CN111224581B - 一种具有冗余控制的可变Halbach阵列永磁混合电磁悬浮系统 - Google Patents

Abstract

本发明在于提供一种具有冗余控制的可变Halbach阵列永磁混合电磁悬浮系统，包括导轨、内极Halbach阵列永磁体、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、外极Halbach阵列永磁体、基于电流的悬浮控制器、基于位移的悬浮控制器和悬浮气隙传感器；可移动永磁体可被驱动进行上下运动；内电磁铁芯和外电磁铁芯两端分别布置有内极Halbach阵列永磁体和外极Halbach阵列永磁体，并与导轨磁极对应；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Halbach阵列永磁混合电磁悬浮 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Halbach阵列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Halbach阵列永磁混合电磁悬浮系统，其特征是：包括导轨、内极Halbach阵列永磁体、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、外极Halbach阵列永磁体、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与外电磁铁芯中间，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；内电磁铁芯和外电磁铁芯两端分别布置有内极Halbach阵列永磁体和外极Halbach阵列永磁体，并与导轨磁极对应；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、内极Halbach阵列永磁体由三块小永磁体在水平方向粘结而成，它的中心永磁体块充磁方向朝下，两侧永磁体块充磁方向沿粘结方向朝内；

6、外极Halbach阵列永磁体由三块小永磁体在水平方向粘结而成，它的中心永磁体块充磁方向朝上，两侧永磁体块充磁方向沿粘结方向朝外；

7、可移动永磁体为水平方向充磁的永磁体；

8、内极Halbach阵列永磁体和外极Halbach阵列永磁体两者位置可进行调换；

9、内极Halbach阵列永磁体和外极Halbach阵列永磁体的中心永磁体块、可移动永磁体三者的充磁方向为顺时针或逆时针组合。

本发明的优势在于：本发明的具有冗余控制的可变Halbach阵列永磁混合电磁悬浮系统，采用了Halbach阵列永磁磁极、可移动永磁体结构以及基于位移的悬浮控制器。由于电磁铁芯两端布置有Halbach阵列永磁体，其相比在系统磁路中直接串并联永磁体，在永磁体用量相等的情况下其可产生更大的电磁吸力，进而可减小悬浮线圈电流，降低系统的功耗和悬浮线圈发热量，提高经济性、系统寿命和安全可靠性，同时有助于扩大悬浮气隙。而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，进一步降低系统的功耗。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为内极Halbach阵列永磁体结构示意图。

图4为外极Halbach阵列永磁体结构示意图。

图5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6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：内极Halbach阵列永磁体；3：悬浮线圈；4：内电磁铁芯；5：紧固螺钉；6：直角连接板；7：可移动永磁体；8：可移动永磁体夹具；9：齿条；10：齿轮；11：圆盘电机输出轴；12：圆盘电机；13：外电磁铁芯；14：外极Halbach阵列永磁体；15：紧固螺母；16：直线电机连接轴；17：直线电机；18：内极Halbach阵列永磁体的中心永磁体块；19：外极Halbach阵列永磁体的中心永磁体块；20：基于电流的悬浮控制器；21：基于位移的悬浮控制器；22：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、图2、图3和图4，本实施方式的组成包括导轨1、内极Halbach阵列永磁体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、圆盘电机输出轴11、圆盘电机12、外电磁铁芯13、外极Halbach阵列永磁体14、基于电流的悬浮控制器20、基于位移的悬浮控制器21和悬浮气隙传感器22。导轨1为软磁材料，F型结构。内电磁铁芯4和外电磁铁芯13为软磁硅钢片材料，与可移动永磁体7共同组合构成U型结构铁芯，且内电磁铁芯4与外电磁铁芯13采用直角连接板6和紧固螺钉5进行固定连接。可移动永磁体7为水平方向充磁的永磁体，位于内电磁铁芯4和外电磁铁芯13中间，并通过可移动永磁体夹具8、齿条9、齿轮10、圆盘电机输出轴11与圆盘电机12连接，圆盘电机12固定在外电磁铁芯13上，由基于位移的悬浮控制器21控制，可驱动可移动永磁体7上下运动。悬浮线圈3绕制在内电磁铁芯4或外电磁铁芯13上。内电磁铁芯4和外电磁铁芯13两端分别布置有内极Halbach阵列永磁体2和外极Halbach阵列永磁体14，并与导轨1磁极对应。内极Halbach阵列永磁体2由三块小永磁体在水平方向粘结而成，其中内极Halbach阵列永磁体2的中心永磁体块18充磁方向朝下，两侧永磁体块充磁方向沿粘结方向朝内。外极Halbach阵列永磁体14亦由三块小永磁体在水平方向粘结而成，其中外极Halbach阵列永磁体14的中心永磁体块19充磁方向朝上，两侧永磁体块充磁方向沿粘结方向朝外。内极Halbach阵列永磁体的中心永磁体块18、外极Halbach阵列永磁体的中心永磁体块19和可移动永磁体7三者的充磁方向为逆时针组合。此外，内极Halbach阵列永磁体2和外极Halbach阵列永磁体14两者位置可进行调换，此时内极Halbach阵列永磁体的中心永磁体块18、外极Halbach阵列永磁体的中心永磁体块19和可移动永磁体7三者的充磁方向为顺时针组合。悬浮气隙传感器22能不断将气隙大小传输给基于电流的悬浮控制器20和基于位移的悬浮控制器21，基于电流的悬浮控制器20和基于位移的悬浮控制器21能根据悬浮气隙大小分别调节悬浮线圈3电流大小和可移动永磁体7的位移。

磁浮列车悬浮力由悬浮线圈3、内极Halbach阵列永磁体2、外极Halbach阵列永磁体14和可移动永磁体7共同励磁产生提供。内极Halbach阵列永磁体2和外极Halbach阵列永磁体14的布置，其相比在系统磁路中直接串并联永磁体，在永磁体用量相等的情况下其可产生更大的电磁吸力，进而可减小悬浮线圈电流，降低系统的功耗和悬浮线圈发热量，提高经济性、系统寿命和安全可靠性，同时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21通过控制圆盘电机22驱动可移动永磁体7处于其上端极限位置，此时其与内电磁铁芯4和外电磁铁芯13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20可以最小输出功率来控制悬浮线圈3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21通过控制圆盘电机22驱动可移动永磁体7向下移动部分，此时其与内电磁铁芯4和外电磁铁芯13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20同样可以最小输出功率来控制悬浮线圈3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21通过控制圆盘电机22驱动可移动永磁体7到其下端极限位置，此时其与内电磁铁芯4和外电磁铁芯13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20也可以最小输出功率来控制悬浮线圈3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7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3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、图4、图5和图6，在实施方式1的基础上，将圆盘电机12改为直线电机17，并取消齿轮10和齿条9结构，由直线电机17通过直线电机连接轴16和紧固螺母15直接驱动可移动永磁体夹具8带动可移动永磁体7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7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 (9)

1.一种具有冗余控制的可变Halbach阵列永磁混合电磁悬浮系统，其特征是：包括导轨、内极Halbach阵列永磁体、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、外极Halbach阵列永磁体、基于电流的悬浮控制器、基于位移的悬浮控制器和悬浮气隙传感器；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内电磁铁芯与外电磁铁芯中间，可被驱动进行上下运动；所述悬浮线圈绕制在内电磁铁芯或外电磁铁芯上；内电磁铁芯和外电磁铁芯两端分别布置有内极Halbach阵列永磁体和外极Halbach阵列永磁体，并与导轨磁极对应；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；

内极Halbach阵列永磁体由三块小永磁体在水平方向粘结而成，它的中心永磁体块充磁方向朝下，两侧永磁体块充磁方向沿粘结方向朝内；

外极Halbach阵列永磁体由三块小永磁体在水平方向粘结而成，它的中心永磁体块充磁方向朝上，两侧永磁体块充磁方向沿粘结方向朝外；

调控可移动永磁体在内电磁铁芯和外电磁铁芯之间的上下位置，改变其在磁路中的励磁能力和整个磁路的磁阻，调整永磁体产生的作用力。

2.根据权利要求1所述的一种具有冗余控制的可变Halbach阵列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Halbach阵列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Halbach阵列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Halbach阵列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。

6.根据权利要求1所述的一种具有冗余控制的可变Halbach阵列永磁混合电磁悬浮系统，其特征是：所述可移动永磁体为水平方向充磁的永磁体。

7.根据权利要求1所述的一种具有冗余控制的可变Halbach阵列永磁混合电磁悬浮系统，其特征是：所述内极Halbach阵列永磁体和外极Halbach阵列永磁体两者位置可进行调换。

8.根据权利要求7所述的一种具有冗余控制的可变Halbach阵列永磁混合电磁悬浮系统，其特征是：所述内极Halbach阵列永磁体和外极Halbach阵列永磁体的中心永磁体块、可移动永磁体三者的充磁方向为顺时针或逆时针组合。

9.根据权利要求1所述的一种具有冗余控制的可变Halbach阵列永磁混合电磁悬浮系统，其特征是：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。

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