CN111806247A - 一种高速磁浮列车的混合电磁悬浮系统 - Google Patents

一种高速磁浮列车的混合电磁悬浮系统 Download PDF

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林国斌
孙友刚
荣立军
陈琛
吉文
倪菲
宋一锋
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Abstract

本发明涉及一种高速磁浮列车的混合电磁悬浮系统，包括多个悬浮控制模块，其中，每个悬浮控制模块包括悬浮电磁铁、悬浮控制器和悬浮传感器，悬浮电磁铁包括铁芯、高温超导线圈和常导线圈，高温超导线圈和常导线圈共同绕制在铁芯上，悬浮控制器分别连接悬浮传感器、高温超导线圈和常导线圈。与现有技术相比，本发明中，额定的悬浮力通过高温超导线圈部分的悬浮电磁铁提供，动态调节悬浮力由常导线圈部分的悬浮电磁铁提供，使得磁浮列车能够实现大气隙稳定悬浮，减小了对轨道线路的精度要求，对于高速磁浮列车速度提升具有重要价值，特别是对于真空管道超高速磁浮列车系统具有决定性意义。

Description

一种高速磁浮列车的混合电磁悬浮系统
技术领域
本发明涉及磁浮列车领域，尤其是涉及一种高速磁浮列车的混合电磁悬浮系统。
背景技术
磁浮列车是一种新型的轨道交通运输工具，具有运行噪声低、爬坡能力强、转弯半径小、安全可靠性高、运营维护成本低、造价低等突出特点。它利用电磁吸力使车体悬浮于轨道之上，列车与轨道之间保持无接触状态，克服了两者间的接触磨损，减小了运行阻力。经过几十年的技术开发，磁浮列车技术已基本成熟，正在逐步走向商业化生产和运营。
目前按照磁浮车辆采用的悬浮原理及方式的不同，磁浮列车一般划分为两大类，一类为电动悬浮(Electrodynamic Suspension)，简称EDS型；一类为电磁浮型(Electromagnetic Suspension)，简称EMS型。EDS型磁浮系统利用电磁排斥力将车辆在轨道上方悬浮，而EMS型磁浮系统则利用位于轨道下方的电磁铁产生的吸引力将车辆抬起从而保证和轨道不接触。EDS型磁浮系统不需要施加控制即可稳定悬浮，而EMS型磁浮系统需要施加主动控制来保证系统稳定悬浮。目前商业化运行的，都是EMS型磁浮列车。
EMS型磁浮列车的悬浮系统是实现车辆悬浮的执行机构，它根据安装在电磁铁上的悬浮传感器传送过来的悬浮电磁铁与轨道之间的气隙以及电磁铁的垂向运动加速度信号来改变悬浮电磁铁内部电流的大小,从而调节悬浮电磁铁与钢制轨道之间的吸引力,使磁浮列车保持在8～10mm气隙大小的稳定悬浮状态。目前的悬浮电磁铁内通常是采用常导(电阻)线圈来实现电磁力。但是，由于常导线圈的悬浮电磁铁使得悬浮气隙不能超过10mm，其原因在于，常导线圈的电阻较大，而悬浮功耗将随悬浮气隙的平方成正比增加，如果加大悬浮气隙，会导致常导线圈严重发热从而造成危害。这就产生了以下问题：
1、悬浮气隙小，磁浮列车对轨道的精度要求就比较高，误差一般要控制在1.5mm以内，从而大大提高了线路的造价。同时，悬浮气隙小造成允许偏差小，对控制系统控制精度要求高。提高列车速度后，悬浮气隙波动变大，有可能造成列车接触轨道，影响运行安全。
2、由于采用常导线圈电磁铁，为了达到一定的安匝数，在电流不能太大的情况下，常导线圈电磁铁匝数会较大，造成电磁铁重量大，增加了车辆的自重，降低了磁浮列车的有效载荷。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高速磁浮列车的混合电磁悬浮系统，解决了现有磁浮列车悬浮气隙小、对线路精度要求高、常导电磁铁重量大和发热严重等技术问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种高速磁浮列车的混合电磁悬浮系统，包括多个悬浮控制模块，其中，每个悬浮控制模块包括悬浮电磁铁、悬浮控制器和悬浮传感器，所述的悬浮电磁铁包括铁芯、高温超导线圈和常导线圈，所述的高温超导线圈和常导线圈共同绕制在铁芯上，所述的悬浮控制器分别连接悬浮传感器、高温超导线圈和常导线圈。
进一步地，所述的高温超导线圈绕制在常导线圈的上方。
进一步地，所述的悬浮控制器包括超导线圈斩波器、常导线圈斩波器和混合悬浮控制电路，所述的高温超导线圈连接超导线圈斩波器，所述的常导线圈连接常导线圈斩波器，所述的混合悬浮控制电路分别连接超导线圈斩波器和常导线圈斩波器。
进一步地，每个悬浮控制模块提供的悬浮力包括额定悬浮力和动态调节悬浮力，所述的额定悬浮力通过高温超导线圈部分的悬浮电磁铁和轨道互相吸引产生，所述的动态调节悬浮力通过常导线圈部分的悬浮电磁铁和轨道互相吸引产生。
进一步地，所述的常导线圈上安装有冷却机构。
进一步地，4个或者6个高温超导线圈串联连接悬浮传感器组成一个控制回路；4个或者6个常导线圈串联连接悬浮传感器组成另一个控制回路。
进一步地，常导线圈通过铝箔或铜线绕制而成。
进一步地，高温超导线圈采用液氮冷却的高温超导体。
进一步地，悬浮电磁铁中的铁芯通过硅钢片压制而成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用了高温超导线圈和常导线圈相结合的混合电磁悬浮系统，其额定的悬浮力通过高温超导线圈部分的悬浮电磁铁提供，动态调节悬浮力由常导线圈部分的悬浮电磁铁提供，使得磁浮列车能够实现超过20mm以上大气隙稳定悬浮，减小了对轨道线路的精度要求，对于高速磁浮列车速度提升具有重要价值，特别是对于真空管道超高速磁浮列车系统具有决定性意义。
2、本发明中，高温超导线圈能够在较小电流的情况下使得电磁铁产生较大的吸力，能够减少线圈和常导线圈)在铁芯上的匝数，减轻了悬浮系统整体的重量，从而提高了磁浮列车的有效载荷。同时，高温超导线圈部分的悬浮电磁铁只需提供额定的悬浮力，克服了目前技术中，高温超导线材的最大电流密度和电流密度变化率在应用中受到限制的缺陷；悬浮力的动态调节全部由常导线圈部分的悬浮电磁铁提供，实现了在增加悬浮力的同时，无需要对现有的控制系统软件进行改进，易于改造和实现。
3、高温超导线圈和常导线圈相结合可以有效地减小因电阻和多匝数带来的发热问题，减小发热量，提高系统运行的安全性和可靠性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
附图标记：1、悬浮电磁铁，11、铁芯，12、高温超导线圈，13、常导线圈，2、悬浮控制器，21、超导线圈斩波器，22、常导线圈斩波器，23、混合悬浮控制电路，3、悬浮传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例提供了一种高速磁浮列车的混合电磁悬浮系统，该混合电磁悬浮系统由多个混悬浮控制模块组合而成，混悬浮控制模块布置在高速磁浮列车的车厢下。每个悬浮控制模块包括悬浮电磁铁1、悬浮控制器2和悬浮传感器3。
其中，悬浮电磁铁1包括铁芯11、高温超导线圈12和常导线圈13。高温超导线圈12和常导线圈13共同绕制在铁芯11上，高温超导线圈12可以绕制在常导线圈13的上方或下方，本实施例中高温超导线圈12绕制在常导线圈13的上方，便于安装。悬浮控制器2分别连接悬浮传感器3、高温超导线圈12和常导线圈13。常导线圈13一般采用铝箔或铜线绕制而成，本实施例中，常导线圈13采用铝箔绕制而成。高温超导线圈12采用液氮冷却的高温超导体。悬浮电磁铁1中的铁芯11一般采用硅钢片压制而成，本实施例中，铁芯11采用硅钢片M530-50A压制而成。
在常导线圈13还可以安装冷却机构，该冷却机构为现有的技术，因此本文不进行展开。
悬浮控制器2包括超导线圈斩波器21、常导线圈斩波器22和混合悬浮控制电路23。高温超导线圈12连接超导线圈斩波器21，常导线圈13连接常导线圈斩波器22。混合悬浮控制电路23分别连接超导线圈斩波器21和常导线圈斩波器22，通过超导线圈斩波器21和常导线圈斩波器22向高温超导线圈12和常导线圈13传输电流。一般情况下，4个或者6个高温超导线圈12串联连接悬浮传感器3，组成一个控制回路；4个或者6个常导线圈13串联连接悬浮传感器3，组成另一个控制回路。本实施例中，4个高温超导线圈12串联连接悬浮传感器3，组成第一控制回路；同样的，4个常导线圈13串联连接悬浮传感器3，组成第二控制回路。
在本实施例的每个悬浮控制器2中，悬浮控制器2向第一控制回路中的每个高温超导线圈12提供固定的电流信号，超导线圈斩波器21控制电流信号产生相应的电流对高温超导线圈12励磁，由此，高温超导线圈12部分的悬浮电磁铁1能产生额定悬浮力，用于车厢的基本悬浮。同时，悬浮控制器2根据悬浮传感器3检测的悬浮气隙和垂向加速度信号，向常导线圈13向第二控制回路中的每个常导线圈13提供固定的电流信号，常导线圈斩波器22控制电流信号产生相应的电流对常导线圈13励磁，从而实现磁浮列车的动态稳定悬浮。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种高速磁浮列车的混合电磁悬浮系统，包括多个悬浮控制模块，其中，每个悬浮控制模块包括悬浮电磁铁(1)、悬浮控制器(2)和悬浮传感器(3)，其特征在于，所述的悬浮电磁铁(1)包括铁芯(11)、高温超导线圈(12)和常导线圈(13)，所述的高温超导线圈(12)和常导线圈(13)共同绕制在铁芯(11)上，所述的悬浮控制器(2)分别连接悬浮传感器(3)、高温超导线圈(12)和常导线圈(13)。
2.根据权利要求1所述的一种高速磁浮列车的混合电磁悬浮系统，其特征在于，所述的高温超导线圈(12)绕制在常导线圈(13)的上方。
3.根据权利要求1所述的一种高速磁浮列车的混合电磁悬浮系统，其特征在于，所述的悬浮控制器(2)包括超导线圈斩波器(21)、常导线圈斩波器(22)和混合悬浮控制电路(23)，所述的高温超导线圈(12)连接超导线圈斩波器(21)，所述的常导线圈(13)连接常导线圈斩波器(22)，所述的混合悬浮控制电路(23)分别连接超导线圈斩波器(21)和常导线圈斩波器(22)。
4.根据权利要求1所述的一种高速磁浮列车的混合电磁悬浮系统，其特征在于，每个悬浮控制模块提供的悬浮力包括额定悬浮力和动态调节悬浮力，所述的额定悬浮力通过高温超导线圈(12)部分的悬浮电磁铁(1)和轨道互相吸引产生，所述的动态调节悬浮力通过常导线圈(13)部分的悬浮电磁铁(1)和轨道互相吸引产生。
5.根据权利要求1所述的一种高速磁浮列车的混合电磁悬浮系统，其特征在于，所述的常导线圈(13)上安装有冷却机构。
6.根据权利要求1所述的一种高速磁浮列车的混合电磁悬浮系统，其特征在于，4个或者6个高温超导线圈(12)串联连接悬浮传感器(3)组成一个控制回路；4个或者6个常导线圈(13)串联连接悬浮传感器(3)组成另一个控制回路。
7.根据权利要求1所述的一种高速磁浮列车的混合电磁悬浮系统，其特征在于，常导线圈(13)通过铝箔或铜线绕制而成。
8.根据权利要求1所述的一种高速磁浮列车的混合电磁悬浮系统，其特征在于，高温超导线圈(12)采用液氮冷却的高温超导体。
9.根据权利要求1所述的一种高速磁浮列车的混合电磁悬浮系统，其特征在于，悬浮电磁铁(1)中的铁芯(11)通过硅钢片压制而成。
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