[发明专利]永磁电磁混合磁铁及其设计方法

说明书

本发明公开了一种永磁电磁混合磁铁及其设计方法，该永磁电磁混合磁铁的设计方法包括以下步骤：计算永久磁铁的厚度和极面积，使得永久磁铁产生的悬浮力接近该混合磁铁所承担的列车重量，且随气隙变化缓慢；优化电磁铁的窗口面积，使得整个磁铁产生的悬浮力能够随电流变化迅速调整。该设计方法既保证了混合磁铁具有良好的节能效果和动态调节性能，同时解决了断电状态下混合磁铁容易吸附铁轨的问题，兼顾了节能与安全的要求。

技术领域

本发明涉及悬浮磁铁领域，特别是涉及一种永磁电磁混合磁铁及其设计方法。

背景技术

EMS型磁浮列车利用磁铁吸引轨道来提供悬浮力，并通过控制悬浮力的大小使得列车保持稳定悬浮，以实现磁浮列车与轨道的无接触运行。通常情况下，EMS型磁浮列车采用的是电磁铁，为了提高其承载能力，电磁铁的电流往往较大，导致悬浮能耗大、电磁铁发热严重。在德国TR08磁浮列车中，就是因为受限于电磁铁发热问题，其电磁铁的承载能力受到了限制，尽管承载能力还有上升空间，但无法得到提升。

解决上述问题的一种方案是采用永磁电磁混合悬浮技术，增加永久磁铁来提供大部分悬浮力，电磁铁主要用于动态调节以实现稳定悬浮。采用该方案可以大大减小悬浮所需的电流，从根本上解决电磁铁发热问题，为了起到较好的节能效果，所需永久磁铁通常较多，由于永久磁铁的作用，即使不加电流，悬浮磁铁与轨道之间的吸引力也较大。随着永磁材料的发展，其磁性能不断提升，该项技术较容易实现。

在混合磁铁方案中，增加永久磁铁能达到良好的节能效果，但也带来了新的问题。在磁铁吸住轨道的工况下，悬浮气隙很小，由于永久磁铁的作用，磁铁与轨道之间的吸力较大，通常需要施加反向电流以减弱磁场强度，才能让磁铁脱离轨道。如果该工况下电源正好出现了故障，那么就无法加反向电流，磁铁可能长时间吸住轨道，在运行时存在安全隐患。这是永磁电磁混合悬浮技术特有的问题，对于仅采用电磁铁的悬浮系统，在上述工况下只需切断电源即可，此时吸力为零，磁铁会在重力作用下自行脱离轨道。

反过来看，如果要克服上述安全隐患，当磁铁吸住轨道时，由永久磁铁单独提供的悬浮力应小于混合磁铁承担的车辆重量，那么永久磁铁的比重不能太高。一个极端的例子是，单纯的电磁铁中不含永久磁铁，也就不存在这种隐患。

可见，在永磁电磁混合悬浮技术中，在永久磁铁的选取方面，节能和安全是两个相互矛盾的要求。

发明内容

本发明提供一种永磁电磁混合磁铁及其设计方法，可解决现有技术中悬浮磁铁所面临的上述问题。

本发明的技术解决方案为一种永磁电磁混合磁铁的设计方法，包括：

S10.计算永久磁铁的厚度和极面积，使得永久磁铁产生的悬浮力小于该混合磁铁所承担的列车重量，且随气隙变化缓慢。

优选地，S10中永磁电磁混合磁铁的含永久磁铁的单个闭合磁路所产生的悬浮力的计算公式为：

（1）

优选地，S10中在气隙最小且电流为零的情形下，由永久磁铁产生的悬浮力应小于永磁电磁混合磁铁所承担的车辆重量，即有：

（2）

优选地，S10中还包括：

S11.在永久磁铁提供的悬浮力等于时，计算永久磁铁的厚度和永久磁铁的极面积。

优选地，S11后还包括：

S12.将额定气隙下和气隙最小情况下永久磁铁产生的悬浮力进行对比，记二者的比值为，优化选取永磁铁的厚度和极面积，使得较大。

优选地，S10后还包括：

S20.优化电磁铁的窗口面积，使得整个混合磁铁所产生的悬浮力随电流变化迅速调整，以满足悬浮系统动态性能的要求。