CN101209676A - 磁悬浮履带式直线电机电力驱动车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮履带式直线电机电力驱动车，包括车架和位于车架内的驱动系统及前进、转向、制动、倒车控制系统，车架两侧各设一条履带，履带与车架之间设有磁悬浮系统，所述驱动系统为固定于车架的初级和镶嵌在履带上的次级构成的左、右两台直线电机，左、右两台直线电机的电磁线圈绕组通过变频器与控制器电气连接，所述前进、转向、制动、倒车控制系统包括对应的控制拉杆和踏板以及与各拉杆和踏板相连的传感器，传感器接入所述控制器。本发明电力驱动车使机械传动系统得到简化，具有环保、速度快、重心低、通过能力强、安全性好等特点。

Description

磁悬浮履带式直线电机电力驱动车

技术领域

本发明涉及一种电动汽车，具体地说是一种磁悬浮履带式直线电机电力驱动车。

背景技术

21世纪将是环保的世纪。当今时代最紧迫的需要之一，即一种替代性的清洁、智能、环保的城市交通系统。电动汽车是一种可行的解决方法，能提高城市空气质量，降低对矿物能源的依赖。关于电动汽车的报道有许多，但关于磁悬浮汽车的报道较少，近期只有一例。如日本埃克奥科技开发公司设计并制作了一个长52厘米，宽23厘米，高14厘米、重4000克的微型磁悬浮汽车模型，并在26米长的直线距离上成功地进行了一次行驶试验，时速达25千米。该汽车所有车轮的中间都安装了旋转发动机；在车轮的外侧，安装了两个磁铁。试验在20毫米厚铝板铺成的路面上进行。当发动机使车轮旋转时，路面铝板上的磁场发生变化，产生感生电流，路面磁场与车轮上的磁铁相互作用产生浮力和推动力。当时速超过10千米时，汽车模型悬浮距路面6至7毫米，而且几乎没有摇晃地向前行驶。这和磁悬浮列车的原理有近似的地方。研究人员将以此为开端，着手研究实用的磁悬浮汽车。除此之外，暂无磁悬浮汽车产品的相关报道。目前还没有检索到关于悬浮履带式直线电机电力驱动车的相关专利。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁悬浮履带式直线电机电力驱动车。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种磁悬浮履带式直线电机电力驱动车，包括车架和位于车架内的驱动系统及前进、转向、制动、倒车控制系统，车架两侧各设一条履带，履带与车架之间设有磁悬浮系统，所述驱动系统为固定于车架的初级和镶嵌在履带上的次级构成的左、右两台直线电机，左、右两台直线电机的电磁线圈绕组通过变频器与控制器电气连接，所述前进、转向、制动、倒车控制系统包括对应的控制拉杆和踏板以及与各拉杆和踏板相连的传感器，传感器接入所述控制器。

所述履带内表面两边铺有高强永磁体，与履带永磁体相对面的车架位置装有极性相同的永磁体和可调节电流的电磁铁，数组永磁体和可调节电流的电磁铁组成可调节悬浮力的悬浮系统，履带绕在车架底部前后的两个支承轮上，车架上还设有履带张紧机构；所述控制器为可编程序控制器或数字信号处理器或单片机或工控机。

所述履带张紧机构的张紧形式有三种：一、下面两个支承轮，中间有一个张紧轮，张紧轮轴线高于两支承轮的轴线；二、下面有两个支承轮，偏前进方向上有一偏置张紧轮；三、由前后两个支承轮组成，两个支承轮中任何一个轮轴位于前后调节滑道中。

所述履带外表面有三种形式，一、由多层橡胶或塑料复合而成实心结构；二、由多层橡胶或塑料复合而成，截面中部为空心结构；三、上中下三层为橡胶或塑料复合而成，中间层是有空隙的斜复合条或呈波纹状的复合条与上下层连接构成。

所述履带内表面有永磁体、直线电机次级、支承导轨组件，这些组件机构有两种布置形式，一、直线电机次级位于履带纵向中部，靠近直线电机次级两边各布置一排永磁体，永磁体外侧各布置一排支承导轨；二、直线电机次级位于履带纵向中部，靠近直线电机次级两边各布置一排支承导轨，支承导轨外侧各布置一排永磁体。

所述直线电机次级可以是以下五种形式之一：一、铁、铜板复合次级，二、铁、铝板复合次级，三、铜板或铜带或铜网和具有软铁性质且具有较高柔性的高导磁性质塑料、橡胶材料复合次级，四、铝板或铝带或铝网和具有软铁性质且具有较高柔性的高导磁性质塑料、橡胶材料复合次级，五、铁板或铁带或铁网和具有软铁性质且具有较高柔性的高导磁性质塑料、橡胶材料复合次级。

所述支承导轨组件包括支承导轨、轴承和与车架连接的车架连接件，结构方式有三种：一、支承导轨截面为倒“T”型，车架连接件上的轴承位于倒“T”型支承导轨两边水平面上；二、支承导轨截面为对称梯型，两腰为车架连接件上轴承的支承面；三、支承导轨截面为梯型，一腰斜面为车架连接件上轴承的支承面。

所述制动系统包括电涡流制动和机械制动装置，所述机械制动装置由位于履带上的支承导轨和与支承导轨相对应的摩擦片组成。

本发明电力驱动车使机械传动系统得到简化，具有很小的转动惯量、速度快、重心低、通过能力强、安全性好等特点。

本发明的优点：

(1)充分利用了直线电机在直接直线驱动的优势，由于转动惯量很小，使电动车加减速性能好，且具有高速性能。悬浮系统使机械摩擦小，可实现变速行驶。采用电池组供电，没有大气污染。

(2)由于采用履带结构，对道路的要求极低，通过能力强，有利于减少道路基础设施的投资。由于整车重心极低，运动平稳。所以不易倾覆，安全性能好，有利于司乘人员的安全。

(3)磁悬浮系统采用电磁、永磁混合悬浮系统，永磁体提供基本的悬浮力，电磁铁提供可控的悬浮力。由于磁力悬浮的作用，使车架和产生振动的部分脱离接触，并可根据需要调节电磁力，使悬浮系统适应不同路况的要求，对改善车辆行驶平顺性和使用性能有重要意义。

附图说明

图1为整车结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3，4，5为三种履带位置形式图；

图6，7，8为车架支承架示意图；

图9，10为永磁体、轨道支承，次级在履带上的两种分布形式；

图11，12，13为三种履带截面示意图；

图14为整车控制系统原理图；

图15为控制系统主程序流程图；

图16为永磁、电磁混合磁悬浮系统组成框图。

图中，1.张紧轮    2、10.支承轮    3，永磁体    4.电磁铁    5.履带6.前制动器(片)    7.直线电机    8.间隙控制轮    9.后制动器(片)11.控制系统装置    12.电池组    13.电子离合器踏板    14.制动踏板15.变速踏板    16.综合显示屏    17.左直线电机控制操纵拉杆18.右直线电机控制操纵拉杆    19.前进倒车复位三联拉杆    20.座椅21.车架    22.直线电机支承架    23.车架支承架    24.支承导轨    25.直线电机次级    26.直线电机初级    27.复合条    28.履带中空心    29.轴承

具体实施方式

如图1、2所示，本电力驱动车整车结构主要包括车架21、以及控制系统部分11、磁悬浮履带部分、驾驶操纵部分、制动部分、电池组12部分。磁悬浮履带部分构成驱动系统，车架21两侧各设一条履带5，驱动系统为固定于车架21的直线电机电磁线圈作为初级和镶嵌在履带5上的复合板(直线电机次级)作为次级构成的左、右两台直线电机7，履带5内表面铺有永磁体3，与履带永磁体3相对面的车架21位置装有极性相同的永磁体3，数组永磁体3和可调节电流的电磁铁4组成可调节悬浮力的悬浮系统，履带5绕在车架21底部前后的两个支承轮2、10上，车架21上还设有张紧轮1顶在履带5内侧。永磁体3是高强永磁铁，直线电机7电磁线圈绕组与车架21上的电池组12电路连接。驾驶操纵部分集中布置在座椅20的前方，综合显示屏16显示有关数据，座椅20前左右两侧分别设置左履带操纵拉杆17和右履带操纵拉杆18。如图1至5所示，左、右两台直线电机7的电磁线圈绕组与变频器、可编程序控制器电气连接，前进、转向、制动、倒车控制系统包括对应的控制拉杆及踏板以及与各拉杆踏板相连的传感器，传感器接入可编程序控制器，可编程序控制器通过变频器与左、右直线电机7控制连接。利用直线电机支承架22的几个间隙控制轮8保证直线电机初级26与次级25保持一定的间隙值，直线电机支承架22与车架21浮动连接，并可对直线电机支承架22相对的履带5的接触地面起到一定的仿形作用。使直线电机初级26与次级25的间隙不因路况的变化而产生大的波动。利用直线电机7作为履带式电动车辆的动力源，电磁推力推动车架使履带向前平铺，从而实现电动车辆向前行驶。履带内表面的永磁体3、直线电机次级25、支承导轨24组件的布置形式可以如图9所示，直线电机次级25位于履带5纵向中部，靠近直线电机次级25两边各布置一排永磁体3，永磁体3外侧各布置一排支承导轨24。履带内表面的永磁体3、直线电机次级25、支承导轨24组件的布置形式也可以按图10所示布置，直线电机次级25位于履带5纵向中部，靠近直线电机次级25两边各布置一排支承导轨24，支承导轨24外侧各布置一排永磁体3。如图2所示，驾驶室内安放前进倒车复位三联拉杆19、左右转向拉杆17，18、电子离合器踏板13、变速踏板15、制动踏板14、停止按钮等，这些操作拉杆和按钮与基于可编程逻辑控制器和变频器的控制系统11相连。

如图3所示，履带张紧机构的张紧形式还可以是下面两个支承轮2、10中的一个轮轴位于前后调节滑道中。如图4所示，履带张紧机构的张紧形式可以是下面两个支承轮2、10，中间有一个张紧轮1，张紧轮1轴线高于两支承轮2、10的轴线。如图5所示，履带张紧机构的张紧形式也可以是下面有两个支承轮2、10，偏前进方向上有一偏置张紧轮1。

如图6所示的车架支承架示意图中，支承导轨24截面为倒“T”型，车架连接件支承架23上的轴承29位于倒“T”型支承导轨24两边水平面上。如图7所示，支承导轨组件与车架连接还可以采用以下形式，支承导轨24截面为对称梯型，两腰为车架连接件支承架23上轴承29的支承面。如图8所示，支承导轨组件与车架连接还可以采用以下形式，支承导轨24截面为梯型，一腰斜面为车架连接件支承架23上轴承29的支承面。

汽车的制动部分。汽车的制动系统是用以强制行驶中的汽车减速或停车、使下坡行驶的汽车的车速保持稳定以及使已停驶的汽车在原地(包括在斜坡上)驻留不动的机构。随着高速公路的迅速发展和车速的提高以及车流密度的日益增大，为了保证行车安全，汽车制动系统的工作可靠性显得日益重要。也只有制动性能良好，制动系统可靠的汽车，才能充分发挥其动力性能。根据汽车制动系统至少有两套的思想，在设计的汽车当中也设计了两套制动系统。其一是电气式的，即当需要刹车时，停止给初级线圈供电，但由于惯性，初、次级间还有相对运动，由于这个相对运动造成的初、次级切割磁力线，产生感应电动势，从而产生一个反相作用力，对汽车有一定的制动作用。另也可接通直流电，进行直流电制动。其二是机械式的，为了安全起见，采用了一般汽车上的那种机械式，即钳摩擦块式的制动装置，为了使制动更安全，避免在制动时产生侧滑和前滚翻，所以在装置上采取了一定的措施，开始制动时，当制动踏板14踏到一定的程度时，后制动器9先制动，当制动踏板14继续向下运动时，前制动器6才开始起作用。前、后制动器6、9采用轻合金制造，是做成整体的，制动液压缸产生的压力通过制动器6，9作用于制动块，进而作用于制动支承导轨24实现摩擦制动。

履带外表面可以采用图11所示的由多层橡胶或塑料复合而成实心结构形式，也可以采用图12所示的由多层橡胶或塑料复合而成，截面中部为空心结构28形式，还可以采用图13所示上中下三层为橡胶或塑料复合而成，中间层是有空隙的斜复合条或呈波纹状的复合条27与上下层连接构成形式。

控制系统实现原理如图14、15所示。利用变频调速的原理，通过改变两侧作为行走机构的直线电机的速度实现转向和变速，通过改变电磁线圈绕组的通电相序实现倒车，通过直流电制动结合机械制动的方式实现可靠的制动。建立基于可编程序控制器的控制系统对整车的转向、变速、倒车和制动等功能进行协调控制。根据转向拉杆的位置，传感器变送输出模拟信号到可编程序控制器的模数转换模块，变换成数字量，数字量经可编程序控制器按照一定的算法处理，变成新的数字量，输出到可编程序控制器的数模转换模块，变换成新的模拟信号，输送到变频器的频率设定端，当左转时，控制左右直线电机7的变频器的频率设定端的输入模拟信号(电压或电流)的大小，使右边变频器频率设定端的输入电压或电流大于左边的，由变频器控制电机速度，即右边直线电机的速度高于左边的，从而实现整车左转。同理可实现右转向。车辆加减速时，根据变速脚踏板15踏下的不同位置，传感器输出模拟信号到可编程序控制器的模数转换模块，变换成数字量，数字量经可编程序控制器按照一定的算法处理加工，变成新的数字量，输出到可编程序控制器的数模转换模块，变换成新的模拟信号，输送到变频器的频率设定端，从而控制直线电机7变频调速。制动时，制动踏板14踩下，机械制动系统作用，同时利用变频器的制动单元结合制动电阻实现能耗制动，当频率下降到10Hz左右，接通直流电，进行直流电制动。倒车时按预设速度，一档倒车。另外，设置前进倒车复位三联档位19、制动踏板14、停止按钮等开关量，由可编程序控制器对相应的功能进行协调控制。保证在前进过程中能够实现转向、变速、制动，在倒车过程中能够实现转向和制动。

磁悬浮系统实现原理如图16所示。磁悬浮系统采用电磁、永磁混合系统。它包括电磁铁、永磁体、可编程序控制器(PLC)、固态调压器、直流电源等部分。永磁体是用高强永磁铁3，电磁铁4使用直流电磁铁，如果对线圈通电使电磁铁产生的极性与永磁体的极性相同，那么电磁铁4与履带5上的永磁体3将会相互排斥悬浮。永磁体3提供基本的悬浮力，电磁铁4起调节作用，只要使电磁、永磁合力与悬浮体的重力相平衡，悬浮体就可以悬浮在不同的位置而处于平衡状态。车架上对称安装着四组永磁体3和电磁铁4，履带上铺着永磁体3。当电磁铁4不通电时，实验车通过安装在车上的永磁体3与履带上的永磁体3相互排斥，悬浮于某一位置。当电磁铁4通电时，系统通过控制直流电磁铁4的端电压来实现对悬浮位置的控制，电磁铁4的端电压的变化引起电流的变化，从而使电磁力变化。为了有效控制，采用了PWM方式来调节输出到电磁铁4上的电压。可编程序控制器(PLC)经过运算后输出的是数字量，而输出到电磁铁4上的电压值是模拟量，必须通过D/A转换电路，将数值转换成模拟量，输出到电磁铁上，以实现对悬浮位置的控制。当选择不同的悬浮档位时，控制器会得到不同的输入数字信号，经运算处理和数模转换后将其输入到固态调压器中，固态调压器根据输入的模拟信号进行调节，控制电磁铁4的端电压，使电磁线圈得到不同的电流，产生大小不同垂直方向上的电磁力，加上车架21上的永磁体3的磁力，与铺在履带5上的永磁体3的磁场相互作用，电磁、永磁的合力将车架悬浮于不同的位置，从而实现可控制的悬浮。本悬浮系统具有自我稳定悬浮功能：当车架受到外界干扰向下偏移时，悬浮气隙减小，磁场力变大(磁场力与悬浮气隙的平方成反比)，而车架重力大小方向不变，使车架回到原平衡位置。同理，当车架向上偏移时，磁场力变小，重力不变，车架仍然要回到原平衡位置。这是一种典型的重力与磁力维持自动平衡的实例。

Claims (8)

1.一种磁悬浮履带式直线电机电力驱动车，包括车架和位于车架内的驱动系统及前进、转向、制动、倒车控制系统，其特征在于：车架两侧各设一条履带，履带与车架之间设有磁悬浮系统，所述驱动系统为固定于车架的初级和镶嵌在履带上的次级构成的左、右两台直线电机，左、右两台直线电机的电磁线圈绕组通过变频器与控制器电气连接，所述前进、转向、制动、倒车控制系统包括对应的控制拉杆和踏板以及与各拉杆和踏板相连的传感器，传感器接入所述控制器。

2.如权利要求1所述的磁悬浮履带式直线电机电力驱动车，其特征在于：所述履带内表面两边铺有高强永磁体，与履带永磁体相对面的车架位置装有极性相同的永磁体和可调节电流的电磁铁，数组永磁体和可调节电流的电磁铁组成可调节悬浮力的悬浮系统，履带绕在车架底部前后的两个支承轮上，车架上还设有履带张紧机构；所述控制器为可编程序控制器或数字信号处理器或单片机或工控机。

3.如权利要求2所述的磁悬浮履带式直线电机电力驱动车，其特征在于：所述履带张紧机构的张紧形式有三种：一、下面两个支承轮，中间有一个张紧轮，张紧轮轴线高于两支承轮的轴线；二、下面有两个支承轮，偏前进方向上有一偏置张紧轮；三、由前后两个支承轮组成，两个支承轮中任何一个轮轴位于前后调节滑道中。

4.如权利要求2所述的磁悬浮履带式直线电机电力驱动车，其特征在于：所述履带外表面有三种形式，一、由多层橡胶或塑料复合而成实心结构；二、由多层橡胶或塑料复合而成，截面中部为空心结构；三、上中下三层为橡胶或塑料复合而成，中间层是有空隙的斜复合条或呈波纹状的复合条与上下层连接构成。

5.如权利要求2所述的磁悬浮履带式直线电机电力驱动车，其特征在于：所述履带内表面有永磁体、直线电机次级、支承导轨组件，这些组件机构有两种布置形式，一、直线电机次级位于履带纵向中部，靠近直线电机次级两边各布置一排永磁体，永磁体外侧各布置一排支承导轨；二、直线电机次级位于履带纵向中部，靠近直线电机次级两边各布置一排支承导轨，支承导轨外侧各布置一排永磁体。

6.如权利要求5所述的磁悬浮履带式直线电机电力驱动车，其特征在于：所述直线电机次级可以是以下五种形式之一：一、铁、铜板复合次级，二、铁、铝板复合次级，三、铜板或铜带或铜网和具有软铁性质且具有较高柔性的高导磁性质塑料、橡胶材料复合次级，四、铝板或铝带或铝网和具有软铁性质且具有较高柔性的高导磁性质塑料、橡胶材料复合次级，五、铁板或铁带或铁网和具有软铁性质且具有较高柔性的高导磁性质塑料、橡胶材料复合次级。

7.如权利要求5任一所述的磁悬浮履带式直线电机电力驱动车，其特征在于：所述支承导轨组件包括支承导轨、轴承和与车架连接的车架连接件，结构方式有三种：一、支承导轨截面为倒“T”型，车架连接件上的轴承位于倒“T”型支承导轨两边水平面上；二、支承导轨截面为对称梯型，两腰为车架连接件上轴承的支承面；三、支承导轨截面为梯型，一腰斜面为车架连接件上轴承的支承面。

8.如权利要求1至7任一所述的磁悬浮履带式直线电机电力驱动车，其特征在于：所述制动系统包括电涡流制动和机械制动装置，所述机械制动装置由位于履带上的支承导轨和与支承导轨相对应的摩擦片组成。

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