CN112644555B - 圆环型halbach磁制动装置及高速列车 - Google Patents

圆环型halbach磁制动装置及高速列车 Download PDF

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Abstract

本发明涉及轨道交通技术领域，公开了一种圆环型HALBACH磁制动装置及高速列车。该装置包括车载部件和轨道梁部件，所述车载部件包括圆环型HALBACH阵列磁体和旋转轴承，所述旋转轴承设置在所述圆环型HALBACH阵列磁体中心，所述圆环型HALBACH阵列磁体通过各自的旋转轴承在车体的下表面两侧设置，所述轨道梁部件包括对应所述圆环型HALBACH阵列磁体的聚磁区设置在轨道梁上的感应单元，沿运行方向，所述圆环型HALBACH阵列磁体产生行波磁场，同时因所述感应单元对其产生的反作用力而旋转产生旋转磁场，使得所述感应单元切割磁感线产生的感应电势增大实现制动。由此，实现了列车的制动，也降低了地面感应单元的发热程度。

Description

圆环型HALBACH磁制动装置及高速列车
技术领域
本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种圆环型HALBACH磁制动装置及高速列车。
背景技术
随着社会人类对交通行业速度加快的希望，高速列车日益增加的速度不仅对推进/牵引***提出了需求，同时也对平稳安全制动提出了更高的要求。目前，轨道列车的制动方式主要有机械式、牵引涡流盘式、直线涡流磁制动式等等。机械式制动方式主要依靠轨道与列车轮轨等机械部位的摩擦进行制动，单次制动对制动器损伤较大，需要经常进行养护或更换制动部件；牵引涡流盘式是利用复杂的传动装置，在制动过程中，带动在磁场中的盘式导电感应板，通过在感应板上形成涡流进行能量转换，但在制动的效果上受传动的能力以及感应板温度上升的界限所约束。
直驱技术的发展让直线形涡流磁制动方式成为目前轨道交通中的主流趋势，特别在磁悬浮列车中的应用，可以利用车载磁体建立涡流制动主磁场。但这种制动方式，仅仅将运动体的动能转化为制动感应板上的热能散发出去，对地面感应板的潜热提出了要求，特别是在高速运行的真空管道列车中，真空内热量的排出将带来额外的设计难度。
发明内容
本发明提供了一种圆环型HALBACH磁制动装置及高速列车，能够解决现有技术中热量排出难的问题。
本发明提供了一种圆环型HALBACH磁制动装置，其中，该装置包括车载部件和轨道梁部件，所述车载部件包括圆环型HALBACH阵列磁体和旋转轴承，所述旋转轴承设置在所述圆环型HALBACH阵列磁体中心，所述圆环型HALBACH阵列磁体通过各自的旋转轴承在车体的下表面两侧设置，所述轨道梁部件包括对应所述圆环型HALBACH阵列磁体的聚磁区设置在轨道梁上的感应单元，沿运行方向，所述圆环型HALBACH阵列磁体产生行波磁场，同时因所述感应单元对其产生的反作用力而旋转产生旋转磁场，使得所述感应单元切割磁感线产生的感应电势增大实现制动。
优选地，所述圆环型HALBACH阵列磁体包括多个扇形单磁体。
优选地，所述扇形单磁体为永磁体、超导磁体或电磁体。
优选地，所述车载部件还包括保护套筒，设置在所述圆环型HALBACH阵列磁体外。
优选地，所述保护套筒和所述旋转轴承的材料为钛合金或铝合金。
优选地，所述感应单元为金属导电板或金属导电线圈。
优选地，所述感应单元的材料为高电导率材料。
优选地，高电导率材料为铜或铝。
优选地，该装置还包括负载，所述负载与所述旋转轴承连接，所述圆环型HALBACH阵列磁体旋转的动能通过所述旋转轴承连接所述负载进行发电制动。
本发明还提供了一种高速列车，其中，包括上述的圆环型HALBACH磁制动装置。
通过上述技术方案，可以在车体的下表面两侧通过旋转轴承设置圆环型HALBACH阵列磁体，该圆环型HALBACH阵列磁体在与地面(轨道)感应单元作用的同时，将一部分动能转化为自身旋转的动能，加速高速列车动能的转化形式，实现了列车的制动，也降低了地面感应单元的发热程度。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明实施例的一种圆环型HALBACH磁制动装置示意图；
图2示出了根据本发明实施例的一种圆环型HALBACH阵列磁体的示意图；
图3A-3B示出了根据本发明实施例的一种扇形单磁体的示意图；
图4示出了根据本发明实施例的一种圆环型HALBACH阵列磁体的展开示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
图1示出了根据本发明实施例的一种圆环型HALBACH磁制动装置示意图。
如图1所示，本发明实施例提供了一种圆环型HALBACH磁制动装置，其中，该装置包括车载部件和轨道梁部件，所述车载部件包括圆环型HALBACH阵列磁体1和旋转轴承2，所述旋转轴承2设置在所述圆环型HALBACH阵列磁体1中心，所述圆环型HALBACH阵列磁体1通过各自的旋转轴承2在车体3的下表面两侧设置，所述轨道梁部件包括对应所述圆环型HALBACH阵列磁体1的聚磁区设置在轨道梁5上(例如，设置在轨道梁底面，与轨道梁底面贴合)的感应单元(金属制动感应单元)4，沿运行方向，所述圆环型HALBACH阵列磁体1产生行波磁场，同时因所述感应单元4对其产生的反作用力而旋转产生旋转磁场，使得所述感应单元4切割磁感线产生的感应电势增大实现制动。
举例来讲，车载部件可以包括一套(两个)圆环型HALBACH阵列磁体与(两个)旋转轴承组成，圆环型HALBACH阵列磁体可以通过对应的旋转轴承对称设置在车体3的下表面(即，一个圆环型HALBACH阵列磁体可以通过一个旋转轴承与车体连接)，如图1所示。
通过上述技术方案，可以在车体的下表面两侧通过旋转轴承设置圆环型HALBACH阵列磁体，该圆环型HALBACH阵列磁体在与地面轨道感应单元作用的同时，将一部分动能转化为自身旋转的动能，加速高速列车动能的转化形式，实现了列车的制动，也降低了地面感应单元的发热程度。
也就是，可以将车体高速的动能转化为金属制动感应单元相应的热能，耗散除去。在金属制动感应单元上产生感应涡流的原理为:金属在变化的磁场中切割磁感线，产生感应电势，闭环的回路中就会形成电流。磁场变化的速度越快，产生的感应电势越大，产生的涡流也就越强，对应的磁制动力也就越强。在本发明中，沿运行方向中，圆环型HALBACH阵列磁体产生行波磁场，同时自身也会因金属制动感应单元对其产生的反作用力而旋转，产生旋转磁场，加速磁场变化的频率。
图2示出了根据本发明实施例的一种圆环型HALBACH阵列磁体的示意图。
图3A-3B示出了根据本发明实施例的一种扇形单磁体的示意图。其中，图3A和图3B分别示出了扇形单磁体不同的磁力线方向。
根据本发明一种实施例，如图2所示，所述圆环型HALBACH阵列磁体1可以包括多个扇形单磁体。
也就是，所述圆环型HALBACH阵列磁体1可以通过多个扇形单磁体拼接成圆。
各扇形单磁体的磁场方向如图2所示，其中“·”为垂直纸面向外，“×”为垂直纸面向里。
根据本发明一种实施例，所述扇形单磁体为永磁体、超导磁体或电磁体。
本领域技术人员应当理解，上述关于扇形单磁体的描述仅仅是示例性的，并非用于限定并本发明，只要是能够产生磁场的磁体，均可以用于本发明。
图4示出了根据本发明实施例的一种圆环型HALBACH阵列磁体的展开示意图。
将图2所示的圆环型HALBACH阵列磁体沿径向切开并展开，得到图4所示直线型HALBACH磁体示意图，按照图示磁场方向，磁体的上下面所在区域可以分为聚磁区与弱磁区。
本领域技术人员应当理解，图4所示的仅仅为最简单的一种HALBACH磁体磁场设计方式，所有可由HALBACH排列方式得到的结构均可以应用于本发明。
根据本发明一种实施例，所述车载部件还包括保护套筒，设置在所述圆环型HALBACH阵列磁体1外。
也就是，可以通过设置保护套筒对所述圆环型HALBACH阵列磁体进行整体封装，实现对其的保护。
举例来讲，旋转轴承通过机械连接与圆环型HALBACH阵列磁体外的保护套筒连接。
根据本发明一种实施例，所述保护套筒和所述旋转轴承2的材料为钛合金或铝合金。
本领域技术人员应当理解，上述关于保护套筒和所述旋转轴承的材料的描述仅仅是示例性的，并非用于限定本发明，其他非导磁高强度材料也可以用作保护套筒和所述旋转轴承的材料。
根据本发明一种实施例，所述感应单元4为金属导电板或金属导电线圈。
其中，金属导电板或金属导电线圈的(截面)厚度或线圈匝数可以根据实际情况(例如，不同的制动目标)进行设定，本发明不对此进行限定。
根据本发明一种实施例，所述感应单元4的材料为高电导率材料。
根据本发明一种实施例，高电导率材料为铜或铝。
本领域技术人员应当理解，上述关于高电导率材料的描述仅仅是示例性的，并非用于限定本发明，本发明也可以采用其他的高电导率材料。
根据本发明一种实施例，该装置还包括负载，所述负载与所述旋转轴承2连接，所述圆环型HALBACH阵列磁体1旋转的动能通过所述旋转轴承2连接所述负载进行发电制动。
也就是，可以将车体高速的动能转化为圆环型HALBACH阵列磁体的自身旋转的动能。旋转的动能可以通过中心旋转轴承连接负载进行发电制动，进一步提高制动效率，同时还可以为车载设备提供一部分电能储备。
由此，磁体旋转的动能不仅可以提高制动效率，还可以作为发电机的原动机进行能量回收。
本发明实施例还提供了一种高速列车，其中，包括上述实施例中所述的圆环型HALBACH磁制动装置。
从上述实施例可以看出，本发明上述实施例所述的制动装置可以高效地实现列车的制动，且地面感应单元不会因温度过高而损坏，同时制动能量可以通过热能以外的方式耗散或回收。
在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种圆环型HALBACH磁制动装置，其特征在于，该装置包括车载部件和轨道梁部件，所述车载部件包括圆环型HALBACH阵列磁体(1)和旋转轴承(2)，所述旋转轴承(2)设置在所述圆环型HALBACH阵列磁体(1)中心，所述圆环型HALBACH阵列磁体(1)通过各自的旋转轴承(2)在车体(3)的下表面两侧设置，所述轨道梁部件包括对应所述圆环型HALBACH阵列磁体(1)的聚磁区设置在轨道梁(5)上的感应单元(4)，沿运行方向，所述圆环型HALBACH阵列磁体(1)产生行波磁场，同时因所述感应单元(4)对其产生的反作用力而旋转产生旋转磁场，使得所述感应单元(4)切割磁感线产生的感应电势增大实现制动，所述感应单元(4)的材料为高电导率材料。
2.根据权利要求1所述的圆环型HALBACH磁制动装置，其特征在于，所述圆环型HALBACH阵列磁体(1)包括多个扇形单磁体。
3.根据权利要求2所述的圆环型HALBACH磁制动装置，其特征在于，所述扇形单磁体为永磁体、超导磁体或电磁体。
4.根据权利要求1所述的圆环型HALBACH磁制动装置，其特征在于，所述车载部件还包括保护套筒，设置在所述圆环型HALBACH阵列磁体(1)外。
5.根据权利要求4所述的圆环型HALBACH磁制动装置，其特征在于，所述保护套筒和所述旋转轴承(2)的材料为钛合金或铝合金。
6.根据权利要求5所述的圆环型HALBACH磁制动装置，其特征在于，高电导率材料为铜或铝。
7.根据权利要求1所述的圆环型HALBACH磁制动装置，其特征在于，该装置还包括负载，所述负载与所述旋转轴承(2)连接，所述圆环型HALBACH阵列磁体(1)旋转的动能通过所述旋转轴承(2)连接所述负载进行发电制动。
8.一种高速列车，其特征在于，包括上述权利要求1-7中任一项所述的圆环型HALBACH磁制动装置。
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