CN214202898U

CN214202898U - 超导磁悬浮直线电机动子磁体全拟真地面动态试验装置

Info

Publication number: CN214202898U
Application number: CN202023197614.3U
Authority: CN
Inventors: 毛凯; 张志华; 高天宇; 闫少强; 杜修方; 李秋君; 陈松
Original assignee: Casic Feihang Technology Research Institute of Casia Haiying Mechanical and Electronic Research Institute
Current assignee: Casic Feihang Technology Research Institute of Casia Haiying Mechanical and Electronic Research Institute
Priority date: 2020-12-25
Filing date: 2020-12-25
Publication date: 2021-09-14
Anticipated expiration: 2030-12-25

Abstract

本实用新型涉及高速磁悬浮交通技术领域，公开了一种超导磁悬浮直线电机动子磁体全拟真地面动态试验装置，包括用于模拟推进线圈谐波磁场的推进线圈谐波发生器、用于模拟悬浮线圈谐波磁场的第一和第二零磁通线圈谐波发生器、第一安装台、第一可调幅值频率交流电源、第二可调幅值频率交流电源、第三可调幅值频率交流电源、测试超导磁体、第二安装台及垂向位移调节单元，推进线圈谐波发生器包括与真实地面推进线圈中心线等高的矩形线圈；第一和第二零磁通线圈谐波发生器包括与真实地面悬浮线圈中心线等高的上下线圈反接且对称的8字线圈；超导磁体设置在第二安装台上，第二安装台设置在垂向位移调节单元上，调节垂向位移调节单元使超导磁体垂向运动。

Description

超导磁悬浮直线电机动子磁体全拟真地面动态试验装置

技术领域

本实用新型涉及高速磁悬浮交通技术领域，尤其涉及一种超导磁悬浮直线电机动子磁体全拟真地面动态试验装置。

背景技术

超导电动悬浮系统具有浮阻比高、悬浮导向自稳定、悬浮间隙大等优点，由空心线圈定子和超导磁体组成的超导直线电机推进系统具有效率高、功率因数高等优点，在高速、超高速列车中具有越来越广泛的应用。超导磁体运行过程中的振动、生热等动态响应是超导磁悬浮直线电机研究的主要内容之一。

超导磁体在高速悬浮运行中受到悬浮推进定子复杂的交变谐波磁场，例如60°相带的零磁通悬浮线圈会在超导磁体中产生极距为超导磁体极距1/5和1/3、频率为动子运动频率6倍的交变行波磁场，120°相带的单层推进线圈会在超导磁体中产生极距为超导磁体极距1/2、频率为动子运动频率3倍的交变行波磁场，这些复杂的合成交变磁场使超导磁体产生振动与发热，对超导磁体稳定性造成极大影响。但研究超导磁体在真实交变磁场中的动态性能一般需要长距离试验线作为支撑，成本高且无法应用于超导磁体的长期耐久性测试。

目前多通过将定、动子置于某一特定位置并加载恒定直流电进行堵转试验以模拟超导磁体受到的极限稳态电磁载荷，但该装置功能单一，无法进行动态试验，尤其无法应用于真实运行过程中超导磁体和定子的振动和损耗等动态测试。

通过对传统堵转试验台定子线圈施加交流电源可以在超导磁体上产生动态磁场，但其激发的磁场极距与超导磁体极距相同，与实际运行过程中所受的交变磁场差别很大，所反映的磁体振动、损耗情况差别也很大，无法真实体现超导磁体全速域运行中振动受力和损耗发热状态。

综上所述，现有磁悬浮电磁推进系统地面实验装置主要集中于地面堵转试验台和对堵转试验台上真实定子通入交流电的定子模组振动试验台，尚无能够完全还原地面悬浮、推进装置对超导磁体全速域运行中所受到的真实动态磁场的地面试验装置。

实用新型内容

本实用新型提供了一种超导磁悬浮直线电机动子磁体全拟真地面动态试验装置，能够解决现有技术中的技术问题。

本实用新型提供了一种超导磁悬浮直线电机动子磁体全拟真地面动态试验装置，其中，该装置包括用于模拟推进线圈谐波磁场的推进线圈谐波发生器、用于模拟悬浮线圈谐波磁场的第一零磁通线圈谐波发生器和第二零磁通线圈谐波发生器、第一安装台、第一可调幅值频率交流电源、第二可调幅值频率交流电源、第三可调幅值频率交流电源、测试超导磁体、第二安装台以及垂向位移调节单元，其中，

所述推进线圈谐波发生器包括与真实地面推进线圈中心线等高的矩形线圈；

所述第一零磁通线圈谐波发生器和所述第二零磁通线圈谐波发生器包括与真实地面悬浮线圈中心线等高的上下线圈反接且对称的8字线圈；

所述推进线圈谐波发生器、所述第一零磁通线圈谐波发生器和所述第二零磁通线圈谐波发生器设置在所述第一安装台上，所述第一可调幅值频率交流电源用于为所述第一零磁通线圈谐波发生器供电，所述第二可调幅值频率交流电源用于为所述第二零磁通线圈谐波发生器供电，所述第三可调幅值频率交流电源用于为所述推进线圈谐波发生器供电，所述测试超导磁体设置在所述第二安装台上，所述第二安装台设置在所述垂向位移调节单元上，通过调节所述垂向位移调节单元使所述测试超导磁体在垂向运动。

优选地，所述第一安装台上设置有多个相互之间具有预定间隔的插槽，所述推进线圈谐波发生器、所述第一零磁通线圈谐波发生器和所述第二零磁通线圈谐波发生器插入对应插槽后通过连接件固定在所述第一安装台上。

优选地，所述连接件为螺栓。

优选地，该装置还包括通风冷却装置，设置在所述第一安装台上方，用于在所述推进线圈谐波发生器、所述第一零磁通线圈谐波发生器和所述第二零磁通线圈谐波发生器相互之间的间隔通道内通入冷却工质。

优选地，所述推进线圈谐波发生器、所述第一零磁通线圈谐波发生器和所述第二零磁通线圈谐波发生器均通过树脂浇注的方式一体成形。

优选地，所述矩形线圈以双层六相线圈的方式布置，所述矩形线圈的线圈距为对应的真实地面推进线圈的谐波极距的1/3。

优选地，所述8字线圈以双层六相线圈的方式布置，所述8字线圈的线圈距为对应的真实地面悬浮线圈的谐波极距的1/3。

优选地，该装置还包括加速度传感器，用于检测测试超导磁体在全工况下的动态振动特性。

通过上述技术方案，可以设置与各主要谐波成分相对应的谐波磁场发生装置，通过不同频次谐波发生器及真实地面线圈的组合，实现在静止的地面试验台中完全还原超导磁体全速域运行过程中所受到的合成交变磁场，并根据该磁场进行超导磁体全拟真动态电磁振动及电磁损耗试验。

附图说明

所包括的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本实用新型的实施例，并与文字描述一起来阐释本实用新型的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅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示出了根据本实用新型实施例的一种超导磁悬浮直线电机动子磁体全拟真地面动态试验装置的结构示意图；

图2示出了根据本实用新型实施例的一种超导磁悬浮直线电机动子磁体全拟真地面动态试验装置的供电示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。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讨论。

图1示出了根据本实用新型实施例的一种超导磁悬浮直线电机动子磁体全拟真地面动态试验装置的结构示意图。

如图1和2所示，本实用新型实施例提供了一种超导磁悬浮直线电机动子磁体全拟真地面动态试验装置，其特征在于，该装置包括用于模拟推进线圈谐波磁场的推进线圈谐波发生器1、用于模拟悬浮线圈谐波磁场的第一零磁通线圈谐波发生器2和第二零磁通线圈谐波发生器3、第一安装台4、第一可调幅值频率交流电源5、第二可调幅值频率交流电源6、第三可调幅值频率交流电源7、测试超导磁体8、第二安装台9以及垂向位移调节单元10，其中，

所述推进线圈谐波发生器1包括与真实地面推进线圈中心线等高的矩形线圈；

所述第一零磁通线圈谐波发生器2和所述第二零磁通线圈谐波发生器3包括与真实地面悬浮线圈中心线等高的上下线圈反接且对称的8字线圈；

所述推进线圈谐波发生器1、所述第一零磁通线圈谐波发生器2和所述第二零磁通线圈谐波发生器3设置在所述第一安装台4上，所述第一可调幅值频率交流电源5用于为所述第一零磁通线圈谐波发生器2供电，所述第二可调幅值频率交流电源6用于为所述第二零磁通线圈谐波发生器3供电，所述第三可调幅值频率交流电源7用于为所述推进线圈谐波发生器1供电，所述测试超导磁体8设置在所述第二安装台9上，所述第二安装台9设置在所述垂向位移调节单元10上，通过调节所述垂向位移调节单元10使所述测试超导磁体8在垂向运动(也就是，可以模拟全速域工况下超导磁体相对定子的悬浮高度变化)。

其中，通过设置多个零磁通线圈谐波发生器(第一零磁通线圈谐波发生器2和第二零磁通线圈谐波发生器3)，可以更真实地模拟其谐波磁场。

根据本实用新型一种实施例，所述第一安装台4上设置有多个相互之间具有预定间隔的插槽，所述推进线圈谐波发生器1、所述第一零磁通线圈谐波发生器2和所述第二零磁通线圈谐波发生器3插入对应插槽后通过连接件固定在所述第一安装台4上。

换言之，所述推进线圈谐波发生器1、所述第一零磁通线圈谐波发生器2和所述第二零磁通线圈谐波发生器3通过插入对应的插槽在第一安装台4上定位。而由于插槽之间具有预定间隔，所以定位后的各次谐波发生器之间相应地也就存在空隙，该空隙可以通过插入不同的插槽来调整。

通过上述方式进行设置，可以确保各次谐波发生器的线圈中心线高度对齐。

其中，第一安装台可以为刚性支撑台。

根据本实用新型一种实施例，所述连接件为螺栓。

本领域技术人员应当理解，上述螺栓仅仅是示例性的，并非用于限定本实用新型。

根据本实用新型一种实施例，该装置还包括通风冷却装置11，设置在所述第一安装台4上方，用于在所述推进线圈谐波发生器1、所述第一零磁通线圈谐波发生器2和所述第二零磁通线圈谐波发生器3相互之间的间隔通道内通入冷却工质。

由此，可以对谐波发生器进行冷却，从而确保谐波发生器能够长期稳定运行。

根据本实用新型一种实施例，所述推进线圈谐波发生器1、所述第一零磁通线圈谐波发生器2和所述第二零磁通线圈谐波发生器3均通过树脂浇注的方式一体成形。

也就是，推进线圈谐波发生器和零磁通线圈谐波发生器可以通过树脂浇注成外形尺寸统一的独立模块结构。

根据本实用新型一种实施例，所述矩形线圈以双层六相线圈的方式布置，所述矩形线圈的线圈距为对应的真实地面推进线圈的谐波极距的1/3。

通过将线圈距设置为对应的真实地面推进线圈的谐波极距的1/3，可以提高所发生的行波磁场的正弦度。

根据本实用新型一种实施例，所述8字线圈以双层六相线圈的方式布置，所述8字线圈的线圈距为对应的真实地面悬浮线圈的谐波极距的1/3。

也就是，各次谐波发生器可以使用双层六相谐波发生器结构，以确保单次谐波发生器产生的空间磁场完全正弦。并且，由于各次谐波发生器均为双层六相结构，所以相应地采用双层六相供电方案，各次谐波发生器由对应的供电电源提供对应频率的电流，如图2所示。

根据本实用新型一种实施例，该装置还包括加速度传感器，用于检测测试超导磁体8在全工况下的动态振动特性。

此外，本实用新型上述实施例所述的第二安装台还可以以同样模块化的方式安装真实推进线圈和悬浮线圈，与上述各次谐波发生器组合形成超导磁体的动、静载荷混合试验台。

下面对本实用新型所述的一种超导磁悬浮直线电机动子磁体全拟真地面动态试验装置的工作过程进行描述。

根据牵引曲线规划的磁浮列车运行速度与时间的关系，可以确定超导磁体真实运行频率如下所示：

根据牵引曲线规划的磁浮列车推进电流与时间的关系，可以确定每时刻下推进线圈电流幅值，通过有限元法可以计算出该推进电流下推进线圈在超导磁体中产生的主要谐波磁场及其频率成分f1，再通过有限元分析，可以确定推进线圈谐波发生器1产生该谐波磁场所需的励磁电流Ip(t)，最终得到全速域工况下第三可调幅值频率交流电源7所需提供的供电电源(电流)：

I₃＝I_p(t)sin[2π(f1(t))t]。

根据牵引曲线规划的磁浮列车悬浮高度与时间的关系，可以确定每时刻速度下零磁通悬浮线圈感应电流幅值，通过有限元仿真分析出该感应电流下零磁通线圈在超导磁体中产生主要谐波磁场及其频率成分f2和f3，再通过有限元分析，可以确定各零磁通线圈谐波发生器产生该谐波磁场所需的励磁电流Il1(t)和Il2(t)，最终得到全速域工况下第一可调幅值频率交流电源5和第二可调幅值频率交流电源5所需提供的供电电源(电流)：

I₁＝Il1(t)sin[2π(f1(t))t]，

I₂＝Il2(t)sin[2π(f2(t))t]。

将获得的全速域下推进线圈、各零磁通线圈谐波发生器励磁电流幅值、频率随时间的关系作为输入发送给对应的各供电电源，使其分别按照时序为各谐波发生器供电，同时将对应时序下超导磁体悬浮高度发送给超导磁体支撑台，对应调节超导磁体悬浮方向位置，即可在地面试验中实现在超导线圈中产生与实际完全相同的交变磁场，通过在超导磁体各关键点上施加加速度传感器，即可得到全工况下超导磁体的动态振动特性。

在地面试验过程中，分别记录各次谐波发生器变频电源输出功率、输出电流和输入输出端测得的总线圈电阻，可以得到谐波发生器上瞬时电阻损耗；通过将各次谐波发生器输出功率与电阻损耗相减，即可得到超导磁体中产生的总涡流损耗。

下面结合实例对本实用新型所述的一种超导磁悬浮直线电机动子磁体全拟真地面动态试验装置进行描述。

以60°相带零磁通悬浮线圈和120°相带单层推进线圈组成的超导磁悬浮电机地面定子为例，该组合在以频率f运行的超导磁体中主要会产生由单层推进线圈导致的极距τ/2、频率3f的交变磁场，由零磁通悬浮线圈导致的极距τ/3、频率6f的交变磁场和极距τ/5、频率6f的交变磁场。因此该超导磁悬浮直线电机动子磁体全拟真地面动态试验装置包含了能够发生上述三种交变磁场的三组谐波发生器。

所述推进线圈谐波发生器的线圈距为τ/6，使用双层六相线圈布置，靠近超导侧线圈匝数小于远离侧，使推进线圈谐波发生器激发在超导磁体上的磁场为极距τ/2且波形完全正弦形式，当调整通电频率为3f时，该谐波磁场就会以和实际相同的相对运动速度在超导磁体表面运动。

第一、第二零磁通线圈谐波发生器线圈距分别为τ/9和τ/15，同样使用双层六相线圈布置，每相线圈使用与零磁通线圈高度、绕向相同的8字上下对称结构，靠近超导侧线圈匝数小于远离侧，使第一、第二零磁通线圈谐波发生器激发在超导磁体上的磁场为极距τ/3和τ/5、且波形完全正弦形式，当调整通电频率为6f时，该谐波磁场就会以和实际相同的相对运动速度在超导磁体表面运动。

根据运行规划确定车体全速域运行状态下，速度、频率与时间关系为v(t)和f(t)、下沉高度与时间关系为h(t)、推进线圈电流与时间关系Ip(t)、零磁通线圈电流与时间关系Il(t)，并计算出推进线圈谐波发生器1和第一、第二零磁通线圈谐波发生器2、3所需的谐波磁场励磁电流峰值I3(t)、I1(t)、I2(t)。即为谐波发生器对应电源所需产生的交流电峰值。

根据运行时序开始超导磁体全速域动态响应全拟真试验，使上述第一、第二和第三可调幅值频率交流电源分别提供幅值I1(t)、I2(t)、I3(t)，频率3f(t)、6f(t)、6f(t)的六相交流电给对应谐波发生器，并调节超导磁体安装台位移调节装置使超导磁体相对谐波发生器高度为h(t)，即可使超导磁体产生与实际运行中所受到的完全相同的地面谐波磁场扰动，并反映出对应的振动和损耗。使用三向加速度传感器和三向力传感器即可获得超导磁体各关键点振动、受力等动态响应，使用上述功率相减法即可得到超导磁体的瞬态涡流损耗。

从上述实施例可以看出，通过各次谐波发生器叠加组合，并按照时序开断各次谐波发生器，可以在地面静止试验台上对超导磁体完全模拟出车辆真实运行过程中所受到的变化的谐波磁场，且保证磁场的幅值、极距、频率与真实完全一致。并且，真实的谐波磁场可以在测试的超导磁体上产生与实际完全相同的电磁激振力和涡流损耗及生热，保证结构上每个节点载荷与实际一致，因此可以在地面试验台中真实反映磁体的结构振动响应、变形、生热，准确找到薄弱点，为磁体改进和验证提供依据。此外，通过将测试过程从长距离试验线转移到静止试验台，极大降低了试验成本，提高了长期试验的效率。该试验台还可以为超导磁体上附加的阻尼线圈、集电线圈的功能测试提供全拟真背景场，实现一个试验台同时完成磁体振动、电磁阻尼、感应发电等多种试验，具有极高的通用性。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种超导磁悬浮直线电机动子磁体全拟真地面动态试验装置，其特征在于，该装置包括用于模拟推进线圈谐波磁场的推进线圈谐波发生器(1)、用于模拟悬浮线圈谐波磁场的第一零磁通线圈谐波发生器(2)和第二零磁通线圈谐波发生器(3)、第一安装台(4)、第一可调幅值频率交流电源(5)、第二可调幅值频率交流电源(6)、第三可调幅值频率交流电源(7)、测试超导磁体(8)、第二安装台(9)以及垂向位移调节单元(10)，其中，

所述推进线圈谐波发生器(1)包括与真实地面推进线圈中心线等高的矩形线圈；

所述第一零磁通线圈谐波发生器(2)和所述第二零磁通线圈谐波发生器(3)包括与真实地面悬浮线圈中心线等高的上下线圈反接且对称的8字线圈；

所述推进线圈谐波发生器(1)、所述第一零磁通线圈谐波发生器(2)和所述第二零磁通线圈谐波发生器(3)设置在所述第一安装台(4)上，所述第一可调幅值频率交流电源(5)用于为所述第一零磁通线圈谐波发生器(2)供电，所述第二可调幅值频率交流电源(6)用于为所述第二零磁通线圈谐波发生器(3)供电，所述第三可调幅值频率交流电源(7)用于为所述推进线圈谐波发生器(1)供电，所述测试超导磁体(8)设置在所述第二安装台(9)上，所述第二安装台(9)设置在所述垂向位移调节单元(10)上，通过调节所述垂向位移调节单元(10)使所述测试超导磁体(8)在垂向运动。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一安装台(4)上设置有多个相互之间具有预定间隔的插槽，所述推进线圈谐波发生器(1)、所述第一零磁通线圈谐波发生器(2)和所述第二零磁通线圈谐波发生器(3)插入对应插槽后通过连接件固定在所述第一安装台(4)上。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述连接件为螺栓。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，该装置还包括通风冷却装置(11)，设置在所述第一安装台(4)上方，用于在所述推进线圈谐波发生器(1)、所述第一零磁通线圈谐波发生器(2)和所述第二零磁通线圈谐波发生器(3)相互之间的间隔通道内通入冷却工质。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述推进线圈谐波发生器(1)、所述第一零磁通线圈谐波发生器(2)和所述第二零磁通线圈谐波发生器(3)均通过树脂浇注的方式一体成形。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述矩形线圈以双层六相线圈的方式布置，所述矩形线圈的线圈距为对应的真实地面推进线圈的谐波极距的1/3。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述8字线圈以双层六相线圈的方式布置，所述8字线圈的线圈距为对应的真实地面悬浮线圈的谐波极距的1/3。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，该装置还包括加速度传感器，用于检测测试超导磁体(8)在全工况下的动态振动特性。