CN110908276B

CN110908276B - 一种具有冗余控制的可变永磁混合电磁悬浮系统

Info

Publication number: CN110908276B
Application number: CN201911262837.2A
Authority: CN
Inventors: 刘鹏; 胡林; 吴若彤; 张智森; 杨振湘; 何勇彪; 陈道斌
Original assignee: Changsha University of Science and Technology
Current assignee: Changsha University of Science and Technology
Priority date: 2019-12-11
Filing date: 2019-12-11
Publication date: 2021-11-23
Anticipated expiration: 2039-12-11
Also published as: CN110908276A

Abstract

本发明在于提供一种具有冗余控制的可变永磁混合电磁悬浮系统，包括导轨、悬浮线圈、内电磁铁芯、紧固螺钉、直角连接板、可移动永磁体、外电磁铁芯、基于电流的悬浮控制器、悬浮气隙传感器和基于位移的悬浮传感器；导轨为软磁材料，F型结构；内电磁铁芯和外电磁铁芯为软磁硅钢片材料，与可移动永磁体共同组合构成U型结构铁芯，且内电磁铁芯与外电磁铁芯采用直角连接板和紧固螺钉进行固定连接；可移动永磁体位于U型结构铁芯中间，可被驱动进行上下运动；悬浮线圈绕制在内电磁铁芯或外电磁铁芯上；基于位移的悬浮控制器可作为系统独立悬浮控制器使用。本发明具有低功耗、大悬浮气隙、冗余控制的特点，适用于磁浮列车用电磁悬浮系统。

Description

一种具有冗余控制的可变永磁混合电磁悬浮系统

技术领域

本发明涉及一种电磁悬浮系统，尤其是一种磁浮列车用电磁悬浮系统。

背景技术

磁浮列车是一种新型的非接触式地面轨道交通运输工具，其取消了传统车辆赖以传动的轮子，从而实现了非粘着牵引和非接触运行。因此具有噪声小、振动低、速度范围宽、加减速快、爬坡能力强、维护费用低等特点，也被称为生态纯净的陆上绿色交通工具。而对于常导磁浮列车，其悬浮力全部由电磁铁提供，由于悬浮线圈具有一定的电阻，悬浮需要消耗较大的功率，因此悬浮气隙不能太大，一般为8~10mm左右，否则悬浮功率随气隙变化呈平方正比增加。所以由于运行中的能耗问题，影响了悬浮气隙的进一步增大。另一方面，由于悬浮气隙较小，列车对轨道的精度要求较高，误差一般在2mm以内，使得轨道的造价增加。此外，目前磁悬浮系统仅通过调节悬浮线圈电流来控制悬浮气隙，当任意一个线圈损坏或驱动控制器故障时，该悬浮单元便无法工作，导致整个悬浮模块无法正常使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低功耗、大悬浮气隙、具有冗余控制的可变永磁混合电磁悬浮系统。

本发明的目的是这样实现的：本发明一种具有冗余控制的可变永磁混合电磁悬浮系统，其特征是：包括导轨、悬浮线圈、内电磁铁芯、紧固螺钉、直角连接板、可移动永磁体、外电磁铁芯、基于电流的悬浮控制器、悬浮气隙传感器和基于位移的悬浮传感器；导轨为软磁材料，F型结构；内电磁铁芯和外电磁铁芯为软磁硅钢片材料，与可移动永磁体共同组合构成U型结构铁芯，且内电磁铁芯与外电磁铁芯采用直角连接板和紧固螺钉进行固定连接；可移动永磁体位于内电磁铁芯和外电磁铁芯中间，可被驱动进行上下运动；悬浮线圈绕制在内电磁铁芯或外电磁铁芯上；悬浮气隙传感器能不断将气隙大小传输给基于电流的悬浮控制器和基于位移的悬浮控制器，基于电流的悬浮控制器和基于位移的悬浮控制器能根据悬浮气隙大小分别调节悬浮线圈电流大小和可移动永磁体的位移。

本发明还可以包括：

1、可移动永磁体通过可移动永磁体夹具、齿条、齿轮与圆盘电机连接，圆盘电机由基于位移的悬浮控制器控制，进而驱动可移动永磁体上下运动；

2、圆盘电机固定在外电磁铁芯上；

3、可移动永磁体可通过可移动永磁体夹具、紧固螺母和直线电机连接轴与直线电机连接，直线电机由基于位移的悬浮控制器控制，进而驱动可移动永磁体上下运动；

4、直线电机固定在外电磁铁芯上；

5、可移动永磁体为水平方向充磁的永磁体。

本发明的优势在于：本发明的一种具有冗余控制的可变永磁混合电磁悬浮系统，采用了可移动永磁体结构以及基于位移的悬浮控制器。在电磁铁芯中布置可移动永磁体，一方面当悬浮线圈驱动功率相等的情况下直接有助于扩大悬浮气隙；另一方面通过基于位移的悬浮控制器调控可移动永磁体在电磁铁芯中的位置，改变其在磁路中的励磁能力和整个磁路的磁阻，进而可根据系统负载的变化，使永磁体产生的作用力达到负载力的80%-120%，始终使悬浮线圈保持以较小的功耗来调控系统处于平衡点位置或稳定的悬浮气隙范围，进而在全工况范围降低系统的功耗，同时不会使电磁铁芯与导轨完全吸合出现锁死现象。此外，系统增加了永磁体位置调控变量，增加了一个控制自由度，在常规基于悬浮线圈电流的悬浮控制器失效时，基于位移的悬浮控制器亦可作为独立悬浮控制器使用，增加系统安全可靠性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中可移动永磁体向下移动后的结构示意图。

图3为本发明可移动永磁体驱动装置为直线电机时的结构示意图。

图4为本发明可移动永磁体驱动装置为直线电机时并驱动其向下移动后的结构示意图。

图中，1：导轨；2：悬浮线圈；3：内电磁铁芯；4：紧固螺钉；5：直角连接板；6：可移动永磁体；7：可移动永磁体夹具；8：齿条；9：齿轮；10：电机输出轴；11：圆盘电机；12：外电磁铁芯；13：紧固螺母；14：直线电机连接轴；15：直线电机；16：基于电流的悬浮控制器；17：基于位移的悬浮控制器；18：悬浮气隙传感器。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述。

实施方式1：结合图1和图2，本实施方式的组成包括导轨1、悬浮线圈2、内电磁铁芯3、紧固螺钉4、直角连接板5、可移动永磁体6、可移动永磁体夹具7、齿条8、齿轮9、电机输出轴10、圆盘电机11、外电磁铁芯12、基于电流的悬浮控制器16、基于位移的悬浮控制器17和悬浮气隙传感器18。导轨1为软磁材料，F型结构。内电磁铁芯3和外电磁铁芯12为软磁硅钢片材料，与可移动永磁体6共同组合构成U型结构铁芯，且内电磁铁芯3与外电磁铁芯12采用直角连接板5和紧固螺钉4进行固定连接。可移动永磁体6为水平方向充磁的永磁体，位于内电磁铁芯3和外电磁铁芯12中间，并通过可移动永磁体夹具7、齿条8、齿轮9、电机输出轴10与圆盘电机11连接，圆盘电机11固定在外电磁铁芯12上，由基于位移的悬浮控制器17控制，可驱动可移动永磁体6上下运动。悬浮线圈2绕制在内电磁铁芯3或外电磁铁芯12上。悬浮气隙传感器18能不断将气隙大小传输给基于电流的悬浮控制器16和基于位移的悬浮控制器17，基于电流的悬浮控制器16和基于位移的悬浮控制器17能根据悬浮气隙大小分别调节悬浮线圈2电流大小和可移动永磁体6的位移。

磁浮列车悬浮力由悬浮线圈2和可移动永磁体6共同励磁产生提供。因此在悬浮线圈驱动功率相等的情况下，有助于扩大悬浮气隙。当磁浮列车处于满负载状态时，基于位移的悬浮控制器17通过控制圆盘电机11驱动可移动永磁体6处于其上端极限位置，此时其与内电磁铁芯3和外电磁铁芯12的对应面积最大，励磁能力最强，此时磁路的磁阻也最小，其产生的系统悬浮电磁力也相应最大，基于电流的悬浮控制器16可以最小输出功率来控制悬浮线圈2以使系统处于平衡点位置或稳定的悬浮气隙范围。当磁浮列车处于部分负载状态时，基于位移的悬浮控制器17通过控制圆盘电机11驱动可移动永磁体6向下移动部分，此时其与内电磁铁芯3和外电磁铁芯12的对应面积减小，励磁能力减弱，此时磁路的磁阻也增大，其产生的系统悬浮电磁力也相应减小，此时基于电流的悬浮控制器16同样可以最小输出功率来控制悬浮线圈2以使系统处于平衡点位置或稳定的悬浮气隙范围，而不会出现由于负载减小致使导轨1与电磁铁芯完全吸合而锁死的现象。当磁浮列车处于空载状态时，基于位移的悬浮控制器17通过控制圆盘电机11驱动可移动永磁体6到其下端极限位置，此时其与内电磁铁芯3和外电磁铁芯12的对应面积最小，励磁能力最弱，此时磁路的磁阻也最大，其产生的系统悬浮电磁力也相应最小，此时基于电流的悬浮控制器16也可以最小输出功率来控制悬浮线圈2以使系统处于平衡点位置或稳定的悬浮气隙范围。因此，可根据磁浮列车负载的变化，调控可移动永磁体6在内电磁铁芯3和外电磁铁芯12之间的上下位置，改变其在磁路中的励磁能力和整个磁路的磁阻，使永磁体产生的作用力达到负载力的80%~120%，始终使悬浮线圈2保持以较小的功耗来调控系统处于平衡点位置或稳定的悬浮气隙范围，大大降低系统的功耗。此外，系统增加了永磁体位置调控变量，增加了一个控制自由度，在常规基于电流的悬浮控制器失效时，基于位移的悬浮控制器亦可作为独立悬浮控制器使用，增加系统安全可靠性。

实施方式2：结合图3和图4，在实施方式1的基础上，将圆盘电机11改为直线电机15，并取消齿轮9和齿条8结构，由直线电机15通过直线电机连接轴14和紧固螺母13直接驱动可移动永磁体夹具7带动可移动永磁体6运动，减小系统的运动惯量，提高系统的动态响应性能和可移动永磁体6的位置精度。

以上所述仅为本发明的部分具体实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种具有冗余控制的可变永磁混合电磁悬浮系统，其特征是：包括导轨、悬浮线圈、内电磁铁芯、紧固螺钉、直角连接板、可移动永磁体、外电磁铁芯、基于电流的悬浮控制器、悬浮气隙传感器和基于位移的悬浮传感器；所述导轨为软磁材料，F型结构；所述内电磁铁芯和外电磁铁芯为软磁硅钢片材料，与可移动永磁体共同组合构成U型结构铁芯，且内电磁铁芯与外电磁铁芯采用直角连接板和紧固螺钉进行固定连接；所述可移动永磁体位于U型结构铁芯中间，可被驱动进行上下运动；所述可移动永磁体在内电磁铁芯和外电磁铁芯之间上下移动时，其与内电磁铁芯和外电磁铁芯的对应面积发生变化，可移动永磁体励磁能力发生改变，同时导轨、内电磁铁芯、外电磁铁芯和可移动永磁体构成的磁路磁阻也发生改变；所述悬浮线圈绕制在内电磁铁芯或外电磁铁芯上；悬浮气隙传感器能不断将气隙大小传输给基于电流的悬浮控制器和基于位移的悬浮控制器，基于电流的悬浮控制器和基于位移的悬浮控制器能根据悬浮气隙大小分别调节悬浮线圈电流大小和可移动永磁体的位移；所述可移动永磁体为水平方向充磁的永磁体；所述基于位移的悬浮控制器可作为系统独立悬浮控制器使用。

2.根据权利要求1所述的一种具有冗余控制的可变永磁混合电磁悬浮系统，其特征是：所述可移动永磁体通过可移动永磁体夹具、齿条、齿轮与圆盘电机连接，圆盘电机由基于位移的悬浮控制器控制，进而驱动可移动永磁体上下运动。

3.根据权利要求2所述的一种具有冗余控制的可变永磁混合电磁悬浮系统，其特征是：所述圆盘电机固定在外电磁铁芯上。

4.根据权利要求1所述的一种具有冗余控制的可变永磁混合电磁悬浮系统，其特征是：所述可移动永磁体可通过可移动永磁体夹具、紧固螺母和直线电机连接轴与直线电机连接，直线电机由基于位移的悬浮控制器控制，进而驱动可移动永磁体上下运动。

5.根据权利要求4所述的一种具有冗余控制的可变永磁混合电磁悬浮系统，其特征是：所述直线电机固定在外电磁铁芯上。