CN111856269A - 悬浮推进一体化旋转平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及悬浮推进技术领域，公开了一种悬浮推进一体化旋转平台。该平台包括平台基座、共转子弧形永磁同步电机、悬浮感应板和测试装置，电机包括共用转子及弧形第一定子和弧形第二定子，第一定子包括第一定子基座、第一定子轭部和推进线圈，第二定子包括第二定子基座、第二定子轭部和推进线圈，转子包括转子基座、转子轴、转子轭、和设置在转子轭上的永磁体，第一定子的推进线圈和第二定子的推进线圈与永磁体相互作用提供推进力，第一定子轭部和第二定子轭部的推进线圈上下两侧均设置有悬浮感应板，悬浮感应板与转子相互作用产生悬浮力，检测装置检测转子运动过程中的相关运动参数。由此，可以验证悬浮推进耦合能力，对运动参数进行测量。

Description

悬浮推进一体化旋转平台

技术领域

本发明涉及悬浮推进技术领域，尤其涉及一种悬浮推进一体化旋转平台。

背景技术

随着科技不断进步，交通方式在人类日常生活中地位日益显著。铁路列车由于高速下轮轨摩擦力不足，以及受电弓磨损等原因具有一定的速度极限。为提高铁路运载速度，磁悬浮高速列车成为了新的研究方向。目前的磁悬浮列车主要分为电磁悬浮和电动悬浮两种制式。电磁悬浮由于其在高速下具有浮力损失的特性，难以满足1000km/h以上的速度要求。电动悬浮因其自稳定等特点具备高速稳定悬浮的可行性。目前，美国空军Holloman试验基地以及日本山梨线都采用了电动悬浮的方式，其中日本山梨线采用的是直线电机推进以及8字感应线圈的方式速度达到了603km/h。

设计高速磁悬浮列车的关键技术之一在于悬浮与推进一体化时直线电机系统与悬浮系统的耦合特性分析，但局限于距离限制，直线电机的高速特性难以进行试验和测量。试验线建设验证则需要国家以及地方政府支持，且占地面积较大，单纯验证推进与悬浮特性代价太大，经济性较差，同时，试验线一旦建好难以调节设计参数，对电机特性及悬浮特性探索意义较小。

发明内容

本发明提供了一种悬浮推进一体化旋转平台，能够解决现有技术中推进与悬浮耦合特性无法验证的技术问题。

本发明提供了一种悬浮推进一体化旋转平台，其中，该平台包括平台基座、设置在所述平台基座上的共转子弧形永磁同步电机、悬浮感应板和测试装置，所述共转子弧形永磁同步电机包括共用转子以及围绕所述转子对称设置的弧形第一定子和弧形第二定子，所述第一定子包括第一定子基座、第一定子轭部和以第一预定间隔设置在所述第一定子轭部内弧面的推进线圈，所述第二定子包括第二定子基座、第二定子轭部和以第一预定间隔设置在所述第二定子轭部内弧面的推进线圈，所述第一定子通过所述第一定子基座设置在所述平台基座上，所述第二定子通过所述第二定子基座设置在所述平台基座上，所述转子包括转子基座、转子轴、转子轭、和设置在所述转子轭上的永磁体，所述转子通过所述转子基座设置在所述平台基座上，所述转子轴一端与所述转子基座连接，一端穿过所述转子轭中心向上延伸，第一定子的推进线圈和第二定子的推进线圈与永磁体相互作用提供推进力，所述第一定子轭部和所述第二定子轭部的推进线圈上下两侧均设置有所述悬浮感应板，所述悬浮感应板与所述转子相互作用产生悬浮力，所述检测装置用于检测转子运动过程中的相关运动参数。

优选地，该平台还包括散热装置，所述散热装置设置在所述第一定子基座、所述第一定子轭部、所述第二定子基座和所述第二定子轭部上用于对推进线圈和悬浮感应板进行降温。

优选地，所述散热装置为空心管，所述空心管设置在所述第一定子轭部和所述第二定子轭部外弧面上以及所述第一定子基座和所述第二定子基座的内弧面上，或者所述空心管埋入所述第一定子轭部和所述第二定子轭部以及所述第一定子基座和所述第二定子基座，通过在所述空心管中通入循环水对推进线圈和悬浮感应板进行降温。

优选地，所述检测装置包括传感器导轨和S型拉压力传感器，所述传感器导轨包括具有支撑部的弧形滑轨和具有支撑部的径向滑轨，所述S型拉压力传感器包括牵引力传感器、悬浮力传感器和导向力传感器，所述弧形滑轨设置在所述第一定子轭部下方，所述径向滑轨设置在所述第二定子轭部下方，所述牵引力传感器设置在所述第一定子轭部左右两侧端面上，所述悬浮力传感器设置在弧形滑轨的支撑部和所述径向滑轨的支撑部上，所述导向力传感器以第二预定间隔设置在所述第二定子轭部外弧面上。

优选地，所述检测装置包括三轴力传感器和传感器支座，所述传感器支座设置在所述第一定子轭部和所述第二定子轭部下方，在所述第一定子轭部上侧表面、所述第二定子轭部上侧表面和所述传感器支座上均设置所述三轴力传感器，用于同时检测牵引力、悬浮力和导向力。

优选地，所述检测装置还包括电压传感器和电流传感器，用于分别对推进线圈的三相电压和电流进行检测。

优选地，所述电压传感器和电流传感器分别为霍尔电压传感器和霍尔电流传感器。

优选地，所述检测装置还包括速度传感器，设置在推进线圈之间，用于检测转子的转速，所述速度传感器为锁存型数字式霍尔传感器。

优选地，所述检测装置还包括超声测距传感器，设置在所述平台基座上所述第一定子和所述第二定子之间的间隔处，用于检测转子在运转时的悬浮高度。

优选地，所述转子基座包括转子基座本体、平面轴承和径向轴承，所述平面轴承设置在所述转子基座本体上，所述径向轴承设置在所述平面轴承上。

通过上述技术方案，可以在平台基座上设置共转子弧形永磁同步电机、悬浮感应板和测试装置，电机转子可以通过定子线圈电磁推进转动，共转子弧形永磁同步电机以以曲代直的方式，解决了直线电机在运行距离上的限制问题，同时安装悬浮感应板与转子相互作用实现悬浮，验证悬浮推进耦合能力，利用测试装置可以准确探究直线电机及悬浮系统在整个过程中的相关运动参数变化情况，为探究和分析电磁推进磁悬浮系统的特性提供了有效途径。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例的一种悬浮推进一体化旋转平台的总体结构示意图；

图2A-2B示出了根据本发明实施例的一种电机定子传感器安装位置示意图；

图3示出了根据本发明实施例的一种三轴力传感器安装位置示意图；

图4示出了根据本发明实施例的霍尔传感器单位时间内输出的脉冲波形示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1示出了根据本发明实施例的一种悬浮推进一体化旋转平台的总体结构示意图。

如图1所示，本发明实施例提供了一种悬浮推进一体化旋转平台，其中，该平台包括平台基座1、设置在所述平台基座1上的共转子弧形永磁同步电机(例如，无铁心的永磁同步电机，用作电磁推进系统)、悬浮感应板2和测试装置，所述共转子弧形永磁同步电机包括共用转子3以及围绕所述共用转子3对称设置的弧形第一定子4和弧形第二定子5，所述第一定子4包括第一定子基座40、第一定子轭部41和以第一预定间隔设置在所述第一定子轭部41内弧面的推进线圈42(定子线圈)，所述第二定子5包括第二定子基座50、第二定子轭部51和以第一预定间隔设置在所述第二定子轭部51内弧面的推进线圈42，所述第一定子4通过所述第一定子基座40设置在所述平台基座1上，所述第二定子5通过所述第二定子基座50设置在所述平台基座1上，所述共用转子3包括转子基座30、转子轴31、转子轭32、和设置在所述转子轭32上的永磁体33，所述共用转子3通过所述转子基座30设置在所述平台基座1上，所述转子轴31一端与所述转子基座30连接，一端穿过所述转子轭32中心向上延伸，第一定子4的推进线圈和第二定子5的推进线圈与永磁体33相互作用提供推进力，所述第一定子轭部41和所述第二定子轭部42的推进线圈上下两侧均设置有所述悬浮感应板2(也就是，所述第一定子轭部41的推进线圈上下两侧均设置所述悬浮感应板2，所述第二定子轭部42的推进线圈上下两侧均设置所述悬浮感应板2，即，上悬浮感应板和下悬浮感应板)，所述悬浮感应板2与所述共用转子3相互作用产生悬浮力，所述检测装置用于检测共用转子3运动过程中的相关运动参数。

其中，相关运动参数可以包括共用转子3运动过程中产生的力、电压、电流、速度和悬浮高度。

举例来讲，转子轴31可以为转子限位轴，推进线圈可以为集中绕组形式；定子轭部用于安装和固定定子线圈部分，选取的轭部材料可以为不导磁、不导电材料。转子轭32可以为非磁性转子轭。并且，第一定子4和第二定子5相邻两端之间相距一定间隔，互不接触。

更进一步地，定子与转子之间沿径向间隙可调。

根据本发明一种实施例，永磁体33可以沿转子圆周按N-S-N-S均匀分布。

举例来讲，悬浮感应板2可以由电导率高的材料制成，如铜、铝等。并且，悬浮感应板2沿径向与转子的间距可调。转子在快速旋转时，可以在感应板上感应出涡流，磁场和涡流相互作用产生悬浮力，实现系统悬浮，即，悬浮感应板2与共用转子3共同用作电动悬浮系统。

通过上述技术方案，可以在平台基座上设置共转子弧形永磁同步电机、悬浮感应板和测试装置，电机转子可以通过定子线圈电磁推进转动，共转子弧形永磁同步电机以以曲代直的方式，解决了直线电机在运行距离上的限制问题，同时安装悬浮感应板与转子相互作用实现悬浮，验证悬浮推进耦合能力，利用测试装置可以准确探究直线电机及悬浮系统在整个过程中的相关运动参数变化情况，为探究和分析电磁推进磁悬浮系统的特性提供了有效途径。

根据本发明一种实施例，该平台还包括散热装置6，所述散热装置6设置在所述第一定子基座40、所述第一定子轭部41、所述第二定子基座50和所述第二定子轭部51上用于对推进线圈和悬浮感应板2进行降温。

由此，可以实现对推进线圈和悬浮感应板散热降温。

根据本发明一种实施例，所述散热装置6为空心管，所述空心管设置在所述第一定子轭部41和所述第二定子轭部51外弧面上以及所述第一定子基座40和所述第二定子基座50的内弧面上，或者所述空心管埋入所述第一定子轭部41和所述第二定子轭部51以及所述第一定子基座40和所述第二定子基座50，通过在所述空心管中通入循环水对推进线圈和悬浮感应板进行降温。

也就是，可以通过水冷方式对推进线圈和悬浮感应板进行散热降温，以保持电机定子的温度恒定。

举例来讲，空心管可以为方形空心铜管，冷却循环水从空心管的入口进，出口出，形成水冷循环实现降温过程。

本领域技术人员应当理解，上述关于空心管的描述仅仅是示例性的，并非用于限定本发明，本发明上述的空心管也可以采用其他的形状和材质。

更进一步地，对于空心管的设置方式，可以均是以在表面设置的方式设置，也可以均是以埋入设置的方式设置，亦可以是以表面设置和埋入设置混合的方式设置(例如，以定子轭部外弧面设置加埋入定子基座方式设置、以定子基座内弧面设置加埋入定子轭部方式设置、以第一定子轭部外弧面和第一定子基座内弧面设置加埋入第二定子轭部和第二定子基座的方式设置等，本发明不对此进行穷举)，具体的设置方式可以根据实际情况进行设定，本发明不对此进行设定。并且，埋入深度也可以根据实际需要设定，本发明同样不对此进行设定。

图2A-2B示出了根据本发明实施例的一种电机定子传感器安装位置示意图。

图2A为针对第一定子的传感器安装位置示意图，图2B为针对第二定子的传感器安装位置示意图。

根据本发明一种实施例，如图2A-2B所示，所述检测装置包括传感器导轨7和S型拉压力传感器，所述传感器导轨7包括具有支撑部的弧形滑轨70和具有支撑部的径向滑轨71，所述S型拉压力传感器包括牵引力传感器72、悬浮力传感器73和导向力传感器74，所述弧形滑轨70设置在所述第一定子轭部41下方，所述径向滑轨71设置在所述第二定子轭部51下方，所述牵引力传感器72设置在所述第一定子轭部41左右两侧端面上，所述悬浮力传感器73设置在弧形滑轨70的支撑部和所述径向滑轨71的支撑部上，所述导向力传感器74以第二预定间隔设置在所述第二定子轭部51外弧面上。

由此，可以实现悬浮力、牵引力和导向力这三个方向的力(三维力)的测量。

此外，通过设置上述的传感器导轨7，可以避免拉压力传感器在正交方向互相干涉。更具体地，针对第一定子采用弧形滑轨，与牵引力传感器的敏感方向一致，可以用于消除牵引力方向的微小机械变形对悬浮力传感器的影响；针对第二定子采用径向滑轨，与导向力传感器的敏感方向一致，可以用于消除导向力方向的微小机械变形对悬浮力传感器的影响。

图3示出了根据本发明实施例的一种三轴力传感器安装位置示意图。

在图3中，以任一定子轭部为例进行说明。另一定子轭部的情况与之类似，不再赘述。

根据本发明一种实施例，如图3所示，可替换地，所述检测装置可以包括三轴力传感器9和传感器支座10，所述传感器支座10设置在所述第一定子轭部41和所述第二定子轭部42下方，在所述第一定子轭部41上侧表面、所述第二定子轭部42上侧表面和所述传感器支座10上均设置所述三轴力传感器9，用于同时检测牵引力、悬浮力和导向力。

也就是，除了上述实施例中所述的采用传感器导轨7和S型拉压力传感器测量三维力的方式，还可以直接采用三轴力传感器和传感器支座的方式同时测量牵引力、悬浮力和导向力。

三轴力传感器可以对三个方向的力同时测量，结构稳定，精度较高，并且三轴互扰低。

根据本发明一种实施例，所述检测装置还可以包括电压传感器和电流传感器，用于分别对推进线圈的三相电压和电流进行检测。

根据本发明一种实施例，所述电压传感器和电流传感器分别为霍尔电压传感器和霍尔电流传感器。

根据本发明一种实施例，所述检测装置还可以包括速度传感器8，设置在推进线圈之间(如图2A和3所示)，用于检测转子的转速，所述速度传感器8例如可以为锁存型数字式霍尔传感器。

采用霍尔元件测速法对转子的转速进行。霍尔元件测速法基本原理为：霍尔开关元件内含稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、施密特触发器和输出电路。输出电平与TTL电平兼容,在电机转轴上装一个圆盘,圆盘上装若干对小磁钢,小磁钢越多，分辨率越高,霍尔开关固定在小磁钢附近,当电机转动时,每当一个小磁钢转过霍尔开关,霍尔开关便输出一个脉冲,计算出单位时间的脉冲数,即可确定旋转体的转速。

双极锁存型霍尔效应开关是指当置于n极(或s极)时开启，磁场移除后继续保持开启；而只有当置于s极(或n极)时才会关闭，磁场移除后继续保持其开启或关闭状态，直到下次磁场改变。这种保持上次状态的特性即锁存特性。

举例来讲，本发明一种实施例可以采用高灵敏度的锁存型数字式霍尔传感器VF460S，在南极(S)磁场下成开(NO)状态，输出低电平。

图4示出了根据本发明实施例的霍尔传感器单位时间内输出的脉冲波形示意图。

以转子永磁体数量为12个为例，并且以N-S-N-S的形式排列，锁存型数字式霍尔传感器输出的波形如图4所示。

根据本发明一种实施例，所述检测装置还包括超声测距传感器11，设置在所述平台基座1上所述第一定子4和所述第二定子5之间的间隔处，用于检测转子3在运转时的悬浮高度。

本发明采用了非接触式的高度测量，超声测距传感器通过测量其自身与转子外侧边缘的距离来测量转子在运转时的悬浮高度。

根据本发明一种实施例，所述转子基座30可以包括转子基座本体、平面轴承和径向轴承，所述平面轴承设置在所述转子基座本体上，所述径向轴承设置在所述平面轴承上。

举例来讲，径向轴承可以采用石墨轴承，既可保证转子的旋转运动和悬浮，同时又可以避免轴承造成的悬浮重量的增加。当转子由静止到悬浮阶段，平面轴承支撑自身滚筒转子并保证转子沿轴向做旋转运动；悬浮到回落阶段，平面轴承提供滚筒转子的支撑并防止转子停转前与转子基座的剧烈摩擦。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种悬浮推进一体化旋转平台，其特征在于，该平台包括平台基座、设置在所述平台基座上的共转子弧形永磁同步电机、悬浮感应板和测试装置，所述共转子弧形永磁同步电机包括共用转子以及围绕所述转子对称设置的弧形第一定子和弧形第二定子，所述第一定子包括第一定子基座、第一定子轭部和以第一预定间隔设置在所述第一定子轭部内弧面的推进线圈，所述第二定子包括第二定子基座、第二定子轭部和以第一预定间隔设置在所述第二定子轭部内弧面的推进线圈，所述第一定子通过所述第一定子基座设置在所述平台基座上，所述第二定子通过所述第二定子基座设置在所述平台基座上，所述转子包括转子基座、转子轴、转子轭、和设置在所述转子轭上的永磁体，所述转子通过所述转子基座设置在所述平台基座上，所述转子轴一端与所述转子基座连接，一端穿过所述转子轭中心向上延伸，第一定子的推进线圈和第二定子的推进线圈与永磁体相互作用提供推进力，所述第一定子轭部和所述第二定子轭部的推进线圈上下两侧均设置有所述悬浮感应板，所述悬浮感应板与所述转子相互作用产生悬浮力，所述检测装置用于检测转子运动过程中的相关运动参数。

2.根据权利要求1所述的平台，其特征在于，该平台还包括散热装置，所述散热装置设置在所述第一定子基座、所述第一定子轭部、所述第二定子基座和所述第二定子轭部上用于对推进线圈和悬浮感应板进行降温。

3.根据权利要求2所述的平台，其特征在于，所述散热装置为空心管，所述空心管设置在所述第一定子轭部和所述第二定子轭部外弧面上以及所述第一定子基座和所述第二定子基座的内弧面上，或者所述空心管埋入所述第一定子轭部和所述第二定子轭部以及所述第一定子基座和所述第二定子基座，通过在所述空心管中通入循环水对推进线圈和悬浮感应板进行降温。

4.根据权利要求1所述平台，其特征在于，所述检测装置包括传感器导轨和S型拉压力传感器，所述传感器导轨包括具有支撑部的弧形滑轨和具有支撑部的径向滑轨，所述S型拉压力传感器包括牵引力传感器、悬浮力传感器和导向力传感器，所述弧形滑轨设置在所述第一定子轭部下方，所述径向滑轨设置在所述第二定子轭部下方，所述牵引力传感器设置在所述第一定子轭部左右两侧端面上，所述悬浮力传感器设置在弧形滑轨的支撑部和所述径向滑轨的支撑部上，所述导向力传感器以第二预定间隔设置在所述第二定子轭部外弧面上。

5.根据权利要求1所述的平台，其特征在于，所述检测装置包括三轴力传感器和传感器支座，所述传感器支座设置在所述第一定子轭部和所述第二定子轭部下方，在所述第一定子轭部上侧表面、所述第二定子轭部上侧表面和所述传感器支座上均设置所述三轴力传感器，用于同时检测牵引力、悬浮力和导向力。

6.根据权利要求4或5所述的平台，其特征在于，所述检测装置还包括电压传感器和电流传感器，用于分别对推进线圈的三相电压和电流进行检测。

7.根据权利要求6所述的平台，其特征在于，所述电压传感器和电流传感器分别为霍尔电压传感器和霍尔电流传感器。

8.根据权利要求6所述的平台，其特征在于，所述检测装置还包括速度传感器，设置在推进线圈之间，用于检测转子的转速，所述速度传感器为锁存型数字式霍尔传感器。

9.根据权利要求6所述的平台，其特征在于，所述检测装置还包括超声测距传感器，设置在所述平台基座上所述第一定子和所述第二定子之间的间隔处，用于检测转子在运转时的悬浮高度。

10.根据权利要求1所述的平台，其特征在于，所述转子基座包括转子基座本体、平面轴承和径向轴承，所述平面轴承设置在所述转子基座本体上，所述径向轴承设置在所述平面轴承上。

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