CN105216545B - 一种内轮与外轮相分离的转速可控的吸引性磁悬浮轮子 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内轮与外轮相分离的转速可控的吸引性磁悬浮轮子，该轮子包括内轮、外轮、吸引性悬浮系统、牵引系统、导向系统、控制系统、通信系统和供电系统。本发明设计的磁悬浮轮子摆脱了电机和车轴对现有轮子的束缚，可由控制系统采用有线或无线的方式控制转速，并且同一车轴可连接多个轮子，为轮子的应用和创新提供了新的突破点。

Description

一种内轮与外轮相分离的转速可控的吸引性磁悬浮轮子

技术领域

本发明涉及交通领域，具体涉及一种内轮与外轮相分离的转速可控的吸引性磁悬浮轮子。

背景技术

现有的轮子由轮子的外圈、与外圈相连接的辐条和中心轴构成，轮子的中心轴与物体通过车轴相连接，由电机驱动轮子的转动。因此，轮子的转速控制只能通过电机的转速控制实现，并且同一车轴只能与一只轮子相连，这对轮子的应用和创新带来了很大的局限性，如何使轮子的转速调控摆脱电机和车轴的束缚是突破这一局限的关键。基于现有的磁悬浮技术和直线电机的原理，我们考虑将轮子的外圈与内圈和中心轴相分离，通过控制系统采用无线或有线方式控制轮子的转速，从而使轮子的转速调控摆脱电机和车轴的束缚。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于磁悬浮原理的内轮与外轮相分离的转速可控的吸引性磁悬浮轮子。本发明磁悬浮轮子可由控制系统采用有线或无线的方式控制转速，并且同一车轴可连接多个轮子。

本发明采用的技术方案如下：一种基于磁悬浮的轮子包括内轮、外轮、吸引性悬浮系统、牵引系统、导向系统、控制系统、通信系统和供电系统。

所述的内轮和外轮为同心圆，且外轮的过中心轴线的任意截面呈半包内轮的过中心轴线的任意截面的形状；所述内轮开有中心通孔；所述的内轮的中心通过轴与轮子所安装的物体相连。

所述的内轮和外轮优选以下结构：过内轮的中心轴线的任意截面为两个T型结构，且两个T型结构的尾端相对；所述外轮的过中心轴线的任意截面为C型结构，并且C型结构的A-B段和I-J段与内轮的两个T型首端下平面相平行，C-D段和G-H段与内轮的两个T型首端侧面相平行，E-F段与内轮的T型首端上平面相平行，C型结构的其他段以光滑曲线相连接。所述的轮子所安装的物体是指任何安装有本发明的轮子的物体。

所述的吸引性悬浮系统包括2n个悬浮单元，n≥4；所述的悬浮单元包括悬浮初级、悬浮次级和悬浮气隙传感器；所述的悬浮初级为电磁铁，位于内轮，优选位于内轮的T型首端的两个下平面的下侧；所述的悬浮次级为永磁体或金属板，位于外轮，优选位于外轮的C型结构内侧的A-B段和I-J段；所述的悬浮气隙传感器位于内轮或外轮，优选位于T型首端的两个下平面的下侧或位于外轮的C型结构内侧的A-B段和I-J段；所述的悬浮初级产生的磁场与悬浮次级所产生的磁场相互作用以提供外轮相对内轮悬浮的悬浮力，使外轮相对内轮悬浮；所述的悬浮力为吸引力，悬浮力的方向与内轮半径方向一致。

所述的电磁铁为直流激磁或交流激磁，优选直流激磁；所述的悬浮次级可以为多种形状，优选U型次级。

所述的牵引系统可由一个或多个牵引单元构成；所述的牵引单元包括牵引初级、牵引次级和位置传感器；所述的牵引初级为三相交流绕组或三相交流轨道，位于内轮，优选位于内轮的T型首端的上平面的上侧；所述的牵引次级为金属板或超导磁体，位于外轮，优选位于外轮的C型结构内侧的E-F段；所述的位置传感器分布于外轮，优选位于外轮的C型结构内侧的E-F段；所述的牵引初级与牵引次级所产生的磁场相互作用，为外轮运动提供切向力。所述的切向力与轮子的半径及内轮的中心轴线相垂直并指向车轮前进方向。

所述的导向系统包括2m个导向单元，m≥4；所述的导向单元包括导向初级、导向次级和导向气隙传感器；所述的导向初级为电磁铁，位于内轮，优选位于内轮的两个T型首端侧面的外侧；所述的导向次级为永磁体或金属板，位于外轮，优选位于外轮的C型结构内侧的C-D段和G-H段；所述的导向气隙传感器位于内轮或外轮，优选位于内轮的两个T型首端侧面的外侧或外轮的C型结构内侧的C-D段和G-H段；所述的导向初级产生的磁场与导向次级所产生的磁场相互作用以提供导向力；所述的导向力为吸引力，并与内轮的中心轴线相平行。

所述的电磁铁为直流激磁或交流激磁，优选直流激磁；所述的导向次级可以为多种形状，优选U型次级；所述的导向系统在控制系统检测到气隙值大于设定的气隙阈值ε时，由控制系统发出指令调节导向力的大小；所述ε为工艺设计时人为设定的气隙值。

所述的控制系统位于轮子本身或轮子所安装的物体；当控制系统位于轮子本身，控制系统需要通过通信系统与轮子所安装物体的控制系统通信，获取用户的控制指令，并通过轮子本身的通信系统与安装在轮子上的传感器和供电系统通信实现控制轮子的目的；当控制系统位于轮子所安装物体时，控制系统直接获取用户指令，并通过通信系统与安装在轮子上的传感器和供电系统通信实现控制轮子的目的；所述的传感器是指悬浮气隙传感器、导向气隙传感器和位置传感器。

所述的通信系统的通信方式包括有线和无线。

所述的供电系统包括直流供电、三相交流供电和电能储存三部分；所述的直流供电向吸引性悬浮系统和导向系统的电磁铁供电；所述的三相交流供电向牵引系统的三相交流绕组或三相交流轨道的轨道线圈供电；所述的电能储存用于储存电能；所述的电能储存系统将电能转换为直流电和三相交流电分别供应至相应的系统。

进一步地，所述的吸引性悬浮系统的具体工作方法如下：

1)2n个悬浮初级分两列分别均匀分布于内轮，对应于2n悬浮初级有2n个悬浮次级分布于外轮，2n个悬浮气隙传感器位于内轮或外轮并对应于悬浮初级和悬浮次级分布；

2)供电系统向悬浮初级供电，悬浮初级与悬浮次级相互作用产生悬浮力F_l，使内轮与外轮分离产生气隙，第i个悬浮气隙传感器对应的气隙高度为h_i,(i＝1,2,3…2n-1,2n)；

3)控制系统连续检测第i个悬浮气隙传感器处的气隙高度h_i，判断h_i是否满足h_i＝h₀，若满足，则控制系统无操作；若h_i<h₀，则增大悬浮力F_li,(i＝1,2,3…2n-1,2n)，F_li为第i个悬浮初级和对应的悬浮次级提供的悬浮力；若h_i>h₀，则减小悬浮力F_li,(i＝1,2,3…2n-1,2n)。其中，所述h₀为工艺设计时人为设定的气隙值。

当牵引次级由金属板构成时，牵引初级为三相交流绕组，所述的牵引系统的具体工作方法如下:

1)用户设定当前的行驶速度v，控制系统获取行驶速度v；

2)控制系统发出指令，在构成牵引初级的三相绕组中通入三相对称正弦电流，产生气隙磁场，当不考虑由于铁心两端开断而引起的纵向边端效应时，这个气隙磁场的的分布情况可看成沿展开的直线方向呈正弦形分布；当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按A、B、C相序沿轮子内环边缘移动，行波磁场的移动速度为v_s，v_s＝2fτ，τ为极距，f为电流频率；

3)由金属板构成的外轮在行波磁场切割下，将产生感应电动势并形成电流；

电流和气隙磁场相互作用便产生切向电磁推力F_x，在F_x的作用下，内轮固定不动，那么外轮就顺着行波磁场运动的方向运动，外轮的线速度用v表示，转差率用是s表示，则有v＝(1-s)v_s；

4)位置传感器连续监测位置信息，将位置信息发送至控制系统，控制系统通过位置信息获取当前的轮子的线速度v′，将当前轮子的线速度v′与用户设定的行驶速度v进行比较，若v′<v，则通过调节电流频率f或转差率s增大F，以增大v′；若v′>v，则通过调节电流频率f或转差率s减小F，以减小v′；若v′＝v，则不做任何操作。

5)用户发出制动指令，则在三相交流绕组中通入反向电流，直到控制系统获取到的轮子当前线速度v′＝0，停止向牵引系统供电。

当牵引次级为超导磁体时，牵引初级为三相交流轨道线圈，所述的牵引系统具体的工作方法如下：

1)用户设定当前的行驶速度v，控制系统获取行驶速度v；

2)控制系统发出指令，交流电源向构成牵引初级的三相交流轨道供电，产生交流磁场；

3)构成牵引次级的超导磁体在交流磁场的作用下产生感应电动势和感应电流；感应电流和交流磁场相互作用便产生切向电磁推力F，在F_x的作用下，内轮固定不动，那么外轮就顺着行波磁场运动的方向运动，外轮的线速度用v表示，则有v＝2fτ；其中，τ为超导磁体和三相交流轨道的极距，f为交流轨道输入电流频率；

4)位置传感器连续监测位置信息，将位置信息发送至控制系统，控制系统通过位置信息获取当前的轮子的线速度v′，将当前轮子的线速度v′与用户设定的行驶速度v进行比较，若v′<v，则通过调节电流频率f增大F，以增大v′；若v′>v，则通过调节电流频率f减小F，以减小v′；若v′＝v，则不做任何操作。

5)用户发出制动指令，则在三相交流轨道中通入反向电流，直到控制系统获取到的轮子当前线速度v′＝0，停止向牵引系统供电。

所述的导向系统的具体工作方法如下：

1)2m个导向初级分两列分别均匀分布于内轮，对应于2m个导向初级有2m个导向次级分布于外轮，2m个导向气隙传感器位于内轮或外轮对应于导向初级或导向次级分布；

2)2m个导向气隙传感器连续检测各个位置的气隙值l_i,(i＝1,2,3…2m-1,2m)，并将气隙值发送至控制系统，控制系统将各个位置的气隙值与气隙阈值ε相比较，当与内轮相连的轴带动内轮发生侧向偏移使得l_i>ε时，控制系统发出指令调节导向力的大小；

3)控制系统发出指令后，供电系统向导向初级供电，导向初级与导向次级相互作用产生吸引力F_di,(i＝1,2,3…2m-1,2m)，直到控制系统检测到l_i＝ε,(i＝1,2,3…2m-1,2m)，导向系统停止运行。

本发明的有益效果是：

1)本发明所设计的基于磁悬浮的轮子的内轮与外轮通过悬浮力相分离，内轮经轴与物体直接相连，内轮固定不动，通过外轮的旋转使物体前进，因此不存在轮子与轴之间的摩擦力作用，从而减少了能量损失；

2)本发明所设计的基于磁悬浮的轮子的转速由控制系统直接控制，摆脱电机的束缚；

3)本发明所设计的基于磁悬浮的轮子的牵引力由电磁力提供，摆脱了轴与轮子之间的摩擦力的束缚，可极大提高物体的行驶速度；

4)本发明所设计的基于磁悬浮的轮子可实现同一轴上安装多个轮子，各个轮子的内轮可直接与轴相连，并且各个轮子的旋转速度可不同。

附图说明

图1是本发明外轮与内轮的结构设计图；

图2是本发明外轮截面的C型结构示意图；

图3是本发明的结构设计图；

图4是本发明的吸引性悬浮系统的一对悬浮初级和悬浮次级的结构示意图；

图5是本发明的求解吸引性悬浮系统的悬浮力时的u平面上保角变换的坐标系统；

图6是本发明的牵引系统在牵引次级为金属板时在供电后产生的行波磁场示意图；

图7是本发明的牵引系统在牵引次级为金属板时供电后产生的行波磁场引起的牵引次级中的涡流示意图；

图8是本发明的牵引系统的牵引次级为金属板时的模型示意图；

图9是本发明的牵引系统在牵引次级为超导磁体时的结构示意图。

图中所示：

1：T型首端上平面，2：T型首端下平面，3：T型首端侧面，4：T型尾端，5：悬浮初级，6：悬浮次级，7：悬浮气隙传感器，8：导向初级，9：导向次级，10：导向气隙传感器，11：牵引初级，12：牵引次级，13：位置传感器，14：内轮，15：外轮，16：行波磁场。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图详细说明本发明的工作原理和所达到的效果。

本发明所述的一种基于磁悬浮的轮子包括内轮14、外轮15、吸引性悬浮系统、牵引系统、导向系统、控制系统、通信系统和供电系统。

所述的内轮14和外轮15为同心圆，且外轮15的过中心轴线的任意截面呈半包内轮14的过中心轴线的任意截面的形状；所述内轮14开有中心通孔；所述的内轮14的中心通过轴与轮子所安装的物体相连。

所述的内轮14和外轮15优选以下结构：过内轮14的中心轴线的任意截面为两个T型结构，且两个T型结构的尾端4相对；所述外轮15的过中心轴线的任意截面为C型结构，并且C型结构的A-B段和I-J段与内轮14的两个T型首端下平面2相平行，C-D段和G-H段与内轮14的两个T型首端侧面3相平行，E-F段与内轮14的T型首端上平面1相平行，C型结构的其他段以光滑曲线相连接。所述的轮子所安装的物体是指任何安装有本发明的轮子的物体。

所述的吸引性悬浮系统包括2n个悬浮单元，n≥4；所述的悬浮单元包括悬浮初级5、悬浮次级6和悬浮气隙传感器7；所述的悬浮初级5为电磁铁，位于内轮14，优选位于内轮14的T型首端的两个下平面2的下侧；所述的悬浮次级6为永磁体或金属板，位于外轮15，优选位于外轮15的C型结构内侧的A-B段和I-J段；所述的悬浮气隙传感器7位于内轮14或外轮15，优选位于T型首端的两个下平面2的下侧或位于外轮15的C型结构内侧的A-B段和I-J段；所述的悬浮初级5产生的磁场与悬浮次级6所产生的磁场相互作用以提供外轮15相对内轮14悬浮的悬浮力，使外轮15相对内轮14悬浮；所述的悬浮力为吸引力，悬浮力的方向与内轮14半径方向一致。

所述的电磁铁为直流激磁或交流激磁，优选直流激磁；所述的悬浮次级可以为多种形状，优选U型次级。

所述的牵引系统可由一个或多个牵引单元构成；所述的牵引单元包括牵引初级11、牵引次级12和位置传感器13；所述的牵引初级11为三相交流绕组或三相交流轨道，位于内轮14，优选位于内轮14的T型首端的上平面1的上侧；所述的牵引次级12为金属板或超导磁体，位于外轮15，优选位于外轮15的C型结构内侧的E-F段；所述的位置传感器13分布于外轮15，优选位于外轮15的C型结构内侧的E-F段；所述的牵引初级11与牵引次级12所产生的磁场相互作用，为外轮15运动提供切向力。所述的切向力与轮子的半径及内轮14的中心轴线相垂直并指向车轮前进方向。

所述的导向系统包括2m个导向单元，m≥4；所述的导向单元包括导向初级8、导向次级9和导向气隙传感器10；所述的导向初级8为电磁铁，位于内轮14，优选位于内轮14的两个T型首端侧面3的外侧；所述的导向次级9为永磁体或金属板，位于外轮15，优选位于外轮15的C型结构内侧的C-D段和G-H段；所述的导向气隙传感器10位于内轮14或外轮15，优选位于内轮14的两个T型首端侧面3的外侧或外轮15的C型结构内侧的C-D段和G-H段；所述的导向初级8产生的磁场与导向次级9所产生的磁场相互作用以提供导向力；所述的导向力为吸引力，并与内轮14的中心轴线相平行。

所述的电磁铁为直流激磁或交流激磁，优选直流激磁；所述的导向次级9可以为多种形状，优选U型次级；所述的导向系统在控制系统检测到气隙值大于设定的气隙阈值ε时，由控制系统发出指令调节导向力的大小；所述ε为工艺设计时人为设定的气隙值。

所述的控制系统位于轮子本身或轮子所安装的物体；当控制系统位于轮子本身，控制系统需要通过通信系统与轮子所安装物体的控制系统通信，获取用户的控制指令，并通过轮子本身的通信系统与安装在轮子上的传感器和供电系统通信实现控制轮子的目的；当控制系统位于轮子所安装物体时，控制系统直接获取用户指令，并通过通信系统与安装在轮子上的传感器和供电系统通信实现控制轮子的目的；所述的传感器是指悬浮气隙传感器7、导向气隙传感器10和位置传感器13。

所述的通信系统的通信方式包括有线和无线。

所述的供电系统包括直流供电、三相交流供电和电能储存三部分；所述的直流供电向吸引性悬浮系统和导向系统的电磁铁供电；所述的三相交流供电向牵引系统的三相交流绕组或三相交流轨道的轨道线圈供电；所述的电能储存用于储存电能；所述的电能储存系统将电能转换为直流电和三相交流电分别供应至相应的系统。

实施例

基于磁悬浮的轮子包括内轮14和外轮15，内轮14和外轮15的截面图如图1所示，外轮15截面的C型结构如图2所示，以及吸引性悬浮系统、牵引系统、导向系统、控制系统、通信系统和供电系统，如图3所示。吸引性悬浮系统包括2n个悬浮单元，n≥4，每个悬浮单元包括悬浮初级5、悬浮次级6和悬浮气隙传感器7；牵引系统包括牵引初级11、牵引次级12和位置传感器13；导向系统包括2m个导向单元，m≥4，每个导向单元包括导向初级8、导向次级9和导向气隙传感器10。

控制系统获取启动指令和速度指令后，供电系统向吸引性悬浮系统供电。在悬浮力F_l的作用下，内轮14与外轮15相分离，悬浮气隙传感器7将各个位置的气隙值h_i,(i＝1,2,3…2n-1,2n)通过通信系统反馈至控制系统，控制系统通过控制系统连续检测第i个悬浮气隙传感器7处的气隙高度h_i，判断h_i是否满足h_i＝h₀，若满足，则控制系统无操作；若h_i<h₀，则增大悬浮力F_li,(i＝1,2,3…2n-1,2n)，F_li为第i个悬浮初级5和对应的悬浮次级6提供的悬浮力；若h_i>h₀，则减小悬浮力F_li,(i＝1,2,3…2n-1,2n)。其中，所述h₀为工艺设计时人为设定的气隙值。

每一对悬浮初级5和悬浮次级6采用如图4所示的形状，在悬浮初级5与悬浮次级6之间存在的吸引力F_li,(i＝1,2,3…2n-1,2n)作为悬浮力，以下具体求解悬浮力F_li：

如图5所示，根据许瓦兹-克利司多菲定理，用下式将平面在u平面中变换为t平面：

u＝y+jz

t＝t₁+jt₂

u平面中的拐角点与t平面中的对应点如下：

u＝j∞对应于t＝-∞，u＝jg₁对应于t＝-1，u＝-∞对应于t＝0，u＝y₀对应于t＝a，u＝y₀-j∞对应于t＝∞。

经推导运算得：

其中，

进行二次变换，把t平面的上半部变换为在w平面中相距为ψ₀的两无限长平面之间的区域，得

或

一个悬浮单元的悬浮力F_Li为：

其中，L₁为磁体长度，而麦克斯韦应力张量Γ_zz和Γ_yy则为：

由以上诸式可得：

上式中，t₀对应于点

当控制系统检测到各个位置的气隙值满足h_i＝h₀,(i＝1,2,3…2n-1,2n)时，控制系统发出指令，供电系统向牵引系统供电。当牵引次级12由金属板构成时，牵引初级11为三相交流绕组时，供电系统向构成牵引初级11的三相绕组中通入三相对称正弦电流，产生气隙磁场，当三相电流随时间变化时，气隙磁场将按A、B、C相序沿轮子内环边缘移动，如图6所示，行波磁场的移动速度为v_s，v_s＝2fτ，τ为极距，f为电流频率。由金属板构成的外轮15在行波磁场切割下，将产生感应电动势并形成电流，如图7中所示为金属板中的感应电流分布，图中I_δ为初级铁心的叠片厚度，c为次级在I_δ长度方向伸出的初级铁心的宽度，它用来作为牵引次级12感应电流的端部通路。电流和气隙磁场相互作用便产生切向电磁推力F_x，在F_x的作用下，内轮14固定不动，那么外轮15就顺着行波磁场运动的方向运动，外轮15的线速度用v表示，转差率用是s表示，则有v＝(1-s)v_s。位置传感器13连续监测位置信息，将位置信息发送至控制系统，控制系统通过位置信息获取当前的轮子的线速度v′，将当前轮子的线速度v′与用户设定的行驶速度v进行比较，若v′<v，则通过调节电流频率f或转差率s增大F_x，以增大v′；若v′>v，则通过调节电流频率f或转差率s减小F，以减小v′；若v′＝v，则不做任何操作。当控制系统检测到用户发出制动指令时，则在三相交流绕组中通入反向电流，直到控制系统获取到的轮子当前线速度v′＝0，停止向牵引系统供电。以下具体求解牵引力F_x：

牵引系统可简化为牵引电机为有限厚度h的模型，如图8所示，依此模型，可得在行波磁场下单位波长的牵引力F_xλ。牵引系统的模型是由以下四层组成的：初级、气隙、次级和次级下面的空间。为了简化分析，作如下的假设：

1)各层在±x轴方向无限延伸；2)次级在y轴方向无限延伸；3)激磁绕组嵌在初级的槽里。为简便计，认为初级是光滑的，以便用只有宽度没有厚度的电流层表示电机的激磁；4)次级只在x方向运动；5)各层的物理常数是均质的，各向同性的，并且是线性的；6)铁磁材料没有饱和；7)忽略z轴方向的变化；8)各电流仅在z轴方向流动；9)初级是由钢片叠成，从而可以忽略z方向的导电率；10)时间量和空间量都是按正弦规律变化的；11)假设气隙很小，以致于气隙磁密B没有边缘效应或不衰减。

根据上述假设麦克斯韦方程为：

对于运动介质的欧姆定律为：

J＝σ(E+v×B)

因为位移电流密度可以忽略在工频时)，所以式变为：

故得：

矢量磁位A定义为：

将式代入式得

展开得：

又设无自由电荷)，因此

当加上适当的激磁时，由初级在气隙里建立的在y方向的行波磁场为：

B_y＝B_me^j(wt-βx)

由于假设A是在z方向上并且不是z的函数，所以

其中是z方向的单位矢量。故由得：

其中

由于由初级产生的气隙磁场同步速v_s移动着。此同步速度与转差率s以及次级速度v_x的关系为：v_x＝(1-s)v_s

因为故由式得

若令

对于区域3即次级)，由式得

对区域4，有β＝a

式的解可分别假设为：

A_z3＝(C₁e^ay+C₂e^-ay)e^j(wt-βx)

A_z4＝(C₃e^βy+C₄e^-βy)e^j(wt-βx)

因为故可得：

采用以下边界条件：

y＝0,B_y＝B_me^j(wt-βx)

y＝h,B_y3＝B_y4,H_x3＝H_x4

y→∞,A₄＝0

可解得：

C₃＝0

因此可得：

其中，

由洛伦兹力方程得出力密度F为：

F＝J×B

其中，J＝σ(E+v×B)

由于在区域2中σ＝0，故F＝0

在区域3中可得，F₃＝J₃×B₃

将式J＝σ(E+v×B)代入式F₃＝J₃×B₃可得

F₃＝σ(E₃×B₃+v×B₃×B₃)

将E₃＝-jwA₃,B₃＝jβA₃代入式F₃＝σ(E₃×B₃+v×B₃×B₃)可得

故F_x3＝-σ(E_z3B_y3+v_xB_y3B_y3)

故在x方向上对时间平均的力密度为：

其中A₃ ^*为A₃的共轭复数。

由式可得，

于是平均力密度可写为：

对于宽为l厚为h的次级，在沿x方向上单位波长λ产生的力，可由平均力密度表达式乘以l和沿厚度h积分来求得。

其中

当牵引次级12为超导磁体时，控制系统发出指令，供电系统向构成牵引初级11的三相交流轨道供电，产生交流磁场，构成牵引次级12的超导磁体在交流磁场的作用下产生感应电动势和感应电流，感应电流和交流磁场相互作用便产生切向电磁推力F_x，在F_x的作用下，内轮14固定不动，那么外轮15就顺着行波磁场运动的方向运动，外轮15的线速度用v表示，则有v＝2fτ；其中，τ为超导磁体和三相交流轨道的极距，f为交流轨道输入电流频率。位置传感器13连续监测位置信息，将位置信息发送至控制系统，控制系统通过位置信息获取当前的轮子的线速度v′，将当前轮子的线速度v′与用户设定的行驶速度v进行比较，若v′<v，则通过调节外加电压u或电流频率f增大F_x，以增大v′；若v′>v，则通过调节外加电压u或电流频率f减小F_x，以减小v′；若v′＝v，则不做任何操作。当控制系统检测到制动指令时，供电系统在三相交流轨道中通入反向电流，直到控制系统获取到的轮子当前线速度v′＝0，停止向牵引系统供电。以下具体求解牵引力F_x：

当牵引次级12为超导磁铁时，可简化为如图9所示得模型，在此模型下可得牵引力F_x。

当考虑三个磁场线圈的作用时，在一个轨道线圈中总的感应电压为

其中位置x与同步速度v_s的关系式为：

x＝v_st

N个磁体线圈在一个轨道相中的总感应电压为：

u_e＝Nu_0c

对于通电轨道，在忽略谐波的理想情况下，稳态时的电压平衡方程式按一相来表示)可写为u＝RI+jwI-u_eie^-jδ。

其中，u为外加电压；R为轨道电阻(Ω)；L为轨道电感；I为轨道中的电流；u_ei为感应电压的基波分量有效值；δ为u与u_ei之间的夹角；w＝πv_s/τ_t,τ_t是磁场线圈的极距。

视在功率S为S＝P-jQ＝u^*I；

若忽略轨道电阻时，则必须满足下列条件：u_eicosδ>u；

每相产生的机械功率可写为其中，为u与I的夹角，故可得每相基波产生的牵引力为：

若存在三次谐波分量，将三次谐波分量注以下标3，则由电压平衡方程0＝RI₃+j3wLI₃-u_e3e^-j3δ可得：

每相的平均视在功率为：

在三相电路中，三次谐波电流都是同相的。因此，瞬时功率的脉动频率是6w，并引起附加损耗及按下式降低推力：

五次谐波磁场与轨道电流的基波互相作用，会引起相应于五次谐波脉动功率P₅的脉动力；对每一相来说，可表达为：

合成的总推力可简单地等于基波、三次谐波及五次谐波产生的推力的代数和。因此，三相的总推力为：

控制系统接收到启动指令后，导向系统启动，2m个导向气隙传感器10传感器连续检测各个位置的气隙值l_i,(i＝1,2,3…2m-1,2m)，并将气隙值发送至控制系统，控制系统将各个位置的气隙值与气隙阈值ε相比较，当与内轮14相连的轴带动内轮14发生侧向偏移使得l_i>ε时，控制系统发出指令调节相应的导向单元提供的导向力F_di，直到控制系统检测到l_i＝ε,(i＝1,2,3…2m-1,2m)，导向系统停止运行。

导向系统采用同吸引性悬浮系统所示的结构，因此每一对导向初级8和导向次级9所产生的导向力F_di满足下式：

其中参数的含义与吸引性悬浮系统模型相同。

Claims (10)

1.一种内轮与外轮相分离的转速可控的吸引性磁悬浮轮子，其特征在于，包括：内轮、外轮、吸引性悬浮系统、牵引系统、导向系统、控制系统、通信系统和供电系统；

所述的吸引性悬浮系统提供吸引力，使外轮相对内轮悬浮；所述的牵引系统为外轮提供切向力，使外轮相对内轮运动；所述的导向系统利用吸引力维持内轮和外轮的相对位置保持不变，当内轮位置发生偏转，外轮也随之偏转，从而实现导向；所述的控制系统通过供电系统控制吸引性悬浮系统、牵引系统、导向系统所提供的力的大小，实现对轮子的控制，并通过通信系统与外界通信。

所述的牵引系统可依据用户的指令调节吸引性磁悬浮轮子的行驶速度；

所述的导向系统包括2m个导向单元，m≥4；所述的导向单元包括导向初级、导向次级和导向气隙传感器。

2.根据权利要求1所述的一种内轮与外轮相分离的转速可控的吸引性磁悬浮轮子，其特征在于，所述的内轮和外轮为同心圆，且外轮的过中心轴线的任意截面呈半包内轮的过中心轴线的任意截面的形状；所述内轮开有中心通孔；所述的内轮的中心通过轴与轮子所安装的物体相连。

3.根据权利要求2所述的一种内轮与外轮相分离的转速可控的吸引性磁悬浮轮子，其特征在于，过内轮的中心轴线的任意截面为两个T型结构，且两个T型结构的尾端相对；所述外轮的过中心轴线的任意截面为C型结构，并且C型结构的A-B段和I-J段与内轮的两个T型首端下平面相平行，C-D段和G-H段与内轮的两个T型首端侧面相平行，E-F段与内轮的T型首端上平面相平行，C型结构的其他段以光滑曲线相连接。

4.根据权利要求1、2或3任一项所述的一种内轮与外轮相分离的转速可控的吸引性磁悬浮轮子，其特征在于，所述的吸引性悬浮系统包括2n个悬浮单元，n≥4；所述的悬浮单元包括悬浮初级、悬浮次级和悬浮气隙传感器；所述的悬浮初级为电磁铁，位于内轮；所述的悬浮次级为永磁体或金属板，位于外轮；所述的悬浮气隙传感器位于内轮或位于外轮；所述的悬浮初级产生的磁场与悬浮次级所产生的磁场相互作用以提供外轮相对内轮悬浮的悬浮力，使外轮相对内轮悬浮；所述的悬浮力为吸引力，悬浮力的方向与内轮半径方向一致。

5.根据权利要求4所述的一种内轮与外轮相分离的转速可控的吸引性磁悬浮轮子，其特征在于，所述的电磁铁为直流激磁或交流激磁；所述的悬浮次级为U型次级。

6.根据权利要求1、2或3任一项所述的一种内轮与外轮相分离的转速可控的吸引性磁悬浮轮子，其特征在于，所述的牵引系统可由一个或多个牵引单元构成；所述的牵引单元包括牵引初级、牵引次级和位置传感器；所述的牵引初级为三相交流绕组，位于内轮，所述的牵引次级为金属板，位于外轮；或所述的牵引初级为三相交流轨道，位于内轮，所述的牵引次级为超导磁体，位于外轮；所述的位置传感器分布于外轮；所述的牵引初级与牵引次级所产生的磁场相互作用，为外轮运动提供切向力，所述切向力的方向沿外轮转动方向。

7.根据权利要求1、2或3任一项所述的一种内轮与外轮相分离的转速可控的吸引性磁悬浮轮子，其特征在于，所述的导向初级为电磁铁，位于内轮；所述的导向次级为永磁体或金属板，位于外轮；所述的导向气隙传感器位于内轮或外轮；所述的导向初级产生的磁场与导向次级所产生的磁场相互作用以提供导向力；所述的导向力为吸引力，并与内轮的中心轴线相平行。

8.根据权利要求7所述的一种内轮与外轮相分离的转速可控的吸引性磁悬浮轮子，其特征在于，所述的电磁铁为直流激磁或交流激磁；所述的导向次级为U型次级。

9.根据权利要求7所述的一种内轮与外轮相分离的转速可控的吸引性磁悬浮轮子，其特征在于，所述的导向系统在控制系统检测到外轮与内轮之间的气隙值大于设定的气隙阈值ε时，由控制系统发出指令调节导向力的大小，保持气隙值始终等于气隙阈值ε；所述ε为工艺设计时人为设定的气隙值。

10.根据权利要求1、2或3任一项所述的一种内轮与外轮相分离的转速可控的吸引性磁悬浮轮子，其特征在于，所述的通信系统的通信方式包括有线方式和无线方式。