专利名称：：一种地下供电直线电机牵引道路运输系统的制作方法
技术领域：
：本发明涉及直线电机应用领域，具体的说是一种地下供电直线电机牵引道路运输系统。
背景技术：
：直线电机技术被认为是最有前途的直线运输系统动力装置。一个世纪以来，人类一直努力将直线电机技术应用于交通运输系统，并取得很大成功，如城市轻轨运输系统和磁悬浮列车。现有的直线电机技术应用于道路交通时，其关键困难在于由于道路不平整，车辆规格型号复杂，不能保证直线电机初级和次级间最小运行间距，使直线电机运行效率降低以至不能满足工程使用要求。
发明内容针对现有直线电机的应用现状，本发明的目的在于提供一种地下供电直线电机牵引道路运输系统，将直线电机及供电系统置于地下，通过牵弓I拖拽杆通过道路中间缝伸出地面拖动牵弓I地面车辆，不受道路不平整、地面车辆或运输工具规格的影响，而且节能环保，无污染,可大部或全部实现汽车电动化。为达到以上目的，本发明采取的技术方案是-一种地下供电直线电机牵引道路运输系统，其特征在于在道路下方设有直线电机运行通道8，直线电机通过牵引拖拽杆5经道路中间缝4拖动地面车辆或运输工具行走；直线电机运行通道8顶部的道路中间缝4两侧安装直线电机次级线圈1，直线电机初级线圈2设置在支架7上。在上述技术方案的基础上，直线电机运行通道8内设有给直线电机提供电力的供电装置3。在上述技术方案的基础上，所说的地面车辆为可在现有道路上运行的各种车辆。本发明所述的地下供电直线电机牵引道路运输系统，将直线电机及供电系统置于地下，通过牵引拖拽杆通过道路中间缝伸出地面拖动牵引地面车辆，不受道路不平整、地面车辆或运输工具规格的影响，而且节能环保，无污染，可大部或全部实现汽车电动化。本发明有如下附图图1地下供电直线电机牵引道路运输系统的侧视结构示意图图2地下供电直线电机牵引道路运输系统的剖视结构示意图图3轮胎运行受力分析图图4航空母舰飞机弹射装置图5卡车牵引拖车图6地效飞行客车构想图附图标记l为直线电机次级线圈，2为直线电机初级线圈，3为供电装置，4为道路中间缝，5为牵引拖拽杆，7为支架，8为直线电机运行通道。具体实施例方式以下结合附图对本发明作进一步详细说明。图1为本发明所述的地下供电直线电机牵引道路运输系统的侧视结构示意图，图2为地下供电直线电机牵引道路运输系统的剖视结构示意图，在道路下方设有直线电机运行通道8，直线电机通过牵引拖拽杆5经道路中间缝4拖动地面车辆或运输工具行走；直线电机运行通道8顶部的道路中间缝4两侧安装直线电机次级线圈1，直线电机初级线圈2设置在支架7上。在上述技术方案的基础上，直线电机运行通道8内设有给直线电机提供电力的供电装置3。在上述技术方案的基础上，所说的地面车辆为可在现有道路上运行的各种车辆。上述技术方案中，支架7可以设有行走用的轮子，直线电机运行通道8内设有适于支架7移动的通道或轨道。本发明的技术特点如下1.1在道路下方设直线电机地下运行通道，通道顶部两侧安装直线电机次级。将直线电机次级置于运行通道顶部，从工程角度看，易于实现道路变线和交叉，从力学角度看，作用力点靠近地面车辆或运输工具，加大牵引力水平分量，减小垂直分量，车辆运行时受力更为合理，同时有利于节能。1.2地下直线电机初级安装在导向轮支架上，其总高度在200mm左右，以降低通过桥梁和隧道时路面抬高高度，导向轮支架在运行时可通过磁悬浮使其脱离轨道接触，以减少运行阻力及运行噪音。1.3导向轮支架设牵引拖拽杆通过道路中间缝将直线电机水平推力传导至地面车辆或运输工具，牵引地面车辆或运输工具行走。根据不同车辆及牵引力要求道路中间缝宽度在20-80mm左右。直线电机在地下运行，牵引拖拽杆和拖拽杆可降低由于地面道路不平整及车辆颠簸对地下直线电机运行的影响，使之易于控制直线电机初/次级间间隙，提高直线电机运行效率。1.4地下运行通道设置供电系统，为地下直线电机提供电源。地下供电方式同架空供电方式比，具有经济性好，造价低的特点。同地面供电方式比，有安全性好，不影响地面车辆或运输工具行人安全的特点。1.5地下运行通道设置排水和人员检修维护通道，空间大小应满足排水和检修维护需要，通过桥梁和隧道时通道可取消。此通道还可兼用做为地下电线电缆、通讯电缆、光缆等其他管线线路通道，提高利用率，降低工程造价。本发明采用地下直线电机牵引道路运输系统主要优点为2.1节能。理论上较传统内燃机汽车节能70-80%(详见节能计算)。目前中国汽车保有量达约6000千万辆左右，年消耗石油2亿吨，如果全部汽车采用电力驱动，按节省石油50%计算，可节省石油l亿吨。按每吨石油1000美元计算，每年可节省1000亿美元，降低国家对进口石油的依靠，同时会导致国际石油价格下降。2.2无污染。用电做汽车能源，可避免气车尾气污染。据分析，现代城市空气污染60-80%来汽车尾气。若城市公交汽车和大部分汽车运行实现电动化，可大大改善城市空气质量。2.3可大部或全部实现汽车电动化。电动汽车是降低汽车尾气污染的有效途径。目前电动汽车技术难点在于储电池容量小(一次充电可运行100公里左右)，充电时间长(大约2-4小时)，因此不宜做长距离运行，这是电动汽车目前不能大量推广的主要原因。地下供电直线电机牵引道路运输系统则可解决这一问题。当电动汽车长距离运行时，由地下直线电机牵引，同时通过牵引拖拽杆接通地下电源，为地面车辆或运输工具储电池充电，到达目的地后，脱离地下直线电机牵引，靠本身储电池供电行走，进而逐步实现汽车电动化。2.4较其他方式汽车改造方案(氢燃料汽车、燃料电池汽车、太阳能汽车)比较。2.4.1节能(理论上可节能80%左右，详见节能计算)。2.4.2节能同时意味着污染小。2.4.3地下直线电机牵引采用的全部为现有的、成熟的技术，无需开发新技术。2.4.4电能来源广泛，核能、风能、太阳能、水电、核聚变发电等等。2.4.5电能是最方便运输的能源，实现汽车电动化，将不再需要汽车加油站、氢燃料加注站等。3节能计算理论上不考虑工程误差情况下直线电机牵引较传统内燃机动力车辆可节能70-80%，3.1测试条件3.1.1丰田Camry轿车运行阻力测试及节能计算3.1,2车重1，625+100=1，725公斤(kg);(车重加人重)3.1.3测速范围v0=100Km/h-vl95Km/h，平均时速97.5Km/h;3.1.4测试地点平坦直行的高速道路3.1.5气象条件晴朗无风3.1.6测量目的间接测量加速度3.2测量过程、方法及结果3.2.1当将车加速到105Km/h时挂空档使车开始滑行；3.2.2车速到100Km/h时秒表计时，当车速到95Km/h停表；3.2.3测得时间t为6-8秒之间，考虑计量误差。3.3加速度计算3.3.1计算公式g=(vl-vO)/t;(vl-v0)=100-95=5000m/3600=l.389m/s;3.3.2加速度范围g=l.389/6=0.232M/s2到g=l.389/8=0.174M/s23.4运行阻力计算3.4.1计算公式F=mg3.4.2运行阻力范围F=1725*0.232=400.2N到F=1725*0.174=300.15N;3.5维持97.5Km/h时速所需功率(Kw):P=FV3.5.1运行速度97.5*1000/3600=27M/s3.5.2运行阻力为400.2N时所需功率功率P=400.2*27/1000=10.81Kw3.5.3运行阻力为300.2N时所需功率功率P=300.2*27/1000=8.11Kw4美国Baldor公司ACLinearInductionMotorLMAC3211C23直线电机数据(系列型号最小到最大)-4.1额定电压460VAC3Ph，三相交流460V，4.2连续运行数据4.2.1推力275N,(62N一445N)4.2.2电流9.5A，(2.3A—14.7A)4.2.3功率1.732*460*9.5/1000=7.57KVA,(1.83KVA-11.71KVA)4.315%持续率运行数据4.3.1推力1378N,(311N-2224)4.3.2电流47.5A,(11,5A—73.5A)4.3.3功率1.732*460*47.5=37.84KVA，(9.16KVA-58.56)4.4运行速度频率60Hz时6.85m/s，更高频率可得到更高速度。当频率为300Hz时速可达6.85*5=34.25m/s，即123.3Km/h。4.5电机参考最大尺寸(mm):长*宽*高800*279.4*78.84.6重量83.3Kg，其他型号(20KgN—137.6Kg)4.7参考网页http:〃www.baldor.com/support/literatureload.asp孔itNumber=BR1202_G5结论较传统内燃机动力车辆节能75.78%5.1两台直线电机持续推力275N*2=550N〉400.2N(最大运行阻力)5.2两台直线电机启动推力产生2*1378N=2756N/1725Kg=l.598M/s2加速度，加速至100Km/h需27.78/1.598=17.38s5.3两台直线电机视在功率7.57KVA*2=15.14KVA,功率因数0.8时，功率12.IIKW，5.4丰田Camry2.4L轿车，时速lOOkm/h时，转速约2200rpm，功率约50KW(其最大功率为158hp(118kw)@6000rpm)。参见丰田技术手册19页。5.5节能计算(50KW-12.11KW)/50KM*100〉=75.78Q/06节能力学分析6.1轮胎运行受力分析图，参见图3。6.2当发动机扭矩作用于轮胎时，对轮胎表面产生驱动力Fl，由摩擦阻力定义可知，此时轮胎与地面产生摩擦阻力F2，由图1可知，在点D轮胎与地面间为水平移动，其摩擦性质为滑动摩擦。摩擦阻力F2的大小取决于物体重量、接触面积及物体摩擦系数。当F1=F2时，车辆运动状态不变，静止保持静止，运动保持运动速度不变。当拖动力F3作用于点A时，轮胎与地面间摩擦性质为滚动摩擦，其摩擦系数大小取决于轮胎的弹性、刚度等因素，这里取滑动摩擦系数的1/10(见注2).当拖动力F3作用于点A时，维持车辆运动状态不变，拖动力F3仅为驱动力Fl的1/10。注1.动滑动摩擦力的大小比最大静摩擦力fmax略小。通常的计算中可以认为最大静摩擦力等于滑动摩擦力。[5]43页2.滚动摩擦系数y取值范围为0.lcm到0.2cm。按最不利情况考虑按0.2cm计，轮子半径r取20cm，则y/ri.01.当F3《0.01N(N为法向反力)轮胎不发生滚动。当F1<=F2=0.IN(0.1为轮胎与道路动滑动摩擦系数)，则F3/F1二1/10.[4]62页6.3—般结论；由功率P二FV，在不考虑能量转换效率及空气阻力对车辆运行影响的情况下，直线电动牵引，拖动力F3作用于点A时，所需功率P3二F3W大约相当于发动机，包括内燃机、氢发动机、电动机、太阳能动力等将功率转换为轮胎驱动力Fl作用于点D所需功率P1=F1*V的1/10。艮P:P3=l/10*P1甚至更低，这里因只做工程定性分析，从力学角度看直线电机牵引较发动机一轮胎驱动节能的力学原理，详细请参阅有关资料。7地下供电直线电机牵引道路运输其他特点-7.1不影响道路原有功能，可实现道路水平分支和道路水平交叉，方便车辆调度和编组。7.2地下供电方式安全性好，不影响地面行人和其它车辆安全。7.3地下供电方式安全性好，可提高供电电压，降低供电线路导线截面。7.4地下供电可采用母线排等大容量的供电方式，以适应大容量供电的需要。7.5雨雪或其它杂物不会落入直线电机初/次级间，影响电机运行。7.6只需对原有道路进行改造，毋需拆迁和建专用道路，造价低，见效快。7.7车辆间不需机械连接，只需控制信号连接(无线或有线)，即可实现车辆编组，大大提高运输能力。7.8定位精度高，可实现计算机交通控制管理。如在特定情况下，需多台直线电机同时启动时，可通过计算机分时启动，以避开感应直线电机启动电流大这一矛盾。7.9车辆沿轨道运行，安全性好，可实现无人驾驶运行系统。8方案社会经济效益分析8.1节省车辆运行费用。以丰田Camry2.41轿车为例，当车速为100km/hr时，发动机转速约为2000转/分，功率约为50kwh，油耗大约10L/100km，按目前6.20元/L计算，100公里费用62元。采用地下直线电机牵引，按1.2元/度，100公里，运行1小时，12.11Kw耗电12.11度，费用14.53元，每百公里节约费用49.89元，节约运行费用80.45%8.2延长道路、轮胎使用寿命，降低道路维护费用和车辆轮胎费用。传统车辆行驶时，靠轮胎与地面摩擦力作用驱使车辆加速、行走和刹车减速，使造成道路和轮胎损耗的主要原因。特别是重型车辆，摩擦力大，对道路和轮胎损耗更为严重。当车辆被地下供电地下直线电机拖动行驶时，驱动车辆行走和刹车的动力是轨道车初/次边之间的电磁作用力，轮胎与地面的仅仅为滚动摩擦，不需要将发动机动力转换为轮胎与地面间的摩擦力驱动车辆行走，从而降低对道路和轮胎的损耗，降低道路维护费用和车辆轮胎费用。以轮胎为例，全国6000千万辆车辆，平均年运行20，000公里，每5年100，000公里更换4个轮胎，平均费用约4000元,折合每年4000/5=800元.如延长使用寿命一倍，则每年平均费用4000/10=400元，全国每年节约轮胎费用400*60，000，000=24，000，000，000元(240亿元).9与其它交通方案比较9.1地下直线电机牵引城市地面公共交通系统与城市地铁、轻轨、磁悬浮系统比较9.1.1地下直线电机在地下轨道上运行，只需将控制信号连接，可组成车辆编组，首车发出控制信号，其他车辆执行同样动作，提高运输能力。9.1.2不需修建专用线路，利用现有道路进行改造即可。9.1.3不需专用站台，乘客上下方便灵活。9.1.4特别情况下车辆可方便使离行驶路线，不影响其他车辆运行。9.1.5不需拆迁房屋，无需征用新土地，对城市影响小。9.1.6工程量小，造价低，见效快。9.1.7与其他车辆共享道路，提高城市土地利用率。9.1.8与城市直线电机轻轨列车相比，由于地下直线电机牵引车不承重，初/次边运行间距易于控制，使之保持在较小间距，提高电磁转换效率，降低耗电量。9.2地下直线电机牵引中长途运输与铁路运输比较9.2.1地下直线电机在地下运行，只需将控制信号连接，可组成车辆编组，首车发出控制信号，其他车辆执行同样动作，提高运输能力。因每辆车都有各自的动力，理论上车辆编组数量不受限制。，9.2.2不需专用线路，只需对现有高速道路进行改造即可实现。9.2.3对车辆和路段进行编码，利用计算机管理，可实现无人操作自动驾驶。9.2.4易于实现货物点对点运输，二次搬运装卸量小。即长途由直线电机系统牵引，短距离，市内运输由传统卡车牵引拖动。10与氢燃料发动机汽车，电动汽车、太阳能动力汽车方案比较。<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>11参考图片11.1航空母舰飞机弹射装置，参见图4。重型飞机从航空母舰上起飞，靠的是蒸汽弹射器。在飞机起飞前，飞机前轮附近的牵引拖拽杆垂落到一个"牵引器"内，牵引器以挂钩钩住飞机。牵引器是蒸汽弹射器唯一露在飞行甲板上的零件。飞机前面的甲板下，有两个平行圆筒，每个至少长45米，筒中的活塞与所有滑梭相连。飞机起飞时开足马力，蒸汽弹射器一启动，飞机引擎的动力加上蒸汽压力，在45米距离内达到时速250千米。目前电磁弹射器已处于研制阶段，其原理是直线电机代替蒸汽推动活塞。据报道不久可投入美军现役。据分析其主要技术困难在于直线电机启动电流大，故美国拟采用高效快速充电储电池系统来解决这一矛盾。11.2卡车牵引拖车，参见图5。图中可看到卡车与拖车的关系，卡车与拖车的连接装置。12进一步发展地效飞行客车的设想12.1地效飞行客车的设想图，参见图6。12.2地效飞行客车运行原理同地下供电直线电机牵引道路运输系统，不同之处在客车车身安装主翼，在运行时产生升力，使客车车身离开地面0.5—1.0M左右，同时车轮收入车内，减少运行阻力，降低能耗。同时增加垂直尾翼，用以控制前进方向；增加水平尾翼，用以控制运行高度及升降。设头部牵引直线电机和尾部牵弓I直线电机，在提供前进动力的同时，通过拖拽杆辅助垂直尾翼级水平尾翼控制运行方向和运行高度。12.3客车重量分析车身重量按20吨计，为20000kg载客100人，每人按100kg计，另加50kg行李重量，共计15000kg共计重量为35000kg12.4运行阻力分析(参考)地效飞行客车运行阻力主要是空气阻力，根据空气阻力的公式F=(l/2)CPSr2计算。式中C为空气阻力系数(取0.08);P为空气密度(取1.23);S为物体迎风面积M2;V为物体与空气的相对运动速度M/s。由上式可知，正常情况下空气阻力的大小与空气阻力系数及迎风面积成正比，与速度平方成正比。参考网页http:〃baike.baidu.com/view/771369.htm设客车迎风面积为宽*高=5*2=10^2运行速度按200Km/h/3600=55.56M/s运行阻力F=l/2*0.08*1.23*10*55.56*55.56=1518.76N运行速度按500Km/h/3600二138M/s运行阻力F=l/2*0.08*1.23*10*138*138=9370N12.5运行动力分析根据美国Baldor公司直线电机数据，平均每千瓦电功率约产生40N左右连续推力，当运行速度为500Km运行阻力9370N需9370/40=234.25KW电功率；当运行速度为200Km运行阻力1519N需1519/40=37.98KW电功率。15%连续运行推力、电流、功率约为100%连续运行的5倍左右，234.25KW连续电功率可产生大约46850N的15%连续运行推力。37.98KW连续电功率可产生大约7595N的15%连续运行推力。按车重35000Kg计，产生46850N/35000Kg=l.339m/s2加速度加速至200Km/h需55.56/1.339=41.49s加速至500Km/h需138.89/1.339二103.73s12.6供电容量分析一般情况下直接启动250KW交流电机大约需1500KVA--2000KVA的变压器。如需要换可采用降压等措施以降低启动电流。12.7客运能力分析按每车载客100人计，每隔15分发车一次，每次3车编组运行，计300人，每小时单向发客1200人次，每天24小时客运能力为1200*24=28800人次/日。如将运行间隔縮短到10分钟或5分钟，则客运能力分别为36000人次/日和86400人次/日。12.8直接运行费用分析(直接电费、油料费)时速200公里，1.2元/KWh*37.98KW=45.58元，百公里人均费用为45.58/2/100=0.23元/100Km时速500公里，1.2元/KW1^234KW二280元，百公里人均费用为280/5/100=0.56元/100Km相对汽车百公里人均费用6.2*10升/100Km/5人二12.4元/100Km高速火车(估算)，按6000Kw电力机车，时速200公里，载客1000人/列，1.2元*6000/2/1000二3.6元/100Km12.9直线电机牵引较汽车和高速火车节省费用计算(估算)*直线电机牵引时速200公里，百公里人均节约-较汽车节约(12.4-0.23)/12.4*100=98%较高速火车节约(3.6-0.23)/3.6*100=94%*直线电机牵引时速500公里，百公里人均节约较汽车节约(12.4-0.56)/12.4*100=95%较高速火车节约(3.6-0.56)/3.6*100=84%13综上所述，本发明所述的地下供电直线电机牵引道路运输系统，将直线电机及供电系统置于地下，因此不受道路不平整、地面车辆或运输工具规格不同的影响，有利于保持初级和次级线圈之间的运行间隙，提高直线电机的运行效率，经理论计算和现有的汽车相比可以节能80%左右，无尾气污染，达到节能环保的效果，并可逐步实现汽车电动化。13.1地下直线电机牵引方案较以下已知的其他方案，具有更高的可行性。http:〃www.google.com/patents"icKJ7hWAAAAEBAJ&printsec二abstract&zoonF4&dq二Linear+Induction+Motorhttp:〃www.google.com/patents7id二3—0rAAAAEBAJ&dq二Linear+Induction+Motor參http:〃www.google.com/patentsid=BwE3AAMEBAJ&printsec=abstract&zoom=4&dq=Linear+Induction+Motor+transportation,Al，Mlhttp:〃www.google.com/patents7id二dFc9AAAAEBAJ&printsec=abstract&zoom=4&dq=Linear+Induction+Motor+transportationhttp:〃www.google.com/patents"id二RlkzAAAAEBAJ&printsec=abstract&zoom=4&dq=Linear+Induction+Motor+"transportation13.2地下直线电机牵引方案较现有的运输方法及方案，汽车、高速火车、磁悬浮、氢发动机汽车、电动汽车、太阳能汽车等，具有更好的经济性。13.3如能实现地效飞行客车的设想，时速达500公里或更高，在lOOOKm—2000Km距离范围内，其整体速度将大于飞机(安检、登机及机场到市区换车时间)，安全性、经济性更好于飞机。13.4地下直线电机牵引方案较现有的运输方法及方案对环境产生污染小。权利要求1.一种地下供电直线电机牵引道路运输系统，其特征在于在道路下方设有直线电机运行通道(8)，直线电机通过牵引拖拽杆(5)经道路中间缝(4)拖动地面车辆或运输工具行走；直线电机运行通道(8)顶部的道路中间缝(4)两侧安装直线电机次级线圈(1)，直线电机初级线圈(2)设置在支架(7)上。2.如权利要求1所述的地下供电直线电机牵引道路运输系统，其特征在于直线电机运行通道(8)内设有给直线电机提供电力的供电装置(3)。3.如权利要求1所述的地下供电直线电机牵引道路运输系统，其特征在于所说的地面车辆为可在现有道路上运行的各种车辆。全文摘要一种地下供电直线电机牵引道路运输系统，涉及直线电机应用领域。在道路下方设有直线电机运行通道，直线电机通过牵引拖拽杆经道路中间缝拖动地面车辆或运输工具行走；直线电机运行通道顶部的道路中间缝两侧安装直线电机次级线圈，直线电机初级线圈设置在支架上。本发明所述的地下供电直线电机牵引道路运输系统，将直线电机及供电系统置于地下，因此不受道路不平整、地面车辆或运输工具规格不同的影响，有利于保持初级和次级线圈之间的运行间隙，提高直线电机的运行效率，经理论计算和现有的汽车相比可以节能80％左右，无尾气污染，达到节能环保的效果，并可逐步实现汽车电动化。文档编号B60L9/00GK101353025SQ200810211740公开日2009年1月28日申请日期2008年9月24日优先权日2008年9月24日发明者勇赵申请人:勇赵