CN205097822U - 一种转速可控的推斥性磁悬浮轮子 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种转速可控的推斥性磁悬浮轮子，该轮子包括内轮、外轮、牵引系统、推斥性悬浮系统、导向系统、控制器和供电系统。本实用新型设计的磁悬浮轮子摆脱了电机和车轴对现有轮子的束缚，可由控制器采用有线或无线的方式控制转速，并且同一车轴可连接多个轮子，为轮子的应用和创新提供了新的突破点。
Description
技术领域
本实用新型涉及交通领域，具体涉及一种转速可控的推斥性磁悬浮轮子。
背景技术
现有的轮子由轮子的外圈、与外圈相连接的辐条和中心轴构成，轮子的中心轴与物体通过车轴相连接，电机驱动车轴转动从而实现轮子的转动。因此，轮子的转速控制只能通过电机的转速控制实现，并且同一车轴只能与一只轮子相连，这对轮子的应用和创新带来了很大的局限性，如何使轮子的转速调控摆脱电机和车轴的束缚是突破这一局限的关键。基于现有的磁悬浮技术和直线电机的原理，我们考虑将轮子的外圈与中心轴相分离，通过控制器采用无线或有线方式控制轮子的转速，从而使轮子的转速调控摆脱电机和车轴的束缚。
发明内容
本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于磁悬浮原理的内轮与外轮相分离的转速可控的磁悬浮轮子。本实用新型设计的磁悬浮轮子可由控制器采用有线或无线的方式控制转速，并且同一车轴可连接多个轮子。
本实用新型采用的技术方案如下：一种基于磁悬浮的轮子包括内轮、外轮、牵引系统、推斥性悬浮系统、导向系统、控制器和供电系统。
所述的内轮和外轮为同心圆；所述的内轮开有中心通孔；所述的内轮的中心通过轴与轮子所安装的物体相连。
所述的牵引系统包括一个或多个牵引单元，每个牵引单元包括牵引初级、牵引次级和位置传感器；推斥性悬浮系统包括2n个悬浮单元和辅助装置，n≥4，每个悬浮单元包括悬浮初级、悬浮次级和悬浮气隙传感器；导向系统包括2m个导向单元，m≥4，每个导向单元包括导向初级、导向次级和导向气隙传感器。所述的牵引初级位于内轮，所述的牵引次级对应于牵引次级位于外轮；所述的2n个悬浮初级分两列分别均匀分布于外轮，对应于2n个悬浮初级有2n个悬浮次级分布于内轮，2n个悬浮气隙传感器位于外轮或内轮对应于悬浮初级和悬浮次级分布，辅助装置位于外轮与内轮之间起支撑作用；所述的2m个导向初级分两列分别均匀分布于外轮，对应于2m个导向初级有2m个导向次级分布于内轮，2m个导向气隙传感器位于外轮或内轮并对应于导向初级和导向次级分布。
所述的位置传感器、悬浮气隙传感器和导向气隙传感器与控制器通信。所述的供电系统为牵引系统、推斥性悬浮系统、导向系统和控制器供电。
所述的内轮和外轮优选以下结构：过内轮的中心轴线的任意截面为两个T型结构，且两个T型结构的尾端相对；在T型首端上表面的两侧设有环形导向板，所述导向板与内轮一体形成；过外轮的过中心轴线的任意截面为矩形形状。
所述的牵引初级为三相交流绕组，牵引次级为金属板；或者，所述的牵引初级为三相交流轨道，所述的牵引次级为超导磁体。所述的牵引初级位于内轮的T型首端的上平面的上侧；所述的牵引次级位于外轮与T型首端的上平面相对应的平面的下侧；所述的位置传感器位于外轮与T型首端的上平面相对应的平面的下侧。
所述的悬浮初级为两排交替极性超导磁铁，位于外轮的下平面；所述的悬浮次级为两块铝板或梯形轨道或两排短路线圈，位于内轮的T型首端的上平面，并对应于悬浮初级均匀分布；所述的悬浮次级优选梯形轨道；所述的悬浮气隙传感器为气隙传感器，用于检测外轮的下平面和内轮的T型首端的上平面之间的气隙值，位于外轮的下平面或内轮的T型首端的上平面，对应于悬浮初级和悬浮次级分布。
所述的辅助装置为2k个辅助轮，k≥3。
所述的导向初级为两排交替极性超导磁铁，均匀分布于外轮的两个侧面；所述的导向次级为两块铝板或梯形轨道或两排短路线圈，位于内轮的T型首端两侧的导向板内侧，并对应于导向初级均匀分布；所述的导向次级优选梯形轨道；所述的导向气隙传感器为气隙传感器，用于检测外轮的侧面与导向板之间的气隙值，位于外轮的两个侧面或内轮的T型首端两侧的导向板内侧，对应于导向初级和导向次级分布。
所述的控制器位于轮子本身或轮子所安装的物体。
所述的位置传感器、悬浮气隙传感器和导向气隙传感器与控制器的通信方式包括有线和无线。
所述的供电系统包括直流供电、三相交流供电和电能储存三部分；所述的直流供电向推斥性悬浮系统和导向系统的电磁铁供电；所述的三相交流供电向牵引系统的三相交流绕组或三相交流轨道的轨道线圈供电；所述的电能储存用于储存电能；所述的电能储存系统将电能转换为直流电和三相交流电分别供应至相应的系统。
本实用新型的有益效果是：
1)本实用新型所设计的基于磁悬浮的轮子的内轮与外轮通过悬浮力相分离，内轮经轴与物体直接相连，内轮固定不动，通过外轮的旋转使物体前进，因此不存在轮子与轴之间的摩擦力作用，从而减少了能量损失；
2)本实用新型所设计的基于磁悬浮的轮子的转速由控制器直接控制，摆脱电机的束缚；
3)本实用新型所设计的基于磁悬浮的轮子的牵引力由电磁力提供，摆脱了轴与轮子之间的摩擦力的束缚，可极大提高物体的行驶速度；
4)本实用新型所设计的基于磁悬浮的轮子可实现同一轴上安装多个轮子，各个轮子的内轮可直接与轴相连，并且各个轮子的旋转速度可不同。
附图说明
图1是本实用新型外轮与内轮的结构设计图；
图2是本实用新型的结构设计图；
图中所示：
1：T型首端，2：T型尾端，3：导向板，4：悬浮初级，5：悬浮次级，6：悬浮气隙传感器，7：牵引初级，8：牵引次级，9：位置传感器，10：导向初级，11：导向次级，12：导向气隙传感器，13：内轮，14：外轮。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图详细说明本实用新型的工作原理和所达到的效果。
本实用新型所述的一种基于磁悬浮的轮子包括内轮13、外轮14、牵引系统、推斥性悬浮系统、导向系统、控制器和供电系统。
所述的内轮13和外轮14为同心圆；所述的内轮13开有中心通孔；所述的内轮的中心通过轴与轮子所安装的物体相连。
所述的内轮14和外轮15优选以下结构：所述的内轮13过轮子中心轴线的任意截面为两个T型尾端2对称相连的形状；在T型首端1上表面的两侧设有相互平行的环形导向板3，所述导向板3与内轮13一体形成；所述的外轮14的过轮子的中心轴线的任意截面为矩形形状，并且矩形上下平面与T型首端1的上下平面相平行，矩形左右两个侧面与导向板3相平行。所述的轮子所安装的物体是指任何安装有本实用新型的轮子的物体。
所述的牵引系统可由一个或多个牵引单元构成；所述的牵引单元包括牵引初级7、牵引次级8和位置传感器9；所述的牵引初级7为三相交流绕组或三相交流轨道，位于内轮13，优选位于内轮13的T型首端1的上平面1的上侧；所述的牵引次级8为金属板或超导磁体，位于外轮14，优选位于外轮14与T型首端1的上平面相对应的平面的下侧；所述的位置传感器9均匀分布于外轮14，优选位于外轮14与T型首端1的上平面相对应的平面的下侧；所述的牵引初级7与牵引次级8所产生的磁场相互作用，为外轮14运动提供切向力；所述的切向力与轮子的半径及内轮13的中心轴线相垂直并指向车轮前进方向。
所述的推斥性悬浮系统可由2n个悬浮单元和2k个辅助轮构成，n≥4，k≥3。所述的悬浮单元包括悬浮初级4、悬浮次级5和悬浮气隙传感器6；所述的悬浮初级4为两排交替极性超导磁铁，位于外轮14，优选位于外轮14的下平面；所述的悬浮次级5为两块铝板或梯形轨道或两排短路线圈，位于内轮13，优选位于内轮13的T型首端1的上平面，并对应于悬浮初级均匀分布；所述的悬浮次级优选梯形轨道；所述的悬浮气隙传感器6为气隙传感器，用于检测外轮14的下平面和内轮13的T型首端1的上平面之间的气隙值，位于外轮14或内轮13，优选位于外轮14的下平面或内轮13的T型首端1的上平面，对应于悬浮初级和悬浮次级分布。所述的辅助轮安装于外轮14的下平面，并在内轮13嵌入辅助轮轨道；在推斥性悬浮系统尚未获得足够的悬浮力时提供外轮相对内轮的支撑力，使得外轮可以相对内轮运动；所述的辅助轮在推斥性悬浮系统获得足够的悬浮力后收缩至外轮内部，此时外轮相对内轮的支撑力由外轮相对内轮的推斥性悬浮力提供。
所述推斥性悬浮系统在外轮相对内轮静止时的悬浮力为0，在牵引系统的作用下使外轮相对内轮发生运动，悬浮初级4产生的磁场切割悬浮次级5，从而在悬浮次级5中产生感应电流，悬浮次级5中的感应电流与悬浮初级4所产生的磁场相互作用从而产生悬浮力；所述的悬浮力的方向与轮子的半径方向一致。所述的辅助轮轨道的作用在于当推斥性悬浮系统尚未获得足够的悬浮力时保持外轮与内轮的相对位置不发生变化，辅助轮的轨道可为任意的满足这一要求的形状。
所述的导向系统由2m个导向单元构成，m≥4。所述的导向单元包括导向初级10、导向次级11和导向气隙传感器12；所述的导向初级10为两排交替极性超导磁铁，均匀分布于外轮14的两个侧面；所述的导向次级11为两块铝板或梯形轨道或两排短路线圈，位于内轮13，优选位于内轮13的T型首端1两侧的导向板3内侧，并对应于导向初级均匀分布；所述的导向次级优选梯形轨道；所述的导向气隙传感器7为气隙传感器，用于检测外轮14的侧面与导向板3之间的气隙值，位于外轮14或内轮13，优选位于外轮14的两个侧面或内轮13的T型首端1两侧的导向板3内侧，对应于导向初级和导向次级分布。
所述导向系统在外轮相对内轮静止时的导向力为0，此时，由推斥性悬浮系统的辅助轮保证内轮与外轮的相对位置保持不变；轮子在牵引系统的作用下使外轮相对内轮发生运动后，导向初级10产生的磁场切割导向次级，从而在导向次级11中产生感应电流，导向次级11中的感应电流与导向初级10所产生的磁场相互作用从而产生导向力，所述的导向力的方向与内轮的中心轴线相平行。当推斥性悬浮系统的辅助轮收缩至外轮后，由导向系统提供的导向力来保持外轮与内轮的相对位置不变。所述的导向系统在控制器检测到气隙值小于设定的气隙阈值ε时，由控制器发出指令调节导向力的大小。
所述的控制系统位于轮子本身或轮子所安装的物体。
所述的位置传感器、悬浮气隙传感器和导向气隙传感器与控制器的通信方式包括有线和无线。
所述的供电系统包括直流供电、三相交流供电和电能储存三部分；所述的直流供电向推斥性悬浮系统和导向系统的电磁铁供电；所述的三相交流供电向牵引系统的三相交流绕组或三相交流轨道的轨道线圈供电；所述的电能储存用于储存电能；所述的电能储存系统将电能转换为直流电和三相交流电分别供应至相应的系统。
实施例
基于磁悬浮的轮子包括内轮13和外轮14，内轮13和外轮14的截面图如图1所示，以及推斥性悬浮系统、牵引系统、导向系统、控制器和供电系统，如图2所示。推斥性悬浮系统包括2n个悬浮单元，n≥4，每个悬浮单元包括悬浮初级4、悬浮次级5和悬浮气隙传感器6；牵引系统包括牵引初级7、牵引次级8和位置传感器9；导向系统包括2m个导向单元，m≥4，每个导向单元包括导向初级10、导向次级11和导向气隙传感器12。控制器可采用DSP。
本实用新型推斥性磁悬浮轮子的工作过程如下：牵引次级8与牵引初级7所产生的磁场相互作用便产生切向电磁推力Fx，在Fx的作用下，内轮13固定不动，外轮14就顺着行波磁场运动的方向运动。位置传感器9连续监测位置信息，将位置信息发送至控制器，控制器通过反馈控制过程调节切向电磁推力Fx的大小，从而控制轮子的行驶速度。控制器获取启动指令后，供电系统向推斥性悬浮系统供电，悬浮初级4产生磁场。在牵引系统作用下，外轮14相对内轮13发生运动，悬浮次级5切割悬浮初级产生的磁场产生感应电流，悬浮次级5产生的感应电流与悬浮初级4的磁场相互作用产生推斥性悬浮力Fl；Fl随着外轮14相对内轮13的速度的增大而增大，当Fl大到足以使外轮14与内轮13分离时，辅助轮收缩至外轮14内部，此时由推斥性悬浮力Fl提供使内轮13与外轮14分离产生气隙的力，控制获取各个悬浮气隙传感器7的气隙值反馈至控制器，并通过反馈控制过程使得各个位置的悬浮气隙值相等。在轮子的行驶过程中，控制器通过反馈控制过程调节各个导向气隙传感器处的气隙值相同。
Claims (8)
1.一种转速可控的推斥性磁悬浮轮子，其特征在于，包括：内轮、外轮、牵引系统、推斥性悬浮系统、导向系统、控制器和供电系统；
所述的内轮和外轮为同心圆；所述的内轮开有中心通孔；所述的内轮的中心通过轴与轮子所安装的物体相连；
所述的牵引系统包括一个或多个牵引单元，每个牵引单元包括牵引初级、牵引次级和位置传感器；推斥性悬浮系统包括2n个悬浮单元和辅助装置，n≥4，每个悬浮单元包括悬浮初级、悬浮次级和悬浮气隙传感器；导向系统包括2m个导向单元，m≥4，每个导向单元包括导向初级、导向次级和导向气隙传感器；所述的牵引初级位于内轮，所述的牵引次级对应于牵引次级位于外轮；所述的2n个悬浮初级分两列分别均匀分布于外轮，对应于2n个悬浮初级有2n个悬浮次级分布于内轮，2n个悬浮气隙传感器位于外轮或内轮对应于悬浮初级和悬浮次级分布，辅助装置位于外轮与内轮之间起支撑作用；所述的2m个导向初级分两列分别均匀分布于外轮，对应于2m个导向初级有2m个导向次级分布于内轮，2m个导向气隙传感器位于外轮或内轮并对应于导向初级和导向次级分布；
所述的位置传感器、悬浮气隙传感器和导向气隙传感器均与控制器通信；所述的供电系统为牵引系统、推斥性悬浮系统、导向系统和控制器供电。
2.根据权利要求1所述的一种转速可控的推斥性磁悬浮轮子，其特征在于，过内轮的中心轴线的任意截面为两个T型结构，且两个T型结构的尾端相对；在T型首端上表面的两侧设有环形导向板，所述导向板与内轮一体形成；过外轮的过中心轴线的任意截面为矩形形状。
3.根据权利要求2所述的一种转速可控的推斥性磁悬浮轮子，其特征在于，所述的牵引初级位于内轮的T型首端的上平面的上侧；所述的牵引次级位于外轮与T型首端的上平面相对应的平面的下侧；所述的位置传感器位于外轮与T型首端的上平面相对应的平面的下侧。
4.根据权利要求1所述的一种转速可控的推斥性磁悬浮轮子，其特征在于，所述的牵引初级为三相交流绕组，牵引次级为金属板；或者，所述的牵引初级为三相交流轨道，所述的牵引次级为超导磁体。
5.根据权利要求2所述的一种转速可控的推斥性磁悬浮轮子，其特征在于，所述的悬浮初级为两排交替极性超导磁铁，位于外轮的下平面；所述的悬浮次级为两块铝板或梯形轨道或两排短路线圈，位于内轮的T型首端的上平面，并对应于悬浮初级均匀分布；所述的悬浮次级优选梯形轨道；所述的悬浮气隙传感器为气隙传感器，用于检测外轮的下平面和内轮的T型首端的上平面之间的气隙值，位于外轮的下平面或内轮的T型首端的上平面，对应于悬浮初级和悬浮次级分布。
6.根据权利要求1所述的一种转速可控的推斥性磁悬浮轮子，其特征在于，所述的辅助装置为2k个辅助轮，k≥3。
7.根据权利要求2所述的一种转速可控的推斥性磁悬浮轮子，其特征在于，所述的导向初级为两排交替极性超导磁铁，均匀分布于外轮的两个侧面；所述的导向次级为两块铝板或梯形轨道或两排短路线圈，位于内轮的T型首端两侧的导向板内侧，并对应于导向初级均匀分布；所述的导向次级优选梯形轨道；所述的导向气隙传感器为气隙传感器，用于检测外轮的侧面与导向板之间的气隙值，位于外轮的两个侧面或内轮的T型首端两侧的导向板内侧，对应于导向初级和导向次级分布。
8.根据权利要求1所述的一种转速可控的推斥性磁悬浮轮子，其特征在于，所述的控制器位于轮子本身或轮子所安装的物体。
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