疏气减阻独立电磁导向线性电机驱动磁悬浮轨道列车

技术领域

磁悬浮轨道列车、高速铁路车辆、空气动力学、轨道交通工程、车辆工程、节能减排。

背景技术

现有高速轨道列车行驶过程中由于绕流气流所造成的能耗非常大，例如高速轨道列车运行速度300公里/小时时，由于绕流气流所造成的能耗占比高达80％，其中侧面部分和转向架部分的空气阻力约占70％，所以说对于高速轨道列车，减少空气阻力对于节能降耗效果非常明显。

现有技术中，除了利用空气动力学研究的成果对车身进行流线形设计以外，还提出了真空管高速轨道列车。真空管高速轨道列车通过人为建造的管道，抽成低真空或高真空，然后使轨道列车在其中行驶，以取得1000公里/小时以上的时速。

此外，对于高速轨道列车，横向风、会车压力波和车辆进入隧道后造成的压缩波等等均会造成不良影响。如何消除或减轻这些不良影响，达到节能、安全行驶的目的也是本发明所考虑的一部分内容。

线性磁力缓速器、极大负荷可调磁力缓速器、极大负荷可调线性电机、气动导向磁悬浮轨道列车，本人先前提出的技术发明，可从中华人民共和国知识产权局检索以供参考。

发明内容

本发明为疏气减阻独立电磁导向线性电机驱动磁悬浮轨道列车，重在利用疏气减阻技术和射流减阻技术，减轻或消除磁悬浮轨道列车在行驶过程中绕流气流所造成的能耗和不良影响，使疏气减阻独立电磁导向线性电机驱动磁悬浮轨道列车能以更高的速度和更低的能耗安全行驶。

附图说明

图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14所示为疏气减阻独立电磁导向线性电机驱动磁悬浮轨道列车的几种基本技术方案原理图，图1、图2所示为潜入式疏气减阻独立电磁导向线性电机驱动磁悬浮轨道列车，图3、图4、图5、图6所示为插入式疏气减阻独立电磁导向线性电机驱动磁悬浮轨道列车，图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14所示为跨座式疏气减阻独立电磁导向线性电机驱动磁悬浮轨道列车，图中标号1为线性电机驱动系统，标号30为车体磁悬浮系统，标号80为电磁导向系统，标号4为车体，标号3为车体支承组件，标号35为辅助支承组件。车体支承组件3既可使用滑橇3-2和滑轨3-1的匹配组合，又可使用支承轮替代滑橇和滑轨。辅助支承组件35用作悬浮高度的限位，其也既可使用滑橇3-2和滑轨3-1的匹配组合，又可使用支承轮替代滑橇和滑轨。图5、图10、图13所示方案的车体磁悬浮系统采用的是吸力型磁悬浮，其它所示方案采用的是斥力型磁悬浮。

图15所示为疏气减阻独立电磁导向线性电机驱动磁悬浮轨道列车的一种方案示意图，图中清楚示意了疏气管和射流管的布置区域。

图16所示为疏气减阻技术的基本原理示意图，利用真空泵、风机或压缩机等设备来吸入车辆前面的空气，然后从车辆尾部向后排出，由于车辆在行驶过程中正面空气的减少，使车辆绕流流动的气流减弱，当车辆正面空气被完全吸入时，车辆以高速行驶，车辆周围无绕流流动的气流，车辆相当于在一个真空管中穿行，完全不受任何气流(包括横向风)的影响，车辆可以以最低的能耗和最高的速度行驶。

图17、图18所示为疏气减阻技术具体实施方案的原理示意图，在车头曲面上布置不同角度的疏气管，根据车辆工况合理设计疏气管的形状、通径、数量、角度和伸出车体长度，以达到利用最小的疏气功率取得最佳的疏气效果的目的。

图19、图20所示为射流减阻技术的基本原理示意图，利用压缩空气的射流卷吸作用，使车辆绕流流动的气流减弱，在车辆表面形成负压，当车辆表面空气被完全卷吸带走时，车辆以高速行驶，车辆周围无绕流流动的气流，车辆相当于在一个真空管中穿行，完全不受任何气流(包括横向风)的影响，车辆可以以最低的能耗和最高的速度行驶。图20中射流管与车辆表面成一定倾斜角度，压缩空气向车辆行驶方向后方喷出，从而产生一定的推力，有助于减少车辆行驶能耗。车辆两侧面、顶面和底面的射流管应根据车辆工况合理设计射流管的形状、通径、数量、角度和伸出车体长度，以达到最佳的射流减阻效果。

疏气减阻独立电磁导向线性电机驱动磁悬浮轨道列车的关键特征就是在现有独立电磁导向线性电机驱动磁悬浮轨道列车的技术基础上使用了疏气减阻技术，射流减阻技术可以作为有益的补充而使用，也可以不使用射流减阻技术。从理论上来说，当疏气减阻独立电磁导向线性电机驱动磁悬浮轨道列车以超高速行驶时(比如时速3000公里)，采用疏气减阻技术，疏气减阻独立电磁导向线性电机驱动磁悬浮轨道列车可以达到在一条虚拟真空管中运行的状态，但实际上由于疏气减阻技术的疏气效果，疏气减阻独立电磁导向线性电机驱动磁悬浮轨道列车的安全车速受到限制，其表面还是存在稀薄的空气，并不能达到完全绝对真空，而是处于低真空的状态，离车头越远的车身表面处的真空度越低，车速越低时车身表面处的真空度也越低。当车身表面的绕流气流处于低真空状态，产生较大能耗时，射流减阻技术作为有益补充的效果便得以显现，此时，疏气减阻独立电磁导向线性电机驱动磁悬浮轨道列车可以同时使用疏气减阻技术和射流减阻技术来取得最佳节能效果。

疏气减阻技术从理论上可以使车辆达到在一条虚拟真空管中高速行驶的效果，射流减阻技术从理论上也可以使车辆达到在一条虚拟真空管中高速行驶的效果，但实际上根据应用车辆工况的不同，通过合理设计，只须取得部分疏气减阻效果或射流减阻效果，并非完全绝对真空。

车头曲面阵列的疏气管和车身阵列的射流管均可以通过均压罐、集气管等分区控制，疏气管从车辆行驶方向吸入的空气储存在压缩空气罐中作为射流源备用，部分压缩空气也可以从车辆尾部排出以消除车尾真空所带来的不良影响，车辆尾部曲面上可以阵列不同角度的排气管，以使空气均匀排出，排气管的具体缩放形状应根据排气速度进行具体设计，并注意噪声控制设计，以取得最佳使用效果。

疏气减阻独立电磁导向线性电机驱动磁悬浮轨道列车利用电磁悬浮、电磁导向和线性电机驱动，并采用疏气减阻技术，各种结构形式的疏气减阻独立电磁导向线性电机驱动磁悬浮轨道列车结构大同小异，都包含以下关键部分：疏气减阻系统、车体磁悬浮系统、线性电机驱动系统、电磁导向系统、车体支承组件和车体。

疏气减阻系统主要由疏气管阵列、吸气设备和控制管路组成。疏气减阻独立电磁导向线性电机驱动磁悬浮轨道列车可根据需要决定是否采用射流减阻技术，如采用，则增设射流减阻系统，射流减阻系统主要由射流管阵列、气动控制管路和压缩机等组成。

车体磁悬浮系统既可采用斥力型磁悬浮又可采用吸力型磁悬浮。吸力型磁悬浮的匹配，通常是在车体和轨道上一边采用电磁铁，另一边采用电磁铁或铁磁性材料制成的轨道，吸力型磁悬浮可以实现零速和运动状态下的磁悬浮效果。斥力型磁悬浮的匹配，通常是在车体和轨道上两边均采用电磁铁，利用同性相斥原理来实现零速和运动状态下的磁悬浮效果。

线性电机驱动系统既可采用气隙不能实时调节(极大负荷不可调)的线性电机又可采用气隙可以实时调节的极大负荷可调线性电机，极大负荷可调线性电机加装了一套气隙调节机构，它可以通过气隙传感器来实时检测气隙，并根据所需驱动功率的大小来进行闭环或开环控制。线性电机可用于再生制动、反接制动或能耗制动，疏气减阻独立电磁导向线性电机驱动磁悬浮轨道列车可以加装磁力缓速器或钳式制动器等用于制动。线性电机驱动系统可以使用异步线性电机或同步线性电机，异步线性电机的定子和转子中一个使用电枢绕组来连接外部电源，另一个使用感应线圈或感应板，同步线性电机的定子和转子中一个使用电枢绕组来连接外部电源，另一个使用永磁体或电枢绕组。疏气减阻独立电磁导向线性电机驱动磁悬浮轨道列车的线性电机的初级或次级既可置于车体侧面又可置于车体底部，当用于连接外部电源的初级电枢绕组置于车体上时，车体上须加装受电弓来连接外部输电线路，也可以采用TramWave、APS等基于特殊第三轨供电技术，当线性电机用于连接外部电源的初级电枢绕组置于轨道上时，可分段供电。此外，也可以采用蓄电池或独立的发电机组作为电源。

电磁导向系统既可采用斥力型磁悬浮又可采用吸力型磁悬浮，布置在车体两侧，使车辆得到有效导向。吸力型磁悬浮的匹配，通常是在车体和轨道上一边采用电磁铁，另一边采用电磁铁或铁磁性材料制成的轨道。斥力型磁悬浮的匹配，通常是在车体和轨道上两边均采用电磁铁，利用同性相斥原理来实现运动状态下的电磁导向效果。

车体支承组件主要用于支承没有实现悬浮状态的车体。车体支承组件可以使用滑橇和滑轨的匹配组合，也可以使用支承轮，滑橇和滑轨的匹配组合可用于紧急情况下的摩擦制动，滑轨和线性磁力缓速器匹配也可用于辅助制动，支承轮实现制动须额外加装制动器(钳式制动器或盘式/筒式磁力缓速器等)。车体支承组件还可以具备一个辅助限位的作用，通过合理的装配尺寸链设计，可以有效保护线性电机的初级与次级之间的最小间隙或车体磁悬浮系统的两匹配方之间的最小间隙。

疏气减阻独立电磁导向线性电机驱动磁悬浮轨道列车的车体可根据货运或客运的具体需求来设计，当疏气减阻独立电磁导向线性电机驱动磁悬浮轨道列车采用疏气减阻技术时，虽然可以采用透明材料制作疏气管，或者采用在疏气管之间设计观察窗，但不可避免地会对驾驶员的视野造成严重影响，此时，可利用摄像头、显示屏等作为必要补充，如能采用无人驾驶技术那是最好不过的，利用雷达、摄像、红外探测器等等设备来到达最佳的无人驾驶效果。

具体实施方式

疏气减阻独立电磁导向线性电机驱动磁悬浮轨道列车所包含的各组成零部件，现代工业制造技术均可加工制造，相关标配组件可由专业厂家配套。

疏气减阻独立电磁导向线性电机驱动磁悬浮轨道列车的射流减阻系统和疏气减阻系统中的空气压缩机可以采用同一台设备，产生高压空气后储存在气罐中，然后通过气动控制回路来控制各个子系统的压缩空气供给，提供不同气压、气量。

为了使疏气减阻独立电磁导向线性电机驱动磁悬浮轨道列车具备更人性化的驾驶性能和舒适的乘车环境，还可以设计一些自动控制系统、人机交互界面以及应用装备(如座椅、电视机、互联网装备等)。

疏气减阻独立电磁导向线性电机驱动磁悬浮轨道列车作为一种高速列车，其成品要想成功应用，必须具备以下条件：(1)实验测试标定——建立测试轨道，以完成系列化产品的实际测试，确保安全可靠。(2)驾驶控制——培训合格的驾驶员，使其熟知列车的动力性能和操作控制方法。