨道可以不需要永久磁体，轨道上也不需要驱动线圈，所以磁悬浮车路轨建设成本与目前的高速轮轨建设成本相当。低速运行时可比轮轨列车节能数倍，时速300公里以上高速行驶时比高速轮轨列车节能50％左右。可实现磁悬浮与普通铁路线路的相互通行，使磁悬浮铁路具备现代交通运输的“通用性”、“网络性”、“兼容性”。

Description

直线永磁驱动机及磁悬浮车路***
所属技术领域
本发明涉及非接触传动和磁悬浮车技术领域，具体涉及直线永磁驱动机及磁悬浮车路***，尤其是永磁直线驱动的磁悬浮车。
背景技术
磁悬浮列车因其安全、高速、舒适、低噪音的特点曾经倍受人们瞩目。磁悬浮列车整体与轨道处于悬浮状态，没有机械磨擦，因而运行磨擦阻力很小，可以达到很高的速度，同时也带来了如何与轨道之间进行快速驱动的难题。目前各国普遍采用的驱动方式有线路侧长定子同步直线电机驱动的高速磁悬浮车，如上海的磁悬浮列车，已达到了实用化的程度。也有采用短定子直线感应电机驱动的低速磁悬浮列车。这些无接触传动中的驱动都是采用电磁驱动，由于列车与轨道之间的距离不能太小，最小的一般保持在8～12毫米左右，距离再小会给制造和施工带来很大困难，制造成本提高，行车也不安全。短定子直线感应电机驱动的轨道结构简单，造价低，但是列车的定子与感应板在运行时的距离在10-12毫米，远大于旋转电机的定子与转子间的不到1毫米的间隙，导致较低的功率因数和效率都在0.7以下，励磁功耗大，导致电机设备有较高的热损和电磁辐射损耗，在高速下其功率因数和效率会更低，因而限制其向高速发展，只适合在时速100公里以内的低速下运行。线路侧长定子同步直线电机驱动的效率较高，可达87％，为了精确控制车辆与电磁驱动的波峰同步，需要很高的同步电机控制技术，线路侧长定子分段供电换布馈电技术使沿途配电站建设需要很大投资，同时轨道上布满电磁驱动用铝线圈，制造复杂，造价惊人。目前高速磁悬浮车的电磁驱动轨道的高昂的成本让各国都望而却步，很多项目经过经济分析论证后因投资太高和资金难以回收而纷纷下马，几十公里的试验线路就要投入上百亿资金，因而不能大面积推广。
目前的磁悬浮技术还存在与普通铁路的不兼容的问题，不具备交通运输的“通用性”、“网络性”和“兼容性”。
但不可否认的是：磁悬浮车具有摩擦阻力小，能量消耗低，速度快如飞机，安全、节能又环保，运营和维护成本低的优点，是目前包括飞机和高速轮轨列车在内的其它高速交通工具无法取代的，尤其是磁悬浮车的显著的节能性对现在石油资源严重敲响警钟的形势下具有深远的现实意义。磁悬浮车的悬浮技术是非常成熟的，决定磁悬浮车成本的关键在于悬浮状态下的驱动技术，许多磁悬浮的专利技术都是围绕驱动技术的发明而产生的。正是由于目前的驱动方式需要在轨道上铺满铝线圈，使整条轨道的造价惊人，磁悬浮技术令人望洋兴叹，高速无接触驱动技术的成本决定着磁悬浮技术的未来，一旦出现驱动力强劲且造价很低的高速无接触驱动技术，使磁悬浮车与轨道建设成本与高速轮轨铁路建设成本相差不多时，磁悬浮车就会有无法比拟的优势，将会成为未来的最有前途的交通工具之一。
发明内容
本项目技术旨在减少上述技术中存在的不足之处，提供一种传动效率高、制造工艺简单、成本低、噪音小、适合高速大推力传动的新一代直线永磁驱动机及速度更快、轨道造价更低的磁悬浮车路***。用不耗电的永磁驱动代替同步直线电机驱动和直线感应电机驱动，利用螺纹传动原理把旋转运动直接转化成直线运动，轨道上只用价格低廉导磁性好的铁磁性材料，实现最经济的无接触直线磁力驱动。磁悬浮车再设置驱动转换装置，可实现磁浮轨道与现有轮轨巧妙衔接，使磁悬浮铁路具备交通运输的“通用性”、“网络性”和“兼容性”。
技术方案
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
直线永磁驱动机，其特征是：由螺线转子(1)和螺线定子(2)组成，螺线转子(1)的设置按螺旋线排布的螺旋块(3)，基本同轴布置的螺线定子(2)设置按螺旋线排布的螺旋条(4)，螺线转子(1)的螺旋块(3)和螺线定子(2)的螺旋条(4)至少一个为永久强磁体，螺线转子(1)的螺旋块(3)和螺线定子(2)的螺旋条(4)的螺旋线螺距基本相同，构成螺旋磁力驱动装置。
当螺线转子(1)上的螺旋块(3)的外径小于螺线定子(2)上的螺旋条(4)的内径时，最好是螺线转子(1)的螺旋块(3)为永久磁体，螺线定子(2)的螺旋条(4)为导磁体，构成吸力型螺旋磁力传动副；
当螺线转子(1)的螺旋块(3)和螺线定子(2)的螺旋条(4)在同一个直径的圆周上时，螺旋块(3)与螺旋条(4)都是强磁体，螺旋块(3)与螺旋条(4)的磁极同极相对，构成排斥型螺旋磁力传动副。
当螺线定子(2)为圆环形时，上述结构拓展为蜗轮蜗杆传动结构，成为无接触磁力蜗轮蜗杆传动副，使蜗轮蜗杆的传动效率提升到接近100％。
螺线转子(1)的螺旋块(3)和螺线定子(2)的螺旋条(4)为1条或2条或多条，数量如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30，或更多，最好为偶数。
螺线转子(1)的螺旋块(3)和螺线定子(2)的螺旋条(4)的螺旋角度为1-89度，之间可取2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88度，角度误差精度±0.5度。
螺线转子(1)的螺旋块(3)的最佳结构为螺旋线截得的一段，前后两端为螺旋曲面，左右两端为平面，上下为圆柱面。
螺线定子(2)的横截面可以为完整的圆形，也可以被分割成一段、两段或两段以上，如横截面为单个开口的“C”形或2个开口“C”的形状。
螺线定子(2)上可增加突起的衔铁(7)，衔铁(7)数量可以是1条或2条或者2条以上。衔铁(7)可以水平布置或竖直布置。衔铁(7)可以分布在螺旋条(4)的同一侧也可以分布在螺旋条(4)的两侧。
螺线定子(2)也可以是平面形状。
螺线定子(2)上的螺旋条(4)还可以是斜齿条状，菱形、梭形、圆柱形。
螺线转子(1)上同轴连接永磁环(9)，支撑螺线转子(1)的轴承座(14)上固定连接永磁盘(8)，永磁环(9)与永磁盘(8)为永久强磁体，形状为空心圆环或实心圆柱体，永磁环(9)与永磁盘(8)在轴向方向同性磁极相对，构成无接触推力轴承。
螺线转子(1)的螺旋块(3)和螺线定子(2)的螺旋条(4)的间隙可设置填充物。螺线转子(1)的外表面可设置保护套或设置屏蔽套，螺线定子(2)的内表面可设置保护套，保护套或屏蔽套最好为非导磁性材料。
前述的螺线定子(2)固定连接于轨道上，螺线定子(2)或轨道(30)上设置导磁性良好的衔铁(7)，螺线定子(2)内部基本同心设置的螺线转子(1)通过连接臂(10)与车体(16)连接，车体(16)或连接臂(10)上设置永磁体(20)或电磁铁(12)，永磁体(20)或电磁铁(12)与螺线定子(2)或轨道上的衔铁(7)产生磁吸力，控制车体(16)悬浮及导向。
永磁体(20)由位置控制装置(21)进行位置调节，控制永磁体(20)与螺线定子(2)或轨道上的衔铁(7)之间的距离，产生稳定的磁力悬浮。车体(16)或连接臂(10)上还可以安装辅助轮进行位置辅助限制，保持车体(16)与轨道脱离。
车体(16)底部设有与现有轨道通用的底盘(19)和悬架(27)、轮轴(26)、车轮(25)，车体(16)底部与螺线转子(1)相连接的连接臂(10)上设置转动装置或竖向升降装置(28)、横向移动装置(29)，控制螺线转子(1)与螺线定子(2)同心驱动或与螺线定子(2)及轨道(30)相脱离后用车轮(25)行驶。
轨道转弯处设置两端面为平面或圆柱形的道岔(35)，道岔(35)一端为直线轨道(34)，道岔(35)的另一端为直线轨道(38)和弯轨道(39)，道岔(35)上设有直轨道(36)和弯轨道(37)。
有益效果
本发明的直线永磁驱动机及磁悬浮车路***的有益效果是：
一、传动效率高。本发明是采用永久强磁体无接触传动，传动不需要耗能，螺线转子与螺线定子组成的传动副的传动效率接近100％，高于直线同步电机的87％的效率，能发挥出原动机的最大效能。
二、无接触传动间隙大。永磁螺线转子与定子之间的磁隙达到10-100mm仍有很大传动力。在保证推力足够的前提下，磁隙达到10-100mm时仍然能保持近乎100％的传动效率。
三、传动力大，体积小。螺线转子的永磁体按螺旋线分布，集中在圆周上面，其展开后传动面积相当于直线电机增大至1.5倍至3倍以上，所以同样的推进力体积会更小。
四、线路建设综合造价低。整个轨道可以做到不需要永久强磁体，轨道上也不需要驱动线圈，所以轨道建设成本很低，与高速轮轨铁路建设成本相当。不需要建设沿途控制分电站，也不需要复杂的控制电器***，铁路沿线建设成本低。由于传动磁力间隙大，轨道上螺线定子铁芯的加工精度不需要很高，所以制造工艺简单、制造成本低。这使得直线永磁驱动的磁悬浮铁路建设的综合成本下降到与高速轮轨建设成本相当，这将会大大促进磁悬浮技术的普及和推广。
五、传动速度高。由于旋转的螺线转子上面的螺旋块与转子体联结为一体，连接面积大，连接非常牢固，比喷气发动机涡轮叶片的连接还要牢固，即使螺线转子外表面线速度达到超音速仍然可以安全传动。当螺旋角为45度时，螺线转子外表面沿周向的旋转线速度与轴向传动速度相同，所以本发明的传动速度可以达到超音速，可进一步拉近城市与城市、甚至国家与国家的距离。
六、传动力均匀无波动。如滚珠丝杠的螺纹接触传动一样，传动的力量均匀，几乎感觉不到波动。
七、振动小和噪音低。螺线转子为规则的圆柱形状，能实现很高的动、静平衡。距螺线转子外表一定距离还可以包覆屏蔽套，转动起来气流搅动的声音可以屏蔽在屏蔽套里面，所以振动轻微，噪音低。
八、运行安全平稳。根据陀螺仪原理，螺线转子在高转速下能保持良好的定心性，磁悬浮车在高速行驶时有良好的稳定性。由于这种特性，使得磁悬浮列车在高速行驶时更容易实现完全无接触的磁悬浮。
九、动力适应性强。本发明不依靠电磁力驱动，所以可以使用柴油机、汽油机、电动机、气动马达等各种原动机驱动，适合远距离行驶。也可利用环保的风能、气能、电能、太阳能，核能。在城区内的短途区间低速运行，可以利用气动储存的压缩空气的能量或车载电源驱动磁悬浮车运行，省去受电器，不必建设沿途供电线路，将会更加环保和清洁。
十、节能省电。由于传动副不需耗电，而且传动效率高达100％，在低速和高转速下都能发挥很高的工作效率，螺线转子的振动轻微，噪音低，能量损失小，车体悬浮采用不需耗电的永磁悬浮技术，低速运行时可比普通轮轨节能几倍，即使高速行使时比高速轮轨节能近50％。按其节约油电近50％计，整条线路的所有列车，30年后可以省下最初的建设投资。
十一、通用性强。克服了磁悬浮车与现行的铁路运输***不兼容的问题，可实现磁悬浮与普通铁路线路的相互通行，即磁悬浮车可以在普通铁路上常规行驶，轮轨列车也可以在磁悬浮线路上行驶，使磁悬浮铁路具备交通运输的“通用性”、“网络性”、“兼容性”。运行调度***可以使用与轮轨的控制***相同的现代化调度***和人机工程***。
十二、应用前景广阔。本发明的永磁直线永磁驱动机可广泛应用于磁悬浮列车、非接触传动机械和设备、输送有腐蚀性和无泄漏的的石油、化工行业。也可应用于机械行业、电子行业、建筑行业、工业生产、科学实验、医疗卫生等领域的非接触直线传动。由直线永磁驱动机为动力的磁悬浮车可广泛应用于城际高速轨道列车、城内地铁列车、轻轨列车、有轨电车，将成为现代城市文明的标志之一。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的长螺线转子直线磁力传动副结构示意图。
图2是本发明的长螺线转子直线磁吸力传动副的剖面图。
图3是本发明的长螺线转子直线磁斥力传动副的剖面图。
图4是本发明的长螺线定子直线磁力传动副的立体结构示意图。
图5是本发明的长螺线定子直线磁力传动副的侧视图。
图6是本发明的长螺线定子直线磁力传动副的轴向示意图。
图7是本发明的永磁单螺线转子立体结构示意图。
图8是本发明的内置永磁双螺线转子立体结构示意图。
图9是本发明的永磁双螺线转子立体结构示意图。
图10是本发明的螺线转子上的螺旋块的外观立体图。
图11是本发明的间断磁极的双螺线转子立体结构示意图。
图12是本发明的永磁四极螺线转子立体结构示意图。
图13是本发明的带铁芯的永磁四极螺线转子立体结构示意图。
图14是本发明的单开口螺线定子的立体结构示意图。
图15是本发明的双开口螺线定子的立体结构示意图。
图16是本发明的带有斜齿条的平面螺线定子的外观立体图。
图17是本发明的带有菱形齿的螺线定子的结构示意图。
图18是本发明的带有梭形齿的螺线定子的结构示意图。
图19是本发明的带有圆柱形齿的螺线定子的的外观立体图。
图20是本发明的带有推力磁环的螺线转子的结构示意图。
图21是本发明的带有推力磁环的直线磁力传动副的剖面结构示意图。
图22是本发明的环抱式直线永磁驱动的磁悬浮车纵向结构示意图。
图23是本发明的的潜伏式直线永磁驱动磁悬浮车纵向结构示意图。
图24是本发明的通用型磁悬浮车的纵向结构示意图。
图25是本发明的通用型磁悬浮车的立体结构示意图。
图26是本发明的通用型磁悬浮车正常行驶状态的纵向结构示意图。
图27是本发明的通用型磁悬浮车永磁驱动机向外脱离平衡位置时的纵向结构示意图。
图28是本发明的通用型磁悬浮车永磁驱动机向上抬起位置时的纵向结构示意图。
图29是本发明的通用型磁悬浮车驱动机收拢后用车轮行驶时的纵向结构示意图。
图30是本发明的平移式道岔处于直行状态的立体结构示意图。
图31是本发明的平移式道岔处于转弯状态的立体结构示意图。
图32是本发明的旋转式道岔处于直行状态的立体结构示意图。
图33是本发明的旋转式道岔处于转弯状态的立体结构示意图。
图中1-螺线转子，2-螺线定子，3-螺线转子上的螺旋块，4-螺线定子上的螺旋条，5-螺旋块与螺旋条之间的磁力间隙，6-螺线转子上的芯轴，7-螺线定子上的衔铁，8-推力盘，9-推力环，10-连接臂，11-电动机，12-电磁铁，13-传动轴，14-主轴承，15-导流罩，16-车体，17-高架混凝土立柱，18-混凝土横梁，19-车底盘，20-永磁铁，21-升降控制装置，22-地下空穴，23-辅助轮，24-永磁体对，25-车轮，26-车轮轴，27-悬架，28-竖向升降装置，29-横向移动装置，30-轨道，31-路枕，32-位置传感器，33-磁悬浮车，34-道岔一端的直线轨道，35-道岔，36-道岔上的直轨道，37-道岔上的弯轨道，38-道岔另一端的直轨道，39-道岔另一端的弯轨道
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步详细介绍。
如图1、2、3所示，直线永磁驱动机主要由螺线转子(1)和螺线定子(2)组成。螺线转子(1)和螺线定子(2)同轴布置。螺线定子(2)的内表面设置凸起的螺旋条(4)，螺线转子(1)的外表面设置凸起的螺旋块(3)，螺线转子(1)和螺线定子(2)上凸起的螺旋线的材料可以都是永久强磁体，如钕铁硼材料，也可以一个是永久强磁体，另一个是导磁性良好的铁磁性材料。通常为了降低成本，节省贵重的稀土材料，一般是较长的采用低成本的导磁性材料，较短的采用永久强磁材料。螺线转子(1)上的螺旋块(3)和螺线定子(2)套筒上的螺旋条(4)之间产生磁力，相互吸引或排斥，实现无接触的磁力传动。由于螺旋条(4)和螺旋块(3)之间相互吸引的磁力很大，很难发生相对偏移，其中一条螺旋线会沿着另一条螺旋线移动，这样当其中一个螺旋线固定，另一个螺旋线旋转时，旋转的螺旋线就会沿着固定的螺旋线运动，从而实现无接触的螺旋传动。由于相对面积很大，传导的磁力非常巨大。传动时没有摩擦产生，也不产生高频电磁损耗，传动效率接近100％。螺线转子(1)和螺线套筒(2)通过相互吸引或排斥的螺旋条(4)和螺旋块(3)形成无接触的螺旋传动。
如图1所示，当螺线转子(1)固定时，螺线定子(2)套筒旋转，旋转的螺线定子(2)套筒就会沿着固定的螺线转子(1)按螺旋线运动；反之，当螺线定子(2)套筒固定时，螺线转子(1)旋转时，旋转的螺线转子(1)就会沿着螺线定子(2)套筒的螺旋线路径运动，就如同拧螺丝一样。螺线定子(2)套筒固定时也可以叫做螺线定子(2)，以下即称其为螺线定子(2)。
如图2所示，直线永磁驱动机主要由螺线转子(1)和螺线定子(2)组成。螺线转子(1)和螺线定子(2)同轴布置。螺线定子(2)的形状为完整的圆柱，内部同心设置螺线转子(1)。螺线转子(1)上的螺旋块(3)的外径小于螺线定子(2)上的螺旋条(4)的内径时，螺线转子(1)的外表面设置凸起的螺旋块(3)，螺线定子(2)的内表面设置凸起的螺旋条(4)，较长的螺线转子(1)为导磁性良好的铁磁性材料，较短的螺线定子(2)的内表面凸起的螺旋条(4)材料为强磁材料，如钕铁硼材料。螺线转子(1)和螺线定子(2)上凸起的螺旋块(3)和螺旋条(4)之间产生磁力，相互吸引，达到无接触传动的目的。由于螺旋条(4)和螺旋块(3)之间的吸引力很大，很难发生相对偏移，这样当螺线定子(2)固定时，旋转的螺线转子(1)的螺旋线就会沿着螺线定子(2)的螺旋线运动，形成无接触的螺旋传动。为突出重点、表述简单，图中省略了螺线转子(1)和螺线定子(2)的定位连接结构。
如图3所示，螺线转子(1)上的螺旋块(3)的外径大于螺线定子(2)上的螺旋条(4)的内径，螺线转子(1)的螺旋块(3)和螺线定子(2)的螺旋条(4)在同一个直径的圆周上，螺旋块(3)与螺旋条(4)都是永久强磁体，螺旋块(3)与螺旋条(4)的磁极方向在轴向上同性磁极相对，即N极与N极相对，S极与S极相对，彼此靠排斥力分开，也靠排斥力传动，之间存在磁力间隙(5)，形成无接触磁力传动。
如图4、5、6所示，直线永磁驱动机主要由螺线转子(1)和螺线定子(2)组成。螺线转子(1)和螺线定子(2)同轴布置。螺线定子(2)的形状为完整的圆柱被分割成上下两段，螺线转子(1)上的螺旋块(3)的外径小于螺线定子(2)上的螺旋条(4)的内径，之间存在磁力间隙(5)。螺线定子(2)的内表面设置凸起的螺旋线(4)，螺线转子(1)的外表面设置凸起的螺旋块(3)，螺线转子(1)和螺线定子(2)上凸起的螺旋线的材料可以都是永久强磁体，也可以一个是永久强磁体，另一个是导磁性良好的铁磁性材料。如图4、5、6所示的结构中，较长的螺线定子(2)为导磁性良好的铁磁性材料，较短的螺线转子(1)的外表面凸起的螺旋块(3)材料为永久强磁材料，如钕铁硼材料。螺线转子(1)和螺线定子(2)上凸起的螺旋块(3)和螺旋条(4)之间产生磁力，相互吸引，实现无接触磁力传动。由于螺旋条(4)和螺旋块(3)之间的吸引力很大，相对的螺旋线很难发生错位偏移，当螺线定子(2)固定时，螺线转子(1)旋转，螺线转子(1)的螺旋线就会沿着螺线定子(2)的螺旋线运动，实现无接触的螺旋传动。螺线转子(1)和螺线定子(2)通过相互吸引的螺旋块(3)和螺旋条(4)构成无接触的螺旋传动副。为突出重点、表述简单直观，图中省略了螺线转子(1)和螺线定子(2)的定位连接结构。
螺线转子(1)和螺线定子(2)最好同轴设置，实际应用也可能偏心，也可能互成角度。这主要是由装配误差或转弯时造成的。
如图7-13所示，本发明公开了几种螺线转子(1)的典型结构。
螺线转子(1)的螺旋块(3)和螺线定子(2)的螺旋条(4)构成的螺旋线的数量为1条或2条或多条，数量如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30，或更多，最好为偶数。螺线转子(1)的螺旋块(3)和螺线定子(2)的螺旋条(4)构成的螺旋线的螺旋角为1-89度，之间可取1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89度，角度误差精度±0.5度。
当螺线转子(1)和螺线定子(2)的螺旋线的螺旋角为45度时，螺线转子(1)的周向旋转线速度等于轴向运行的速度，即螺线转子(1)表面的周向旋转线速度与轴向前进的速度是相同的。当螺线转子(1)和螺线定子(2)的螺旋线的螺旋角小于45度时，螺线转子(1)的轴向前进速度就会小于螺线转子(1)的周向旋转线速度，实现减速传动；当螺线转子(1)和螺线定子(2)的螺旋线的螺旋角大于45度时，螺线转子(1)的轴向前进速度就会大于螺线转子(1)的周向旋转线速度，实现升速传动。改变螺旋线的螺旋角就可以改变直线永磁驱动机的传动比。
如图7所示，螺线转子(1)的螺旋线为1条，螺线转子(1)的螺旋块(3)为永久强磁体，其磁极方向为轴向方向。
如图8所示，螺线转子(1)的螺旋线为2条，永久强磁体安装在螺线转子(1)内部，外部对应位置设置铁磁性材料的螺旋块(3)，内部的永久强磁体的磁极方向为径向方向，通过外部对应位置的螺旋块(3)把磁力传递到外部。
如图9所示，螺线转子(1)的螺旋线为2条，外部螺旋线为永久强磁体，其磁极方向可以是如图所示的径向方向。
如图10所示，螺线转子(1)的螺旋块(3)的最佳结构为螺旋线截得的一段，前后两端为螺旋曲面，左右两端为平面，上下为圆柱面。由这种结构构成的螺线转子(1)的传动平稳性最好。当然如果螺旋块(3)的结构为长方体时结构虽然简单，只是效果不如前者。
如图11所示，螺线转子(1)的螺旋线为2条，螺线转子(1)的螺旋线为间断的永久强磁体时，磁极的方向可以是沿着螺旋线方向异极相对顺次连接；磁极的方向也可以是沿着螺旋线方向同极相对顺次连接；磁极的方向还可以是垂直于螺旋线方向异极相对顺次连接；磁极的方向还可以是垂直于螺旋线方向同极相对顺次连接。
如图12所示，螺线转子(1)的螺旋线为4条，螺线转子(1)的螺旋线为永久强磁体，磁极的方向可以是径向方向，相临螺旋线沿着轴线方向N、S极交替排列。
如图13所示，如前述的螺线转子(1)的螺旋线之间设置填充材料。填充材料为导磁材料时，螺旋块(3)的磁极排布方式如图所示，相临磁极同极相对，之间的导磁材料传导出更为集中的强磁极。这些磁极仍然是N、S极相临交替排列。填充材料也可以是非导磁的材料，如铝、非金属。
上述的螺线转子(1)的表面可以包覆保护套。保护套的材料最好是不导磁的材料。
在距离上述的螺线转子(1)的表面一定距离以外可以设置屏蔽套，以减少旋转气流噪声向外传导，降低噪声，使螺线转子(1)在高速转动时噪音也较低。
螺线定子(2)的横截面可以为完整的圆形，也可以被分割成一段、两段或两段以上，如图14所示，螺线定子(2)的横截面为单个开口的“C”形，开口的方向可以根据需要设置。
如图15所示，螺线定子(2)的横截面被分割成2个开口“C”的形状，分开的两部分螺旋条(4)对称设置，以便使其对螺线转子(1)的吸引磁力平衡分布。螺线定子(2)上可增加衔铁(7)，衔铁(7)数量可以是1条或2条，或者2条以上。成对的衔铁(7)可以水平布置或竖直布置。衔铁(7)可以分布在螺旋条(4)的同一侧也可以分布在螺旋条(4)的两侧，衔铁(7)还可以分布在螺旋条(4)的内部，如图14所示。
螺线定子(2)外部突起的衔铁(7)可以作为轨道，也可与轨道相连。
衔铁(7)也可以与螺线定子(2)分开，彼此独立。
如图16、17、18、19所示，螺线定子(2)形状除圆弧形以外，还可以展开成平面形。螺线定子(2)上的螺旋条(4)可以是多种形状。
如图16所示，螺线定子(2)上的螺旋条(4)可以是斜齿条状；
如图17所示，螺旋条(4)可以是菱形；
如图18所示，螺旋条(4)可以是梭形；
如图19所示，螺旋条(4)可以是圆柱形。
菱形、梭形、圆柱形可实现双向螺线转子(1)的传动。
如图20所示，螺线转子(1)的轴径(6)上同轴固定连接永磁环(9)，永磁环(9)的前面或后面同轴滑动安装永磁盘(8)，永磁环(9)与永磁盘(8)为永久强磁体，形状为空心圆环或实心圆盘，永磁环(9)与永磁盘(8)在轴向方向同性磁极相对，靠同磁极的排斥力使彼此分开，构成无接触推力轴承。
如图21所示，螺线转子(1)由两端的主轴承(14)滑动连接在电动机(11)和导流罩(15)内，螺线转子(1)的轴径(6)与传动轴(13)相连，永磁环(9)同轴固定连接在螺线转子(1)的轴径(6)上，永磁盘(8)固定在电动机(11)和导流罩(15)内，并分布在永磁环(9)的前后端。电动机(11)通过传动轴(13)带动螺线转子(1)高速旋转。螺线转子(1)在传动中发生轴向移动时，通过永磁环(9)与永磁盘(8)的排斥力使彼此分开，减轻轴承(14)的轴向负荷。在高转速和承受较大的轴向传动力时，减少轴承的轴向摩擦和发热，延长轴承的使用寿命，并节约能源。
现举例说明直线永磁驱动机在磁悬浮车中的典型应用。
根据螺线定子(2)的开口方向不同和螺线转子(1)与连接臂(10)的连接方式的不同可以形成多种不同的磁悬浮车结构方案。现列举3个典型的结构对本发明进行说明。
如图22所示，为本发明的高架桥环抱式直线永磁驱动的磁悬浮车。
在混凝土高架桥立柱(17)上铺设混凝土横梁(18)，混凝土横梁(18)上固定连接螺线定子(2)，螺线定子(2)中部为开口向下的“C”形，螺线定子(2)两侧为导磁性良好的衔铁(7)，衔铁(7)上有两侧的突起。与螺线定子(2)的螺旋条(4)基本同心设置的螺线转子(1)通过连接臂(10)与车体(16)连接，连接臂(10)上设置永磁体(20)和电磁铁(12)，永磁体(20)或电磁铁(12)与螺线定子(2)上的衔铁(7)产生吸力，衔铁(7)左右方向的电磁铁(12)控制车体导向，衔铁(7)底部的永磁体(20)和电磁铁(12)控制车体悬浮，构成直线永磁驱动的磁悬浮车。两个螺线转子(1)分别由电动机驱动，旋转方向最好是相反的方向，以便彼此抵消螺线转子(1)与螺线定子(2)传动时的扭矩。螺线转子(1)旋转，螺旋块(3)与螺线定子(2)上的螺旋条(4)产生前进的拉力，使磁悬浮车向前行驶。螺线转子(1)与螺线定子(2)之间的拉力方向斜向上方，可同时提供了向上的悬浮分力。
永磁体(20)在衔铁(7)底部提供主要的永磁悬浮力，通过升降装置(21)控制永磁体(20)的位置，提供合适的悬浮力。当磁悬浮车上下位置偏离平衡位置时，衔铁(7)底部的电磁铁(12)通过传感器和反馈回路控制产生电磁回复力，回到平衡位置。当列车向两侧偏移时，永磁体(20)和电磁铁(12)对衔铁(7)产生一对向中心的回复力，保持车体的左右位置处于中心平衡位置。在平衡位置时，悬浮可以不需耗电，而且在偏离平衡位置时只需提供较小的回复电流，实现节能的磁悬浮。
上述结构也适合做吊轨磁悬浮车。
当列车高速运行过程中，高速旋转的螺线转子(1)如同惯性陀螺一样，具有自稳定的作用，所以更容易控制列车的悬浮。
高架桥结构占地面积小，这种高速磁悬浮车对于城区内和城区间的客货运输会起到促进作用，可加速客流往来和大大降低物流运输成本。
如图23所示，为本发明的潜伏式直线永磁驱动的磁悬浮车。两组螺线定子(2)安置在轨道路基的内部，下面设置地下空穴(22)。螺线定子(2)上下各有一开口将完整的螺线定子(2)分开成左右两半，每组螺线定子(2)各同心设置一个螺线转子(1)。螺线转子(1)上部通过连接臂(10)与列车车体(16)相连。螺线转子(1)下方连接着2个永磁体对(24)。螺线定子(2)向下伸出2个成对的衔铁(7)，衔铁(7)中间有一豁口，衔铁(7)与永磁体对(24)相对，略有一些错位，如图(23)所示位置，衔铁(7)对永磁体对(24)产生向上的拉力，左右的拉力彼此抵消掉而只产生向上的拉力。在永磁体对(24)之间设置辅助轮(23)，辅助轮(23)设置在衔铁(7)的豁口中间，保证永磁体对(24)在衔铁(7)的中间位置不向两侧偏斜。
车体以下的连接臂(10)及螺线转子(1)与螺线定子(2)全部潜伏在地面以下，螺线转子(1)的强磁被螺线定子(2)包围着，对地面不会有任何影响，开口远小于橡胶轮胎宽度，不会影响地面的行车，适合在城市路面使用，建设快速客车通道，加速城市内客流流通。
为使磁悬浮铁路具备交通运输的“通用性”、“网络性”、“兼容性”，本发明提供了可以在普通铁路和高速磁悬浮轨道之间都能通行的的解决方案。
如图24所示，为本发明的通用型环抱式磁悬浮车。车体(16)底部安装了与现有铁轨线路通用的底盘(19)、悬架(27)、轮轴(26)、车轮(25)，在车体(16)底部和连接臂(10)上设有竖向升降装置(28)和横向移动装置(29)，连接臂(10)末端连接螺线转子(1)。在正常行驶的状态中，连接臂(10)通过竖向升降装置(28)和横向移动装置(29)使螺线转子(1)能准确定位在螺线定子(2)的中心位置。连接臂(10)上还设有永磁体(20)、升降控制装置(21)、位置传感器(32)或电磁铁(12)。
路枕(31)上的工字型铁轨(30)的一侧上下方同时向外延伸并设置螺线定子(2)，上下两部分的螺旋条(4)仍然保持同心，上部的螺旋条(4)继续向外延伸并设置衔铁(7)。衔铁最好是成对突起的衔铁(7)，中间存在凹槽。
如图25所示，为本发明的通用型环抱式磁悬浮车的立体外观结构图。
连接臂(10)上的永磁体(20)或电磁铁(12)与工字型铁轨(30)的衔铁(7)产生磁力吸引，通过连接臂(10)对车体(16)产生向上的悬浮拉力。轨道(30)上的螺线定子(2)与内部的螺线转子(1)通过永磁驱动，使磁悬浮车行驶。车体(16)底部的车轮(25)与轨道(30)脱离或轻微接触。
在连接臂(10)上还可以安装辅助轮(23)，辅助轮(23)可防止因列车转弯时的离心力过大或者出现力量急剧变化造成的失衡现象。
图26、27、28、29展示出了通用型环抱式磁悬浮车在由磁悬浮轨道与普通轮轨行驶状态的切换过程。
如图26所示，磁悬浮车在进入普通铁路轨道线路前，先减速，再让底部的车轮与轨道完全接触。如果带有辅助轮(23)，把辅助轮(23)收起。
如图27所示，磁悬浮车减速或停车后，连接臂(10)的横向移动装置(29)水平向外移动，带动螺线转子(1)向外移动，直至完全脱离轨道，处于图示的外侧位置。
如图28所示，连接臂(10)的竖向移动装置(28)向上移动，带动螺线转子(1)向上抬起，上升到顶部，处于图示的顶部位置。
如图29所示，连接臂(10)的横向移动装置(29)向内侧移动，带动螺线转子(1)向内收拢至内侧顶部位置，处于图示的安全行车位置。完成磁悬浮行车向普通铁路线路的转换过程。用车轮(25)继续行驶，再进入普通轮轨铁路线低速行驶。
当准备进入磁悬浮线路时，按照相反的操作程序，连接臂(10)的横向移动装置(29)和竖向升降装置(28)控制螺线转子(1)按原来路径返回到螺线定子(2)内的驱动位置，在磁悬浮轨道上高速行驶。
如图30、31、32、33所示，本发明公布两种用于环抱式直线永磁驱动的磁悬浮列车的道岔结构。
如图30、31所示，为本发明的直线永磁驱动的磁悬浮车的平移式道岔结构方案。
如图30所示，磁悬浮列轨道的平移式道岔(35)设在轨道的转弯处，轨道转弯处平行截断出平行的豁口，豁口内设置道岔(35)，道岔(35)一端为直线轨道(34)，道岔(35)的另一端为直线轨道(38)和弯轨道(39)，平移式道岔(35)上设有直轨道(36)和弯轨道(37)，如图所示位置是道岔向内侧平移，直线轨道(34)与(38)被道岔(35)上的直轨道(36)接通，磁悬浮车(33)可以高速直行。
如图31所示，道岔向外侧平移，直轨道(34)与弯轨道(39)被道岔(35)上的弯轨道(37)接通，磁悬浮车(33)可以通过岔道(35)转弯，变轨到另一条轨道行驶。
如图32、33所示，为本发明的直线永磁驱动的磁悬浮列车的旋转式道岔结构方案。
如图32所示，磁悬浮轨道的旋转式道岔(35)设在轨道的转弯处，轨道转弯处截断出圆柱形的豁口，豁口内设置道岔(35)，道岔(35)一端为直线轨道(34)，道岔(35)的另一端为直线轨道(38)和弯轨道(39)，旋转式道岔(35)上设有直轨道(36)和弯轨道(37)，如图32所示位置是道岔分别逆时针旋转后，道岔(35)两端的直线轨道(34)与(38)被道岔(35)上的直轨道(36)接通，磁悬浮车(33)可以高速直行。
如图33所示，道岔(35)分别顺时针旋转后，直线轨道(34)与弯轨道(39)被道岔(35)上的弯轨道(37)接通，磁悬浮车(33)可以通过岔道(35)转弯，变轨到另一条轨道行驶。
上述这两种岔道结构简单，容易控制，轨道定位牢固准确，接合严密，变轨时不会产生很大的轨道弯曲变形应力，轨道寿命长，适合各种复杂形状的轨道。
多个螺线转子(1)和螺线定子(2)按多种方式和空间排列组合成的直线永磁驱动机。
上述几种实施方案中的结构件可以形成不同的组合，根据实地情况组合成更适用于现场情况的磁悬浮车路***。

Claims (10)

1.直线永磁驱动机，其特征是：由螺线转子(1)和螺线定子(2)组成，螺线转子(1)设置按螺旋线排布的螺旋块(3)，基本同轴布置的螺线定子(2)设置按螺旋线排布的螺旋条(4)，螺线转子(1)的螺旋块(3)和螺线定子(2)的螺旋条(4)至少一个为永久磁体，螺线转子(1)的螺旋块(3)和螺线定子(2)的螺旋条(4)的螺旋线螺距基本相同。
2.根据权利要求1所述的直线永磁驱动机，其特征是：当螺线转子(1)上的螺旋块(3)的外径小于螺线定子(2)上的螺旋条(4)的内径时，最好是螺线转子(1)的螺旋块(3)为永久磁体，螺线定子(2)的螺旋条(4)为导磁性好的导磁体；当螺线转子(1)的螺旋块(3)和螺线定子(2)的螺旋条(4)在同一个直径的圆周上时，螺旋块(3)与螺旋条(4)都是强磁体，螺旋块(3)与螺旋条(4)的磁极同极相对。当螺线定子(2)为圆环形时，拓展为蜗轮蜗杆结构，成为无接触磁力蜗轮蜗杆传动副。
3.根据权利要求1所述的直线永磁驱动机，其特征是：螺线转子(1)的螺旋块(3)和螺线定子(2)的螺旋条(4)构成的螺旋线的数量为1条或2条或多条，数量如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30，或更多，最好为偶数，螺线转子(1)和螺线定子(2)的螺旋线的螺旋角为1-89度，之间可取2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88度，角度误差精度±0.5度。
4.根据权利要求1所述的直线永磁驱动机，其特征是：螺线转子(1)的螺旋块(3)的最佳结构为螺旋线截得的一段，前后两端为螺旋曲面，左右两端为平面，上下为圆柱面。
5.根据权利要求1所述的直线永磁驱动机，其特征是：螺线定子(2)的横截面可以为完整的圆形，也可以被分割成一段、两段或两段以上，如横截面为单个开口的“C”形或2个开口“C”的形状，螺线定子(2)上可增加导磁性好的衔铁(7)，衔铁(7)数量可以是1条或2条或者2条以上。衔铁(7)可以水平布置或竖直布置。衔铁(7)可以分布在螺旋条(4)的同一侧也可以分布在螺旋条(4)的两侧。螺线定子(2)也可以是平面形状，螺线定子(2)上的螺旋条(4)还可以是斜齿条状、菱形、梭形、圆柱形。
6.根据权利要求1所述的直线永磁驱动机，其特征是：螺线转子(1)上同轴连接永磁环(9)，螺线转子(1)的轴承座上固定连接永磁盘(8)，永磁环(9)与永磁盘(8)为永久强磁体，形状为空心圆环或实心圆盘，永磁环(9)与永磁盘(8)在轴向方向同性磁极相对。
7.根据权利要求1所述的直线永磁驱动机，其特征是：螺线转子(1)的螺旋块(3)和螺线定子(2)的螺旋条(4)的间隙可设置填充物，螺线转子(1)的外表面可设置保护套或设置屏蔽套，螺线定子(2)的内表面可设置保护套。
8.根据权利要求1所述的直线永磁驱动机及磁悬浮车路***，其特征是：前述的螺线定子(2)固定连接于轨道(30)上，螺线定子(2)或轨道(30)上设置导磁性良好的衔铁(7)，螺线定子(2)内部基本同心设置的螺线转子(1)通过连接臂(10)与车体(16)连接，车体(16)或连接臂(10)上设置永磁体(20)或电磁铁(12)，永磁体(20)或电磁铁(12)与螺线定子(2)或轨道(30)上的衔铁(7)相对布置。永磁体(20)或电磁铁(12)上设置位置传感器(32)和位置控制装置(21)。车体(16)或连接臂(10)上可以安装辅助轮(23)。
9.根据权利要求8所述的直线永磁驱动机及磁悬浮车路***，其特征是：车体(16)和连接臂(10)上设置转动装置或竖向升降装置(28)和横向移动装置(29)，控制螺线转子(1)与螺线定子(2)同心或相脱离。
10.根据权利要求8所述的直线永磁驱动机及磁悬浮车路***，其特征是：轨道转弯处设置两端面为平面或圆柱形的道岔(35)，道岔(35)的一端为直线轨道(34)，道岔(35)的另一端为直线轨道(38)和弯轨道(39)，道岔(35)上设有直轨道(36)和弯轨道(37)。
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