CN203126561U - 一种磁浮列车直线电机的设计系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种磁浮列车的直线电机设计系统，包括：采集模块，用于在线采集磁浮列车与直线电机的运行参数；第一获取模块，用于根据所述运行参数获取所述直线电机的法向力实际值和法向力理论值与牵引力实际值和牵引力理论值；第二获取模块，用于在法向力实际值与法向力理论值的差值小于第一阈值、且牵引力实际值与牵引力理论值的差值小于第二阈值时，获取与法向力实际值与牵引力实际值相匹配的直线电机参数。

Description

一种磁浮列车直线电机的设计系统

技术领域

本实用新型涉及直线电机技术领域，尤其涉及一种磁浮列车直线电机的设计系统。

背景技术

中低速磁浮列车主要是利用装在列车上的电磁铁与导轨上的电磁铁产生电磁吸力，或装在列车上的电磁铁与导轨上的导体作相对运动，利用电磁感应原理产生电动斥力，使车辆和导轨间保持10～15毫米的间隙，这样车辆便悬浮于导轨面上，再由直线电机系统驱动磁浮车辆运行。由于列车在铁轨上方悬浮运行，铁轨与列车不接触，使得列车不但具有运行速度快，还具有噪音小、振动轻微等优点。

参见图1所示的直线电机结构示意图，直线电机可将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置，可以将它看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成，直线电机中对应定子的部分叫初级、对应转子的部分叫次级，在初级绕组中通多相交流电，便产生一个平移交变磁场成为行波磁场，在行波磁场与次级永磁体的作用下产程驱动动力，从而实现磁浮车辆运动部件的直线运动。磁浮列车采用直线电机牵引运行，其中，列车部分安装直线电机的定子，直线电机的次级感应板为铝板，铺设在F形钢轨上。

目前，国内外有很多单位研究和应用直线电机系统，针对直线电机法向力、牵引力等数据，大多是基于理论计算或是设计静态测试实验来获取。由于在中低速磁浮列车系统中，与列车牵引系统相关的牵引力和对列车悬浮系统产生影响的法向力，对所述牵引系统和悬浮系统的控制设计具有指导性的意义，但是，当磁浮列车处于动态运行情况下，还没有合适的准确的测量方法对法向力、牵引力进行测量以获取法向力、牵引力的实际测量值，无法验证法向力和牵引力的理论计算值与静态测试值的准确性，从而无法优化直线电机以进一步提升列车的稳定运行。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种磁浮列车直线电机的设计系统，通过获取与实际的法向力和牵引力相匹配的直线电机参数，利用该直线电机实现提升磁浮列车稳定运行的目的。

本实用新型提供了一种磁浮列车的直线电机设计系统，包括：

采集模块，用于在线采集磁浮列车与直线电机的运行参数；

第一获取模块，用于根据所述运行参数获取所述直线电机的法向力实际值和法向力理论值与牵引力实际值和牵引力理论值；

第二获取模块，用于在法向力实际值与法向力理论值的差值小于第一阈值、且牵引力实际值与牵引力理论值的差值小于第二阈值时，获取与法向力实际值与牵引力实际值相匹配的直线电机参数。

优选的，在上述系统中，所述采集模块包括：

垂向力采集单元，用于利用均匀安装于直线电机定子上的若干个第一拉压力传感器检测所述安装位置处的各个垂向力；

牵引力采集单元，用于利用第二拉压力传感器检测直线电机的牵引力；

加速度采集单元，用于利用垂向加速度传感器检测直线电机在垂向上的振动加速度；

电压采集单元，用于利用第一电压传感器检测直线电机的第一线电压，并利用第二电压传感器检测直线电机的第二线电压；

电流采集单元，用于利用第一电流传感器检测直线电机的第一相电流，并利用第二电流传感器检测直线电机的第二相电流；

速度采集单元，用于利用雷达测速传感器检测磁浮列车的运行速度。

优选的，在上述系统中，所述第一获取模块包括：

实际值获取单元，用于根据公式F_y＝F_yn-m*g-m*a计算所述法向力实际值F_y，并将所述牵引力采集单元检测得到的牵引力作为所述牵引力实际值；其中，F_yn为所述垂向力采集单元检测得到的各个垂向力之和，m为平均到每个直线电机上的列车质量，a为所述加速度采集单元检测得到的磁浮列车的振动加速度；

理论值获取单元，用于根据所述电压采集单元检测得到的第一线电压、第二线电压、所述电流采集单元检测得到的第一相电流、第二相电流、所述速度采集单元检测得到的磁浮列车的运行速度和直线电机参数计算所述法向力理论值和所述牵引力理论值。

优选的，在上述系统中，所述采集模块还包括：侧向力采集单元，用于利用安装在直线电机两端的两个第三拉压力传感器分别测量所述直线电机初级与次级之间的侧向力；

所述系统还包括：第一选取模块，用于根据所述侧向力选取与所述侧向力相匹配的重向安装座，所述重向安装座用于将所述直线电机固定于磁浮列车的转向架上。

优选的，在上述系统中，所述采集模块还包括：气隙采集单元，用于利用两个气隙传感器分别检测悬浮列车两端的悬浮电磁铁与轨道梁之间的悬浮气隙；

所述系统还包括：比较模块，用于比较测量得到的两个悬浮气隙，并获取比较结果；第二选取模块，用于在所述比较结果为两个悬浮气隙的差值大于第三阈值时，利用悬浮控制器控制悬浮系统工作，以使所述差值小于第三阈值。

本实用新型磁浮列车直线电机的设计系统，通过在线测量有关直线电机动态特性的数据，即测量法向力和牵引力，校核与牵引系统相关的牵引力测量值与牵引力理论值是否相符，并校核对悬浮系统产生影响的法向力测量值与法向力理论值是否相符，如果相符，则选取与实际的牵引力和法向力相匹配的直线电机参数，以利用该直线电机进一步提高中低速磁悬浮列车的牵引系统及悬浮系统稳定运行的设计控制水平。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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为直线电机结构示意图；

图2为本实用新型磁浮列车直线电机设计系统的实施例1的结构示意图；

图3为本实用新型磁浮列车直线电机设计系统的实施例2的结构示意图；

图4为本实用新型直线电机电压电流测量图；

图5为本实用新型悬浮气隙位置示意图.

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见图2所示，图2为本实用新型提供的一种磁浮列车直线电机设计系统的实施例1的结构示意图，该系统包括：

采集模块1，用于在线采集磁浮列车与直线电机的运行参数。

第一获取模块2，用于根据所述运行参数获取所述直线电机的法向力实际值和法向力理论值与牵引力实际值和牵引力理论值。

第二获取模块3，用于在法向力实际值与法向力理论值的差值小于第一阈值、且牵引力实际值与牵引力理论值的差值小于第二阈值时，获取与法向力实际值与牵引力实际值相匹配的直线电机参数。

在第二获取模块3中，首先获取磁浮列车不同运行速度对应的法向力和牵引力，将法向力的实际测量值与理论计算值进行比较，并将牵引力的实际测量值与理论计算值进行比较(例如：计算各个速度值对应的法向力实际值与法向力理论值的差值作为法向力比较结果、且计算牵引力实际值与牵引力理论值的差值作为牵引力比较结果，或是利用其它方法进行比较均可)，通过所述比较结果分析法向力、牵引力速度特性曲线是否与计算出的速度曲线趋势一致，若趋势基本一致(例如：实际值与理论值间的测量差值在±200N以内)，则认为相符，证明在应用于轨道车辆的直线电机设计中，可根据实际测量值设计直线电机，即利用实际测量值来获取直线电机参数，利用获取的直线电机参数来设计磁浮列车所需的直线电机，可提升磁浮列车的性能。

参见图3所示，图3为本实用新型提供的一种磁浮列车直线电机设计系统的实施例2的结构示意图。

其中，上述实施例1中的采集模块1包括：

垂向力采集单元11，用于利用均匀安装于直线电机定子上的若干个第一拉压力传感器检测所述安装位置处的各个垂向力。例如：均匀选取定子上的8个位置，分设两排，每4个位置位为1排，利用n＝8个第一拉压力传感器分别测量上述8个位置处的垂向力Fy1，Fy2......Fyn，当然位置选取方式不限于此，还包括其它衍生类方式。

牵引力采集单元12，用于利用第二拉压力传感器检测直线电机的牵引力Fx。

所述第一拉压力传感器或第二拉压力传感器，可检测传感器安装位置处因直线电机振动所产生的拉力或压力的变化量，并根据检测出的拉力和压力信号来获取表征所述垂向力或牵引力大小的电流信号。

加速度采集单元13，用于利用垂向加速度传感器检测直线电机在垂向上的振动加速度a。

垂向加速度传感器是一种可变的电容加速度计，固定在列车上，当列车运行过程中产生振动时，于是就有了一个惯性力作用在加速度计上，最终输出列车振动的幅度和频率，从而可利用输出的幅度和频率便可获取直线电机在垂向上的振动加速度a。

电压采集单元14，用于利用第一电压传感器检测直线电机的第一线电压，并利用第二电压传感器检测直线电机的第二线电压。

电流采集单元15，用于利用第一电流传感器检测直线电机的第一相电流，并利用第二电流传感器检测直线电机的第二相电流。

参见图4所示的直线电机电压电流测量图，选取直线电机的任意两项相电流，例如：选取图示中的第一相电流I1和第二相电流I2，并选取与第一相电流I1和第二相电流I2对应的第一线电压U1和第二线电压U2。

速度采集单元16，用于利用雷达测速传感器检测磁浮列车的运行速度V。

雷达测速传感器的工作原理：在磁浮列车运行过程中，向地面发射雷达波，当雷达波从地面反射回来后，会产生一个与列车速度成比例的频率偏移信号，通过对所述偏移信号进行处理后便可得到列车的运行速度V。

其中，上述实施例1中的第一获取模块2包括：

实际值获取单元21，用于根据公式F_y＝F_yn-m*g-m*a计算所述法向力实际值F_y，并将所述牵引力采集单元12检测得到的牵引力作为所述牵引力实际值；其中，F_yn为所述垂向力采集单元11检测得到的各个垂向力之和，即F_yn＝Fy1+Fy2......Fyn，m为平均到每个直线电机上的列车质量(包括直线电机本身的质量)，a为所述加速度采集单元13检测得到的磁浮列车的振动加速度。

理论值获取单元22，用于根据所述电压采集单元14检测得到的第一线电压、第二线电压、所述电流采集单元15检测得到的第一相电流、第二相电流、所述速度采集单元16检测得到的磁浮列车的运行速度和直线电机参数计算所述法向力理论值和所述牵引力理论值。

按照下述方法计算法向力理论值和所述牵引力理论值：

获取直线电机参数，包括：极数、极距、铁心叠厚、总槽数、线圈节距、每相串联匝数、气隙长度、铝板厚度、次级每边伸出宽度等参数。利用第一线电压、第二线电压、第一相电流、第二相电流、磁浮列车的运行速度和所述直线电机参数进行计算后，可得：

法向力理论值： $F_y=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4}{J}_1^2\{1-{\left|\frac{j}{{(1+\mathrm{js}{G}_{2-3})}^{0.5}}\coth \right[\mathrm{k\δ}{(1+\mathrm{js}{G}_{2-3})}^{0.5}\left]\right|}^2\}---\left(1\right)$

牵引力理论值： $F_x=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{2}{J}_1^2\mathrm{Re}\left\{\frac{j}{{(1+{\mathrm{jsG}}_{2-3})}^{0.5}}\coth \right[\mathrm{k\δ}{(1+{\mathrm{jsG}}_{2-3})}^{0.5}\left]\right\}---\left(2\right)$

在公式(1)、(2)中，μ₀为空气磁导率，J₁为初级电流层密度幅值，s为转差，G_2-3为直线电机品质因素，

(τ是极距)，δ为电磁气隙。

此外，所述采集模块1还包括：侧向力采集单元17，用于利用安装在直线电机两端的两个第三拉压力传感器分别测量所述直线电机初级与次级之间的侧向力；所述系统还包括：第一选取模块4，用于根据所述侧向力选取与所述侧向力相匹配的重向安装座，所述重向安装座用于将所述直线电机固定于磁浮列车的转向架上。

直线电机在运动过程中，电机初级与次级之间产生的侧向力由2个拉压力传感器检测得到侧向力L1、L2。理想状态下，2个侧向力应该是大小相等的，此时直线电机的初级与次级相互对齐。但在实际运行过程中，直线电机会产生振动，当所述振动导致直线电机发生偏移时，例如直线电机一端保持在原来位置，另一端发生偏移，将导致直线电机的初级和次级相互不对齐，此时需要测试直线电机的侧向力，所以需要有2个侧向传感器，以测得哪一端偏移量更大，或者受力更大，从而根据测得的侧向力选取与该侧向力相符的重向安装座，以保证直线电机的两端实时保持平衡。

另外，所述采集模块1还包括：气隙采集单元18，用于利用两个气隙传感器分别检测悬浮列车两端的悬浮电磁铁与轨道梁之间的悬浮气隙(参见图5所示的悬浮气隙位置示意图)；所述系统还包括：比较模块5，用于比较测量得到的两个悬浮气隙，并获取比较结果；第二选取模块6，用于在所述比较结果为两个悬浮气隙的差值大于第三阈值时，利用悬浮控制器控制悬浮系统工作，以使所述差值小于第三阈值。

气隙传感器通过探头测出被测体表面相对于探头端面间隙的变化，输出相应的电流信号来表征悬浮气隙的大小，悬浮气隙指中低速磁浮列车起浮以后，悬浮电磁铁与轨道之间的距离。两个悬浮气隙传感器测量的悬浮气隙主要是用于相互的校正，以防止传感器输出有误；另一作用用以判断列车两端浮起的高度是否一致，若起浮高度不一致，则须对悬浮控制器进行调整，以保证列车浮起时处于平衡状态，即控制实现列车两端的悬浮气隙相等的目的。

本实用新型磁浮列车直线电机的设计系统，通过在线测量有关直线电机动态特性的数据，即测量法向力和牵引力，校核与牵引系统相关的牵引力测量值与牵引力理论值是否相符，并校核对悬浮系统产生影响的法向力测量值与法向力理论值是否相符，如果相符，则选取与实际的牵引力和法向力相匹配的直线电机参数，以利用该直线电机进一步提高中低速磁悬浮列车的牵引系统及悬浮系统稳定运行的设计控制水平。

需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种磁浮列车的直线电机设计系统，其特征在于，包括：

采集模块，用于在线采集磁浮列车与直线电机的运行参数；

第一获取模块，用于根据所述运行参数获取所述直线电机的法向力实际值和法向力理论值与牵引力实际值和牵引力理论值；

第二获取模块，用于在法向力实际值与法向力理论值的差值小于第一阈值、且牵引力实际值与牵引力理论值的差值小于第二阈值时，获取与法向力实际值与牵引力实际值相匹配的直线电机参数。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述采集模块包括：

垂向力采集单元，用于利用均匀安装于直线电机定子上的若干个第一拉压力传感器检测所述安装位置处的各个垂向力；

牵引力采集单元，用于利用第二拉压力传感器检测直线电机的牵引力；

加速度采集单元，用于利用垂向加速度传感器检测直线电机在垂向上的振动加速度；

电压采集单元，用于利用第一电压传感器检测直线电机的第一线电压，并利用第二电压传感器检测直线电机的第二线电压；

电流采集单元，用于利用第一电流传感器检测直线电机的第一相电流，并利用第二电流传感器检测直线电机的第二相电流；

速度采集单元，用于利用雷达测速传感器检测磁浮列车的运行速度。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一获取模块包括：

实际值获取单元，用于根据公式F_y＝F_yn-m*g-m*a计算所述法向力实际值F_y，并将所述牵引力采集单元检测得到的牵引力作为所述牵引力实际值；其中，F_yn为所述垂向力采集单元检测得到的各个垂向力之和，m为平均到每个直线电机上的列车质量，a为所述加速度采集单元检测得到的磁浮列车的振动加速度；

理论值获取单元，用于根据所述电压采集单元检测得到的第一线电压、第二线电压、所述电流采集单元检测得到的第一相电流、第二相电流、所述速度采集单元检测得到的磁浮列车的运行速度和直线电机参数计算所述法向力理论值和所述牵引力理论值。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述采集模块还包括：侧向力采集单元，用于利用安装在直线电机两端的两个第三拉压力传感器分别测量所述直线电机初级与次级之间的侧向力；

所述系统还包括：

第一选取模块，用于根据所述侧向力选取与所述侧向力相匹配的重向安装座，所述重向安装座用于将所述直线电机固定于磁浮列车的转向架上。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述采集模块还包括：气隙采集单元，用于利用两个气隙传感器分别检测悬浮列车两端的悬浮电磁铁与轨道梁之间的悬浮气隙；

所述系统还包括：

比较模块，用于比较测量得到的两个悬浮气隙，并获取比较结果；

第二选取模块，用于在所述比较结果为两个悬浮气隙的差值大于第三阈值时，利用悬浮控制器控制悬浮系统工作，以使所述差值小于第三阈值。

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