CN116930832A - 一种超导电动磁浮轨道故障检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超导电动磁浮轨道故障检测装置及方法，涉及超导电动磁悬浮领域。本装置包括：车架系统，车架系统设置在侧壁离散式8字线圈轨道中，车架系统的顶部设置有信号处理装置；以及检测系统，检测系统设置在车架系统的两侧，检测系统包括升降装置和夹持装置，升降装置用于调节夹持装置的竖向高度，夹持装置设置在升降装置的外侧，夹持装置设置有第一连接部和第二连接部，第二连接部设置在第一连接部的外周，第一连接部用于连接永磁体阵列，第二连接部用于连接接收线圈，接收线圈与信号处理装置电连接。本装置能够同时实现对侧壁离散式8字线圈轨道的几何平顺性和磁场均匀性的检测。
Description
技术领域
本发明涉及超导电动磁悬浮领域，具体而言，涉及一种超导电动磁浮轨道故障检测装置及方法。
背景技术
在超导电动磁悬浮系统中，8字线圈安装在推进线圈外侧，其暴露在空气中，当户外环境恶劣时，如日照、风沙、雨雾、冰雪等自然环境下，会造成8字线圈绝缘劣化或损坏，甚至出现断路故障。而8字线圈在超导电动悬浮系统中，既承担悬浮任务又承担导向任务，其对于磁浮列车的稳定运行具有重要作用。因此，在列车投入运行前，对超导电动磁悬浮中的离散式8字线圈轨道进行检测至关重要。在现有技术中，一方面无法实现对侧壁离散式8字线圈轨道的几何平顺性检测，另一方面也无法实现对侧壁离散式8字线圈轨道的磁场均匀性进行检测。因此亟需一种超导电动磁浮轨道故障检测装置，以同时实现对侧壁离散式8字线圈轨道的几何平顺性和磁场均匀性的检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超导电动磁浮轨道故障检测装置及方法，以改善上述问题。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
第一方面，本申请提供了一种超导电动磁浮轨道故障检测装置，所述装置包括：
车架系统，所述车架系统设置在侧壁离散式8字线圈轨道中，所述车架系统的顶部设置有信号处理装置；以及
检测系统，所述检测系统设置在所述车架系统的两侧，所述检测系统包括升降装置和夹持装置，所述升降装置用于调节所述夹持装置的竖向高度，所述夹持装置设置在升降装置的外侧，所述夹持装置设置有第一连接部和第二连接部，所述第二连接部设置在所述第一连接部的外周，所述第一连接部用于连接永磁体阵列，所述第二连接部用于连接接收线圈，所述接收线圈与所述信号处理装置电连接。
第二方面，本申请提供了一种超导电动磁浮轨道故障检测方法，所述方法包括：
对夹持装置通过升降装置设置多个预设检测高度；
在不同预设检测高度下运行车架系统，并通过信号处理装置收集所述不同预设检测高度所对应的不同检测信号；
根据所述不同检测信号进行磁场均匀性分析；
根据所述不同检测信号对所述侧壁离散式8字线圈轨道进行故障点分析。
本发明的有益效果是：
本发明将永磁体阵列产生的磁场作用于离散式8字线圈轨道，利用永磁体阵列外周的线圈作为接收线圈，以捕获离散式8字线圈感应电流所产生的感应磁场，并将接收线圈连接滤波、放大电路、示波器等信号处理装置对接收电信号进行提取和显示，从而实现无接触检测离散式8字线圈轨道的几何平顺性和磁场均匀性。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分需从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明所述超导电动磁浮轨道故障检测装置的整体结构示意图；
图2为本发明所述永磁体阵列和所述接收线圈的安装结构示意图；
图3为本发明所述第一宽度、所述第二宽度和目标极距的结构示意图；
图4为本发明所述预设磁化锐角的设置结构示意图；
图5为本发明所述第一连接部和所述第二连接部的结构示意图；
图6为本发明所述第一连接部包括所述安装基体和所述卡槽的结构示意图；
图7为本发明所述车架系统的结构示意图；
图8为在本发明中，有限元模拟下8字线圈未失效下接收线圈电流变化曲线；
图9为在本发明中，有限元模拟下8字线圈失效下接收线圈电流变化曲线；
图10为在本发明中8字线圈未失效下电平信号；
图11为在本发明中8字线圈失效下电平信号；
图12为8字线圈未失效下示波器显示信号曲线；
图13为8字线圈失效下示波器显示信号曲线；
图中标记：
1、车架系统；11、车体；12、转向架；13、车轮；14、交流电发电装置；131、轮毂电机；21、升降装置；22、夹持装置；23、永磁体阵列；24、接收线圈；211、安装板；212、电动推杆；221、第一连接部；222、第二连接部；231、第一主磁极；232、第二主磁极；2211、安装基体；2222、卡槽；3、侧壁离散式8字线圈轨道。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。
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定义和解释。同时，在本发明的描述中，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。
实施例一：
本实施例提供了一种超导电动磁浮轨道故障检测装置。
如图1和图2所示，所述装置包括：
车架系统1，所述车架系统1设置在侧壁离散式8字线圈轨道3中，所述车架系统1的顶部设置有信号处理装置；以及
检测系统，所述检测系统设置在所述车架系统1的两侧，所述检测系统包括升降装置21和夹持装置22，所述升降装置21用于调节所述夹持装置22的竖向高度，所述夹持装置22设置在升降装置21的外侧；
如图5所示，所述夹持装置22设置有第一连接部221和第二连接部222，所述第二连接部222设置在所述第一连接部221的外周，所述第一连接部221用于连接永磁体阵列23，所述第二连接部222用于连接接收线圈24，所述接收线圈24与所述信号处理装置电连接。
在本检测装置中，利用永磁体阵列23的单边聚磁特性，以产生源磁场。在进行检测时，源磁场与侧壁离散式8字线圈轨道3中的8字线圈交链，在8字线圈内感生出电动势，当8字线圈无损坏时，会在8字线圈内产生感应电流，进而在8字线圈周围产生磁场；当接收线圈24设置在永磁体阵列23的外周时，本装置再次利用永磁体阵列23的单边聚磁特性，降低源磁场对接收线圈24的影响，且接收线圈24通过捕获8字线圈产生的磁场，在接收线圈24内感生出电动势；之后，通过信号处理装置对接收线圈24内电信号的滤波、放大、显示等处理，可以得到反映8字线圈几何平顺性和磁场均匀性的电信号波形，从而实现实时观测。
在本发明中，为保证产生良好的源磁场，所述永磁体阵列23为两个并排设置的Halbach永磁体阵列，且在每个所述Halbach永磁体阵列中包括至少两个不同的预设磁化锐角，在所述两个不同的预设磁化锐角之间设置有一个预设90°磁化角。在本结构中Halbach永磁体阵列是发射极。
如图3所示在本检测装置中，为明确永磁体阵列23的宽度设置对检测结果的影响，所述永磁体阵列23包括第一Halbach永磁体和第二Halbach永磁体，且所述第一Halbach永磁体和所述第二Halbach永磁体均为十字型永磁体，所述第一Halbach永磁体的宽度为第一宽度，所述第二Halbach永磁体的宽度为第二宽度，在所述第一Halbach永磁体中设置有第一主磁极231，在所述第二Halbach永磁体中设置有第二主磁极232，所述第一主磁极231中心到所述第二主磁极232中心的水平距离为目标极距，所述目标极距、所述第一宽度和所述第二宽度通过预设极距模型进行控制。
在本装置中，所述预设极距模型为：
上式中，b1表示第一宽度，k1表示第一预设极弧系数，L表示目标极距，b2表示第二宽度，k2表示第二预设极弧系数。
进一步地，在本装置中为明确单个Halbach永磁体宽度的设置，所述第一Halbach永磁体包括第一左边界磁极、第一右边界磁极和第一主磁极231，所述第一主磁极231设置在所述第一左边界磁极和所述第一右边界磁极之间，所述第一左边界磁极的宽度等于所述第一右边界磁极的宽度，且所述第一主磁极231的宽度大于所述第一左边界磁极的宽度；
所述第二Halbach永磁体包括第二左边界磁极、第二右边界磁磁极和第二主磁极232，所述第二主磁极232设置在所述第二左边界磁极和所述第二右边界磁极之间，所述第二左边界磁极的宽度等于所述第二右边界磁极的宽度，且所述第二主磁极231的宽度大于所述第二左边界磁极的宽度。
如图4所示，为明确预设磁化锐角的具体设置，所述Halbach永磁体阵列中包括第一预设磁化锐角和第二预设磁化锐角，所述第一预设磁化锐角与所述第二预设磁化锐角相等。当所述第一预设磁化锐角等于所述第二预设磁化锐角时，此时源磁场更加稳定均匀。
如图6所示，为明确所述第一连接部221和所述第二连接部222的具体结构，所述第一连接部221包括安装基体2211，在所述安装基体2211上设置有卡槽2222，所述永磁体阵列23固定连接在所述卡槽2222内；
所述第二连接部222为安装基台，所述线圈24套接在所述安装基台的外壁上，所述安装基体2211设置在所述安装基台的中心，且所述安装基体2211的重心与所述安装基台的重心重合。
当所述安装基体2211设置在所述安装基台的中心，且所述安装基体2211的重心与所述安装基台的重心重合时，所述永磁体阵列23和所述接收线圈24的相对位置保持固定，能够有效地保证所述永磁体阵列23、所述接收线圈24和8字线圈的电磁作用。
如图7所示，在本装置中，为明确所述车架系统1的具体结构，所述车架系统1包括车体11、转向架12、车轮13和交流电发电装置14，所述车体11设置在所述转向架12的顶部，所述车轮13与所述转向架12的底部配合，所述车轮13上设置有轮毂电机131，所述轮毂电机131与所述交流电发电装置14电连接。
在本装置中，所述转向架12起到支撑和导向车体11的作用；当本装置引入车载蓄电池直流电时，此时还需要引入牵引逆变装置，以实现交流电的供应，实现对车架系统1的驱动。
在本装置中，为明确所述信号处理装置的具体结构，所述信号处理装置包括滤波放大装置和示波器，所述滤波放大装置、所述示波器和所述接收线圈24电连接，信号处理装置将接收到的电信号进行滤波、放大、显示，实现对离散式8字线圈轨道的几何平顺性和磁场均匀性进行电信号反馈。
在本装置中，为一方面实现升降装置21精确达到多个预设检测高度，另一方面为方便进行预设检测高度的调节，所述升降装置21包括安装板211和电动推杆212，所述安装板211的一端固定连接在所述车架系统1的一侧，所述安装板211的另一端固定连接有电动推杆212，所述电动推杆212设置有输出端，所述输出端与所述夹持装置22传动连接。
实施例二：
本实施例提供了一种超导电动磁浮轨道故障检测方法，所述方法包括：
对夹持装置22通过升降装置21设置多个预设检测高度；
在不同预设检测高度下运行车架系统1，并通过信号处理装置收集所述不同预设检测高度所对应的不同检测信号；
根据所述不同检测信号进行磁场均匀性分析；
根据所述不同检测信号对所述侧壁离散式8字线圈轨道3进行故障点分析。
根据所述不同检测信号进行磁场均匀性分析，具体有：
当所述信号处理装置包括滤波放大装置和示波器，所述滤波放大装置、所述示波器和所述接收线圈24电连接时，在车架系统1的行驶过程中实时收集所述不同检测信号所对应的示波器波形，当波形在某一值上下波动呈现周期变化，且未发生突变时，表示8字线圈轨道几何排布均匀，磁场均匀；
当波形在某个时刻发生突变，且经过另一个预设检测时刻后又恢复到之前的值，表示波形在突变时刻对应的8字线圈处存在线圈失效故障(断路或短路)，所述预设检测时刻为一个8字线圈和1组永磁体阵列23的电磁感应时间。
根据所述不同检测信号对所述侧壁离散式8字线圈轨道3进行故障点分析，具体有：
通过有限元进行模拟，得到线圈失效故障的判断依据，具体有：在Ansys软件中建立包含永磁体阵列23、接收线圈24、侧壁离散式8字线圈轨道3的三维有限元模型，仿真类型设置为瞬态磁场，设定三者中心对齐。对永磁体阵列23和接收线圈24所在区域设置运动域，设定沿着侧壁离散式8字线圈轨道3的纵向方向运动，速度为60km/h(匀速)，进而得到接收线圈Winding1和Winding2内感应电流随运行时间的变化曲线图。
如图8所示为有限元模拟下8字线圈未失效下接收线圈电流变化曲线，如图9所示为有限元模拟下8字线圈失效下接收线圈电流变化曲线。由图8和图9可知，当侧壁离散式8字线圈轨道3中8字线圈中的某个线圈出现断路情况下，接收线圈内的电流变化与线圈未发生故障时相比，接收线圈内的电流变化更加明显。
为进一步地实现8字线圈失效点的精确定位，方便进行检修：对Winding1和Winding2内的电流信号进行比较，如图10所示，当侧壁8字线圈无故障点时，接收线圈电信号的比较结果是1；如图11所示，当侧壁8字线圈存在故障点时，接收线圈电信号的比较结果会出现从1到0再回到1的一个变化过程。根据这两种情况下输出电平的差异，通过逻辑电路实现在高电平1时警示灯不亮，在低电平0时警示灯亮起，即当接收线圈的电信号异常时，后处理中的警示灯会亮起，方便定位8字线圈失效点。由此，本检测方法根据所述不同检测信号对所述侧壁离散式8字线圈轨道3进行故障点分析。
进一步地，还可通过Matlab/Simul ink搭建的外部滤波和放大电路，对接收线圈的电信号进行滤波和放大，得到滤波放大后的信号。
如图12所示，在没有8字线圈断路的情况下，接收信号波形稳定；
如图13所示，当出现某个八字线圈断路时，在车架系统1未到达故障8字线圈之前，接收电信号在某一电流值下稳定波动，但是当车架系统1经过故障8字线圈，接收电信号会跳变到另一电流值下。由此可以判断出轨道8字线圈存在故障点。
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。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种超导电动磁浮轨道故障检测装置，其特征在于，包括：
车架系统(1)，所述车架系统(1)设置在侧壁离散式8字线圈轨道(3)中，所述车架系统(1)的顶部设置有信号处理装置；以及
检测系统，所述检测系统设置在所述车架系统(1)的两侧，所述检测系统包括升降装置(21)和夹持装置(22)，所述升降装置(21)用于调节所述夹持装置(22)的竖向高度，所述夹持装置(22)设置在升降装置(21)的外侧，所述夹持装置(22)设置有第一连接部(221)和第二连接部(222)，所述第二连接部(222)设置在所述第一连接部(221)的外周，所述第一连接部(221)用于连接永磁体阵列(23)，所述第二连接部(222)用于连接接收线圈(24)，所述接收线圈(24)与所述信号处理装置电连接。
2.根据权利要求1所述的超导电动磁浮轨道故障检测装置，其特征在于，所述永磁体阵列(23)为两个并排设置的Halbach永磁体阵列，且在每个所述Halbach永磁体阵列中包括至少两个不同的预设磁化锐角，在所述两个不同的预设磁化锐角之间设置有一个预设90°磁化角。
3.根据权利要求2所述的超导电动磁浮轨道故障检测装置，其特征在于，所述Halbach永磁体阵列中包括第一预设磁化锐角、第二预设磁化锐角，所述第一预设磁化锐角与所述第二预设磁化锐角相等。
4.根据权利要求2所述的超导电动磁浮轨道故障检测装置，其特征在于，所述永磁体阵列(23)包括第一Halbach永磁体和第二Halbach永磁体，且所述第一Halbach永磁体和所述第二Halbach永磁体均为十字型永磁体，所述第一Halbach永磁体的宽度为第一宽度，所述第二Halbach永磁体的宽度为第二宽度，在所述第一Halbach永磁体中设置有第一主磁极(231)，在所述第二Halbach永磁体中设置有第二主磁极(232)，所述第一主磁极(231)中心到所述第二主磁极(232)中心的水平距离为目标极距，所述目标极距、所述第一宽度和所述第二宽度通过预设极距模型进行控制。
5.根据权利要求4所述的超导电动磁浮轨道故障检测装置，其特征在于，所述第一Halbach永磁体包括第一左边界磁极、第一右边界磁极和第一主磁极(231)，所述第一主磁极(231)设置在所述第一左边界磁极和所述第一右边界磁极之间，所述第一左边界磁极的宽度等于所述第一右边界磁极的宽度，且所述第一主磁极(231)的宽度大于所述第一左边界磁极的宽度；
所述第二Halbach永磁体包括第二左边界磁极、第二右边界磁磁极和第二主磁极(232)，所述第二主磁极(232)设置在所述第二左边界磁极和所述第二右边界磁极之间，所述第二左边界磁极的宽度等于所述第二右边界磁极的宽度，且所述第二主磁极(231)的宽度大于所述第二左边界磁极的宽度。
6.根据权利要求1所述的超导电动磁浮轨道故障检测装置，其特征在于，所述第一连接部(221)包括安装基体(2211)，在所述安装基体(2211)上设置有卡槽(2222)，所述永磁体阵列(23)固定连接在所述卡槽(2222)内；
所述第二连接部(222)为安装基台，所述线圈(24)套接在所述安装基台的外壁上，所述安装基体(2211)设置在所述安装基台的中心，且所述安装基体(2211)的重心与所述安装基台的重心重合。
7.根据权利要求1所述的超导电动磁浮轨道故障检测装置，其特征在于，所述车架系统(1)包括车体(11)、转向架(12)、车轮(13)和交流电发电装置(14)，所述车体(11)设置在所述转向架(12)的顶部，所述车轮(13)与所述转向架(12)的底部配合，所述车轮(13)上设置有轮毂电机(131)，所述轮毂电机(131)与所述交流电发电装置(14)电连接。
8.根据权利要求1所述的超导电动磁浮轨道故障检测装置，其特征在于，所述信号处理装置包括滤波放大装置和示波器，所述滤波放大装置、所述示波器和所述接收线圈(24)电连接。
9.根据权利要求1所述的超导电动磁浮轨道故障检测装置，其特征在于，所述升降装置(21)包括安装板(211)和电动推杆(212)，所述安装板(211)的一端固定连接在所述车架系统(1)的一侧，所述安装板(211)的另一端固定连接有电动推杆(212)，所述电动推杆(212)设置有输出端，所述输出端与所述夹持装置(22)传动连接。
10.一种超导电动磁浮轨道故障检测方法，其特征在于，使用了上述权利要求1至9任意一项所述的超导电动磁浮轨道故障检测装置，包括：
对夹持装置(22)通过升降装置(21)设置多个预设检测高度；
在不同预设检测高度下运行车架系统(1)，并通过信号处理装置收集所述不同预设检测高度所对应的不同检测信号；
根据所述不同检测信号进行磁场均匀性分析；
根据所述不同检测信号对所述侧壁离散式8字线圈轨道(3)进行故障点分析。
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