CN112179396A - 三维电动悬浮多物理场参数测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及悬浮轨道交通技术领域，公开了一种三维电动悬浮多物理场参数测试系统。该系统包括轨道运动装置、空间上与轨道运动装置对应的超导磁体驱动装置和监测装置，轨道运动装置包括基座、飞轮驱动电机、飞轮和轨道导体，飞轮驱动电机和飞轮设置在基座上，轨道导体设置在飞轮的外沿，超导磁体驱动装置包括主体框架以及设置在主体框架上的力检测单元和超导磁体，监测装置包括数据检测单元和数据采集监测单元，在启动飞轮驱动电机驱动飞轮旋转的情况下，轨道导体与超导磁体之间产生相对运动，数据采集监测单元对力检测单元和数据检测单元的检测数据进行采集和处理。由此，可以实现不同运行工况下电动悬浮系统多物理量实时同步监测。

Description

三维电动悬浮多物理场参数测试系统

技术领域

本发明涉及悬浮轨道交通技术领域，尤其涉及一种三维电动悬浮多物理场参数测试系统。

背景技术

电动悬浮系统中强磁体(一般为超导磁体)与地面导体(金属导电板或线圈)之间存在相对运动，地面导体中产生感应电流，进而感应电流产生的磁场与强磁体磁场相互作用，产生维持电动悬浮系统稳定悬浮的悬浮力、导向力。电动悬浮系统以其独特的被动自稳定悬浮特性在高速、超高速磁悬浮领域得以广泛运用，如美国Holloman试验基地正研发电动悬浮制式、速度达Ma10的火箭橇车发射系统，日本山梨线采用电动悬浮制式研制成功了高速磁悬浮列车，并创造了603km/h的世界纪录。

电动悬浮系统是集电、磁、热、力于一体的多物理场强耦合作用系统，系统的复杂性对理论仿真预测将提出极大挑战。因此，试验研究电动悬浮特性对研发更高速度的磁悬浮系统至关重要，但现有技术中尚没有关于研究电动悬浮特性的试验系统。

发明内容

本发明提供了一种三维电动悬浮多物理场参数测试系统，能够解决现有技术中的问题。

本发明提供了一种三维电动悬浮多物理场参数测试系统，其中，该系统包括设置于地沟中的轨道运动装置、设置于地沟中或地面上且空间上与所述轨道运动装置对应的超导磁体驱动装置和设置于地面上的监测装置，所述轨道运动装置包括基座、飞轮驱动电机、飞轮和轨道导体，所述飞轮驱动电机和所述飞轮设置在所述基座上，所述轨道导体设置在所述飞轮的外沿，所述超导磁体驱动装置包括主体框架以及设置在所述主体框架上的力检测单元和超导磁体，所述监测装置包括数据检测单元和数据采集监测单元，在启动所述飞轮驱动电机驱动所述飞轮旋转的情况下，所述轨道导体与所述超导磁体之间产生相对运动，所述数据采集监测单元对所述力检测单元和所述数据检测单元的检测数据进行采集和处理。

优选地，实时超导磁体驱动装置的对称中心线与所述轨道运动装置的飞轮的纵向中心线对齐。

优选地，所述超导磁体驱动装置还包括第一超导磁体驱动电机、第二超导磁体驱动电机、第一旋转-直线变换机构和第二旋转-直线变换机构，所述第一超导磁体驱动电机驱动所述第一旋转-直线变换机构使所述超导磁体竖直平移运动，所述第二超导磁体驱动电机驱动所述第二旋转-直线变换机构使所述超导磁体水平平移运动，以分别调整所述超导磁体与所述轨道导体之间的悬浮间隙和导向间隙。

优选地，所述飞轮为一体结构，所述飞轮的材料为碳纤维或环氧玻璃钢。

优选地，所述飞轮为分体结构，包括相互连接的飞轮内环和飞轮外环，所述飞轮内环的材料为铝合金或钛合金，所述飞轮外环的材料为碳纤维或环氧玻璃钢。

优选地，所述飞轮内环和所述飞轮外环通过结构限位及螺栓固定连接。

优选地，所述力检测单元为三轴力传感器。

优选地，所述数据检测单元包括温度传感器、磁场传感器、转速传感器和/或振动测量传感器。

优选地，该系统还包括放大器，与所述力检测单元和所述数据监测单元连接，用于对所述力检测单元和所述数据监测单元的检测数据进行放大。

优选地，所述轨道导体为金属导电板或金属线圈。

通过上述技术方案，轨道运动装置中飞轮驱动电机驱动飞轮旋转运动，使得所述轨道导体与超导磁体驱动装置中的超导磁体之间产生相对运动，进而监测装置可以对轨道导体和超导磁体运动过程中的运动相关参数进行实时同步监测。并且，利用飞轮可以从低速到高速无级变速改变轨道导体与超导磁体之间的相对运动速度，可以实现不同运行工况下电动悬浮系统多物理量实时同步监测。

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为根据本发明实施例的一种三维电动悬浮多物理场参数测试系统的总体布局及结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的一种三维电动悬浮多物理场参数测试系统的详细结构示意图。

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为根据本发明实施例的一种三维电动悬浮多物理场参数测试系统的总体布局及结构示意图。

图2示出了根据本发明实施例的一种三维电动悬浮多物理场参数测试系统的详细结构示意图。

其中，本发明所述的三维电动悬浮多物理场参数测试系统可以应用于以电动悬浮制式为基础的高速、超高速磁悬浮多物理场参数半实物仿真试验平台建设。

如图1和2所示，本发明实施例提供了一种三维电动悬浮多物理场参数测试系统，其中，该系统包括设置于地沟18中的轨道运动装置(高速轨道运动装置)19、设置于地沟18中或地面17上且空间上与所述轨道运动装置19对应的超导磁体驱动装置20和设置于地面17上的监测装置21，所述轨道运动装置19包括基座1、飞轮驱动电机2、飞轮3和轨道导体4，所述飞轮驱动电机2和所述飞轮3设置在所述基座1上，所述轨道导体4设置(例如，固定设置)在所述飞轮3的外沿，所述超导磁体驱动装置20包括主体框架5以及设置在所述主体框架5上的力检测单元9和超导磁体10，所述监测装置21包括数据检测单元和数据采集监测单元15，在启动所述飞轮驱动电机2驱动所述飞轮3旋转的情况下，所述轨道导体4与所述超导磁体10之间产生相对运动，所述数据采集监测单元15对所述力检测单元9和所述数据检测单元的检测数据进行采集和处理。

也就是，系统总体布局可以采用“地面+地沟(地面开槽)”形式，即高速轨道运动装置设置于地沟中，监测装置设置于地面(例如，固定于地面)，超导磁体驱动装置在地沟或地面均可设置(例如，固定于地沟或地面)。在高速轨道运动装置中，采用了旋转运动替代直线运动(通过轨道旋转线速度模拟直线型电动悬浮运行)，降低了实验测试难度和成本，采用大功率同步或异步电机直驱或通过变速箱驱动飞轮旋转，可以从低速到高速无级变速改变轨道导体与超导磁体之间的相对运动速度(例如，通过调整飞轮直径及转速，可实现高速及超高速相对运动)。

其中，高速轨道运动装置和超导磁体驱动装置共同构成电动悬浮系统，通过将高速轨道运动装置设置于地沟中，可以避免松动脱落物飞溅，损坏周围设备。

其中，数据采集监测单元15可以包括数据采集单元(如NI采集单元)和监测单元(例如，PC机)。具体地，可以通过数据采集单元对力检测单元9和所述数据检测单元的检测数据进行采集，通过监测单元对采集的检测数据进行处理。举例来讲，监测单元对采集的检测数据进行处理可以包括：对检测数据进行显示、存储和/或后处理(例如，利用现有对应的后处理程序分析检测数据/物理量之间的相互作用关系，如速度与力、温度、磁场及振动特性之间的关系等，全面而系统的完成电动悬浮系统运行过程中多物理参数的监测)。

通过上述技术方案，轨道运动装置中飞轮驱动电机驱动飞轮旋转运动，使得所述轨道导体与超导磁体驱动装置中的超导磁体之间产生相对运动，进而监测装置可以对轨道导体和超导磁体运动过程中的运动相关参数进行实时同步监测。并且，利用飞轮可以从低速到高速无级变速改变轨道导体与超导磁体之间的相对运动速度，可以实现不同运行工况下电动悬浮系统多物理量实时同步监测。

此外，虽然图1和图2中飞轮3均是垂直于地沟沟槽纵向方向设置，但其仅仅是示例性的，并非用于限定本发明，飞轮3也可以平行于地沟沟槽纵向方向设置。

根据本发明一种实施例，实时超导磁体驱动装置20的对称中心线与所述轨道运动装置19的飞轮3的纵向中心线对齐。

根据本发明一种实施例，所述轨道导体4为金属导电板或金属线圈。

举例来讲，轨道运动装置19的基座1在满足刚强度前提下可采用铸铁整体制造或采用钢材组焊拼接而成。

根据本发明一种实施例，所述超导磁体驱动装置20还包括第一超导磁体驱动电机6、第二超导磁体驱动电机16、第一旋转-直线变换机构7和第二旋转-直线变换机构8，所述第一超导磁体驱动电机6驱动所述第一旋转-直线变换机构7使所述超导磁体10竖直平移运动，所述第二超导磁体驱动电机16驱动所述第二旋转-直线变换机构8使所述超导磁体10水平平移运动，以分别调整所述超导磁体10与所述轨道导体4之间的悬浮间隙和导向间隙。

由此可见，超导磁体可以具有竖直及水平两个平移自由度。并且，除了前述的利用飞轮从低速到高速无级变速改变轨道导体与超导磁体之间的相对运动速度，本发明还可以通过所述第一旋转-直线变换机构和所述第二旋转-直线变换机构实现磁体与轨道磁体之间的悬浮间隙、导向间隙的调整，能够模拟磁体实际运行姿态下电动悬浮性能，从而可以对多种工况下运动速度等工况下电动悬浮系统多物理量实时同步监测。

根据本发明一种实施例，超导磁体驱动装置20的主体框架5可以采用工字截面、矩形截面等钢梁或工业铝型材装配拼接。

根据本发明一种实施例，第一超导磁体驱动电机6和第二超导磁体驱动电机16可以为步进电机或伺服电机，电机控制可以采用现有技术中成熟的工业控制模块或自编电机控制程序，本发明在此不再赘述。

根据本发明一种实施例，所述第一旋转-直线变换机构7和所述第二旋转-直线变换机构8可以采用高精度滚珠丝杆配合高精度直线滑轨完成，其中高精度滚珠丝杆可以通过联轴器与电机转轴连接。

根据本发明一种实施例，所述飞轮3可以为一体结构，所述飞轮3的材料为碳纤维或环氧玻璃钢。

本领域技术人员应当理解，上述关于材料的描述仅仅是示例性的，并非用于限定本发明，其他的高强度、非导磁、非导电材料也可以用作本发明上述的飞轮的材料。

可替换地，所述飞轮3可以为分体结构，包括相互连接的飞轮内环和飞轮外环，所述飞轮内环的材料为铝合金或钛合金，所述飞轮外环的材料为碳纤维或环氧玻璃钢。

本领域技术人员应当理解，上述关于材料的描述仅仅是示例性的，并非用于限定本发明，其他的高强度、非导磁、非导电材料可以用作本发明上述的飞轮外环的材料，而其他的金属材料可以用作本发明上述的飞轮内环的材料。

也就是，飞轮3可以采用高强度金属与高强度、非导磁、非导电材料组合制造。

根据本发明一种实施例，所述飞轮内环和所述飞轮外环通过结构限位及螺栓固定连接。

上述连接方式仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。

根据本发明一种实施例，飞轮外沿可以预留不锈钢、铝合金、高纯无氧铜等导电金属板及不同拓扑结构(跑道型、8字型等)铜线圈、铝线圈等金属线圈安装互换接口，从而满足导电金属板及金属线圈互换安装，安装尺寸调整功能。

也就是，飞轮外沿可以设置金属板或金属线圈安装接口，从而可以满足不同尺寸、结构金属板/线圈互换安装、安装工艺调整。由此，可用于探究不同轨道结构、材料、尺寸、安装工艺等条件下电动悬浮性能，为轨道工程建设提供参考。

根据本发明一种实施例，所述力检测单元9可以为三轴力传感器。

举例来讲，超导磁体10可以通过转接装置(或垫片)与三轴力传感器固结，实现电动悬浮系统力信号(悬浮力、导向力及磁阻力)测量，同时可以调整超导磁体姿态；三轴力传感器可以与第二超导磁体驱动电机16共同设置(例如，固定)在第二旋转-直线变换机构8上。超导磁体10可以为高温超导磁体、低温超导磁体、永磁体或电磁体等。其中，磁体冷却方式可为液体浸泡制冷或采用制冷机传导制冷。

使用三轴力传感器可以降低驱动超导磁体平移运动机构复杂程度。

根据本发明一种实施例，所述数据检测单元包括温度传感器11、磁场传感器12、转速传感器13和/或振动测量传感器14。

也就是，飞轮旋转时，轨道导体与超导磁体之间产生相对运动，可以通过三轴力传感器、转速传感器、温传感器度、磁场传感器及振动测量传感器测量不同运行工况下电动悬浮系统中力、磁、热及振动等物理信号，由监测装置显示、存储及后处理，实现多物理量实时同步监测。

举例来讲，转速传感器13可以为非接触式光学码盘-编码器，即转速测量可以采用光学码盘-编码器等非接触式测量方式测量。对于轨道温度的测量，温度传感器11可以为非接触式红外温度传感；而对于超导磁体温度的测量，可以采用磁体内部预埋超低温温度传感器监测及测量。磁场传感器12可以为三轴霍尔探头，即磁场测量采用三轴霍尔探头监测指定位置三个磁场分量。

更进一步地，可释放超导磁体悬浮或导向方向自由度，超导磁体固结三轴加速度传感器，监测各种运行工况下电动悬浮系统的动态特性。

本发明通过设置多种物理量传感器(力传感器、转速传感器、温度传感器、磁场测量传感器、振动传感器等)对电动悬浮系统中的力信号、速度信号、温度信号、磁场信号、动态特性信号等进行采集、显示、存储，利用后处理程序分析物理量之间的相互作用关系，如速度与力、温度、磁场及振动特性之间的关系等，可以全面而系统的完成电动悬浮系统运行过程中多物理参数的监测。

根据本发明一种实施例，该系统还包括放大器，与所述力检测单元9和所述数据监测单元连接，用于对所述力检测单元9和所述数据监测单元的检测数据进行放大。

电动悬浮系统必须具备轨道导体与磁体之间的相对运动才能实现悬浮，而现有技术中轨道导体均铺设在直线轨道上，从加速到匀速，再到制动减速，轨道线路布置少则几百米，多则上公里，土地占用多，相关配套设备庞大而复杂；而本发明以轨道旋转运动、磁体两个平移运动整体构架，模拟真实电动悬浮轨道导体与磁体之间的相对运动，极大减少了设备占用空间，降低了试验造价及试验成本。此外，单次试验时间相应缩短，提高了试验效率。

从上述实施例可以看出，本发明上述实施例所述的三维电动悬浮多物理场参数测试系统能够实现不同运行速度、不同几何拓扑结构、超导磁体不同悬浮姿态及不同轨道导体材料、结构及安装工艺等工况下电动悬浮系统的力、磁、热等物理量实时同步采集测量。该测试系统总体采用“地沟+地面”布局形式，其中高速轨道运动装置具有一个旋转自由度，轨道导体安装固定于高速运转的飞轮外沿，以飞轮外沿的线速度模拟导体与磁体之间的高速直线运动，高速轨道运动装置布置于地沟中；超导磁体运动驱动装置具有两个平移自由度，可实现超导磁体竖直及水平平移运动，从而调节超导磁体与轨道之间的悬浮、导向间隙，在地沟或地面均可设置；监测装置可以对系统中设置的力传感器、转速传感器、磁场测量传感器、温度传感器等信号进行采集、显示、存储及后处理，进而可以探究不同参量之间的相互影响关系。由此，可以为以电动悬浮制式为基础的轨道交通、等高速、超高速磁悬浮应用提供基础理论研究、验证的半实物仿真试验平台。

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)

1.一种三维电动悬浮多物理场参数测试系统，其特征在于，该系统包括设置于地沟(18)中的轨道运动装置(19)、设置于地沟(18)中或地面(17)上且空间上与所述轨道运动装置(19)对应的超导磁体驱动装置(20)和设置于地面(17)上的监测装置(21)，所述轨道运动装置(19)包括基座(1)、飞轮驱动电机(2)、飞轮(3)和轨道导体(4)，所述飞轮驱动电机(2)和所述飞轮(3)设置在所述基座(1)上，所述轨道导体(4)设置在所述飞轮(3)的外沿，所述超导磁体驱动装置(20)包括主体框架(5)以及设置在所述主体框架(5)上的力检测单元(9)和超导磁体(10)，所述监测装置(21)包括数据检测单元和数据采集监测单元(15)，在启动所述飞轮驱动电机(2)驱动所述飞轮(3)旋转的情况下，所述轨道导体(4)与所述超导磁体(10)之间产生相对运动，所述数据采集监测单元(15)对所述力检测单元(9)和所述数据检测单元的检测数据进行采集和处理。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，实时超导磁体驱动装置(20)的对称中心线与所述轨道运动装置(19)的飞轮(3)的纵向中心线对齐。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述超导磁体驱动装置(20)还包括第一超导磁体驱动电机(6)、第二超导磁体驱动电机(16)、第一旋转-直线变换机构(7)和第二旋转-直线变换机构(8)，所述第一超导磁体驱动电机(6)驱动所述第一旋转-直线变换机构(7)使所述超导磁体(10)竖直平移运动，所述第二超导磁体驱动电机(16)驱动所述第二旋转-直线变换机构(8)使所述超导磁体(10)水平平移运动，以分别调整所述超导磁体(10)与所述轨道导体(4)之间的悬浮间隙和导向间隙。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述飞轮(3)为一体结构，所述飞轮(3)的材料为碳纤维或环氧玻璃钢。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述飞轮(3)为分体结构，包括相互连接的飞轮内环和飞轮外环，所述飞轮内环的材料为铝合金或钛合金，所述飞轮外环的材料为碳纤维或环氧玻璃钢。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述飞轮内环和所述飞轮外环通过结构限位及螺栓固定连接。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的系统，其特征在于，所述力检测单元(9)为三轴力传感器。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的系统，其特征在于，所述数据检测单元包括温度传感器(11)、磁场传感器(12)、转速传感器(13)和/或振动测量传感器(14)。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的系统，其特征在于，该系统还包括放大器，与所述力检测单元(9)和所述数据监测单元连接，用于对所述力检测单元(9)和所述数据监测单元的检测数据进行放大。

10.根据权利要求1-6中任一项所述的系统，其特征在于，所述轨道导体(4)为金属导电板或金属线圈。

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