CN113119740A - 单磁轨永磁电磁混合悬浮装置 - Google Patents

单磁轨永磁电磁混合悬浮装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种单磁轨永磁电磁混合悬浮装置，包括：固定部和悬浮部，固定部包括磁轨道和基座；悬浮部包括至少两组悬浮磁组、两组电磁导向模块；悬浮磁组沿悬浮部的运动方向的中轴线间隔设置，悬浮磁组的组数和设置位置能够保证所述悬浮磁组与磁轨道之间产生的永磁斥力平衡悬浮部的重力从而使悬浮部悬浮于磁轨道上方的预设位置；两组电磁导向模块设置在悬浮部的所述中轴线的两个端部，当悬浮部偏离预设位置时，每一电磁导向模块能够基于悬浮部与磁轨道之间的横向偏移量产生对应方向和大小的横向电磁力，从而控制悬浮部回到磁轨道上方的预设位置；本发明的单磁轨永磁电磁混合悬浮装置具有零功率悬浮、无摩擦滑动等特征，维护方便，节能环保。

Description

单磁轨永磁电磁混合悬浮装置
技术领域
本发明涉及磁悬浮技术领域，具体地涉及一种单磁轨永磁电磁混合悬浮装置。
背景技术
目前，人类主要掌握电磁磁浮技术、低温超导电动磁浮技术、高温超导磁浮技术和永磁磁浮技术。其中，电磁磁浮不依赖特殊材料，技术难度集中在悬浮系统的闭环控制鲁棒性；低温超导电动磁浮和高温超导磁浮依赖超导材料，属于被动悬浮，技术实现难度较低，但材料成本和制冷能耗高，暂不适宜交通领域的应用；永磁磁浮依赖永磁体之间的永磁斥力实现被动悬浮且无能耗，能够节省能源，且实现难度较低。
但是，在永磁磁浮技术中，磁场的横向偏移力，即永磁斥力的水平分力会导致系统失稳，存在一定的安全风险问题，因此，现有技术中，永磁磁浮系统通常采用机械导向轮以维持转向架的稳定，但是，机械导向轮存在“磨损快”、“维护难”等问题，属于亟待突破的技术瓶颈。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种单磁轨永磁电磁混合悬浮装置，针对单磁轨道设计了独特的悬浮磁组结构以平衡悬浮部的重力，并通过电磁导向模块产生横向电磁力，使得悬浮部稳定悬浮于磁轨道上方的预设位置。
为了实现上述目的，本发明实施例提供一种单磁轨永磁电磁混合悬浮装置，包括：
固定部，包括磁轨道和用于固定磁轨道的基座，所述磁轨道由连续或间隔设置的第一永磁体组成，水平且固定设置；
悬浮部，包括驱动机构、供电系统、至少两组悬浮磁组以及两组电磁导向模块；
所述悬浮磁组沿所述悬浮部的运动方向的中轴线间隔设置，每一悬浮磁组包含若干第二永磁体，所述悬浮磁组的组数和设置位置能够保证所述悬浮磁组与磁轨道之间产生的永磁斥力平衡所述悬浮部的重力从而使得悬浮部悬浮于磁轨道上方的预设位置；
两组电磁导向模块分别设置在悬浮部的中轴线的两个端部，当悬浮部偏离磁轨道上方的所述预设位置时，每一电磁导向模块能够基于所述悬浮部与磁轨道之间的横向偏移量产生对应方向和大小的横向电磁力，从而控制所述悬浮部回到磁轨道上方的所述预设位置；
所述驱动机构用于为所述悬浮部提供动力，使所述悬浮部沿所述磁轨道运动；
所述供电系统与所述电磁导向模块和所述驱动机构电性连接以为所述电磁导向模块和所述驱动机构供电；
每一电磁导向模块包括偏移传感器、控制器、功率放大电路和纠偏电磁铁；所述偏移传感器对所述悬浮部与所述磁轨道之间的横向偏移量进行测量和表征，并传递所述横向偏移量至控制器；控制器依据偏移量设定值和接收到的横向偏移量产生控制信号；功率放大电路根据控制信号调节所述纠偏电磁铁中励磁电流的方向和大小；所述纠偏电磁铁通过励磁电流产生电磁场，并与所述磁轨道相互作用产生横向电磁力，用以控制所述悬浮部在水平方向上偏离所述预设位置的自由度。
可选的，每一悬浮磁组包括两个第二永磁体，两个第二永磁体以所述中轴线对称设置，每一第二永磁体下表面与所述磁轨道上表面的磁性相反。
可选的，每一悬浮磁组包括五个第二永磁体，按海尔贝克阵列排布，四个第二永磁体以所述中轴线对称设置，一个第二永磁体位于中轴线上且该第二永磁体下表面与所述磁轨道上表面的磁性相同。
可选的，所述纠偏电磁铁以差分方式工作，包括至少两个以所述中轴线对称设置且铁芯处于竖直位置的纠偏电磁铁，所述至少两个纠偏电磁铁串联设置以使所述中轴线两侧的纠偏电磁铁中的励磁电流产生磁性相反的磁场，分别与所述磁轨道产生电磁斥力和电磁吸力，所述电磁斥力和电磁吸力的竖直分力相互抵消，水平分力相互叠加从而形成所述横向电磁力。
可选的，所述纠偏电磁铁以直接方式工作，包括至少一个铁芯水平横卧所述中轴线的纠偏电磁铁，所述纠偏电磁铁中的励磁电流产生的磁场横向作用于所述磁轨道以产生所述横向电磁力。
可选的，所述偏移传感器采用激光距离感受器或霍尔元件；所述偏移传感器设置为一个，位于所述中轴线上；或者所述偏移传感器设置为两个且以所述中轴线对称设置。
可选的，所述控制器采用模拟控制电路或数字控制程序。
可选的，所述驱动机构至少包括直线电机驱动、牵引驱动或风力驱动中的一种。
可选的，所述供电系统至少包括无线供电、太阳能板供电或电池供电中的一种。
本申请方案中采用悬浮磁组与磁轨道之间的永磁斥力抵消悬浮部的重力，使悬浮部悬浮于磁轨道上方的预设位置；在悬浮部与磁轨道之间发生横向偏移时，通过电磁导向模块产生横向电磁力，以平衡由于悬浮部与磁轨道之间存在横向偏移而产生的横向偏移力，使得悬浮部回到磁轨道上方的所述预设位置，保证悬浮部能够稳定悬浮在所述预设位置上，具有“零功率悬浮”、“无摩擦”等特征和结构简单、维护方便、节能环保等优点。
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1是本发明一种实施例提供的单磁轨永磁电磁混合悬浮装置的结构示意图，其中，悬浮磁组为两组，每组两块第二永磁体，每一电磁导向模块的纠偏电磁铁为两个、偏移传感器为一个；
图2是图1实施例中单磁轨永磁电磁混合悬浮装置的结构示意图；
图3是图1实施例中单磁轨永磁电磁混合悬浮装置的悬浮部的结构示意图；
图4是图1实施例中单磁轨永磁电磁混合悬浮装置的悬浮磁组的磁性方向示意图；
图5是图1实施例中单磁轨永磁电磁混合悬浮装置的悬浮磁组在磁轨道上所受竖直悬浮力(永磁斥力的竖直分力)和横向偏移力(永磁斥力的水平分力)随空间位置的变化关系示意图；
图6是图1实施例中单磁轨永磁电磁混合悬浮装置的悬浮部向左偏移时电磁导向模块的受力分析示意图；
图7是图1实施例中单磁轨永磁电磁混合悬浮装置的电磁导向模块的控制原理示意图；
图8是本发明另一种实施例提供的单磁轨永磁电磁混合悬浮装置的结构示意图，其中，悬浮磁组为两组，每组五块按海尔贝克阵列排布的第二永磁体，每一电磁导向模块的纠偏电磁铁为一个、偏移传感器为两个；
图9是图8实施例中单磁轨永磁电磁混合悬浮装置的结构示意图；
图10是图8实施例中单磁轨永磁电磁混合悬浮装置的悬浮部的结构示意图；
图11是图8实施例中单磁轨永磁电磁混合悬浮装置的悬浮磁组中的第二永磁体按照海尔贝克阵列排布时的磁性方向示意图；
图12是图8实施例中单磁轨永磁电磁混合悬浮装置的悬浮部向左偏移时电磁导向模块的受力分析示意图；
图13是本发明另一种实施例提供的单磁轨永磁电磁混合悬浮装置的结构示意图，其中，悬浮磁组为两组，每组两块第二永磁体；
图14是图13实施例中单磁轨永磁电磁混合悬浮装置的结构示意图；
图15是图13实施例中单磁轨永磁电磁混合悬浮装置的悬浮部的结构示意图。
附图标记说明
1-固定部； 11-磁轨道； 12-基座；
2-悬浮部； 21-悬浮磁组； 22-电磁导向模块；
23-驱动机构； 24-供电系统； 221-偏移传感器；
222-控制器； 223-功率放大电路； 224-纠偏电磁铁。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
在本发明实施例中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系。
术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
术语“平行”、“垂直”等并不表示要求部件绝对平行或垂直，而是可以稍微倾斜。如“平行”仅仅是指其方向相对“垂直”而言更加平行，并不是表示该结构一定要完全平行，而是可以稍微倾斜。
术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平、竖直或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
此外，“大致”、“基本”等用语旨在说明相关内容并不是要求绝对的精确，而是可以有一定的偏差。例如：“大致相等”并不仅仅表示绝对的相等，由于实际生产、操作过程中，难以做到绝对的“相等”，一般都存在一定的偏差。因此，除了绝对相等之外，“大致等于”还包括上述的存在一定偏差的情况。以此为例，其他情况下，除非有特别说明，“大致”、“基本”等用语均为与上述类似的含义。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-3、图8-10和13-15所示，本发明提供一种单磁轨永磁电磁混合悬浮装置，包括：
固定部1，包括磁轨道11和用于固定磁轨道11的基座12，所述磁轨道11由连续或间隔设置的第一永磁体组成，基本水平且固定设置；
悬浮部2，包括驱动机构23、供电系统24、至少两组悬浮磁组21以及两组电磁导向模块22；
所述悬浮磁组21沿所述悬浮部2的运动方向的中轴线间隔设置，每一悬浮磁组21包含若干第二永磁体，所述悬浮磁组21的组数和设置位置能够保证所述悬浮磁组21与磁轨道11之间产生的永磁斥力平衡所述悬浮部2的重力从而使得悬浮部2悬浮于磁轨道11上方的预设位置；
两组电磁导向模块22分别设置在悬浮部2的中轴线的两个端部，当悬浮部2偏离磁轨道11上方的所述预设位置时，每一电磁导向模块22能够基于所述悬浮部2与磁轨道11之间的横向偏移量产生对应方向和大小的横向电磁力，从而控制所述悬浮部2回到磁轨道11上方的所述预设位置；
所述驱动机构23用于为所述悬浮部2提供动力，使所述悬浮部2沿所述磁轨道11运动；
所述供电系统24与所述电磁导向模块22和所述驱动机构23电性连接以为所述电磁导向模块22和所述驱动机构23供电；
每一电磁导向模块22包括偏移传感器221、控制器222、功率放大电路223和纠偏电磁铁224；所述偏移传感器221对所述悬浮部2与所述磁轨道11之间的横向偏移量进行测量和表征，并传递所述横向偏移量至控制器222；控制器222依据偏移量设定值和接收到的横向偏移量产生控制信号；功率放大电路223根据控制信号调节所述纠偏电磁铁224中励磁电流的方向和大小；所述纠偏电磁铁224通过励磁电流产生电磁场，并与所述磁轨道11相互作用产生横向电磁力，用以控制所述悬浮部2在水平方向上偏离所述预设位置的自由度。
具体地，在预设的线路上设置基座12，再将磁轨道11固定在基座12上，使得磁轨道11基本水平且固定，保证磁轨道11在与悬浮磁组21产生永磁斥力和与电磁导向模块22产生横向电磁力时，自身不会产生位移，所述基座12的形状和大小根据使用环境确定。
更进一步地，所述第一永磁体和第二永磁体可以设置为钕铁硼磁铁、铁氧体等，形状可以设置为正方体、长方体等。本实施方式中，以组成磁轨道11的每一个第一永磁体的上表面的磁性为N极，下表面的磁性为S极为例进行说明。具体地，所述磁轨道11可以按照一定的预设弯曲角度进行弯曲设置，同时，所述磁轨道11可以倾斜设置，使得磁轨道11的上表面不完全与水平面平行，另外，所述磁轨道11可以由多个第一永磁体排列拼接构成，相邻的第一永磁体之间可以设置一定的间隙，以减小相邻的第一永磁体之间的内应力，使得安装更加容易。
具体地，图5是图1实施例中单磁轨永磁电磁混合悬浮装置的悬浮磁组在磁轨道上所受竖直悬浮力(永磁斥力的竖直分力)和横向偏移力(永磁斥力的水平分力)随空间位置的变化关系示意图，可以做出如下分析：
如图5(a)所示，悬浮磁组21所受竖直悬浮力Fy随着悬浮高度y的增加而衰减，特别地，当悬浮高度y从20mm增加至25mm时，竖直悬浮力Fy由16.11kN下降至12.76kN。其中，悬浮高度为悬浮磁组21下表面与磁轨道11上表面之间的高度。由此可知，通过合理设计悬浮磁组21，可以利用悬浮磁组21与磁轨道11之间的竖直悬浮力平衡所述悬浮部2所受重力、将所述悬浮部2悬浮在所述磁轨道11上方的预设位置。那么，磁轨道11与悬浮部2之间无接触且无摩擦，可以作为轨道交通的方案，降低维护成本；而且，悬浮磁组21与磁轨道11之间的竖直悬浮力为永磁力，无需消耗额外的能源，节能环保；悬浮部2与磁轨道11之间的悬浮高度由具体使用情况确定，一般控制在10～30mm。
如图5(b)所示，在悬浮高度为20mm时，悬浮磁组21所受的横向偏移力Fx随着横向偏移量x的增大而增大，例如，当x＝10mm时，Fx＝8.46kN，将导致系统失稳；需要电磁导向模块22进行主动控制，才能实现悬浮部2的稳定悬浮。其中，横向偏移量包括悬浮部2与磁轨道11之间的横向偏移方向和横向偏移值，横向偏移方向可通过横向偏移值的正负进行表示，在本实施方式中，当悬浮部2存在向左的横向偏移时，横向偏移值为负值；当悬浮部2存在向右的横向偏移时，横向偏移值为正值。
具体地，通过在悬浮部2上设置至少两组悬浮磁组21，通过合理设置悬浮磁组21的组数和设置位置能够使两组悬浮磁组21与磁轨道11之间的永磁斥力平衡所述悬浮部2的重力，使得悬浮部2能够悬浮于磁轨道上方的预设位置上；但是，当悬浮部2受到外力作用或者磁轨道11存在弯曲时，悬浮磁组21与磁轨道11之间发生横向偏移，此时两者之间的横向偏移力使悬浮部2进一步偏离所述预设位置，令悬浮部2在水平方向上失稳。因此，在悬浮部2的沿运动方向的中轴线的两个端部分别设置电磁导向模块22，每一偏移传感器221对所述悬浮部2两个端部与所述磁轨道11之间的横向偏移量进行测量和表征，并传递横向偏移量至控制器222，控制器222根据偏移量设定值和接收的横向偏移量依照控制算法产生控制信号并传递至功率放大电路223，功率放大电路223根据控制信号调节纠偏电磁铁224的励磁电流的方向和大小，使纠偏电磁铁224与磁轨道11之间产生对应方向和大小的横向电磁力，以平衡横向偏移力，调整悬浮部2在水平方向的自由度，使悬浮部2稳定悬浮在磁轨道11上方的所述预设位置。所谓“预设位置”为稳定平衡位置，表示为当环境扰动或磁轨道11存在弯曲导致横向偏移量大于偏移量设定值时，控制器222将对应调整纠偏电磁铁224中励磁电流的方向和大小，从而改变横向电磁力以平衡横向偏移力，实现降低横向偏移量的目的，反之亦然。
具体地，供电系统24向电磁导向模块22提供直流电，功率放大电路223可以实现电流的放大偏置、正向放大或者反向放大，从而改变所述纠偏电磁铁224中励磁电流的方向和大小，功率放大电路223集成在电路板上。在另一种实施方式中，还可以设置H桥电路，通过H桥电路即可实现励磁电流方向的改变，之后再通过功率放大电路223实现励磁电流大小的改变；更进一步地还可以通过换向器、继电器、开关等方式实现对电流方向的控制。
具体地，所述悬浮部2内可以设置一个总控制器(未示出)，总控制器对悬浮部2进行整体协同控制，包括每一电磁导向模块22内的控制器222、驱动机构23和供电系统24，使所述悬浮部2沿所述磁轨道11平稳运动。
更进一步地，为了使用户操作更加便捷，在本实施方式中，在悬浮部2上设置无线通信系统(未示出)，通信系统通过供电系统进行供电，采用无线通信的方式，上传悬浮部2的工作状态，并接收用户指令和调整悬浮部2中设定的各个参数，其中，工作状态包含悬浮距离、载重负荷、移动速度、电池电量、耗电功率等。调整悬浮部2中设定的各个参数包括：远程调整偏移量设定值、远程控制驱动机构23的输出功率，从而控制悬浮部2的移动速度等。
进一步地，每一悬浮磁组21包括两个第二永磁体，两个第二永磁体以所述中轴线对称设置，每一第二永磁体下表面与所述磁轨道11上表面的磁性相反。
进一步地，每一悬浮磁组21包括五个第二永磁体，按海尔贝克阵列排布，四个第二永磁体以所述中轴线对称设置，一个第二永磁体位于中轴线上且该第二永磁体下表面与所述磁轨道11上表面的磁性相同。
具体地，根据悬浮部2的重量和长度等参数，合理设计悬浮磁组21的数量和结构，保证悬浮部2能够悬浮在所述预设位置。每一悬浮磁组21内设置的第二永磁体的数量可以为两个、三个、四个、五个或更多。
具体地，如图4所示，当每一悬浮磁组21设置两个第二永磁体时，所述第二永磁体以所述悬浮部2运动方向的中轴线对称设置，且每一第二永磁体下表面与所述磁轨道11上表面的磁性相反；如果组成磁轨道11的每一个第一永磁体的上表面的磁性为N极，则组成悬浮磁组21的第二永磁体的下表面的磁性为S极；此时，悬浮磁组21两第二永磁体之间隔区域中的磁性与磁轨道11上表面的磁性同为N极；根据同性相斥原理，当磁轨道11处于该间隔区域时，磁轨道11与悬浮磁组21之间存在永磁斥力，可以平衡悬浮部2所受重力；由于磁轨道11两侧均存在第二永磁体，使得处于预设位置时悬浮部2不会相对于下方的磁轨道11产生侧翻或者翻转趋势，只需对悬浮部2进行横向或水平趋势的控制即可产生稳定悬浮效果。为了增强所述永磁斥力，应保证两个第二永磁体与磁轨道11之间上下重叠的面积尽可能小或者可以适当增加两个第二永磁体之间的间隔、使之稍大于磁轨道11的宽度。
具体地，当每一悬浮磁组21设置三个第二永磁体时，两个第二永磁体以所述中轴线对称设置，一个第二永磁体位于所述中轴线上；如果组成磁轨道11的每一个第一永磁体的上表面的磁性为N极，则组成悬浮磁组21的第二永磁体的下表面的磁性从左至右依次为“S极-N极-S极”排列，位于所述中轴线上第二永磁体的下表面的磁性为N极。
具体地，如图11所示，当每一悬浮磁组21设置五个第二永磁体时，五个第二永磁体可以按照海尔贝克阵列排布，四个第二永磁体以所述中轴线对称设置，一个第二永磁体位于所述中轴线上且该第二永磁体下表面与所述磁轨道11上表面的磁性相同。
在另一种实施方式中，如图13-15所示，所述悬浮磁组21中的第二永磁体的下表面可以设置为面向所述磁轨道11的倾斜面，增加悬浮部2在磁轨道11上的稳定性。
进一步地，所述纠偏电磁铁224以差分方式工作，包括至少两个以所述中轴线对称且铁芯处于竖直位置的纠偏电磁铁224，所述至少两个纠偏电磁铁224串联设置以使所述中轴线两侧的纠偏电磁铁224中的励磁电流产生磁性相反的磁场，分别与所述磁轨道11产生电磁斥力和电磁吸力，所述电磁斥力和电磁吸力的竖直分力相互抵消，水平分力相互叠加从而形成所述横向电磁力。
具体地，如图6所示，所述纠偏电磁铁224的差分方式工作表示：所述纠偏电磁铁224以所述中轴线对称且纠偏电磁铁224的铁芯竖直设置，将所述纠偏电磁铁224串联连接并通入等大反向的励磁电流，使中轴线两侧纠偏电磁铁224中的励磁电流产生磁性相反的磁场。特别地，此时左右两侧的纠偏电磁铁224分别通入正向和反向电流，分别与所述磁轨道11产生电磁吸力(F电左)和电磁斥力(F电右)，F电左可以正交分解为F电左竖直和F电左水平，F电右可以正交分解为F电右竖直和F电右水平，F电左竖直与F电右竖直相互抵消，F电左水平和F电右水平相互叠加成为所述横向电磁力，此时所述横向电磁力水平向右；反之，当左右两侧的纠偏电磁铁224分别通入反向和正向电流时，所述横向电磁力水平向左。另外，作为优选的方案，当所述纠偏电磁铁224的数量大于两个时，所述纠偏电磁铁224以偶数设置，且位于所述中轴线两侧的纠偏电磁铁224的数量相同且对称，保证位于所述中轴线两侧的纠偏电磁铁224与磁轨道11产生的电磁力在竖直方向的分力能够相互抵消。
进一步地，所述纠偏电磁铁224以直接方式工作，包括至少一个铁芯水平躺卧所述中轴线的纠偏电磁铁224，所述纠偏电磁铁224中的励磁电流产生的磁场横向作用于所述磁轨道11以产生所述横向电磁力。
具体地，如图12所示，所述纠偏电磁铁224的直接方式工作表示：所述纠偏电磁铁224垂直于所述中轴线且水平设置，所述纠偏电磁铁224的铁芯水平躺卧于所述中轴线上，铁芯的两个端部分别位于所述中轴线的两侧且以所述中轴线对称；并且所述纠偏电磁铁224的数量可以设置为一个、两个或者多个，沿所述中轴线间隔排列。所述纠偏电磁铁224中的励磁电流产生的磁场横向作用于所述磁轨道11并产生所述横向电磁力。
在另一种实施方式中，如图8-10所示，所述纠偏电磁铁224的铁芯的两个端部竖直向下延伸，使得纠偏电磁铁224产生的磁场更加集中与面向磁轨道11的一侧，增强横向电磁力。
进一步地，所述偏移传感器221采用激光距离感受器或霍尔元件，所述偏移传感器221设置为一个，位于所述中轴线上；或者所述偏移传感器221设置为两个且沿所述中轴线对称设置。
具体地，所述偏移传感器221用于检测所述悬浮部2与所述磁轨道11之间的横向偏移。利用激光距离感受器时，可以在所述磁轨道11的上表面安装竖直的反光板，通过获取偏移传感器221与反光板的距离，得到所述悬浮部2的横向偏移量；利用霍尔元件时，可以测量所述悬浮部2的所述中轴线上的由所述磁轨道11激发磁场的水平分量，以表征所述悬浮部2与所述磁轨道11之间的横向偏移量。
当所述偏移传感器221设置为一个时，将其设置在所述中轴线上，并以直接的方式工作；当所述偏移传感器221设置为两个时，将其对称设置在所述中轴线的两侧，并以差分的方式工作，此时可对应设置传感器信号检测电路，该传感器信号检测电路为减法电路，输入端连接偏移传感器221，输出端连接控制器222，将每一组电磁导向模块22中的两个偏移传感器221的输出信号相减、合成一个新的横向偏移量，从而有效控制悬浮部2的悬浮稳定性。
进一步地，所述控制器222采用模拟控制电路或数字控制程序。
具体地，所述控制器222可以采用模拟控制电路，通过PID(ProportionalIntegral Derivative，比例积分导数)闭环控制实现；也可以采用数字控制程序，依靠单片机高频获取偏移传感器221的横向偏移量的信号，采取多样化的控制算法，生成对应的控制信号以调节纠偏电磁铁224中励磁电流的方向和大小，具体地，包括模糊控制算法和预测控制算法。两组电磁导向模块22可以采用同一个控制器进行控制。
进一步地，所述驱动机构23至少包括直线电机驱动、牵引驱动或风力驱动中的一种。
具体地，所述驱动机构23用于为所述悬浮部2提供动力，使所述悬浮部2沿所述磁轨道11运动，由于所述悬浮部2与所述磁轨道11之间无接触且无摩擦，因此很小的动力即可驱动悬浮部2。优选的可以采用风力驱动，为所述悬浮部2提供动力，更具体地，还可以采用喷雾式驱动、电磁驱动、螺旋桨驱动等，采用螺旋桨驱动方式时，通过在悬浮部2上设置电机，电机带动螺旋桨的桨叶旋转，将桨叶旁的大量空气向后推动，空气产生向前的反作用力，为悬浮部2提供向前的动力。
在另一种实施方式中，所述驱动机构23设置在所述悬浮部2的两个端部，可以进行独立控制，实现悬浮部2的前进和后退。
进一步地，所述供电系统24至少包括无线供电、太阳能板供电或电池供电中的一种。
具体地，所述供电系统24用于向所述电磁导向模块22和所述驱动机构23提供工作用电，可以在悬浮部2上设置可充电式蓄电池存储电能，可以设置太阳能板进行发电、并将产生的电能储存；更进一步地，还可以采用无线供电的方式，在所述悬浮部2上设置取电板，并对应沿磁轨道11的两侧设置中频电缆，与取电板之间构成回路，取电板与中频线缆之间按照一定的距离设置，通过取电板获得电能，当进行长距离传输时，对应设置电容补偿盒，保证电能供应正常；更进一步地，供电系统24包含整流、变压、蓄电等功能，可以直接与民用、工业交流电或直流电电性连接。
实施例1
如图1-7所示，本实施例提供一种单磁轨永磁电磁混合悬浮装置，包括：
固定部1，包括磁轨道11和用于固定磁轨道11的基座12，所述磁轨道11由连续设置的第一永磁体组成，基本水平且固定设置；
悬浮部2，包括两组悬浮磁组21、两组电磁导向模块22、驱动机构23和供电系统24；两组悬浮磁组21沿所述悬浮部2的运动方向的中轴线分别设置在所述悬浮部2的两个端部，每一悬浮磁组21包含以所述中轴线对称设置的两个第二永磁体，每一第二永磁体下表面的磁性为S极，所述磁轨道11上表面的磁性N极，所述悬浮磁组21与磁轨道11之间的永磁斥力平衡所述悬浮部2的重力，使得悬浮部2悬浮于磁轨道11上方的预设位置；两组电磁导向模块22分别设置在悬浮部2的所述中轴线的两个端部，当悬浮部2偏离所述预设位置时，每一电磁导向模块22基于所述悬浮部2与磁轨道11之间的横向偏移量产生对应方向和大小的横向电磁力，控制所述悬浮部2回到磁轨道11上方的所述预设位置；所述驱动机构23，用于为所述悬浮部2提供动力，使所述悬浮部2沿所述磁轨道11运动；所述供电系统24与所述电磁导向模块22和所述驱动机构23电性连接并提供电量；
每一电磁导向模块22，包括一个偏移传感器221、一个控制器222、一个功率放大电路223和两个串联连接的纠偏电磁铁224，一个偏移传感器221设置在所述中轴线上，两个纠偏电磁铁224以所述中轴线对称且纠偏电磁铁224的铁芯竖直设置，每一组电磁导向模块22中的两个纠偏电磁铁224和一个偏移传感器221位于每一组悬浮磁组21的两个第二永磁体之间，且均位于悬浮部2的下端面；所述偏移传感器221对所述悬浮部2与所述磁轨道11之间的横向偏移量进行测量和表征，并传递所述横向偏移量至控制器222；控制器222依据偏移量设定值和接收的横向偏移量产生控制信号；功率放大电路223根据控制信号调节所述纠偏电磁铁224中励磁电流的方向和大小；所述纠偏电磁铁224通过励磁电流产生电磁场，并与所述磁轨道11相互作用产生横向电磁力，用以控制所述悬浮部2在水平方向上偏离所述预设位置的自由度，所述控制器222采用数字控制程序进行控制，另外，所述控制器222、功率放大电路223、驱动机构23和供电系统24均位于在悬浮部2的上端面。
图5是图1实施例中单磁轨永磁电磁混合悬浮装置的悬浮磁组在磁轨道上所受竖直悬浮力(永磁斥力的竖直分力)和横向偏移力(永磁斥力的水平分力)随空间位置的变化关系示意图，可以做出如下分析：
如图5(a)所示，悬浮磁组21所受竖直悬浮力Fy随着悬浮高度y的增加而衰减，特别地，当悬浮高度y从20mm增加至25mm时，竖直悬浮力Fy由16.11kN下降至12.76kN。其中，悬浮高度为悬浮磁组21下表面与磁轨道111上表面之间的高度。由此可知，通过合理设计悬浮磁组21，可以利用悬浮磁组21与磁轨道11之间的竖直悬浮力平衡所述悬浮部2所受重力、将所述悬浮部2悬浮在所述磁轨道11上方的预设位置。那么，磁轨道11与悬浮部2之间无接触且无摩擦，可以作为轨道交通的方案，降低维护成本；而且，悬浮磁组21与磁轨道11之间的竖直悬浮力为永磁力，无需消耗额外的能源，节能环保；悬浮部2与磁轨道11之间的悬浮高度由具体使用情况确定，一般控制在10～30mm。
如图5(b)所示，在悬浮高度为20mm时，悬浮磁组21所受的横向偏移力Fx随着横向偏移量x的增大而增大，例如，当x＝10mm时，Fx＝8.46kN，将导致系统失稳；需要电磁导向模块22进行主动控制，才能实现悬浮部2的稳定悬浮。其中，横向偏移量包括悬浮部2与磁轨道11之间的横向偏移方向和横向偏移值，横向偏移方向可通过横向偏移值的正负进行表示，在本实施方式中，当悬浮部2存在向左的横向偏移时，横向偏移值为负值；当悬浮部2存在向右的横向偏移时，横向偏移值为正值。
图6是本发明提供的单磁轨永磁电磁混合悬浮装置的悬浮部向左偏移时电磁导向模块的受力分析示意图，如图6所示，本实施例中，悬浮部2与磁轨道11之间产生了向左的横向偏移量，所述纠偏电磁铁224以差分方式工作，包括至少两个以所述中轴线对称且竖直设置的纠偏电磁铁224，将所述两个纠偏电磁铁224串联并通入等大反向的励磁电流，使中轴线两侧纠偏电磁铁224中的励磁电流产生磁性相反的磁场。特别地，此时左右两侧的纠偏电磁铁224分别通入正向和反向电流，分别与所述磁轨道11产生电磁吸力(F电左)和电磁斥力(F电右)，F电左可以正交分解为F电左竖直和F电左水平，F电右可以正交分解为F电右竖直和F电右水平，F电左竖直与F电右竖直相互抵消，F电左水平和F电右水平相互叠加成为所述横向电磁力，此时所述横向电磁力水平向右；反之，当左右两侧的纠偏电磁铁224分别通入反向和正向电流时，所述横向电磁力水平向左。
图7是本发明提供的电磁导向模块的控制原理示意图，如图7所示，在悬浮部2的沿运动方向的中轴线的两个端部分别设置电磁导向模块22，每一偏移传感器221对所述悬浮部2两个端部与所述磁轨道11之间的横向偏移量进行测量和表征，并传递横向偏移量至控制器222；控制器222根据偏移量设定值和接收的横向偏移量依照控制算法产生控制信号并传递至功率放大电路223；功率放大电路223根据控制信号调节纠偏电磁铁224的励磁电流的方向和大小，使纠偏电磁铁224与磁轨道11之间产生对应方向和大小的横向电磁力，以平衡所述横向偏移力，调整悬浮部2在水平方向的自由度，使悬浮部2稳定悬浮在磁轨道11上方的所述预设位置，所谓“预设位置”为稳定平衡位置。当环境扰动或磁轨道11存在弯曲导致横向偏移量大于偏移量设定值时，控制器222将对应调整纠偏电磁铁224中励磁电流的方向和大小，从而改变横向电磁力的方向和大小以平衡横向偏移力，实现降低横向偏移量的目的，反之亦然。
所述偏移传感器221利用霍尔元件，测量所述悬浮部2的所述中轴线上的由所述磁轨道11激发磁场的水平分量，以表征所述悬浮部2与所述磁轨道11之间的横向偏移量。
所述控制器222根据偏移量设定值和接收的横向偏移量依照控制算法产生控制信号并传递至功率放大电路223、以调节纠偏电磁铁224中励磁电流的方向和大小。具体采用数字控制程序，依靠单片机高频获取偏移传感器221的横向偏移量的信号，采取多样化的控制算法，生成对应的控制信号，具体地，包括模糊控制算法和预测控制算法。
所述功率放大电路223根据控制信号调节纠偏电磁铁224的励磁电流的方向和大小，使纠偏电磁铁224与磁轨道11之间产生对应方向和大小的横向电磁力。功率放大电路223可以实现电流的放大偏置、正向放大或者反向放大；且功率放大电路223集成在电路板上。
实施例2
如图8-12所示，本实施例提供一种单磁轨永磁电磁混合悬浮装置，包括：
固定部1，包括磁轨道11和用于固定磁轨道11的基座12，所述磁轨道11由连续设置的第一永磁体组成，基本水平且固定设置；
悬浮部2，包括两组悬浮磁组21、两组电磁导向模块22、驱动机构23和供电系统24；两组悬浮磁组21沿所述悬浮部2的运动方向的中轴线间隔设置，靠近所述悬浮部2的两个端部，每一悬浮磁组21包含五个第二永磁体，五个第二永磁体按照海尔贝克阵列排布，四个第二永磁体以所述中轴线对称设置，一个第二永磁体位于中轴线上，且该第二永磁体下表面的磁性为N极，所述磁轨道11上表面的磁性为N极，所述悬浮磁组21与磁轨道11之间的永磁斥力平衡所述悬浮部2的重力，使得悬浮部2悬浮于磁轨道11上方的预设位置；两组电磁导向模块22分别设置在悬浮部2的所述中轴线的两个端部，且两组悬浮磁组21位于两组电磁导向模块22之间，当悬浮部2偏离所述预设位置时，每一电磁导向模块22基于所述悬浮部2与磁轨道11之间的横向偏移量产生对应方向和大小的横向电磁力，控制所述悬浮部2回到磁轨道11上方的所述预设位置；所述驱动机构23，用于为所述悬浮部2提供动力，使所述悬浮部2沿所述磁轨道11运动；所述供电系统24与所述电磁导向模块22和所述驱动机构23电性连接并提供电量；
每一电磁导向模块22，包括两个偏移传感器221、一个控制器222、一个功率放大电路223和一个纠偏电磁铁224，两个偏移传感器221设置以所述中轴线对称设置，一个纠偏电磁铁224位于中轴线上，该纠偏电磁铁224的铁芯水平横卧在所述中轴线上，两个偏移传感器221与纠偏电磁铁224前后间隔设置，因此，可以采用在所述悬浮部2的下端面依次设置偏移传感器221、纠偏电磁铁224、悬浮磁组21、悬浮磁组21、纠偏电磁铁224和偏移传感器221的方式；所述偏移传感器221对所述悬浮部2与所述磁轨道11之间的横向偏移量进行测量和表征，并传递所述横向偏移量至控制器222；控制器222依据偏移量设定值和接收的横向偏移量产生控制信号；功率放大电路223根据控制信号调节所述纠偏电磁铁224中励磁电流的方向和大小；所述纠偏电磁铁224通过励磁电流产生电磁场，并与所述磁轨道11相互作用产生横向电磁力，用以控制所述悬浮部2在水平方向上偏离所述预设位置的自由度，所述控制器222采用数字控制程序进行控制，另外，所述控制器222、功率放大电路223、驱动机构23和供电系统24均位于在悬浮部2的上端面。
如图11所示，悬浮磁组中的第二永磁体设置为五个且按照海尔贝克阵列排布时的的磁性方向示意图；其中，位于所述中轴线上的第二永磁体的下表面与所述磁轨道11上表面的磁性相同。采用海尔贝克阵列排布，可以达到利用最少量的第二永磁体产生最强的磁场的效果。
本实施例中的控制方法与实施例1中相同，此处不进行重复描述。不同之处如图12所示，本实施例2中纠偏电磁铁224以直接方式工作，所述纠偏电磁铁224中的励磁电流产生的磁场横向作用于所述磁轨道11并产生横向电磁力，以平衡横向偏移力，实现降低横向偏移量的目的，使得悬浮部2稳定悬浮于磁轨道11上方的预设位置。
实施例3
如图13-15所示，本实施例提供一种单磁轨永磁电磁混合悬浮装置，包括：
固定部1，包括磁轨道11和用于固定磁轨道11的基座12，所述磁轨道11由间隔设置的第一永磁体组成，基本水平且固定设置，所述第一永磁体的上表面为倾斜面；
悬浮部2，包括两组悬浮磁组21、两组电磁导向模块22、驱动机构23和供电系统24；两组悬浮磁组21沿所述悬浮部2的运动方向的中轴线分别设置在所述悬浮部2的两个端部，每一悬浮磁组21包含以所述中轴线对称设置的两个第二永磁体，第二永磁体的下表面为倾斜面，且倾斜面相对，均指向所述磁轨道11，每一第二永磁体下表面的磁性为S极，所述磁轨道11上表面的磁性N极，所述悬浮磁组21与磁轨道11之间的永磁斥力平衡所述悬浮部2的重力，使得悬浮部2悬浮于磁轨道11上方的预设位置；两组电磁导向模块22分别设置在悬浮部2的所述中轴线的两个端部，当悬浮部2偏离所述预设位置时，每一电磁导向模块22基于所述悬浮部2与磁轨道11之间的横向偏移量产生对应方向和大小的横向电磁力，控制所述悬浮部2回到磁轨道11上方的所述预设位置；所述驱动机构23，用于为所述悬浮部2提供动力，使所述悬浮部2沿所述磁轨道11运动；所述供电系统24与所述电磁导向模块22和所述驱动机构23电性连接并提供电量；
每一电磁导向模块22，包括一个偏移传感器221、一个控制器222、一个功率放大电路223和两个串联设置的纠偏电磁铁224，一个偏移传感器221设置在所述中轴线上，两个纠偏电磁铁224以所述中轴线对称且纠偏电磁铁224的铁芯竖直设置，每一组电磁导向模块22中的两个纠偏电磁铁224和一个偏移传感器221位于每一组悬浮磁组21的两个第二永磁体之间，且均位于悬浮部2的下端面；所述偏移传感器221对所述悬浮部2与所述磁轨道11之间的横向偏移量进行测量和表征，并传递所述横向偏移量至控制器222；控制器222依据偏移量设定值和接收的横向偏移量产生控制信号；功率放大电路223根据控制信号调节所述纠偏电磁铁224中励磁电流的方向和大小；所述纠偏电磁铁224通过励磁电流产生电磁场，并与所述磁轨道11相互作用产生横向电磁力，用以控制所述悬浮部2在水平方向上偏离所述预设位置的自由度，所述控制器222采用数字控制程序进行控制，另外，所述控制器222、功率放大电路223、驱动机构23和供电系统24均位于在悬浮部2的上端面。
本实施例中的控制方法与实施例1中相同，此处不进行重复描述。不同点在于：相邻的第一永磁体之间设置有一定的间隙，以减小相邻的第一永磁体之间的内应力，使得安装更加容易；所述磁轨道111上表面设置为倾斜面，所述悬浮磁组21中的第二永磁体的下表面设置为面向所述磁轨道11的倾斜面，能够增加悬浮部2在磁轨道11上的稳定性。
以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。
本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims (9)

1.一种单磁轨永磁电磁混合悬浮装置，其特征在于，包括：
固定部(1)，包括磁轨道(11)和用于固定磁轨道(11)的基座(12)，所述磁轨道(11)由连续或间隔设置的第一永磁体组成，水平且固定设置；
悬浮部(2)，包括驱动机构(23)、供电系统(24)、至少两组悬浮磁组(21)以及两组电磁导向模块(22)；
所述悬浮磁组(21)沿所述悬浮部(2)的运动方向的中轴线间隔设置，每一悬浮磁组(21)包含若干第二永磁体，所述悬浮磁组(21)的组数和设置位置能够保证所述悬浮磁组(21)与磁轨道(11)之间产生的永磁斥力平衡所述悬浮部(2)的重力从而使得悬浮部(2)悬浮于磁轨道(11)上方的预设位置；
两组电磁导向模块(22)分别设置在悬浮部(2)的中轴线的两个端部，当悬浮部(2)偏离磁轨道(11)上方的所述预设位置时，每一电磁导向模块(22)能够基于所述悬浮部(2)与磁轨道(11)之间的横向偏移量产生对应方向和大小的横向电磁力，从而控制所述悬浮部(2)回到磁轨道(11)上方的所述预设位置；
所述驱动机构(23)用于为所述悬浮部(2)提供动力，使所述悬浮部(2)沿所述磁轨道(11)运动；
所述供电系统(24)与所述电磁导向模块(22)和所述驱动机构(23)电性连接以为所述电磁导向模块(22)和所述驱动机构(23)供电；
每一电磁导向模块(22)包括偏移传感器(221)、控制器(222)、功率放大电路(223)和纠偏电磁铁(224)；所述偏移传感器(221)对所述悬浮部(2)与所述磁轨道(11)之间的横向偏移量进行测量和表征，并传递所述横向偏移量至控制器(222)；控制器(222)依据偏移量设定值和接收到的横向偏移量产生控制信号；功率放大电路(223)根据控制信号调节所述纠偏电磁铁(224)中励磁电流的方向和大小；所述纠偏电磁铁(224)通过励磁电流产生电磁场，并与所述磁轨道(11)相互作用产生横向电磁力，用以控制所述悬浮部(2)在水平方向上偏离所述预设位置的自由度。
2.根据权利要求1所述的单磁轨永磁电磁混合悬浮装置，其特征在于，每一悬浮磁组(21)包括两个第二永磁体，两个第二永磁体以所述中轴线对称设置，每一第二永磁体下表面与所述磁轨道(11)上表面的磁性相反。
3.根据权利要求1所述的单磁轨永磁电磁混合悬浮装置，其特征在于，每一悬浮磁组(21)包括五个第二永磁体，按海尔贝克阵列排布，四个第二永磁体以所述中轴线对称设置，一个第二永磁体位于中轴线上且该第二永磁体下表面与所述磁轨道(11)上表面的磁性相同。
4.根据权利要求1所述的单磁轨永磁电磁混合悬浮装置，其特征在于，所述纠偏电磁铁(224)以差分方式工作，包括至少两个以所述中轴线对称设置且铁芯处于竖直位置的纠偏电磁铁(224)，所述至少两个纠偏电磁铁(224)串联设置以使所述中轴线两侧的纠偏电磁铁(224)中的励磁电流产生磁性相反的磁场，分别与所述磁轨道(11)产生电磁斥力和电磁吸力，所述电磁斥力和电磁吸力的竖直分力相互抵消，水平分力相互叠加从而形成所述横向电磁力。
5.根据权利要求1所述的单磁轨永磁电磁混合悬浮装置，其特征在于，所述纠偏电磁铁(224)以直接方式工作，包括至少一个铁芯水平横卧所述中轴线的纠偏电磁铁(224)，所述纠偏电磁铁(224)中的励磁电流产生的磁场横向作用于所述磁轨道(11)以产生所述横向电磁力。
6.根据权利要求1所述的单磁轨永磁电磁混合悬浮装置，其特征在于，所述偏移传感器(221)采用激光距离感受器或霍尔元件；所述偏移传感器(221)设置为一个，位于所述中轴线上；或者所述偏移传感器(221)设置为两个且以所述中轴线对称设置。
7.根据权利要求1所述的单磁轨永磁电磁混合悬浮装置，其特征在于，所述控制器(222)采用模拟控制电路或数字控制程序。
8.根据权利要求1所述的单磁轨永磁电磁混合悬浮装置，其特征在于，所述驱动机构(23)至少包括直线电机驱动、牵引驱动或风力驱动中的一种。
9.根据权利要求1所述的单磁轨永磁电磁混合悬浮装置，其特征在于，所述供电系统(24)至少包括无线供电、太阳能板供电或电池供电中的一种。
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