CN112895910A - 高速磁浮列车的随车控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高速磁浮列车的随车控制系统，其特征是：轨道上设置驱动线圈和霍尔传感器接近开关4，驱动线圈8由霍尔传感器接近开关控制接通或断开，列车底部与霍尔传感器接近开关对应位置设置随车永久磁铁或车控电磁线圈作为随车控制系统，随车控制系统可以通过霍尔传感器接近开关直接无接触控制驱动线圈，实现列车对轨道上驱动线圈的直接控制,克服了现有的控制系统需要每隔一段距离设置分电站，使控制系统结构更加简单可靠。

Description

高速磁浮列车的随车控制系统

所属技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，具体涉及磁悬浮列车及轨道的控制系统，尤其是用于直线电机驱动的轨道与列车之间的控制系统。

背景技术

目前已经投入商业运营的电磁悬浮列车典型的有德国的EMS电磁悬浮系统和日本的 EDS超导电动悬浮列车，都是采用同步直线电机牵引驱动技术，控制列车行驶的同步直线电机的控制系统较复杂，存在的明显问题是在同一驱动区间段的两辆列车只能由同一个控制系统控制，不可能让两辆即将相撞的列车向相反方向避让行驶，因此对于不同速度的两列列车相对行驶到同一驱动区间段时难以避免两车相撞事故。控制列车的行驶的动力系统和控制系统都在轨道上，列车和轨道上需要采集列车与轨道之间相对位移的传感器，也需要一套非常复杂的算法和计算设备，甚至需要遥控技术来传递列车与轨道上的控制系统之间的通讯信号，使得控制系统结构非常复杂，而且控制环节过多而显得可靠性脆弱，复杂的控制系统制约着磁悬浮列车的发展。

发明内容

本发明旨在克服上述技术中存在的不足之处，提供一种结构简单、性能可靠、成本低的磁悬浮列车的控制技术。

技术方案

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种磁悬浮列车的随车控制系统1，其特征是：轨道上固定设置驱动线圈8，驱动线圈8的两端都连接有两路固态继电器3或晶闸管3与轨道两侧的主导线电连接，轨道上设置霍尔传感器接近开关4，霍尔传感器接近开关4的输出端与所述的固态继电器3或晶闸管3的控制端电连接，列车底部与霍尔传感器接近开关4对应位置设置随车永久磁铁2或车控电磁线圈13作为随车控制系统，列车上通过控制随车永久磁铁2或车控电磁线圈13接近霍尔传感器接近开关4的磁场方向直接无接触控制驱动线圈8的接通或断开和电流方向。

所述的霍尔传感器接近开关4沿行车方向设置1排或2排及2排以上。

所述的随车控制系统1由1排或2排及2排以上的随车永久磁铁2或车控电磁线圈13组成。

所述的霍尔传感器接近开关4为极性霍尔传感器接近开关4，即对磁铁的N极和S极都可以感应反馈，对外输出至少两路控制信号。

所述的霍尔传感器接近开关4为其他非接触传感器开关，包括电容式接近开关、电感式接近开关、舌簧管接近开关。

所述的固态继电器（3）或晶闸管3也可以是其他类型的非接触控制开关，如可控硅。

所述的霍尔传感器接近开关4为线性的，即霍尔传感器接近开关4对磁场的N极和S极的强弱也可以反馈，输出不同的电压或电流信号，并通过控制电路控制轨道上驱动线圈8通电后的磁场强弱。

所述的随车永久磁铁2的对外磁极通过滑移机构变换接近霍尔传感器接近开关4处磁场的方向。

所述的随车永久磁铁2的对外磁极通过翻转机构变换接近霍尔传感器接近开关4处磁场的方向。

所述的车控电磁线圈13由可编程控制器来控制车控电磁线圈13的接通或断开及对外磁场的方向。

所述的驱动线圈8可以是有铁芯线圈或无铁芯线圈。

有益效果

本发明的有益效果是：

1、列车控制列车。直接在列车上发出控制信号，直接控制轨道上的驱动线圈工作，驱动列车行驶，沿线不需要控制分电站。德国高速电磁悬浮列车的同步直线电机控制技术需要每隔一百多米设置一个控制分电站，沿途要设置大量的控制分电站控制列车运行。日本的超导电动磁悬浮列车的同步直线电机控制技术需要每隔四百多米设置一个控制分电站，虽然数量减少，但仍需要大量的控制开关和遥控技术来传递列车与轨道上的控制系统之间的通讯信号。本发明的控制系统安装在列车上，不需要沿途设置控制分电站，直接在列车上发出控制信号，直接控制轨道上的驱动线圈工作，驱动列车行驶。

2、结构简单。随车控制系统安装在列车上，而且随车永久磁铁或车控线圈与列车底部的牵引磁铁的相对位置是可以随意控制并保持相对固定的，省去了采集列车与轨道之间相对位移的传感器，也不再需要遥控技术来传递列车与轨道上的控制系统之间的通讯信号，省去了复杂的计算方法和计算设备，结构大大简化，造价降低。

3、可靠性高。由于结构大大简化，也省去了复杂的中间传递控制环节，即时控制无延时，因而可靠性大大提高。

4、更适合高速控制。由于控制系统是在列车上直接控制轨道上的霍尔传感器接近开关来控制驱动线圈的工作，不需要采集列车与轨道之间相对位置的传感器，也不需要遥控技术来传递列车与轨道上的控制系统之间的通讯信号，省去了中间传递环节和复杂的计算时间，可以用最短时间进行即时控制，本发明的随车控制系统不仅适合中低速列车的控制，更适合时速500公里到3000公里的超高速列车的控制。

5、操控自如。即使在同一区间段的轨道上的列车，可以和目前的常规轮轨高铁一样可以随意控制列车的速度和行驶方向，也可以相互避让行驶，还可以相互靠近连挂成一列列车，行车中出现任何问题都可以自行控制解决。

6、实现节能控制。列车上的控制系统采用永久磁铁做控制元件，控制指令发出后，永久磁铁可以保持不耗电的状态控制驱动线圈工作，节约控制能源。轨道上的主导线的通电方向始终保持不变，只改变驱动线圈的电流方向，减少了主导线电流换向的反复冲击，比目前的采用轨道上分电站来控制每条主导线的可变交流电流的方向要更加节能，并延长电器元件的使用寿命。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的单排随车控制系统单元的工作原理示意图。

图2是本发明的单排随车控制系统实施例的侧视结构示意图。

图3是本发明的单排随车控制系统实施例的立体结构示意图。

图4是本发明的双排随车控制系统单元的工作原理示意图。

图5是本发明的双排随车控制系统实施例的立体结构示意图。

图6是本发明的随车控制系统的滑移机构的仰视图。

图中1-随车控制系统，2-随车永久磁铁，3-晶闸管或固态继电器，4-霍尔传感器接近开关，5-线路导线，6-列车的牵引永久磁铁，7-铁芯，8-驱动线圈，9-主导线，10-轨枕，11-绝缘盒，12-路基或箱梁， 13-车控电磁线圈，14-车控基座，15-列车,16-列车弯臂，17-悬浮板，18-滑移机构及滑道，19-钢轨。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步详细介绍。

如图1所示，公开了本发明的随车控制系统1的工作原理，轨道两侧设置有主导线9，一侧主导线9为电源的正极，一侧主导线为电源的负极。轨道上设置有固定的驱动线圈8，驱动线圈8的底部距离一定间隙设置牵引永久磁铁6，牵引永久磁铁6固定连接在列车的底部，固定驱动线圈8与牵引永久磁铁6构成直线电机。每组驱动线圈8由若干个子线圈构成，相互串联成一组驱动线圈8，每组驱动线圈8的两端都连接有两路固态继电器3与轨道两侧的主导线9电连接，固态继电器3也可是晶闸管3，轨道上设置一排霍尔传感器接近开关4。霍尔传感器接近开关4是分极性的，即可以感应磁铁的N极和S极，分别有OUT1和OUT2输出信号。在高速列车15底部的车控基座14与霍尔传感器接近开关4对应位置设置随车永久磁铁2，共同构成随车控制系统1。当列车15底部的随车永久磁铁2的S极朝向霍尔传感器接近开关4时，霍尔传感器接近开关4上感应S极的输出端OUT1输出控制信号，控制对应的一对固态继电器3(图1中A和C处)导通，轨道上的驱动线圈8正向通电，传递给列车底部的牵引永久磁铁6，产生需要的牵引力。列车移动一段距离后，列车15底部的牵引永久磁铁6在下一组驱动线圈8的方向发生改变，列车底部的随车永久磁铁2的N极接近霍尔传感器接近开关4，霍尔传感器接近开关4上感应N极的输出端OUT2输出控制信号，控制对应的另一对固态继电器3(图1中B和D处)导通，轨道上的驱动线圈8反向通电，传递给列车上的牵引永久磁铁6同方向的牵引力。这样如此循环往复，连续按需要的行车方向行驶。轨道上的驱动线圈8由列车底部的随车永久磁铁2控制接通或断开，实现列车15对轨道上驱动线圈8的直接控制。只要控制列车底部的随车永久磁铁2的对外磁极的方向和通断状态的排列位置，就可以通过轨道上的霍尔传感器接近开关3实现无接触控制驱动线圈8的牵引力的方向。

现结合附图进一步说明随车控制系统在高速轨道交通中的典型应用。

为便于观看和理解本发明的随车控制系统的工作原理，图3省去了遮挡控制系统的列车车体、钢轨和机械连接结构。如图2和图3所示，路基12两侧由绝缘体固定设置有主导线9，一侧主导线为电源的正极，一侧主导线为电源的负极。轨道上设置有固定的驱动线圈8，驱动线圈8的底部距离一定间隙设置牵引永久磁铁6，牵引永久磁铁6固定连接在列车15底部的悬浮板17上，驱动线圈8与底部距离一定间隙的牵引永久磁铁6构成永磁直线电机。每组驱动线圈由若干个子线圈构成，两侧轨道的驱动线圈8可相互串联成一组驱动线圈8，每组驱动线圈8的两端都连接有两路固态继电器3，再与轨道路基12两侧的主导线9电连接。轨道中央设置一排霍尔传感器接近开关4。霍尔传感器接近开关4是可以分辩磁场极性的，即可以感应磁场的N极和S极，分别有OUT1和OUT2输出信号。在高速列车15的底部与霍尔传感器接近开关4对应位置设置随车永久磁铁2，一起构成随车控制系统1。当列车15底部的随车永久磁铁2的S极接近霍尔传感器接近开关4时，霍尔传感器接近开关4上感应S极的输出端OUT1输出控制信号，控制对应的一对固态继电器3导通，轨道上的驱动线圈8正向通电，传递给列车底部的牵引永久磁铁6，产生行车方向的牵引力。列车移动一段距离后，列车15底部的牵引永久磁铁6在下一组驱动线圈8的方向发生改变，列车15底部的随车永久磁铁2的N极接近霍尔传感器接近开关4，霍尔传感器接近开关4上感应N极的输出端OUT2输出控制信号，控制对应的另一对固态继电器3导通，轨道上的驱动线圈8反向通电，传递给列车底部的牵引永久磁铁6同方向的牵引力。这样如此循环往复，连续按需要的行车方向行驶。轨道上的驱动线圈8由列车底部的随车永久磁铁2控制接通或断开，实现列车15对轨道上驱动线圈8的直接控制。只要控制列车底部的随车永久磁铁2的对外磁极的方向和通断状态的排列位置，就可以通过霍尔传感器接近开关3实现无接触控制驱动线圈8的牵引力的方向，从而实现列车加速、减速，还可以实现列车的再生发电制动。

由于随车永久磁铁2与列车上的牵引永久磁铁6构成的随车控制系统的相对位置保持着同步，按照永磁同步直线电机的控制方式牵引列车行驶。

如图3所示，所述的随车永久磁铁2可以是车控电磁线圈13，车控电磁线圈13是带有铁芯的电磁线圈，安装在列车底部的车控基座14上，与轨枕10上的霍尔传感器接近开关4位置对应。车控电磁线圈13可以由列车上的可编程控制器控制。可编程控制器可以方便控制车控电磁线圈13的接通或断开，还可以通过控制电路控制车控电磁线圈13通电后的对外磁场的NS磁场方向。霍尔传感器接近开关4是极性霍尔开关，可以感应车控电磁线圈13对外磁场的N极或S极，分别输出两路输出控制信号，控制轨道上的固态继电器3实现对轨道上的驱动线圈8相对牵引永久磁铁6的磁场的NS极性。只要控制车控电磁线圈13的对外磁场NS极性就可以控制轨道上驱动线圈的对外磁场的NS极性，从而控制列车的牵引动力及行车方向。

为更容易理解本发明的工作原理，本发明提供一种双排控制系统的工作原理图。

如图4和图5所示，在路基或箱梁12的顶部设置轨枕11，轨枕11两侧用紧固件固定设置钢轨19，轨道上行驶列车15。轨道两侧设置有主导线9，一侧主导线为电源的正极，一侧主导线为电源的负极。轨道上固定设置驱动线圈8，每组驱动线圈由若干个子线圈构成，相互串联成一组驱动线圈8，每组驱动线圈8的一端连接有两路晶闸管3与主导线的正极电连接，每组驱动线圈8的另一端也连接有两路晶闸管3与主导线的负极电连接。晶闸管3也可以是其他类型的开关，如可控硅。轨道上设置两排霍尔传感器接近开关4，对应的随车永久磁铁2设置两排。在高速列车15的底部设置随车永久磁铁2作为随车控制系统，随车永久磁铁2与霍尔传感器接近开关4位置对应，霍尔传感器接近开关4感应到列车底部的随车永久磁铁2而接通对应的晶闸管3，使相应的驱动线圈8通电。当列车15底部的随车永久磁铁2一侧的磁极（如S极）接近霍尔传感器接近开关4时，霍尔传感器接近开关4上感应S极的输出端 输出控制信号，控制对应的一对晶闸管3导通，轨道上的驱动线圈8正向通电，传递给列车需要的牵引力。列车移动一段距离后，列车15底部的牵引永久磁铁6的位置发生改变，列车15底部另一侧的随车永久磁铁2的磁极（如N极）接近霍尔传感器接近开关4时，霍尔传感器接近开关4上感应N极的输出端 输出控制信号，控制对应的另一对晶闸管3导通，轨道上的驱动线圈8反向通电，传递给列车需要的同向牵引力。这样如此循环往复，连续按需要的行车方向行驶。轨道上的驱动线圈8由列车底部的随车永久磁铁2感应霍尔传感器接近开关3控制接通或断开，实现列车15对轨道上驱动线圈8的直接控制。

轨道上设置两排霍尔传感器接近开关4时，霍尔传感器接近开关4可以采用其他简单的非接触传感器开关，例如包括电容式接近开关、电感式接近开关、舌簧管接近开关。

前面所述的霍尔传感器接近开关4还可以采用线性霍尔传感器接近开关4，即霍尔传感器接近开关4对磁铁的N极和S极的强弱也可以感应反馈，输出不同的电压或电流信号，并通过控制电路控制轨道上驱动线圈8通电后的磁场强弱。

如图6所示，所述的随车永久磁铁2的对外磁极通过滑移方式实现对应霍尔传感器接近开关4处磁极的方向的变换。在列车底部的车控基座14上设置滑道18，随车永久磁铁2可以沿滑道移动，由滑移牵引机构控制随车永久磁铁2的滑移。当随车永久磁铁2的S极滑到接近霍尔传感器接近开关4时，驱动线圈8正向接通；当随车永久磁铁2的N极滑到接近霍尔传感器接近开关4时，驱动线圈8反向接通；当随车永久磁铁2的N极和S极都滑到远离霍尔传感器接近开关4时，驱动线圈8与主导线9断开。

所述的随车永久磁铁2的对外磁极还可以通过翻转机构实现对外变换磁极的方向。

所述的驱动线圈8可以是内部设置有铁芯7。铁芯7及驱动线圈8的底部相距一定距离设置牵引永久磁铁6，牵引永久磁铁6固定在列车底部，铁芯7及驱动线圈8与底部相距一定磁力间隙的牵引永久磁铁6构成有铁芯永磁直线电机，对外牵引力会更大。

对于牵引力不需要很大的场所，所述的驱动线圈8也可以是无铁芯线圈，与牵引永久磁铁6构成无铁芯永磁直线电机。

所述的驱动线圈8可以是环形线圈，也可以是蛇形线圈。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高速磁浮列车的随车控制系统（1），其特征是：轨道上固定设置驱动线圈（8），驱动线圈8的两端都连接有两路固态继电器（3）或晶闸管（3）与轨道两侧的主导线电连接，轨道上还设置霍尔传感器接近开关（4），霍尔传感器接近开关（4）的输出端与所述的固态继电器（3）或晶闸管（3）的控制端电连接；列车底部与霍尔传感器接近开关（4）对应位置设置随车永久磁铁（2），列车上控制随车永久磁铁（2）的S极或N极朝向霍尔传感器接近开关（4），霍尔传感器接近开关（4）感应随车永久磁铁（2）磁场的S极或N极，控制对应的固态继电器或晶闸管（3）导通，控制驱动线圈（8）接通或断开和电流方向，驱动线圈（8）与列车底部的牵引永久磁铁（6）形成直线电机，牵引列车正向或反向运行。

2.根据权利要求1所述的随车控制系统（1），其特征是：所述列车上控制随车永久磁铁是采用在列车底部的车控基座上设置有牵引机构，牵引机构驱动滑移机构或翻转机构变换随车永久磁铁（5）接近霍尔传感器接近开关（4）处磁场的方向。

3.一种高速磁浮列车的随车控制系统（1），其特征是：轨道上固定设置驱动线圈（8），驱动线圈8的两端都连接有两路固态继电器（3）或晶闸管（3）与轨道两侧的主导线电连接，轨道上还设置霍尔传感器接近开关（4），霍尔传感器接近开关（4）的输出端与所述的固态继电器（3）或晶闸管（3）的控制端电连接；列车底部与霍尔传感器接近开关（4）对应位置设置车控电磁线圈（13），列车上控制车控电磁线圈（13）的S极或N极朝向霍尔传感器开关，霍尔传感器接近开关（4）感应车控电磁线圈（13）磁场的S极或N极，控制对应的固态继电器或晶闸管（3）导通，控制驱动线圈（8）接通或断开和电流方向，驱动线圈（8）与列车底部的牵引永久磁铁（6）形成直线电机，牵引列车正向或反向运行。

4.根据权利要求3所述的一种高速磁浮列车的随车控制系统（1），其特征是：所述的随车控制系统1由1排或2排及2排以上的车控电磁线圈（13）组成。

5.根据权利要求3所述的一种高速磁浮列车的随车控制系统（1），其特征是：所述列车上控制车控电磁线圈（13）是采用可编程控制器或者控制电路来控制车控电磁线圈（13）的S极或N极朝向霍尔传感器开关，控制车控电磁线圈（13）的接通或断开及磁场的方向。

6.根据权利要求1-5任一所述的随车控制系统（1），其特征是：所述的固态继电器（3）或晶闸管（3）也可以是其他类型的非接触控制开关，如可控硅。

7.根据权利要求1-5任一所述的随车控制系统（1），其特征是：所述的霍尔传感器接近开关（4）沿行车方向设置1排或2排及2排以上。

8.根据权利要求1-5任一所述的随车控制系统（1），其特征是：所述轨道上设置2排霍尔传感器接近开关时，霍尔传感器接近开关（4）为非接触传感器开关，包括电容式接近开关、电感式接近开关、舌簧管接近开关。

9.根据权利要求1-5任一所述的随车控制系统（1），其特征是：所述的霍尔传感器接近开关（4）为线性的，即霍尔传感器接近开关（4）对磁场的N极和S极的强弱也可以反馈，输出不同的电压或电流信号，并通过控制电路控制轨道上驱动线圈（8）通电后的磁场强弱。

10.根据权利要求1-5任一所述的随车控制系统（1），其特征是：所述的驱动线圈（8）可以是有铁芯线圈或无铁芯线圈。

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