使物体悬浮和移动的装置、系统及方法 【技术领域】
本发明涉及使物体悬浮和移动的装置、系统和方法。本发明尤其涉及以减小的摩擦和高效率使物体悬浮、加速和减速。
背景技术
近几十年来，磁悬浮列车、输送机系统和有关的运输工具一直试图提供更为有效的载人载货的运输工具。这种系统的一些实例可见于Van der Heide的美国专利4356772、Totsch的美国专利4805761和Geraghty等人的美国专利5601029。这些系统根据极性相同的磁铁相斥、极性相反的磁铁相吸的通常特性进行工作。尽管这类系统的专利申请已有几十年，一种在现实世界条件下可行的移动人和货物的系统仍需开发。
【发明内容】
本发明涉及使物体悬浮和加速的装置、系统和方法。尤其是，本发明的实施例使物体相对于轨道、例如列车轨道进行磁力悬浮和磁力加速。
在一个实施例中，该系统包括多个彼此侧向隔开的下轨和一个具有与下轨对齐的多个上轨的物体。下轨具有永久磁铁，永久磁铁一个接一个地对接和对齐成下轨地上表面沿其长度具有均匀极性。下轨还具有沿轨道长度与永久磁铁进行导电连接的钢铁垫板。上轨具有与下轨中的磁铁对置的对齐的永久磁铁，以使物体悬浮。上轨也具有与永久磁铁进行导电连接的钢铁垫板。
本发明另一个实施例包括多个第一轨、一个待输送物体、一个第三轨和一个驱动盘。第一轨在其上表面附近具有多个对齐的永久磁铁。永久磁铁定向成沿每个第一轨的长度产生均匀极性。待输送物体具有配置成与第一轨对齐的第二轨。第二轨上安装有永久磁铁，这些永久磁铁定向成与第一轨的磁铁极性相对。因此，物体悬浮在第一轨上。第三轨沿第一轨的长度延伸。第三轨用导电材料、例如铜或铝制成。驱动盘与待输送物体相连接，相对于物体进行转动。驱动盘带有永久磁铁。驱动盘定位成在工作期间永久磁铁紧靠第三轨附近。在第三轨附近，驱动盘的转动，更为重要的是永久磁铁的转动产生涡流，使物体在与驱动盘的相对转动相反的方向上沿第三轨加速。
【附图说明】
图1是根据本发明一个实施例的轨道和悬浮在轨道上的运载车的立体图。
图2是图1所示运载车的立体图。
图3是图2所示运载车去掉平台的立体图。
图4是图1所示轨道和运载车的一部分的端视图。
图5是图1所示轨道和运载车的端视图。
图6是图1所示运载车的驱动装置的立体图。
图7是图6所示驱动装置的驱动盘与图1所示轨道的第三轨接合的径向剖面图。
图8是图7所示的驱动盘之一的侧视图。
图9是根据本发明的变型实施例的轨道和运载车的端视图。
图9A是图9所示运载车的局部放大图。
图10是图9所示运载车的沿剖面10-10的剖视图。
图11A是图10所示的运载车部分处于未接合状态的示意图。
图11B示出图11A所示的运载车部分处于接合状态。
图12是图9所示轨道和运载车的一部分的端视图，示出处于未接合状态的制动系统。
图13示出图12所示的轨道和运载车部分，制动系统处于接合状态。
图14是图9所示运载车的磁铁组件的平面图。
图15是图14所示磁铁组件的沿剖面15-15的剖视图。
图16是平面示意图，示出运载车的磁铁对齐以进行转弯运行。
图17是平面示意图，示出运载车的磁铁对齐以进行直线运行。
【具体实施方式】
本说明书涉及使运载车或其它物体悬浮在轨道上并相对于轨道进行加速的系统、装置和方法。本发明的几个实施例可以使物体悬浮在轨道上并进行加速和减速而完全不接触轨道。因此，这些实施例可以提供高效的载人载货运输工具。本发明的一些实施例的具体细节在下文和图1-17中予以描述。对于本领域技术人员来说，本发明显然还可以有其它实施例，或者没有下文中所述的一些细节也可以实施。
图1示出用于使物体悬浮和加速的系统10。系统10包括轨道12和运载车14，运载车14配置成相对于轨道可沿任一方向纵向移动。轨道12包括一对支承轨16和一条传动轨18。在所示的实施例中，支承轨16和传动轨18由沿轨道12的长度彼此间隔的基座20加以支承。基座20以公知的方式固定在地面上。在所示的实施例中，传动轨18例如由在传动轨下边缘形成的一个轨底直接安装在基座20上。但是，根据运载车14的特殊设计，对于本领域技术人员来说，传动轨18可以定位在支承轨16之内、之外、之上、之下的其它位置。
在所示的实施例中，支承轨16由支柱22和支架24连接在基座20上，沿基座相对的端部进行延伸。但是，就传动轨18而言，本领域技术人员可以进行不同的配置。
每个支承轨16的上表面带有沿其长度的工作部分延伸的永久磁铁26。在所示的实施例中，支承轨16的永久磁铁26都具有共同长度。所示的永久磁铁26沿轨道12的长度彼此对接，提供十分恒定的磁力，使运载车14沿轨道顺畅运行。永久磁铁26的定向使得沿各自的支承轨16的每个磁铁的极性与相邻的永久磁铁竖直对齐。本发明人认为，不必每一个永久磁铁26都要对齐才能使本发明工作。但是，所示实施例是一个优选实施例。
图2和3示出根据本发明该实施例的运载车14。运载车14包括一对相对的侧轨28，侧轨28间隔成在轨道12上与支承轨16大体对齐。在所示的实施例中，侧轨由黑色金属材料、例如钢制成。可以用其它质量相同的材料取代钢。
另一组永久磁铁30固定在每个侧轨28的下侧，当运载车14与轨道12接合时，与支承轨16上的永久磁铁26对齐。在所示的实施例中，侧轨28的永久磁铁30都具有共同长度。支承轨16的每个永久磁铁26的长度不同，在该实施例中，比侧轨28的永久磁铁30长。本领域技术人员由此可以理解，长度不同，就避免支承轨永久磁铁26的两个接缝与侧轨永久磁铁30的两个接缝同时对齐，从而避免磁接头效应。运载车14上的永久磁铁30的定向使得其极性与支承轨16的永久磁铁26的极性相对。因此，运载车14悬浮在轨道12上。在所示的实施例中，固定在侧轨28上的永久磁铁30彼此对接。但是，本发明人认为，这些永久磁铁不必一定要彼此接触才能使运载车14在轨道12上顺畅运行。
运载车14具有一个平台32(见图2)，用于载人或物品。本发明可以配置成载人或载货，因此，平台32可以具有各种各样的构形。例如，平台32可以呈客车车厢或货车车厢的形状。同样，平台32和运载车14的尺寸可以确定成仅运载小物体。
运载车14的两侧具有沿运载车长度相间隔的滚轮36。滚轮36定位成如果运载车不与轨道12正常对齐地行驶就接触支承轨16。滚轮36围绕竖直轴线转动，因此，对运载车14沿轨道12的移动影响不大。可以用各种各样的构件代替滚轮36，使运载车14沿轨道12保持对中。
如图3所示，一个蓄电池38、一个电机40和一个驱动盘42安装在该运载车14内。所示蓄电池38是12伏蓄电池，类似于目前汽车上使用的蓄电池。但是本发明人认为，可以用各种各样的电源、例如燃料电池代替蓄电池38。
电机40通过一条传动带44与驱动盘42连接。但是本发明人同样认为，电机40和传动带44可以采用其它配置，只要驱动盘42可以有控制地转动，以使运载车14相对于轨道12进行加速或减速就行。一个车载控制系统45(见图6)允许使用者有控制地使驱动盘42的转动加速和减速，以控制运载车14的速度和加速度。
图4示出运载车14与轨道12接合时，运载车14的侧轨28上的永久磁铁30的相关定向。如上所述，永久磁铁30的极性与永久磁铁26的极性相对。此外，在该实施例中，永久磁铁30的侧向尺寸大于永久磁铁26的侧向尺寸。本发明人认为，这些永久磁铁26、30可以尺寸相同，或者永久磁铁26可以大于永久磁铁30。但是，本领域技术人员可知道，当磁铁如现有技术中那样宽度相同时，必须配置侧向支承件和/或控制件保持磁铁之间的最佳侧向稳定性。相反，在所示的实施例中，上磁铁30的磁迹宽于下磁铁26的磁迹，自然提供附加的侧向稳定性。
一个钢铁垫板46定位在支承轨16的永久磁铁26之下。对于侧轨28来说，钢铁垫板46可以用钢制成，或者用一种等效材料制成。钢铁垫板46沿支承轨16的长度延伸。
如图5所示，电机40上的一个主动皮带轮48驱动传动带44，以使同驱动盘42连接的一个被动皮带轮50转动。电机40安装在一个横向构件52上，横向构件52安装在运载车14上。同样，驱动盘42安装在横向构件52的下侧。驱动盘42转动地安装在一对轴承54上，相对于运载车14进行转动。
如图7所示，第三轨18具有一个颈部56和一个轨底58。轨底58安装在基座20上，使第三轨18与轨道12保持固定对齐。颈部56呈平板形状，沿轨道12的长度延伸。在所示的实施例中，驱动盘42具有一对磁转子60，间隔在第三轨18的颈部56每一侧。每个磁转子60具有一个有色金属的安装盘62，由一个最好用软钢制成的钢铁垫盘64加以垫衬。安装盘62可以是铝的，或者是一种适当的非磁合成材料的，每个都配有永久磁铁66，永久磁铁66围绕带有驱动盘42的一个轴68彼此间隔而布置成一个圆形。每个永久磁铁66在驱动盘42的外侧上对接到各自的垫盘64上。相邻的永久磁铁66可以使其极性相反。永久磁铁66每个都由一个间隙70与颈部56隔开。
安装盘62安装在轴68上，与轴一起转动。驱动盘42相对于颈部56的转动导致永久磁铁66和颈部之间的沿着与驱动盘大致相切的方向的相对运动。该切线方向与轨道长度成一直线。业内公知的是，永久磁铁和导电材料之间的相对运动产生涡流，促使导电材料跟随永久磁铁。但是，在该实施例中，因为颈部56的导电材料固定在基座20上，所以导电材料不能跟随永久磁铁，而是对带有永久磁铁66的运载车施加一种相等和相反的作用力。这种相反的作用力使运载车沿着与永久磁铁66的运动相反的方向进行加速。因此，驱动盘42相对于颈部56的有控制的转动可以使运载车14相对于轨道12进行加速或减速。
业内公知的是，可调的间隙耦合可以用于增大和减小永久磁铁66和颈部56之间产生的作用力。这里，本发明人引入US6005317、US6072258和US6242832，以提出各种可以用于调整永久磁铁66和颈部56之间的间隔的结构。此外，本发明人认为，可以用一个磁转子62代替一对磁转子。
本发明的实施例比现有技术中的运输系统具有更多优越性。例如，轨道和钢铁垫板对准的极性结合而产生始终如一的强大磁力，可以运载很大的重量，沿轨道运载重量时可以顺畅运行。同样，运载车侧轨中的钢铁垫板也具有同样的优越性。
另外，运载车上的磁驱动盘可以进行紧密控制的有效加速和减速。因为驱动盘不接触第三轨，所以两个部件之间不存在磨损。此外，因为驱动盘安装在运载车上，所以可以独立地控制每辆车沿轨道进行加速和减速。
图9和9A示出本发明另一个实施例中的轨道112和运载车114。总体上，图9所示的运载车114和轨道112与上面所述和图1-8所示的运载车的轨道工作情况相类似。但是，导向系统和传动系统都与上述的不同。因此，下文未予描述的构件、特征和优点，可以认为与上面所述的类似或相同。
在所示的实施例中，传动轨118包括一个轨底158和一个颈部156，与上面的描述相类似。此外，一个盖板157定位在颈部156的相对的两侧之上，沿传动轨118的长度延伸。在该实施例中，颈部156和轨底158用钢制成，而盖板157用铝制成。但是，本发明人认为，盖板157可以用其它任何导电材料制成，颈部156可以用其它任何材料、最好用一种黑色金属材料、例如钢制成，轨底158可以用任何适当的材料制成。在所示的实施例中，盖板157的铝用作一组下磁转子142的导体，颈部156的钢用作每个相对的盖板的钢铁垫板。
对于上述实施例来说，下磁转子142定位在传动轨118的相对的两侧上，其作用是使运载车114相对于轨道112进行加速和减速。但是，在该实施例中，两对相对的下磁转子142定位成沿传动轨118一对位于另一对之前(如图10所示)。每对下磁转子142围绕一个下轴168转动，在下磁转子142和传动轨118之间产生相对运动，使运载车114相对于轨道112进行加速或减速。
如图10所示，每个下轴168上固定有一个滑轮159，使下磁转子142随着一条水平传动带161的运动而转动。水平传动带161由一个中央皮带轮163进行驱动，中央皮带轮163由一个竖直传动带165进行驱动。与传动带直接由电机40传动的现有技术中的实施例不同的是，本实施例中的竖直传动带165由一对上磁转子167进行驱动。这些上磁转子167共用一个上轴169和一个驱动竖直传动带165的上皮带轮171。
上磁转子167围绕上轴169的转动导致上皮带轮171的转动，上皮带轮又驱动竖直传动带165，使中央皮带轮163转动。中央皮带轮163的转动驱动相对的水平传动带161，每个水平传动带161驱动一对下轴168中的一个上的一个滑轮159。下轴168的转动导致两对下磁转子142的转动。如上所述，磁转子142相对于传动轨118的转动使运载车114相对于轨道112进行加速或减速。
磁转子167的速度和功率通过相对的一对导体转子173的轴向运动加以调节，导体转子173定位成从相对的两侧对着上磁转子167。导体转子173和相对的上磁转子167的作用类似于已有技术中公知的可调间隙耦合。因此，从导体转子173传送到上磁转子167的扭矩通过改变其间一个间隙175的尺寸而加以改变。在图9所示的实施例中，上轴169左端的耦合的间隙大于上轴右端的间隙。本发明人认为，两个耦合进行配合以驱动上轴169，相对的两个耦合可以独立调节，或者结合起来增大或减小从导体转子173传送到上磁转子167的扭矩。
间隙175通过电机140移向或离开上磁转子167加以调节。电机140具有一个从其突出的与导体转子173相连接的传动轴177。电机140安装在运载车114上一个滑套179处，滑套179沿着一个调节杆181进行侧向移动。一个双向气缸183可以使滑套179沿着调节杆181进行前后移动。气缸183使滑套179在一对内止动件185和一对相对的外止动件187之间沿着调节杆181进行移动。因为导体转子173安装在电机140上，所以电机的轴向移动产生导体转子的轴向移动，因而调节间隙175。
电机140由一个启动器、例如图9所示的一个开关185加以控制。所示的开关185连接在电源、例如一个蓄电池187和电机140之间，可以启动使电机沿着使运载车114相对于轨道112加速或减速的方向进行转动。
图11A和11B分别示出与传动轨118脱离和与传动轨接合的下磁转子142。每个下磁转子142由一个摆臂189连接到运载车114上，摆臂189转动地安装成使磁转子围绕一个基本呈水平的轴线摆动，致使磁转子竖直移动以与传动轨118接合和脱离。一对缆绳191从一个绞盘193延伸穿过滑轮195，由一个启动器197控制，以调节每个下磁转子142的高度。
磁转子142可以升高或降低，以均衡运载车114上负载的重量。特别是，如果负载重，运载车114可以在轨道112上降低高度运行，为了均衡，磁转子142可以升高，反之亦然。
图12和13示出根据本发明一个实施例的一种制动组件202。制动组件202在图12中处于未接合状态，在图13中处于接合状态。
制动组件202包括一个气动活塞204、一个启动器206和一对相对的制动杆208。气动活塞204由一对气动线路210连接到一个控制单元212上。控制单元212通过气动线路210将增压空气输入到气动活塞204或从气动活塞204输出，使其一个内室(未示出)增压，使其一个活塞(未示出)相对于气动活塞进行轴向移动。启动器206与内部活塞连接，由控制单元212加以控制，与内部活塞一起移动。
制动杆208在一对伸长槽214处与启动器206连接。当启动器206下移时，制动杆208的一个销216沿槽214朝内滑动。随着销216沿槽214朝内滑动，制动杆208围绕一个枢点218转动，制动垫220从传动轨118转开。同样，当启动器206如图13所示上移时，销216沿槽214朝外移动，制动杆208围绕枢点218转动，将制动器压在传动轨118上。因为制动组件202与运载车114进行刚性连接，所以当制动垫220压在传动轨118上时，运载车可以相对于轨道112停止移动。
图14至16示出磁铁组件300和运载车314，运载车314配置这种磁铁组件以便于运载车在陡弯的控制。如图15所示，磁铁组件300包括一个永久磁铁302，永久磁铁302装在一个滑架304内，滑架304在一个托架306内侧向移动。滑架304包括一个主体308，主体308接纳朝下的磁铁303，一个钢铁垫板310定位在主体308之上。永久磁铁302接触钢铁垫板310，增大由永久磁铁施加到轨道中相对的磁铁(未示出)上的力的效果。一对臂312将滑架304连接在一个横轴314上。一个套筒316配置成使滑架304沿横轴314的长度进行移动。一对滚轮318由各自的安装杆320连接到滑架304上。滚轮318由压缩轴承322固定在其各自的安装杆320上，安装杆320由各自的螺母324固定在滑架304上。压缩轴承322使滚轮318围绕安装杆320自由转动。一个定位在主体308和滚轮318之间的轴套326在主体和滚轮之间保持所需的间隔。
如图16所示，磁铁组件300由托架306安装到运载车313上的纵向结构件328上。横轴314定向成基本垂直于纵向结构件328，使磁铁组件300相对于运载车自由地进行侧向移动。图16所示的运载车313配置成围绕一个拐角进行移动。这样，磁铁组件300侧向移动，以与轨道330的曲线形状相一致。因为每个磁铁组件300自由移动而不受其它磁铁组件的影响，所以滚轮318根据需要使每个磁铁组件移动，以符合特定的轨道形状。磁铁组件300可以例如由弹簧或其它构件进行偏压，使之进入沿轨道的直线长度移动的状态。同样，磁铁组件300可以配置成没有任何限制地进行移动。
图17示意地示出变型实施例的运载车313，配置成沿轨道的直线长度移动。磁铁302都与纵向结构件328对齐，使运载车313按所需的直线方向沿轨道移动。
本申请人认为，可以对上述的实施例进行改进和变化而不脱离本发明的实质。例如，运载车可以配有一个、两个或多个驱动盘，独立地或组合地使运载车沿前、后方向加速和减速。同样，可以配置或多或少的支承轨，以改变一个特定系统的悬浮力和重量分布特性。如上所述，驱动盘和第三轨可以定位在其它位置，例如定位在运载车之上，呈“悬置”构形。其它的改变和变型对本领域的技术人员而言是显而易见的。因此，本发明的范围仅根据下面的权利要求书加以限定。
本说明书所提到的和/或申请信息单所列举的上述所有美国专利、美国专利申请公开文本、美国专利申请、外国专利、外国专利申请及非专利出版物在这里均作为参考文献。