CN210478412U - 基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮装置及系统，包括至少两个双输出轴电机、至少两个磁轮和至少一条同轴传送带；各磁轮设有海尔贝克阵列磁体结构；各双输出轴电机之间固定连接，且各双输出轴电机设有第一输出轴和第二输出轴；双输出轴电机的第一输出轴与所述磁轮的中心机械连接，用于驱动磁轮沿第一方向旋转或沿第二方向旋转，且沿第一方向旋转的磁轮数量等于沿第二方向旋转的磁轮数量；各同轴传送带分别连接旋转方向相同的两个磁轮对应的双输出电机的第二输出轴上，用于保持旋转方向相同的两个磁轮的转速一致，从而提高该装置的稳定性。

Description

基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮装置及系统

技术领域

本实用新型涉及磁悬浮技术领域，特别是涉及一种基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮装置。

背景技术

目前世界上许多国家如中国、德国、日本、美国、以及韩国等都在对磁悬浮技术开展深入的研究同时取得了一系列丰硕的成果。按照悬浮力产生的原理不同可将磁悬浮系统分为电磁型悬浮(EMS)系统和电动型悬浮(EDS)系统。电动式磁悬浮系统(EDS)和电磁式磁悬浮系统(EMS)相比具有显著的优势：

(1)悬浮高度很大，一般电动式磁悬浮的高度可以达到100mm，而且对轨道的精度和平整度要求不高。

(2)排斥性的悬浮系统具有自稳定性，无需像电磁式磁悬浮需要复杂的全域控制。

(3)即使外部停止供电，悬浮系统只要有速度就不会停止。

(4)永磁式电动磁悬浮无须车载励磁电源。

(5)超导电动式磁悬浮由于线圈空心，对车辆的自身重量影响不大。

电动式磁悬浮又分为永磁型磁悬浮和超导型磁悬浮。超导电动式磁悬浮利用超导体的迈斯纳效应实现悬浮，超导体对于变化的磁场在其内部会感应产生一个大小相等，方向相反的感应磁场以保证其内部的磁场为零，这是超导体的抗磁性，这个感应的磁场来源于超导线圈感应电流，而感应电流在变化的磁场作用下就会产生悬浮力。从上个世纪70年代开始，日本等国就开始进行超导电动式磁悬浮的研究工作，随着科学技术的进步，以Halbach阵列为代表的永磁结构出现以及具有高剩密磁场强度的稀土永磁材料广泛运用使得永磁式磁悬浮系统越来越受到人们的关注，永磁电动式磁悬浮系统和超导电动式磁悬浮系统相比结构简单，价格低廉，不需要复杂的冷却系统而且可以产生很大的悬浮力，在这样的背景下，永磁电动式磁悬浮系统具有光明的前景。

传统的永磁电动式磁悬浮系统中，单个旋转永磁体在转动的同时会受到反向力矩，需要控制系统控制反向旋转的永磁体来抵消反向力矩，当轨道不平整时，系统的力矩的平衡会受到影响，导致系统的稳定性差。

实用新型内容

基于此，有必要提供一种稳定性高的基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮装置。

一种基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮装置，包括至少两个双输出轴电机、至少两个磁轮和至少一条同轴传送带；

各所述磁轮设有海尔贝克阵列磁体结构；

各所述双输出轴电机之间固定连接，且各所述双输出轴电机设有第一输出轴和第二输出轴；

所述双输出轴电机的第一输出轴与所述磁轮的中心机械连接，用于驱动所述磁轮沿第一方向旋转或沿第二方向旋转，且沿所述第一方向旋转的磁轮数量等于沿所述第二方向旋转的磁轮数量；

各所述同轴传送带分别连接旋转方向相同的两个所述磁轮对应的所述双输出电机的第二输出轴上，用于保持旋转方向相同的两个所述磁轮的转速一致。

在其中一个实施例中，所述双输出轴电机和所述磁轮的数量均为四个，所述同轴传送带的数量为两条，四个所述双输出轴电机分别固定于呈方形状的四个角位置，两条所述同轴传送带分别连接位于对角位置的两个所述双输出轴电机的第二输出轴上。

在其中一个实施例中，两条所述同轴传送带分别连接位于相邻角位置的两个所述双输出轴电机的第二输出轴上，且两条所述同轴传送带平行。

在其中一个实施例中，所述磁轮设有内圈海尔贝克阵列磁体结构和外圈海尔贝克阵列的磁体结构，所述内圈海尔贝克阵列的磁体结构包括8个相同的方形永磁体，所述外圈海尔贝克阵列的磁体结构包括16个相同的方形永磁体。

在其中一个实施例中，所述内圈海尔贝克阵列的磁体结构包括8个相同的弧形永磁体，所述外圈海尔贝克阵列的磁体结构包括16个相同的弧形永磁体。

在其中一个实施例中，各所述磁轮之间的距离大于10厘米。

在其中一个实施例中，所述双输出轴电机设置为直流电机。

一种基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮系统，包括顶梁支架和条形磁铁及上述的基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮装置，所述顶梁支架固定连接在任意相邻的两个双输出轴电机上，且固定点位于所述第二输出轴一端，所述条形磁铁固定在所述顶梁支架上。

在其中一个实施例中，还包括导体板和导向磁轨道，所述导体板设置于所述基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮装置的下端，所述导向磁轨道设置于所述基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮装置的上端，且所述导向磁轨道设有与所述条形磁铁极性相反的轨道永磁体。

上述基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮装置中，在同向转动的双输出轴电机的第二输出轴上设置了同轴传送带，确保旋转方向相同的两个磁轮的转速一致，从而提高了该装置的稳定性。

附图说明

图1为第一个实施例中的基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮装置的结构示意图；

图2为第二个实施例中的基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮装置的结构示意图；

图3为一个实施例中的磁轮的结构示意图；

图4为一个实施例中的海尔贝克阵列磁体结构的排布方式示意图；

图5为第一个实施例中的基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮系统的结构示意图；

图6为第二个实施例中的基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮系统的结构示意图；

图7为第三个实施例中的基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮系统的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平”的、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

如图1所示，一种基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮装置，包括至少两个双输出轴电机100、至少两个磁轮200和至少一条同轴传送带300。其中，各磁轮 200设有海尔贝克阵列磁体结构；各双输出轴电机100之间固定连接，且各双输出轴电机100设有第一输出轴110和第二输出轴120。该双输出轴电机100的第一输出轴110与磁轮200的中心机械连接，用于驱动磁轮200沿第一方向旋转或沿第二方向旋转，且沿第一方向旋转的磁轮数量等于沿第二方向旋转的磁轮数量。各同轴传送带300分别连接在旋转方向相同的两个磁轮200对应的双输出电机100的第二输出轴120上，用于保持旋转方向相同的两个磁轮200的转速一致。

需要说明的是，第一方向为顺时针旋转方向，第二方向为逆时针旋转方向；或第一方向为逆时针旋转方向，第二方向为顺时针旋转方向。在此不做具体限定。

具体地，当单个磁轮200悬浮时，双输出电机100的外壳会逆着磁轮200 旋转的方向转动，这是因为双输出电机100的定子与转子存在相互作用力，而双输出电机100又没有被固定住，所以出现了双输出电机100外壳旋转的现象。如果不采取措施给予平衡，那么单个磁轮200的双输出电机100外壳必然会受到一个方向的净扭矩。本实施例中，通过让沿第一方向旋转的磁轮数量等于沿第二方向旋转的磁轮数量，从而使双输出电机100外壳所受扭矩相互抵消，从根本上解决了双输出电机100外壳的旋转问题。

具体地，为了克服该悬浮装置悬浮时产生的净扭矩不为零的问题，本实施例设置相邻磁轮200转动的方向相反，从而保证相邻磁轮200旋转时所受到的反扭力能够大小相等，方向相反。

进一步地，反扭力的大小除了受到装置固有设计的影响，磁轮200的转速也是重要的影响因素。本实施例中，为克服磁轮200之间的转速偏差，确保旋转方向相同的磁轮200之间保持相同的转速，在同向转动的双输出轴电机100 上端的第二输出轴120上加入了同轴传送带300的设计。在同轴传送带300的拖动下，同转向的双输出轴电机100可保证几乎相同的转速，更加进一步地缩小了旋转方向相同的磁轮200的转速差异。

在其中一个实施例中，参见图1，双输出轴电机100和磁轮200的数量均为四个，同轴传送带300的数量为两条，四个双输出轴电机100分别固定于呈方形状的四个角位置，两条同轴传送带300分别连接位于对角位置的两个双输出轴电机100的第二输出轴120上。

本实施例中，在双输出轴电机100的靠近第一输出轴110一端设置有方形固定支架，四个双输出轴电机100分别固定于该固定支架的四个角位置，位于对角位置的双输出轴电机100的第二输出轴120上连接同轴传送带300，以使对角位置的双输出轴电机100的第二输出轴120的转速一致，从而使对角位置的磁轮200的转速一致。

需要说明的是，第一输出轴110和第二输出轴120为同一输出轴的两端，即第一输出轴110和第二输出轴120具有相同的旋转方向和旋转速度。因此，当双输出轴电机100启动时，位于对角位置的两个磁轮200具有相同的旋转方向和旋转速度。例如，设置相邻磁轮200的旋转方向相反，则其中一对角的磁轮200沿顺时针旋转，另一对角的两个磁轮200沿逆时针旋转，且设置四个磁轮200的旋转速度大小相同，从而保证相邻磁轮200旋转时所受到的反扭力能够大小相等，方向相反，进而克服该悬浮装置悬浮时因净扭矩不为零而产生自旋的问题。

在其中一个实施例中，如图2所示，两条同轴传送带300分别连接位于相邻角位置的两个双输出轴电机100的第二输出轴120上，且两条同轴传送带300 平行。

本实施例中，可将四个双输出轴电机100分为两组，每组包含两个相邻的双输出轴电机100，其中一组顺时针旋转，另一组逆时针旋转，并在在同一组的双输出轴电机100电机的第二输出轴120上加装同轴传送带300，从而确保同一组的磁轮200旋转方向和速度相同，并且保证了两组磁轮200旋转时所受到的反扭力能够大小相等，方向相反，进而克服该悬浮装置悬浮时因净扭矩不为零而产生自旋的问题。

在其中一个实施例中，如图3所示，磁轮200设有内圈海尔贝克阵列磁体结构210和外圈海尔贝克阵列磁体结构220，内圈海尔贝克阵列磁体结构210包括8个相同的方形永磁体M1，外圈海尔贝克阵列磁体结构220包括16个相同的方形永磁体M1。

需要说明的是，如图4所示，海尔贝克(Halbach)阵列磁体结构是一种将径向阵列与切向阵列结合在一起的永磁体排布方式，这种排布方式能用最少的永磁体通过一定的磁化方向排列在磁体阵列的一侧产生单向最强的磁场，其永磁体的利用率非常的高，而且其单边磁场的磁场强度峰值高，能在与导体板做相对运动时在导体板上产生更大的感应电动势。

本实施例中，采用内圈海尔贝克阵列磁体结构210和外圈海尔贝克阵列磁体结构220的双海尔贝克阵列磁体结构可以大大增强磁场强度，使用常规的方形永磁铁M1对磁轮进行填充，在确保悬浮的同时可以大大降低永磁体的成本。

需要说明的是，内圈和外圈的海尔贝克阵列磁体结构的直径根据电机的扭力和悬浮装置的重量而定。例如，首先应该考虑磁环(即内圈和外圈的海尔贝克阵列磁体结构)的直径大小，直径太大，磁环做圆周运动的力臂变长，电机的扭力可能会出现不够的情况；磁环直径太小，一方面是产生磁场作用范围变小，可能产生不了足够的斥力来维持整体装置的悬浮，另一方面磁环直径过小，在电机扭力足够带动磁环后，可能会出现扭力溢出的情况。

具体地，方形永磁体M1的边长为1厘米。

具体地，方形永磁体M1设置为钕铁硼永磁体。可以理解地，在永磁体材质方面，常见的永磁体有铁氧体，钕铁硼，钐钴，铝镍钴等，其中磁性能最优秀的就是钕铁硼了，钕铁硼永磁体有着极高的磁能积和矫顽力及高能量密度等优点，能满足高磁场强度峰值的需求。为了达到最明显的效果，本实施例选择牌号为N50的方块钕铁硼磁铁作为方形永磁体M1阵列的基体。

在其中一个实施例中，内圈海尔贝克阵列磁体结构包括8个相同的弧形永磁体，外圈海尔贝克阵列磁体结构包括16个相同的弧形永磁体。

本实施例中，采用弧形永磁体填充磁环(内圈海尔贝克阵列磁体结构和外圈海尔贝克阵列磁体结构)能够尽可能地填充磁轮区域可以有效提高磁场利用率。

在其中一个实施例中，参见图3，各磁轮之间的距离大于10厘米。

本实施例中，各磁轮之间的距离大于10厘米，以消除之间的涡流影响。

在其中一个实施例中，双输出轴电机100设置为直流电机。

具体地，双输出轴电机100可选择具有大扭矩、高转速且重量轻的电机。重量轻更容易实现悬浮；大扭矩能使电机在受到感应磁场的阻力时还能维持当前的转速，实现稳定悬浮高转速能给导体板带来高感应电流，从而产生大斥力。

如图5和图6所示，一种基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮系统，包括顶梁支架400和条形磁铁M2及上述的基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮装置。该顶梁支架400固定连接在任意相邻的两个双输出轴电机100上，且固定点位于该第二输出轴120一端，该条形磁铁M2固定在顶梁支架400上。

本实施例中，条形磁铁M2用于与装置上端的磁轨道(图5和图6未显示) 产生磁力吸引，从而提高该装置的悬浮高度，且让磁轮200的磁场磁感应强度处在一个较小的值，使海尔贝克阵列受到的反扭矩变小。

在其中一个实施例中，如图5、6和7所示，基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮系统还包括导体板600和导向磁轨道700，该导体板600设置于基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮装置的下端，该导向磁轨道700设置于基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮装置的上端，且导向磁轨道700设有与条形磁铁极性相反的轨道永磁体M3。

具体地，磁轮200产生的磁感线在导体板600上的穿透距离有限且磁感线会随着穿透距离的增加而衰减，以致磁感线在穿透到某一距离之后的磁感应强度所产生的感应电流几乎为零，所以导体板600不需要太厚。为了使导体板600 中的感应电流达到最大，本实施例优先选择电阻率小的导电材料，例如铜和铝。可以理解地，铝成本低廉但导电性欠佳，而铜导电性好但成本颇高，在未超过磁感线穿透距离的前提下，厚铝板可以和薄铜板起到一样的悬浮效果。因此，为了节约成本和减少导体板600厚度可以将两者叠起来使用。

具体地，由于轨道永磁体M3与条形磁铁M2相互吸引作用，导向磁轨道 700给电动磁悬浮装置提供了一个向上的拉力，从而抬升了该电动磁悬浮装置的悬浮高度，让磁轮200的感应磁场的磁感应强度处在一个较小的值，进而使海尔贝克阵列受到的反扭矩变小。

可以理解地，为了使基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮装置能更平稳的悬浮，导向磁轨道700要满足两个条件：(1)要离该电动磁悬浮装置有一定距离，太近了，磁力过强会把小车吸住，太远了，磁力束缚不到小车；(2)磁场作用距离要大，该电动磁悬浮装置悬浮时有一些肉眼难以观察到的振动，当该电动磁悬浮装置所处空间磁场强度变化梯度较大时，该电动磁悬浮装置的振动带来的磁力变化就较大，反之，当该电动磁悬浮装置所处空间磁场磁场强度梯度变化较小时，该电动磁悬浮装置的振动带来的磁力变化就较小，只有磁场作用距离足够大才能在保证在有足够磁力束缚住该电动磁悬浮装置，且该电动磁悬浮装置的振动影响最小。

具体地，根据该电动磁悬浮装置、导体板600和导向磁轨道700三者之间的平衡状态，可得到导体板600与磁轮200的距离L1，及导向磁轨道700与小条形磁铁M2的距离L2。例如，上述三者存在的平衡关系如下：

F₁+F₂＝G

其中，F1表示该电动磁悬浮装置受到的浮力，F2表示导向磁轨道700对该电动磁悬浮装置的吸引力，G表示该电动磁悬浮装置受到的重力。在确定该电动磁悬浮装置各处永磁体和自重后，L1与F1之间，L2和F2之间都存在函数关系，在确定函数关系后，又易从实验中得知L1，借由平衡关系，可得L2，从而得知导向磁轨道700距离导体板600的最佳距离。

上述基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮装置中，在同向转动的双输出轴电机 100的第二输出轴120上设置了同轴传送带300，确保旋转方向相同的两个磁轮 200的转速一致，从而提高了该装置的稳定性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮装置，其特征在于，包括至少两个双输出轴电机、至少两个磁轮和至少一条同轴传送带；

各所述磁轮设有海尔贝克阵列磁体结构；

各所述双输出轴电机之间固定连接，且各所述双输出轴电机设有第一输出轴和第二输出轴；

所述双输出轴电机的第一输出轴与所述磁轮的中心机械连接，用于驱动所述磁轮沿第一方向旋转或沿第二方向旋转，且沿所述第一方向旋转的磁轮数量等于沿所述第二方向旋转的磁轮数量；

各所述同轴传送带分别连接在旋转方向相同的两个所述磁轮对应的所述双输出电机的第二输出轴上，用于保持旋转方向相同的两个所述磁轮的转速一致。

2.根据权利要求1所述的基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮装置，其特征在于，所述双输出轴电机和所述磁轮的数量均为四个，所述同轴传送带的数量为两条，四个所述双输出轴电机分别固定于呈方形状的四个角位置，两条所述同轴传送带分别连接位于对角位置的两个所述双输出轴电机的第二输出轴上。

3.根据权利要求2所述的基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮装置，其特征在于，两条所述同轴传送带分别连接位于相邻角位置的两个所述双输出轴电机的第二输出轴上，且两条所述同轴传送带平行。

4.根据权利要求1所述的基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮装置，其特征在于，所述磁轮设有内圈海尔贝克阵列磁体结构和外圈海尔贝克阵列磁体结构，所述内圈海尔贝克阵列磁体结构包括8个相同的方形永磁体，所述外圈海尔贝克阵列磁体结构包括16个相同的方形永磁体。

5.根据权利要求4所述的基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮装置，其特征在于，所述内圈海尔贝克阵列磁体结构包括8个相同的弧形永磁体，所述外圈海尔贝克阵列磁体结构包括16个相同的弧形永磁体。

6.根据权利要求1所述的基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮装置，其特征在于，各所述磁轮之间的距离大于10厘米。

7.根据权利要求1所述的基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮装置，其特征在于，所述双输出轴电机设置为直流电机。

8.一种基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮系统，其特征在于，包括顶梁支架和条形磁铁及上述权利要求1至7任一项所述的基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮装置，所述顶梁支架固定连接在任意相邻的两个双输出轴电机上，且固定点位于所述第二输出轴一端，所述条形磁铁固定在所述顶梁支架上。

9.根据权利要求8所述的基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮系统，其特征在于，还包括导体板和导向磁轨道，所述导体板设置于所述基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮装置的下端，所述导向磁轨道设置于所述基于海尔贝克阵列的电动磁悬浮装置的上端，且所述导向磁轨道设有与所述条形磁铁极性相反的轨道永磁体。

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