一种基于Halbach结构的永磁电动型超高速运载装置的制作方法

本发明涉及永磁电动悬浮运载技术领域，特别是涉及一种基于halbach结构的永磁电动型超高速运载装置。

背景技术：

超高速电动悬浮运载系统主要应用于高速磁浮列车和超高速火箭橇地面飞行试验。超高速电动悬浮运载系统常采用永磁电动悬浮和超导电动悬浮两种类型。目前，如美国的火箭橇地面飞行试验、日本的高速磁浮列车均采用超导电动悬浮技术，两者均利用超导线圈产生强大的磁场的特点实现电动悬浮，但超导线圈需要的配套设备复杂、成本高，不便维护；而halbach结构永磁阵列不但结构简单，而且也能产生足够的磁场强度实现悬浮和导向功能，具有成本低、便于安装、维护方便、能重复利用等诸多优点，是一种可以替代超导体的磁体。

技术实现要素：

有鉴于此，如何研发一种基于halbach结构的永磁电动型超高速运载装置，成了本领域技术人员亟需解决的问题。

一方面，本发明提供了一种halbach结构的永磁电动型超高速运载装置，包

括车体、悬浮架、悬浮装置、导向装置、牵引装置和支撑装置，所述支撑装置设置于车体的下方，所述悬浮架、悬浮装置、导向装置和牵引装置均设置于车体与支撑装置之间，所述悬浮装置、导向装置、牵引装置均安装于悬浮架上，所述悬浮架安装于所述支撑装置上，所述运载装置在低速运行时依靠支撑装置运动，在高速运行时依靠悬浮装置和导向装置分别实现悬浮、导向作用，所述悬浮装置和/或所述导向装置包括halbach结构永磁阵列及与其间隙相对设置的导体板。

进一步地，所述悬浮装置包括第一halbach结构永磁阵列及与其间隙且沿车体横向相对设置的第一导体板；所述导向装置包括第二halbach结构永磁阵列及与其间隙且沿车体纵向设置的第二导体板。

进一步地，所述悬浮架呈工字型，包括两个横梁框及设置于两个横梁框之间的一个纵梁，所述纵梁分别与两个横梁框活动连接，所述横梁框为刚体结构，所述纵梁为弹性体结构。

进一步地，所述第一halbach结构永磁阵列、第一导体板、第二halbach结构永磁阵列和第二导体板的数量均为四个：四个所述第一halbach结构永磁阵列沿车体横向且两两对称分别分布于两个横梁框的端部，四个所述第二halbach结构永磁阵列沿车体纵向且两两对称分别分布于两个横梁框的端部；四个所述第一导体板与四个所述第一halbach结构永磁阵列对应设置并铺设于支撑装置的轨道上表面上，四个所述第二导体板与四个所述第二halbach结构永磁阵列对应设置并铺设于支撑装置的轨道外侧表面上。

进一步地，所述第一halbach结构永磁阵列选择钕铁硼磁性材料制作，且第一halbach结构永磁阵列磁体的充磁方向顺次相差一个小于180°的角度；所述第一导体板的宽度大于1.5倍halbach结构永磁阵列的宽度且其厚度满足如下条件：

（1）

式中，表示第一导体板的厚度，表示第一halbach结构永磁阵列波长，表示空气磁导率，表示第一导体板的电导率，为车体的额定运行速度，表示圆周率。

进一步地，所述第一halbach结构永磁阵列的尺寸依据其受到的悬浮力进行设计，具体表现为：

（1）一个波长的第一halbach结构永磁阵列受到的悬浮力通过如下公式进行计算：

（2）

式中，表示悬浮力，为常数，v为车体的速度，表示第一导体板的磁导率，k表示一个波长第一halbach结构永磁阵列与第一导体板之间运动磁场的周期数，且，其中，通过如下公式进行计算：

（3）

式中，表示第一halbach结构永磁阵列中永磁体的宽度，表示第一halbach结构永磁阵列中永磁体剩磁，表示单位波长第一halbach结构永磁阵列中永磁体的个数，表示第一halbach结构永磁阵列中永磁体的厚度，表示悬浮间隙；

（2）所述第一halbach结构永磁阵列中永磁体的厚度通过公式计算：

（4）

（3）所述第一halbach结构永磁阵列中永磁体的波长通过公式计算：

（5）

（4）单位波长悬浮力的最大值通过如下公式进行计算：

（6）

（5）根据运载装置的额定载重g，通过如下公式计算永磁阵列的组数n：

（7）

式中，为安全系数，取值大于1.5

（6）第一halbach结构永磁阵列在横梁框四个部位平均分布，每个部位第一halbach结构永磁阵列的组数按如下公式进行计算：

（8）

式中，[]表示向上取整。

进一步地，所述第二halbach结构永磁阵列的制作材料、充磁方向与第一halbach结构永磁阵列的相同；所述第二导体板的宽度、厚度要求与第一导体板的相同。

进一步地，所述第二halbach结构永磁阵列组数根据转弯半径和侧向容许的最大偏移量进行计算，具体为：

（9）

式中，为第二halbach结构永磁阵列组数，r为拐弯半径，为安全系数，取值大于1.5，m为该运载装置的总重,表示单位波长导向力的最大值，其中：

（10）

式中，表示第二导体板的磁导率，表示第二halbach结构永磁阵列中永磁体的宽度，表示第二导体板的电导率，表示第二halbach结构永磁阵列中永磁体剩磁，表示单位波长第二halbach结构永磁阵列中永磁体的个数，表示第二halbach结构永磁阵列中永磁体的厚度，表示悬浮间隙，δ为侧向容许的最大偏移量。

进一步地，所述第二halbach结构永磁阵列在横梁框四个部位平均分布，每个部位第二halbach结构永磁阵列的组数按如下式进行计算：

（11）。

进一步地，所述牵引系统为直线电机，所述直线电机包括直线电机定子和直线电机动子，所述直线电机动子位于车体底部，所述直线电机定子在轨道梁上分布，且与直线电机动子相对设置，所述直线电机提供的额定功率通过如下步骤进行计算：

a、通过如下公式计算单位波长磁阻力的大小：

（12）

式中，为常数，且通过如下公式进行计算：

（13）

b、根据公式（12）计算单位波长磁阻力的最大值；

c、计算直线电机应提供的驱动力大小，驱动力的计算公式按如下公式进行计算：

（14）

式中，为驱动力，为安全系数取值大于1.5；

d、计算直线电机需提供的额定功率：

式中，p为直线电机需提供的额定功率。

本发明提供的一种基于halbach结构的永磁电动型超高速运载装置，通过悬浮架的结构能够使各悬浮点沿悬浮力方向解耦，导向力方向刚性连接，保障超高速运载装置经过弯道时，结构能实现自调节，同时，通过halbach结构永磁阵列及导体板在运载装置运动时产生的涡流斥力为运载装置提供悬浮和导向作用，具有结构简单、成本低廉、安装方便且重复利用的优点。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种基于halbach结构的永磁电动型超高速运载装置的结构简图；

图2为图1中悬浮架的俯视图；

图3为图2中a-a的剖视图；

图4为图1中悬浮架的侧视图；

图5为图1中轨道的俯视图；

图6为图5中b-b的剖视图；

图7为本发明中halbach结构永磁阵列与导体板一实施例的结构简图；

图8为悬浮力理论值与仿真值的对比图；

图9为磁阻力理论值与仿真值的对比图。

其中：1-车体、2-空气弹簧、3-悬浮架、4-第二halbach结构永磁阵列、5-第二导体板、6-桥梁、7-支墩、8-直线电机定子、9-直线电机动子、10-支撑轮、11-第一导体板、12-第一halbach结构永磁阵列、13-横梁框、14-纵梁、0a-halbach结构永磁阵列、0b-导体板。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“水平”、“竖直”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”“内”、“外”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。

同时，术语“第一”、“第二”主要用于区分不同的部件，但不对部件进行具体限制。

图1是一种基于halbach结构的永磁电动型超高速运载装置的结构简图。如图1所示，一种基于halbach结构的永磁电动型超高速运载装置括车体1、悬浮架3、悬浮装置、导向装置、牵引装置和支撑装置，支撑装置设置于车体1的下方，悬浮架3、悬浮装置、导向装置和牵引装置均设置于车体1与支撑装置之间，悬浮装置、导向装置、牵引装置均安装于悬浮架3上，悬浮架3安装于支撑装置上，悬浮架3用于保障上述运载装置经过弯道时实现自我调节，本发明的运载装置在低速运行时依靠支撑装置运动，在高速运行时依靠悬浮装置和导向装置分别实现悬浮、导向作用，具体地，悬浮装置和/或导向装置包括halbach结构永磁阵列0a及与其间隙设置的导体板0b，halbach结构永磁阵列0a与导体板0b相对设置，该halbach结构永磁阵列0a优选为直线型。需要说明的是，导体板的材料可为铜板或者铝板，当导体板0b与halbach结构永磁阵列0a之间相对运动时，导体板0b内会产生感应涡流，感应涡流产生的磁场与halbach结构永磁阵列0a的磁场相互排斥产生悬浮力和/或导向力，悬浮力随间隙的变大而变小，当重力和悬浮力相等时，系统就处在了工作平衡点；悬浮方式是自稳定的，当系统脱离平衡状态时，重力和悬浮力的合力形成回复力使系统回归平衡态。导向系统与悬浮系统类似，通过电动斥力实现无接触导向功能。

优选地，前速支撑装置包括支撑轮10、桥梁6和支墩7，支撑轮10安装于车体1下方，支墩7设置于桥梁6下方，桥梁6上铺设有轨道（桥梁6亦称轨道梁），轨道上开设有沟槽，当车体1未达到悬浮状态时，支撑轮10沿沟槽直线运动，车体1未起浮时，halbach结构永磁阵列0a与轨道上表面存在一定间隙。同时，本发明运载装置的牵引系统可根据不同的用途配置不同的牵引方式，如用在超过速火箭橇领域采用火箭推进，如果用于载人的轨道交通领域，可采用直线电机牵引。图1所示的实施例即牵引系统采用直线电机，具体地，该直线电机包括直线电机定子8和直线电机动子9，直线电机动子9位于车体1底部，直线电机定子8在轨道上分布，且与直线电机动子9相对设置。

在进一步地技术方案中，如图1所示悬浮装置包括第一halbach结构永磁阵列12及与其间隙且沿车体1横向相对设置的第一导体板11；所述导向装置包括第二halbach结构永磁阵列4及与其间隙且沿车体1纵向设置的第二导体板5。需要说明的是，此处车体1横向表示车体1的宽度方向，车体1纵向表示车体1的高度方向。

同时，如图3-图5所示，为进一步地提高本发明运载装置过弯道的自适应性，本发明悬浮架3优选为工字型，包括两个横梁框13及设置于两个横梁框13之间的一个纵梁14，该纵梁14分别与两个横梁框13采用铆接或铰接等方式活动连接，且横梁框13为刚体结构，纵梁14为弹性体结构。通过上述设置，运载装置在过弯道时，纵梁14自身由于弹性会发生扭转，从而适应不同的弯道形状，而横梁框13是刚体结构，因此过弯道时横梁框13两侧间隙不同，两侧产生的斥力大小不同，其合力提供向心力，保障运载装置在不减速情况下顺利通过弯道。且悬浮架3与车体1之间设置有空气弹簧2，该空气弹簧2位于第一halbach结构永磁阵列12的正上方，其与阻尼器行连接，起到隔振作用。需要说明的是，悬浮架3并非仅限于工字型，其还可为＃字型、口字型等，可以实现本发明方案的形状，均在本发明的保护范围。

进一步地，如图5-图7所示，本发明第一halbach结构永磁阵列12、第一导体板11、第二halbach结构永磁阵列4和第二导体板5的数量均优选为四个：四个第一halbach结构永磁阵列12沿车体1横向且两两对称分别分布于两个横梁框13的端部，四个第二halbach结构永磁阵列4沿车体1纵向且两两对称分别分布于两个横梁框13的端部；四个第一导体板11与四个所述第一halbach结构永磁阵列12对应设置并铺设于支撑装置的轨道上表面上，四个第二导体板5与四个所述第二halbach结构永磁阵列4对应设置并铺设于支撑装置的轨道外侧表面上。需要说明的是，第一导体板11的涡流效应产生悬浮力，轨道的感应导体与轨道梁（桥梁6）长度相同，宽度宽于第一halbach结构永磁阵列12。

作为本发明进一步的实施例，第一halbach结构永磁阵列12选择钕铁硼磁性材料制作，且第一halbach永磁阵列磁体的充磁方向顺次相差一个小于180°的角度，该角度越小越好；第一导体板11的宽度大于1.5倍halbach结构永磁阵列的宽度且其厚度满足如下条件：

（1）

式中，表示第一导体板11的厚度，表示第一halbach结构永磁阵列12波长，表示空气磁导率，表示第一导体板11的电导率，为车体1的额定运行速度，表示圆周率。

同时，第一halbach结构永磁阵列12的尺寸依据其受到的悬浮力进行设计，具体表现为：

（1）一个波长的第一halbach结构永磁阵列12受到的悬浮力通过如下公式进行计算：

（2）

式中，表示悬浮力，为常数，v为车体1的速度，表示第一导体板11的磁导率，k表示一个波长第一halbach结构永磁阵列与第一导体板之间运动磁场的周期数，且，其中，通过如下公式进行计算：

（3）

式中，表示第一halbach结构永磁阵列12中永磁体的宽度，表示第一halbach结构永磁阵列12中永磁体剩磁，表示单位波长第一halbach结构永磁阵列12中永磁体的个数，表示第一halbach结构永磁阵列12中永磁体的厚度，表示悬浮间隙；

（2）第一halbach结构永磁阵列12中永磁体的厚度通过公式计算：

（4）

（3）第一halbach结构永磁阵列12中永磁体的波长通过公式计算：

（5）

需要说明的是，第一halbach结构永磁体厚度与波长按照（4）、（5）式计算可使悬浮力最大，厚度、波长与悬浮间隙的比例达到最优；

（4）单位波长悬浮力的最大值通过如下公式进行计算：

（6）

（5）根据运载装置的额定载重g，通过如下公式计算永磁阵列的组数n：

（7）

式中，为安全系数，取值大于1.5

（6）第一halbach结构永磁阵列12在横梁框13四个部位平均分布，每个部位第一halbach结构永磁阵列12的组数按如下公式进行计算：

（8）

式中，[]表示向上取整。

优选地，第二halbach结构永磁阵列4的制作材料、充磁方向与第一halbach结构永磁阵列12的相同；所述第二导体板5的宽度、厚度要求与第一导体板11的相同。

第二halbach结构永磁阵列4组数根据转弯半径和侧向容许的最大偏移量进行计算，具体为：

（9）

式中，为第二halbach结构永磁阵列4组数，r为拐弯半径，为安全系数，取值大于1.5，m为该运载装置的总重,表示单位波长导向力的最大值，其中：

（10）

式中，表示第二导体板5的磁导率，表示第二halbach结构永磁阵列4中永磁体的宽度，表示第二导体板5的电导率，表示第二halbach结构永磁阵列4中永磁体剩磁，表示单位波长第二halbach结构永磁阵列4中中永磁体的个数，表示第二halbach结构永磁阵列4中永磁体的厚度，表示悬浮间隙，δ为侧向容许的最大偏移量。

第二halbach结构永磁阵列4在横梁框13四个部位平均分布，每个部位第二halbach结构永磁阵列4的组数按如下式进行计算：

（11）。

此外，值得提及的是，本发明直线电机提供的额定功率通过如下步骤进行计算：

a、通过如下公式计算单位波长磁阻力的大小：

（12）

式中，为常数，且通过如下公式进行计算：

（13）

b、根据公式（12）计算单位波长磁阻力的最大值；

c、计算直线电机应提供的驱动力大小，驱动力的计算公式按如下公式进行计算：

（14）

式中，为驱动力，为安全系数，取值大于1.5；

d、计算直线电机需提供的额定功率：

式中，p为直线电机需提供的额定功率。

为验证本方面技术方案的有益效果，通过ansoft软件对八模块直线型halbach结构永磁阵列0a和导体板0b（如图7所示）进行仿真，给出悬浮力和磁阻力的理论值、仿真值的对比，来印证悬浮力和磁阻力理论计算公式的可靠性，据此进行悬浮导向结构设计和牵引功率估计是完全有效的（需要说明的是，第一halbach结构永磁阵列12与第二halbach结构永磁阵列4均采用八模块直线型halbach结构永磁阵列oa、第一导体板11和第二导体板5均采用图7中导体板结构0b）。为了形成完整的磁路，仿真共选用了9个永磁体，永磁体之间的磁化角度依次是π/2，π/4，0，-π/4，-π/2，-3π/4，-π，-5π/4-3π/2。永磁体的长为15mm，宽为40mm，高为40mm，相邻的两个永磁体磁化角度相差π/4，如图7所示。永磁铁的材料为n40，剩磁强度为1.285t，充磁方向如图7中的箭头方向所示。铝板的厚度为30mm,宽度为120mm,永磁阵列与铝板的距离为20mm，其他参数见表1各个参数的物理意义及取值：

。

永磁体沿着y轴正向做匀速直线运动，速度范围为10km/h—600km/h。选用三维瞬态场对模型进行参数设置，设置铝板为涡流计算对象。仿真结果和理论值的对比如图8和图9所示，可以看出理论值和仿真值较为一致，电磁力的变化趋势一致，

综上所述，本发明具有如下优点：

（1）通过halbach结构永磁阵列和导体板结构在运载装置运动时产生的涡流斥力为运载装置提供悬浮和导向作用，结构简单、安装方便且可重复利用；

（2）通过工字型悬浮架3，横梁框13的刚体结构可以确保导向回复力的作用效果，纵梁14的弹性结构可使悬浮架3适应不同的弯道形式，提高了运载装置的自适应性；

（3）悬浮及导向装置的设计，具体为第一halbach结构永磁阵列12、第一导体板11、第二halbach结构永磁阵列4和第二导体板5的设计能使运载装置获得较大的浮重比，达到用较少的永磁体获得较大承载能力的目的，节省成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。