CN109239497A - 一种电动悬浮静态实验模拟方法及其实施结构 - Google Patents

Abstract

一种电动悬浮静态实验模拟方法及其实施结构，通过场‑路‑运动耦合理论模型计算出运动磁体在零磁通地面线圈中产生的感应电流，通过电力电子转换模块获得相应波形的电流，并将其以一定相序通入至零磁通线圈中，产生行波磁场，用磁场运动而磁体静止的方式等效模拟电动悬浮的动态运行。该装置为：可升降平台下部装有液压装置，磁体安装在低温容器内，低温容器安装在滑动平台上，安装在可升降平台上的步进电机轴连接传动丝杠，传动丝杠与传动块螺旋连接，传动块与低温容器固联；零磁通线圈设置在散热容器内，散热器左侧设安装有驱动线圈的梯形轨道墙。本发明具有结构简单、不涉及高速运动，占用空间小，成本低等特点。

Description

一种电动悬浮静态实验模拟方法及其实施结构

技术领域

本发明涉及磁浮交通、超导磁体等技术领域，具体涉及一种电动悬浮静态实验模拟方法及其实施机械结构。

背景技术

电动悬浮(简称EDS)列车基于动生原理，列车运行时，车载磁体磁力线切割轨道线圈或感应板产生感应电流，二者相互作用产生磁升力平衡重力实现车体悬浮，并且磁升力随着车速增加而增大，当列车达到一定速度后，磁升力能够平衡重力，车体起浮。车载磁体可同时实现悬浮、推进和导向，系统具有自稳定恢复能力。

电动悬浮按地面轨道类型可分为感应板式与零磁通线圈式。零磁通式一般采用8字形轨道线圈与车载超导磁体相结合的结构，相较于感应板式，零磁通式具有浮阻比高、悬浮间隙大、自稳定性好的优点，被应用于以日本山梨线为代表的磁浮交通系统中。

实验测试是开展电动悬浮技术研究的必备手段。虽然缩比或全尺寸试验线可以更好地模拟真实工况，指导工程设计，但一般要长达数公里，占用空间大、投资高。因此，在前期基础研究阶段，一般选择室内等效模拟实验。

目前主要的室内等效模拟实验方法有两种：①将真实的直线运动等效为垂直旋转运动，以垂直圆周运动的线速度模拟实际的直线运动速度，采用这种方法制造的室内模拟实验设备为圆筒式结构。这种方法的优点是可以制作出较大直径的圆筒，模拟较高的运行速度，但可模拟的悬浮间隙分布不均匀，难以反映实际工况。此外，由于离心力作用可能会造成圆筒脱离固定轮毂，实际可模拟的速度也受到限制，不能无限制的增加；②将真实的直线运动等效为水平旋转运动，以水平圆周运动的线速度模拟实际的直线运动速度，采用这种方法制造的室内模拟实验设备为圆盘式结构。这种方法的优点是可模拟的悬浮间隙是均匀的，能反映真实工况，但沿径向线速度是变化的，与实际工况不符。由于上述两种方法都涉及高速的旋转运动，不仅成本高和耗能大，且存在较大的安全隐患，对基础条件要求较为苛刻。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的问题而提供一种不涉及高速旋转运动、结构简单、成本低的电动悬浮静态实验模拟装置，旨在避免磁体高速旋转运动在零磁通线圈中产生电流。

本发明的目的是这样实现的：一种电动悬浮静态实验模拟装置，包括工控机，底座与可升降平台之间安装有多个液压装置，步进电机安装在可升降平台上，步进电机轴上固联有一根传动丝杠，传动丝杆左侧外端与方形的移动块螺旋联接，跑道形超导磁体安装固定在低温容器中，支撑悬挂平台竖向焊接在滑动平台上，支撑悬挂平台位于低温容器与移动块之间、且经螺栓分别与低温容器和移动块相固定，低温容器固定在滑动平台上，滑动平台底面与安装在可升降平台上的滑轨形成滑动配合关系，滑动平台底部以及底座上均设置有位移传感器，低温容器底部以及低温容器与支撑悬挂平台之间均设置有力传感器，零磁通线圈安装在预制卡盒中，预制卡盒设置在散热容器内，散热容器设置在低温容器左侧，且位于底座以外，梯形轨道墙设置在散热容器左侧，驱动线圈安装在梯形轨道墙右侧面凹槽中，并沿凹槽水平中心轴线设置，凹槽水平中心轴线以及零磁通线圈的水平中心轴线离地面的距离相等，电力电子转换模块、所述工控机以及变频器均设置在梯形轨道墙处；

上述位移传感器和力传感器的信号以及由场-路-运动耦合模型对应的电流控制方程计算所得电流数据分别输出至所述工控机；

工控机的电流控制信号输出至电力电子转换模块，电力电子转换模块产生的电流输出至零磁通线圈中，引入外接三相电源的变频器与驱动线圈连接为驱动线圈提供电源。

所述散热容器上设置有冷却液注入口和排气口。

所述液压装置为4个均布设置的液压缸。

所述散热容器底部有电缆线引出口，用作为零磁通线圈引入电流的电缆接线端子经电缆线引出口向外引出；电缆接线端子采用耐低温耐腐蚀材料制作。

所述低温容器为液氮低温容器，所述散热容器中的冷却液为液氮。

所述预制卡盒内铸有用于安装零磁通线圈的卡槽。

本发明又一目的是提供一种电动悬浮静态实验模拟方法。

本发明的又一目的是这样实现的：一种电动悬浮静态实验模拟方法，包括以下步骤：

1)、零磁通线圈中人工输入的交变电流波形由场-路-运动耦合模型计算获得，该模型对应的电流控制方程如下：

式中：R为零磁通线圈总电阻的1/2；

i_k为零磁通线圈中感应电流，k＝1～n，n为零磁通线圈数量；

I_j为磁体电流，j＝1～m，m为跑道形超导磁体的数量；

L_k,n+k为将零磁通线圈8看做为上下两部分时，各个线圈回路之间互感及其自感参数；

G_p,j为跑道形超导磁体23对零磁通线圈8上部或下部线圈的互感对x的偏导数，p＝1～2n；

V_x为沿x方向跑道形超导磁体运动速度；

运用时间步长迭代求解法即可解上述方程，本算法的迭代方程如下：

2)、将计算所得电流输入工控机中，工控机的电流控制信号输出至电力电子转换模块；

电力电子转换模块根据相位差在不同位置的零磁通线圈中按照一定相序通入相应的交变电流，零磁通线圈中产生行波磁场用以等效模拟跑道形超导磁体的运动。

本发明通过在零磁通线圈中输入交变电流来模拟磁体运动在零磁通线圈中产生的感应电流，以静态实验等效模拟运动磁体与地面零磁通线圈的动态电磁作用。零磁通线圈中输入的交变电流由场-路-运动耦合模型解析计算获得。将理论求解得到的电流波形输入工控机中，经由工控机处理后输出至电力电子转换模块，产生需要的输入电流波形；磁体固定于低温容器中，经连接杆支撑，低温容器通过力传感器经螺栓固定于磁体支撑架右侧面及磁体支撑架下滑动平台(水平板件)，滑动平台底部装有滑轨，用于调节支撑架与零磁通线圈的间距，力传感器信号输出侧接工控机，零磁通线圈安装至预制卡盒中，卡盒中装有固定螺栓用于连接卡盒与零磁通线圈散热容器及梯形轨道墙，散热容器上部有冷却液注入口、排气口，底部有电缆线引出口，零磁通线圈电流输入接线端经电缆线引出口连接至电力电子转换模块的输出端，在支撑平台底部装有位移传感器。用于驱动的直线电机的定子线圈(即驱动线圈)安装于梯形轨道墙右侧面凹槽中。

本装置用于测量不同工况下电动悬浮系统的力、振动、磁场等关键性能参数。

零磁通线圈中感应电流计算由编程算法实现，通过控制方程式能得到感应电流，结合相关软件对数据进行采集处理，将计算得到的交变电流数据经工控机处理后将电流控制信号输入至电力电子转换模块，产生相应波形的电流，然后按照一定相序通入相应的零磁通线圈中，产生行波磁场，用磁场运动而磁体静止的方式模拟电动悬浮动态运行。

本发明的有益效果是：

为解决上述两种典型实验模拟方法存在的问题，本发明提出一种仿真计算与实验测量相融合的混合模拟方法，利用理论模型计算获得不同运动速度下车载磁体在地面零磁通线圈中感应出的电流波形，通过电力电子转换模块产生相应波形的电流，将其施加于零磁通线圈中，通过力传感器等手段获得该电流作用下零磁通线圈与磁体之间的电磁力及其力矩等参数，实验模拟评估不同运行速度下电动悬浮系统的悬浮与导向能力。

本发明既可用于测试电动悬浮系统中零磁通线圈与磁体单独作用实验，也可用于测试直线电机驱动线圈(定子)，同时还能将直线电机驱动线圈(定子)与零磁通线圈同时通电工作，实时模拟电动悬浮系统的悬浮、导向与推进性能。

相比于传统圆筒和转盘形结构的测试装置，避免了因离心力的限制不能进行更高速度测试，本发明速度项仅与行波磁场的频率有关，并且装置的测试间距可控且均匀分布，与转盘形结构相比克服了转盘半径造成的线速度变化的缺点。

本发明通过理论模型计算人为施加电流于零磁通线圈中，避免了传统方法通过高速旋转运动在零磁通线圈中感生电流，具有系统结构简单、不涉及高速旋转运动、占用空间小、成本低等优势。

附图说明

图1机械实施结构总体装配图。

图2磁体及其支撑结构正视图(图1左视方向)。

图3支撑结构侧视图(图1的主视方向)。

图4零磁通线圈卡盒及梯形轨道正视图。

图5系统电路连接示意图。

图6理论计算模型示意图。

图7零磁通线圈中感应电流计算结果示例图。

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，下面以跑道形超导磁体为例，结合附图和具体实施例对本发明进行详细阐述，但不应该理解为对本发明的限定。

图1、图2示出，一种电动悬浮静态实验模拟装置，包括工控机，底座24与可升降平台19之间安装有多个液压装置20，步进电机18安装在可升降平台19上，步进电机轴上固联有一根传动丝杠22，传动丝杆左侧外端与方形的移动块25螺旋联接，跑道形超导磁体23安装固定在低温容器3中，支撑悬挂平台5竖向焊接在滑动平台上，支撑悬挂平台5位于低温容器与移动块之间、且经螺栓分别与低温容器和移动块相固定，低温容器3固定在滑动平台6上，滑动平台底面与安装在可升降平台上的滑轨7形成滑动配合关系，滑动平台底部以及底座上均设置有位移传感器21，低温容器底部以及低温容器与支撑悬挂平台之间均设置有力传感器4，零磁通线圈8安装在预制卡盒9中，预制卡盒设置在散热容器10内，散热容器10设置在低温容器3左侧，且位于底座24以外，梯形轨道墙11设置在散热容器10左侧，驱动线圈16安装在梯形轨道墙11右侧面凹槽中，并沿凹槽水平中心轴线设置，凹槽水平中心轴线以及零磁通线圈8的水平中心轴线离地面的距离相等，电力电子转换模块2、所述工控机1以及变频器17均设置在梯形轨道墙11处；

上述位移传感器21和力传感器4的信号以及由场-路-运动耦合模型对应的电流控制方程计算所得电流信号分别输出至所述工控机1；

工控机1的电流控制信号输出至电力电子转换模块2，电力电子转换模块2产生的电流输出至零磁通线圈8中，引入外接三相电源的变频器17与驱动线圈16连接为驱动线圈提供电源。液压装置20为4个均布设置的液压缸。

跑道形超导磁体23固定于低温容器3(采用液氮)中，经连接杆支撑，低温容器3通过力传感器4经螺栓固定于磁体支撑架下滑动平台6与支撑悬挂平台5，支撑悬挂平台底部的滑动平台6装有滑轨7，用于调节支撑架与零磁通线圈8的间距，位移传感器21信号输出侧接工控机1用于测量跑道形超导磁体23与零磁通线圈8间距，零磁通线圈8安装至预制卡盒9中，预制卡盒9内铸有用于安装零磁通线圈8的卡槽。预制卡盒9中装有固定螺栓用于连接预制卡盒9与散热容器10及梯形轨道墙11，放置于散热容器10的内侧壁，散热容器10上部有冷却液注入口12(冷却液采用液氮)、排气口13，底部有电缆线引出口14(图4)，零磁通线圈8的电流输入的电缆接线端子15经电缆线引出口14连接至电力电子转换模块2的输出端，磁体支撑架底部通过螺栓与可升降平台19连接，可按照需求调节高度。驱动线圈16安装于梯形轨道墙右侧面凹槽中，并外接变频器17。

所述电缆接线端子位于零磁通线圈预制卡盒底部开孔处，电缆接线端子采用耐低温耐腐蚀材料。

所述零磁通线圈采用冷却液冷却，便于长时间承受大电流的零磁通线圈的散热。

所述零磁通线圈容器上侧设有冷却液注入口、排气口，底部设有电缆线引出口，便于对冷却液的及时添加及对易气化类冷却液气化后的排出，防止冷却液气化后导致容器内外压差过大而造成爆裂。

所述散热容器左侧面与梯形轨道墙右侧面之间用螺栓连接，容器内放置零磁通线圈。

所述直线电机定子线圈安装于梯形轨道墙凹槽内，并沿凹槽水平中心轴线放置，凹槽水平中心轴线与零磁通线圈水平中心轴线离地面距离相等。

所述磁体支撑架(支撑悬挂平台为一竖向板件)放置于可升降平台上，该平台通过安装于底部的液压装置实现升降功能，同时结合位移传感器精确控制升降高度。

所述磁体支撑架右侧通过传动丝杠与步进电机连接，磁体支撑架底部的滑动平台装有滑轨，电机驱动丝杠转动，从而控制磁体支撑架水平左右移动。

所述支架结构中采用了滑轨和升降平台，使得磁体与零磁通线圈之间的间距以及相对高度可在一定范围内按需任意调节，此结构可提高实验灵活度，在不改变装置其他结构的情况下，调整实验工作面。

如图5所示，整个系统由一台工控机1作为主控，位移传感器21、力传感器4信号经传输线传送至工控机1，工控机1输出电流控制信号至电力电子转换模块2，电力电子转换模块2外接三相电，输出端连接零磁通线圈8。

通过在零磁通线圈8中输入交变电流来模拟跑道形超导磁体23运动与零磁通线圈8的动态电磁耦合作用，零磁通线圈8中所输入交变电流波形由场-路-运动耦合理论模型计算获得，零磁通线圈8与跑道形超导磁体23电磁耦合作用的理论简化图如附图6所示，其场-路-运动耦合理论模型对应的电流控制方程如下：

式中：R为零磁通线圈8总电阻的1/2；

i_k为零磁通线圈8中感应电流，k＝1～n，n为零磁通线圈8数量；

I_j为磁体电流，j＝1～m，m为跑道形超导磁体23的数量；

L_k,n+k为将零磁通线圈8看做为上下两部分时，各个线圈回路之间互感及其自感参数；

G_p,j为跑道形超导磁体23对零磁通线圈8上部或下部线圈的互感对x的偏导数，p＝1～2n；

V_x为沿x方向跑道形超导磁体23运动速度；

运用时间步长迭代求解法即可解上述方程，本算法的迭代方程如下：

计算所得电流波形图如附图7所示。，计算所得电流输入工控机1中，工控机1信号输出端与电力电子转换模块2连接；

所述控制方程式能得到电流值及波形，结合数据处理软件采集和处理数据，电力电子转换模块2根据相位差在不同位置的零磁通线圈8中按照一定相序通入相应的交变电流，零磁通线圈8中产生行波磁场等效模拟跑道形超导磁体23的运动，跑道形超导磁体23与行波场之间相对运动产生电磁力。

电缆接线端子15位于零磁通线圈预制卡盒底部开孔即电缆线引出口14处，电缆接线端子15采用耐低温防腐蚀材料。

零磁通线圈8采用冷却液降温，便于长时间承受大电流的零磁通线圈散热，实验中长时间在零磁通线圈8中通入大电流，会造成线圈温升发热，因此可使用液氮或其他类似的不导电且温度较低的液体降温。

散热容器10上侧装有冷却液注入口12、排气口13，底部装有电缆线引出口14，便于对低温液体的及时添加及液体气化后的排出，防止因气化引起容器内外形成压差，造成容器爆裂。

驱动线圈16安装于梯形轨道墙凹槽内，并沿凹槽水平中心轴线放置，凹槽水平中心轴线以及零磁通线圈8水平中心轴线离地面距离相等。

磁体支撑架放置于可升降平台19上，该平台通过安装于底部的液压装置20(4个液压缸安装在可升降平台底部)实现升降功能，同时结合位移传感器精确控制升降高度，磁体支撑架右侧通过传动丝杠22与步进电机18连接，磁体支撑架的滑动平台6装有滑轨7，通过步进电机18的转动带动丝杠22转动，从而控制磁体支撑架的水平左右移动，在实验操作时通过控制器调节至所需位置。

Claims (7)

1.一种电动悬浮静态实验模拟实施结构，包括，工控机，其特征在于，底座(24)与可升降平台(19)之间安装有多个液压装置(20)，步进电机(18)安装在可升降平台(19)上，步进电机轴上固联有一根传动丝杠(22)，传动丝杆左侧外端与方形的移动块(25)螺旋联接，跑道形超导磁体(23)安装固定在低温容器(3)中，支撑悬挂平台(5)竖向焊接在滑动平台上，支撑悬挂平台(5)位于低温容器与移动块之间、且经螺栓分别与低温容器和移动块相固定，低温容器(3)固定在滑动平台(6)上，滑动平台底面与安装在可升降平台上的滑轨(7)形成滑动配合关系，滑动平台底部以及底座上均设置有位移传感器(21)，低温容器底部以及低温容器与支撑悬挂平台之间均设置有力传感器(4)，零磁通线圈(8)安装在预制卡盒(9)中，预制卡盒设置在散热容器(10)内，散热容器(10)设置在低温容器(3)左侧，且位于底座(24)以外，梯形轨道墙(11)设置在散热容器(10)左侧，驱动线圈(16)安装在梯形轨道墙(11)右侧面凹槽中，并沿凹槽水平中心轴线设置，凹槽水平中心轴线以及零磁通线圈(8)的水平中心轴线离地面的距离相等，电力电子转换模块(2)、所述工控机(1)以及变频器(17)均设置在梯形轨道墙(11)处；

上述位移传感器(21)和力传感器(4)的信号以及由场-路-运动耦合模型对应的电流控制方程计算所得电流数据分别输出至所述工控机(1)；

工控机(1)的电流控制信号输出至电力电子转换模块(2)，电力电子转换模块(2)产生的电流输出至零磁通线圈(8)中，引入外接三相电源的变频器(17)与驱动线圈(16)连接为驱动线圈提供电源。

2.根据权利要求1所述的一种电动悬浮静态实验模拟实施结构，其特征在于，所述散热容器(10)上设置有冷却液注入口(12)和排气口(13)。

3.根据权利要求2所述的一种电动悬浮静态实验模拟实施结构，其特征在于，所述液压装置(20)为4个均布设置的液压缸。

4.根据权利要求3所述的一种电动悬浮静态实验模拟实施结构，其特征在于，所述散热容器(10)底部有电缆线引出口(14)，用作为零磁通线圈引入电流的电缆接线端子(15)经电缆线引出口(14)向外引出；电缆接线端子(15)采用耐低温耐腐蚀材料制作。

5.根据权利要求4所述的一种电动悬浮静态实验模拟实施结构，其特征在于，所述低温容器(3)为液氮低温容器，所述散热容器(10)中的冷却液为液氮。

6.根据权利要求5所述的一种电动悬浮静态实验模拟实施结构，其特征在于，所述预制卡盒(9)内铸有用于安装零磁通线圈(8)的卡槽。

7.一种如权利要求1所述装置的电动悬浮静态实验模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)、零磁通线圈中人工输入的交变电流波形由场-路-运动耦合模型计算获得，该模型对应的电流控制方程如下：

式中：R为零磁通线圈(8)总电阻的1/2；

i_k为零磁通线圈(8)中感应电流，k＝1～n，n为零磁通线圈(8)数量；

I_j为磁体电流，j＝1～m，m为跑道形超导磁体(23)的数量；

L_k,n+k为将零磁通线圈(8)看做为上下两部分时，各个线圈回路之间互感及其自感参数；

G_p,j为跑道形超导磁体(23)对零磁通线圈(8)上部或下部线圈的互感对x的偏导数，p＝1～2n；

V_x为沿x方向跑道形超导磁体(23)运动速度；

运用时间步长迭代求解法即可解上述方程，本算法的迭代方程如下：

2)、将计算所得电流输入工控机(1)中，工控机(1)的电流控制信号输出至电力电子转换模块(2)；

电力电子转换模块(2)根据相位差在不同位置的零磁通线圈(8)中按照一定相序通入相应的交变电流，零磁通线圈(8)中产生行波磁场用以等效模拟跑道形超导磁体(23)的运动。