涡流轨道制动器 |
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| 申请号 | CN200980119714.1 | 申请日 | 2009-10-02 | 公开(公告)号 | CN102149588A | 公开(公告)日 | 2011-08-10 |
| 申请人 | 住友金属工业株式会社; | 发明人 | 今西宪治; 宫原光雄; 野口泰隆; 野上裕; 斋藤晃; 北川直树; 田口均; 平松慎一朗; 渡边光章; | ||||
| 摘要 | 一种轻型 涡流 轨道 制动 器(11)，其安装于轨道车的转向车构架，所述轨道制动器包括：磁体单元(12)，产生相对于轨道(5)的电磁吸引 力 ，并且包括长形的支承构件(15)和多个 永磁体 (17)。支承构件(15)是 铁 磁性 的并且大体上与转向车构架的 侧梁 延伸的方向平行地延伸，而且支承构件(15)能绕大体上与该方向平行的轴转动。多个永磁体(17)连续布置于支承构件(15)并且在轨道(5)的上方与轨道(5)分隔开。多个永磁体(17)中的至少两个相邻永磁体(17)被布置成具有彼此不同的磁极。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种涡流轨道制动器，所述涡流轨道制动器被安装于轨道车的转向车构架并且具有磁体单元，所述磁体单元能产生相对于轨道的磁性吸引力，所述涡流轨道制动器的特征在于： |
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| 说明书全文 | 涡流轨道制动器技术领域背景技术[0002] 利用轨道和车轮之间的摩擦力(以下称作粘着力)的粘着型(adhesion-type)制动装置(以下称作粘着制动器)已被大量的用作用于高速轨道线的轨道车辆的制动装置，例如用作在日本称作新干线(Shinkansen)的子弹头列车的制动装置，并且被用作用于电车及传统(常规速度)轨道线上的轨道车辆等的制动装置。粘着的强度决定了粘着制动器产生的最大制动力。如果超过车轮的最大制动力的大制动力被施加于车轮，则车轮将在轨道上滑动而不是滚动，因此不能再获得粘着力。这将导致轨道车辆的制动距离大大地增加。 [0003] 根据日本法律，建设管理规定(regulations governingconstruction)要求子弹头列车具有规定的减速度。对于传统轨道线的轨道车，要求车在紧急制动操作后能够在600米距离内停止。近年来，已经计划使子弹头列车和传统轨道线上的列车提速。因此，需要进一步增大子弹头列车轨道车和传统轨道线的轨道车的制动力。 [0004] 现有技术中已经提出了轨道制动型制动装置(以下称作轨道制动器)。轨道制动器是与粘着制动器联合使用的制动装置。其通过从安装于转向车(bogie)(也称为转向架(truck))的制动装置向轨道施加制动而直接从轨道获得用于轨道车的制动力。轨道制动器一般可分为(a)吸附型轨道制动器、(b)涡流型轨道制动器、以及(c)吸附/涡流型轨道制动器，其中吸附/涡流型轨道制动器将涡流型轨道制动器作为吸附型轨道制动器来操作。 [0005] 图8(a)是示出吸附/涡流型轨道制动器的一个示例的立体图，图8(b)是该轨道制动器的一个示例的主视图，图8(c)是示意性地示出用该轨道制动器制动时在轨道的轨头部产生涡流的说明图。 [0006] 如图8(a)和8(b)所示，利用吸附/涡流型轨道制动器，磁体单元4被悬挂成能够通过安装于转向车构架的侧梁2上的升降(上下)装置3(例如液压缸或气压缸)来升降，其中转向车构架支持车轮1，1。多个电磁体4a以沿与侧梁2相同的方向(图8(b)中的左右方向)延伸的行的方式安装在磁体单元4中。各电磁体4a的底部的磁极面被取向为朝向轨道5的轨头部的顶面。制动靴(brake shoe)4b安装在电磁体的磁极面上。 [0007] 在轨道车制动时，升降装置3降低该轨道制动器的磁体单元4，制动靴4b压在轨道5的轨头部的顶面上。同时，电流流过缠绕在各电磁体4a周围的激励线圈，以在电磁体4a的磁极铁芯中产生磁通量，并且由于转向车构架和轨道5的相对速度而在轨道5中产生图8(c)所示的涡流C。作用于转向车构架的制动力由轨道5和电磁体4a的铁芯之间产生的电磁吸引力形成。 [0008] 由于吸附/涡流型轨道制动器也利用了由轨道5和制动靴4b之间的摩擦力所产生的制动力，因此在雨天或雪天很难获得稳定的制动力。另外，与吸附型轨道制动器的方式相同，吸附/涡流型轨道制动器将动能转换成由制动靴4b和轨道5之间的摩擦而引起的热能，并且所产生的热能被分散到轨道5中。因此，这种类型的接触型轨道制动器会损伤轨道5。 [0009] 为了获得与吸附/涡流型轨道制动器相同的制动力，不使用制动靴的非接触型涡流轨道制动器必须使用替代装置来补偿吸附/涡流型轨道制动器中由与轨道的摩擦而产生的制动力，如增加电磁体的绕数(number of windings)。因此，非接触型涡流轨道制动器的重量(质量)不可避免地增加，但由于重量增加，转向车的惯性也增加，这会使得需要进一步增加制动力。 [0010] 吸附型轨道制动器、涡流轨道制动器和吸附/涡流型轨道制动器均使用电磁体以获得制动力。需要使电流流过激励线圈以使这些轨道制动器产生制动力。通常，由安装在轨道车上作为应急电源的电池提供该电流。因此，由于需要增加应急电源的容量而使这些轨道制动器的总重量增大。 [0011] 因此，难以减小使用过去所提出的吸附型轨道制动器、涡流型轨道制动器和吸附/涡流型轨道制动器的轨道车的总重量。 [0013] 图9(a)是专利文献1中公开的使用永磁体的吸附/涡流型轨道制动器的主视图，图9(b)是示出该涡流轨道制动器的主要部分在非制动时的放大图，图9(c)是示出该涡流轨道制动器的主要部分在制动时的放大图。 [0014] 如图9(a)-9(c)所示，专利文献1中公开的使用永磁体的涡流轨道制动器的磁体单元4悬挂于转向车构架2。永磁体6以可旋转的方式安装以能够绕水平轴7旋转，其中水平轴7垂直于转向车构架的侧梁2所延伸的方向。 [0015] 在图9(c)所示的制动状态中，永磁体6的S极的磁极面和N极的磁极面平行于轨道5，在图9(b)所示的非制动状态中，永磁体6相对于图9(c)所示的制动状态旋转90°。在专利文献1公开的涡流轨道制动器中，永磁体6由穿过磁极铁芯9的旋转机构8沿两个方向被转动90°。旋转机构8包括：绕轴7枢转的曲柄8a；连接到曲柄8a的连杆机构8b。 从而，可在图9(c)所示的制动状态和图(b)所示的非制动状态之间进行切换。 [0016] 在专利文献1公开的永磁体涡流轨道制动器中，主旨在于：由于不需要从电池向电磁体的线圈供电，所以能够减小轨道车上的应急电池的尺寸和容量，并且能够降低根据该发明的涡流轨道制动器的重量。 [0017] 专利文献1：JP 10-167068 A 发明内容[0018] 在如图9(c)所示的制动时，源自永磁体6的磁极面的磁通从磁极铁芯9开始，穿过轨道5和磁极铁芯9之间的间隙10进入轨道5，然后从轨道5开始，穿过轨道5和磁极铁芯9之间的间隙10经由磁极铁芯9返回到永磁体6。 [0019] 来自永磁体6的磁通迂回穿过间隙10和磁极铁芯9起作用，并且随着磁通穿过磁极铁芯9，磁通密度由于磁阻(磁性阻力)而降低，结果使制动效率降低。另外，由于磁通试图沿着最短路径穿行，所以在磁体的与轨道5相对的面相反的部分中形成磁短路，导致刹车效率的进一步降低。 [0020] 在专利文献1公开的使用永磁体6的涡流轨道制动器中，需要有包围永磁体6的磁极铁芯9。磁极铁芯9不可避免地增大了轨道制动器的总重。另外，专利文献1公开的涡流轨道制动器不能将其产生的制动力的大小控制到期望的程度。 [0021] 本发明提出一种涡流轨道制动器，所述涡流轨道制动器被安装于轨道车的转向车构架并且具有磁体单元，所述磁体单元能产生相对于轨道的磁性吸引力，其特征在于：(a)所述磁体单元包括长形的支承构件和多个永磁体，(b)所述支承构件是铁磁性的，并且以如下方式安装：沿与所述转向车构架的侧梁延伸的方向大体上平行的方向延伸，并且能绕大体上平行于所述侧梁的延伸方向的轴转动，(c)所述多个永磁体以磁极面在所述轨道的上方与所述轨道分隔开的方式沿所述大体上平行的方向连续地安装于所述支承构件，以及(d)在所述多个永磁体中，至少两个相邻的永磁体被布置成具有彼此不同(例如，相反的)的极性。 [0022] 在本发明的优选实施方式中，(e)所述多个永磁体被布置成各永磁体均具有与相邻永磁体不同的极性，(f)在制动状态下，所述永磁体的磁极面被布置成面对(或朝向)所述轨道的轨头部的顶面，以及(g)在非制动状态下，所述永磁体的磁极面被布置成不面对(不朝向)所述轨道轨头部的顶面。通过这种方式可获得最大的制动力。 [0023] 在本发明的另一优选实施方式中，(h)在垂直于上述大体上平行的方向的横截面中，所述永磁体的磁极面具有由位于各磁极面中央的直线部和位于所述直线部两侧的曲线部组成的轮廓，以及(i)在垂直于上述大体上平行的方向的横截面中，所述两个曲线部的形状与当所述支承构件旋转时作为所述永磁体在制动和非制动之间切换时的转动路径的圆弧的形状一致。因此，在制动时能确保大的制动力，并且在制动时能够容易地转动所述支承构件。 [0024] 在本发明的另一个实施方式中，(j)所述涡流轨道制动器还包括由铁磁材料形成的保护罩，所述保护罩位于所述磁体单元的侧部，以及(k)所述保护罩至少在非制动状态下覆盖所述永磁体的磁极面。所述保护罩能防止磁漏，并且能够防止物体冲击永磁体及永磁体吸引小的落下的磁性物体。 [0025] 在本发明的又一个实施方式中，(l)所述支承构件包括横截面为L形的支承板，其中所述横截面与上述大体上平行的方向垂直，以及(m)在非制动状态下，所述支承板面对所述轨道的轨头部的顶面。因此，能够确定地防止在非制动时由于磁漏而产生制动力。 [0027] 图1(a)是示出作为根据本发明的涡流轨道制动器的部件的磁体单元的立体图，图1(b)是磁体单元的立体图，其中移除了保护罩并去掉了一个托架，图1(c)是移除了保护罩的磁体单元的主视图。 [0028] 图2(a)-2(d)是示出在根据本发明的涡流轨道制动器中的两个相邻永磁体从制动状态向非制动状态切换时的时间顺序说明图。 [0029] 图3是示出根据本发明的使用永磁体的涡流轨道制动器的磁性单元的永磁体的截面形状的一个示例的截面图。 [0031] 图5是示出在图4的分析中使用的根据本发明的使用永磁体的涡流轨道制动器的模型的说明图。 [0032] 图6(a)是平板形磁轭(yoke)的说明图，图6(b)是L形磁轭的说明图，图6(c)是示出图6(a)所示的磁轭和图6(b)所示的磁轭的、由磁漏产生的制动力以及在制动时的制动力的曲线图。 [0033] 图7是比较构成电磁盘式涡流制动器的磁回路、图8所示的电磁轨道制动器的磁回路以及根据本发明的使用永磁体的涡流轨道制动器的磁回路的部件的重量(质量)的图表。 [0034] 图8(a)是示出吸附/涡流型轨道制动器的一个示例的立体图，图8(b)是该轨道制动器的一个示例的主视图，图8(c)是示意性地示出利用该轨道制动器制动时在轨道的轨头部中产生涡流的状态的说明图。 [0035] 图9(a)是示出专利文献1公开的使用永磁体的涡流轨道制动器的主视图，图9(b)是示出在非制动时该涡流轨道制动器的主要部分的放大图，图9(c)是在制动时该涡流轨道制动器的主要部分的放大图。 [0036] 在附图中： [0037] 1：车轮 2：转向车构架的侧梁 3：升降装置 4：磁体单元 4a：电磁体 4b：制动靴 5：轨道 5a：轨道的轨头部的顶面 6：永磁体 7：水平轴 8a：曲柄 8b：连杆机构 9：磁极铁芯 10：间隙 11：根据本发明的涡流轨道制动器 12：磁体单元 13： 保护罩 14a、14b：托架 15：支承构件(磁轭) 16：轴 17：永磁体 18：耳轴 19：杆 20：连接部 具体实施方式[0038] 以下将参考附图通过优选实施方式说明本发明。 [0039] 图1(a)是示出作为根据本发明的涡流轨道制动器11的部件的磁体单元12的立体图，图1(b)是示出磁体单元12的立体图，其中移除了保护罩13并省略了一个托架14b，图1(c)是示出保护罩13被移除的磁体单元12的主视图。 [0040] 如图1(a)-1(c)所示，根据本发明的涡流轨道制动器的实施方式的磁体单元12包括：磁轭15，其是铁磁性支承构件；两个托架14a及14b，该两个托架以使轴16可转动的方式支承轴16，轴16被同轴地布置于磁轭15的长度方向的两端。 [0041] 磁轭15是由铁磁性材料制成的并且支承多个永磁体17的支承板，多个永磁体17被连续地布置并且被固定到该磁轭。 [0042] 多个永磁体17被以如下方式配置：各永磁体17与各相邻永磁体17具有不同(相反)的极性。 [0043] 永磁体17优选地是稀土磁体(rare earth magnet)，例如Nd-Fe-B磁体，并且最优-3选地是具有大约422～389(kj/m )的最大能积(BH)max的Neomax-50(商品名)磁体。 [0044] 两个托架14a和14b通过焊接或其它合适的固接方法被安装和固定到未示出的转向车构架(例如该构架的侧梁的外壁面)，使得永磁体17的磁极面17a能够面对轨道5的轨头部5a的顶面，并且使得设置于磁轭15的轴16沿轨道5的长度方向对齐。各磁体的磁极面与轨道之间的间隙优选地在5mm到15mm的范围内。 [0045] 其上设置有耳轴18的杆19被设置于磁轭15的长度方向的中央。杆19通过设置于其端部处的连接部(link)20支承磁轭15。 [0046] 杆19可通过伸缩未示出的气压缸而绕耳轴18转动。从而，在杆19的端部处以可转动的方式连接到连接部20的磁轭15能够绕轴16在两个方向上转动90°，以在制动和非制动状态之间切换根据本发明的涡流轨道制动器11。 [0047] 图2(a)-2(d)是示出在根据本发明的涡流轨道制动器11中的两个相邻永磁体从制动状态向非制动状态切换时的时间顺序说明图。图2(a)-2(d)中的粗箭头(heavy arrows)表示轨道车的行进方向。 [0048] 如图2(a)所示，在制动时，根据本发明的涡流轨道制动器的磁体单元12中的两个永磁体17被配置成它们的磁极面17a均面向轨道5的轨头部5a的顶面。这产生了最大的制动力。 [0049] 通过操作未示出的气缸，磁轭15绕两个轴16逐渐地转动离开图2(a)所示的制动状态。随着磁轭15的转动，如图2(b)和图2(c)所示，由磁轭15支承的两个永磁体17也逐渐地转动，使得两个永磁体17的磁极面17a不再面对轨道5的轨头部5a的顶面。 [0050] 即使两个永磁体17位于图2(b)和图2(c)中所示的位置，也能够产生制动力。因此，通过适当地调整磁轭15的转角和调整两个永磁体17的磁极面17a的朝向，根据本发明的涡流轨道制动器11能够调节所产生的制动力大小。 [0051] 如图2(d)所示，通过使磁轭15从图2(a)所示的位置转动90°并且使永磁体17的磁极面17a面向与面对轨道5的轨头部5a的顶面的方向成90°的方向，能够实现非制动状态。在该状态中，根据本发明的涡流轨道制动器11产生的制动力为零。 [0052] 因此，在根据本发明的涡流轨道制动器11中，通过转动磁轭15来转动永磁体17，从而在制动状态和非制动状态之间进行切换。结果，能够使永磁体17的磁极面17a与轨道5的轨头部5a之间的磁路最小化。因此，根据本发明的涡流轨道制动器11能够提高磁效率并降低涡流轨道制动器11的总重量。 [0053] 图3是示出根据本发明的涡流轨道制动器11的磁性单元12的永磁体17的截面形状的一个示例的截面图。 [0054] 图3中的附图标记13表示磁性材料的保护罩，当连续地布置在磁轭15上的多个永磁体17处于非制动状态时，该保护罩包围永磁体17的磁极面17a。在非制动状态，保护罩13能够保护磁极面17a不受物体的撞击并且防止吸引落下的小磁性材料物体。另外，保护罩13能够防止非制动时的磁漏。 [0055] 如图3所示，当沿轨道车的行进方向观察时，各永磁体17的在制动状态下面对轨道5的轨头部5a的顶面的磁极面17a的截面形状优选地包括位于截面中央的直线部Ls和位于直线部Ls的两侧的曲线部Lc的组合。所述两个曲线部Lc优选地为圆弧，该圆弧与作为永磁体17在制动和非制动之间切换时的转动路径的圆弧相匹配。 [0056] 在图3中，当车轮轮辋的宽度是125mm，轨道5的轨头部5a的宽度是65mm，且永磁体17与轨道5之间的间隙是10mm时，永磁体17的磁极面17a的直线部Ls的长度优选大于轨头部5a的宽度(65mm)的一半，例如是35mm。 [0057] 在图3中，当以车轮轮辋的宽度(例如125mm)作为上限时，作为永磁体17在制动和非制动状态之间切换时的转动路径的圆弧(与两个曲线部Lc重合)的直径优选地为96％或更小，例如是120mm。 [0058] 此外，如图3所示，当沿轨道车的行进方向观察时，永磁体17的磁极面17a的截面的中心优选地与轨道5的沿相同方向观察时的中心重合。 [0059] 在类似于参照图9所说明的使用永磁体的、其中永磁体6沿轨道车的上下方向移动的传统涡流轨道制动器的系统中，为通过在上下方向上移动永磁体6以使永磁体6从轨道分离，需要足以克服永磁体6的吸引力的大的力。 [0060] 相反，在根据本发明的涡流轨道制动器11中，使支承永磁体17的磁轭15绕作为转轴的轴16旋转是足够的。因此，利用根据本发明的涡流轨道制动器11，能够用小的力将产生相对于轨道5的磁性吸引力的永磁体17移离轨道5。 [0061] 另外，利用根据本发明的涡流轨道制动器11，由于运行期间在轨道内5产生的涡流所产生的斥力，能够用更小的力在制动状态和非制动状态之间切换。 [0062] 根据本发明，由于不需要使用包围永磁体17的磁极铁芯，所以能够提供轻量化的、具有优良的安装性并且能够易于控制制动力的使用永磁体17的涡流轨道制动器11。 [0063] 示例1 [0064] 将通过以下示例说明本发明，以下示例仅用于说明。 [0065] 为确认本发明的效果，比较了传统电磁盘型涡流制动器(例如日本特开第2635573中提出的涡流制动器)、如图8所示的电磁轨道制动器以及根据本发明的涡流轨道制动器。 [0066] 图4是示出通过电磁场分析所获得的根据各类型的制动器的相对速度的相对制动力的曲线图。图4的曲线图中的横坐标上的相对速度用360km/hr作为标准(在360km/hr时，速度值＝1.0)，纵坐标上的相对制动力使用6kN作为标准(在6kN时，制动力值＝1.0)。 [0067] 设定以下状态用于进行磁场分析， [0068] 电磁盘式涡流制动器 [0069] 盘材料：与轨道材料相同的材料 [0070] 盘的直径：710mm [0071] 盘的厚度：36mm [0072] 最大电流：770A [0073] 绕组：24(T)电磁体，4磁极，2对 [0074] 磁体和盘之间的间隙：12mm [0075] 电磁轨道制动器 [0076] 磁轭：全长1000mm，宽度60mm，高度120mm [0077] 电磁体：测量尺寸为250mm×100mm的电磁体，其安装于上述的磁轭[0078] 最大电流：315A [0079] 绕组：104(T)，8磁极 [0080] 磁体和轨道之间的间隙：5mm [0081] 图5是示出在图4的分析中使用的根据本发明的涡流轨道制动器11的模型的说明图。 [0082] 在根据本发明的涡流轨道制动器11中，14个具有图3所示的截面形状(宽118mm，高60mm)的永磁体17配置于图5中所示的总长1152mm、宽度118mm以及高度20mm的磁轭15，使得邻近的永磁体17具有彼此不同的极性。永磁体17和轨道5之间的间隙是10mm。 [0083] 利用三维电磁场分析研究各制动装置在制动时的制动力和伴随作为永磁体的特性问题即磁漏时的制动力。轨道5由用于机械结构的碳钢(S50C)制成，例如磁轭15以及保护罩13等结构构件由用于通用结构的轧钢(SS400)制成。 [0084] 通过将定员(ridding capacity)最大轴重(26吨＝13吨×2)乘以平均减速度(0.416m/s/s)来获得具有两个轨道制动单元的一个转向车的制动力，并且该制动力的值为大约10.8kN/每转向车或大约5.4kN/每轨道制动单元。 [0085] 从图4中所示的曲线图清楚可见，虽然通过电磁盘式涡流制动器(“x”标记)获得了大的制动力，但速度越快，制动力下降的越多。电磁轨道制动器(“o”或者空白圆标记)的制动力随速度增加而增加，尽管磁体和轨道之间的间隙是5mm的较小值，该制动力与电磁盘式涡流制动器的制动力相比还是较小。 [0087] 图6(a)是具有图1(a)-1(b)、图2(a)-2(b)以及图3中所示的平板状的磁轭15的说明图，图6(b)是L形磁轭15的说明图，图6(c)是示出图6(a)中所示的平板状磁轭15和图6(b)中所示的L形磁轭15的、由磁漏产生的制动力以及在制动时的制动力的曲线图。 [0088] 图6(c)的曲线图中的横坐标上的相对速度使用360km/hr作为标准(在360km/hr时，速度值＝1.0)，左侧纵坐标上的相对制动力使用6kN作为标准(在6kN时，制动力值＝1.0)，右侧纵坐标上的伴随磁漏的相对制动力使用0.11kN作为标准(在0.11kN时，制动力值＝1.0)。 [0089] 在根据本发明的涡流轨道制动器11中，不是将磁轭15设置为图6(a)中所示的上述平板状，而是可以将磁轭15形成为图6(b)中所示的L形。在该示例中，在制动时，优选地使永磁体17的磁极面17a面向轨道5的轨头部5a的顶面，并且在非制动时，优选地使L形的磁轭15面对轨道5的轨头部5的顶面。 [0090] 如图6(c)中的曲线所示，通过使磁轭15形成为L形，与平板状磁轭15相比，在非制动时由于磁漏而产生的制动力能够被极大地降低，并且还能够减小制动时由于磁漏而导致的制动力的降低。另外，在相对速度为0.44到1.0的速度范围内，能获得几乎恒定的制动力。 [0091] 图7是比较组成电磁盘式涡流制动器的磁回路、图8所示电磁轨道制动器的磁回路以及根据本发明的涡流轨道制动器11的磁回路的各种部件的重量(或质量)的图表。 [0092] 如图7的图表所示，根据本发明的涡流轨道制动器11相对于电磁盘式涡流制动器能够实现降低大约68％的重量，并且相对于电磁轨道制动器能够实现降低至少29％的重量，这是因为此处研究的电磁轨道制动器在磁体和轨道5之间具有5mm的小间隙并且具有低的制动力。 [0093] 即使已经参照优选实施方式说明了本发明，但是这些实施方式仅是说明性的，并不用于限制本发明。本领域技术人员应理解的是在不偏离权利要求书中提出的本发明的范围的情况下，可以对上述实施方式进行各种变形。 [0094] 例如，多个永磁体17优选地连续地布置于磁轭15，使得各永磁体17与邻近的永磁体17具有不同的极性，但本发明并不局限于该布置，多个永磁体17还可布置成使得至少两个相邻的永磁体17、17具有彼此不同的极性。 [0095] 另外，在上述实施方式中，保护罩13被安装于磁体单元12的一侧以在非制动状态下覆盖永磁体17的磁极面17a，但保护罩13可以设置于磁体单元12的两侧。 |
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