CN102653247A

CN102653247A - 调翼式永磁悬浮技术

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Publication number: CN102653247A
Application number: CN2011100519950A
Authority: CN
Inventors: 吴小平; 周伟裕; 罗天珍
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-03-04
Filing date: 2011-03-04
Publication date: 2012-09-05

Abstract

调翼式永磁悬浮技术属磁技术及电子控制领域：现有技术磁悬浮车辆的“飞行”姿态的调整主要是通过线圈电流来完成的(目前的永磁铁悬浮方案也只是承担一部分减载功能，也还要通过与轨道的接触轮来完成的)；本技术是将车体上的永磁铁在电子司服系统的控制下，就能实现相对于车体产生相对位移，进而产生平衡恢复力；并在阻尼线圈的电磁阻尼下完成车体的稳定平衡，将能实现磁悬浮列车技术的低成本低耗能的新方向，可被广泛应用于磁悬浮交通车辆中。

Description

调翼式永磁悬浮技术

本发明属磁技术及电子控制领域：确切地讲是一种将车体上的永磁铁在电子司服系统的控制下，就能实现相对于车体产生相对位移，进而产生平衡恢复力；并在阻尼线圈的电磁阻尼下完成车体的稳定平衡。

各种飞行器都需要控制飞行姿态，飞机就是微调机翼局部完成的；磁悬浮列车属于轨道类车辆，运行时需要驱动/悬浮/导向3种模式的姿态控制；现有技术磁悬浮车辆的“飞行”姿态的调整是通过线圈电流来完成的(目前的永磁铁悬浮方案也只是承担一部分减载功能，也还要通过与轨道的接触轮来完成的)；因而巨大的电能损耗及大强度电磁控制的巨大硬软件成本将不可避免！但如果沿着这样的思路：即车体上的永磁铁相当于飞机的机翼，与机翼穿梭在空气中一样，车上的永磁体穿梭于轨道永磁体的磁场中，将能发现磁悬浮列车技术的低成本低耗能的新方向。

本发明的目的就在于克服已有技术的不足之处，采用控翼方案(直接针对车内的永磁体进行位移，以最为高效率的直线电机/液压驱动)，成倍的减少硬件成本的同时，极大的减少了控制线圈的电流需求，大大降低了能耗。

本发明的特点在于：基于2个方面；首先是通过安装在车体里的位移传送装置(如液压/直线电机等)，将车体内的永磁体进行位移(含少量旋转)，在扰动后使车体有恢复平衡位置的趋势；其次是在车体内也需要安装阻尼线圈(也可以兼作驱动使用)，并辅助兼有助力功能，使车体在离开平衡位置后的恢复过程中吸收部分能量，在可承受的时间内回到平衡状态。

本发明的技术关键就在于：

悬浮的动态平衡控制：主要是由控制车体悬浮永磁铁(12)/(13)及车体导向永磁体(23)的相对于车底盘(19)的位移来实现，其次是对阻尼/导向/驱动线圈(20)/(21)/(22)进行驱动及控制。(车厢与车底盘之间也可以加装液压阻尼装置来缓冲平衡)

悬浮及动平衡控制要点：主要是由车体悬浮永磁体(12)/(13)与轨道悬浮永磁体(14)/(15)之间的位置关系决定的，位置关系的改变是由液压缸(5)/(6)及(10)/(11)驱动(悬浮永磁)垂直位移驱动活塞(1)/(2)及(悬浮永磁)水平位移驱动活塞(3)/(4)，滑动平台(10)/(11)提供磁体滑移支撑物。当车厢偏移取样系统(30)(含有位移/速度/加速度等传感器)检测车辆偏移超标后，然后有计算机发出指令：车体悬浮永磁体控制系统(31)及车体导向永磁体控制系统(32)将发出指令使车体内的永磁体产生相对与车底盘的位移，位移的数值与车体晃动偏移的大小成正相关关系；方向在多数情况下与晃动偏移的方向相反；线圈阻尼电流生成系统(33)及线圈驱动电流生成系统(34)也将参与调控。车体永磁铁可以是分段的且可以独立控制的，以应对车体的复杂偏移运动；另一方面：永磁体之间的力场是保守力场，将无法快速消减车体的晃动；线圈的辅助调整控制是极其必要的，即阻尼/驱动线圈将参与吸收车体动能，将此转化为电力回收；由于本技术采用的是永磁体之间的同性相斥的方式，因而当间隙减小之时磁力将增加，自然满足平衡的恢复原则，远离时间隙增大磁力将减小，重力将使之有恢复的趋势；本技术中调节磁铁的位置将消耗少的多的能量，而获得相当高效率的敏捷控制，同时获得较大的磁间隙，有利于高速运动。

导向及导向控制：主要控制车体导向永磁体(23)的位移，其次由阻尼/导向/驱动线圈(20)/(21)/(22)辅助控制。

车辆的驱动：相当于一个‘长转子’永磁同步电机来完成；(岛状分布)轨道导向永磁体(16)/(17)相当于“长转子”；驱动线圈(22)相当于电机的定子。由于车辆2侧的对称性，驱动力的(与列车前进方向垂直)水平分力是相互抵消的；因而不会产生(与列车前进方向垂直)的横向合力，可以获得平稳的(沿着前进方向)的驱动力。

车箱体(24)与车底盘(19)之间可以加装一些液压减振组件，用以吸收车体的晃动能量。

*需要指出：当驱动车体永磁铁(12)/(13)的沿着垂直方向的运动时，将能改变车体的局部负重(一节车厢中，车体永磁铁(12)/(13)可分为可以独立控制的多块)，以抵消人员在车厢内走动的动态载荷，不至于使车体过分倾斜，控制合理的水平度。

*目前液压系统及直线电机的闭环响应速度易达到1/100秒数量级；尤其在厘米行程尺度上已十分成熟。

*需要指出：任何固定安装的永磁悬浮系统(无论是吸还是斥悬浮以及吸/斥混合式)都需要一定条件(外来被控力及力矩)的约束；才能获得稳定平衡。当偏离非稳定平衡点后；相对微小的偏离就会产生较大的破坏平衡方向的力及力矩，因而需要的外界恢复力及力矩也将是与之在1个数量级。

其根本特征可以概括为：在磁悬浮车辆的动平衡调整上使用了位移驱动装置来驱动车上永磁体，使永磁体产生位移；车体晃动能量的吸收即可以通过液压或气压再或是弹性材料的阻尼来实现，也可以是由电磁线圈的电磁阻尼来完成；列车的驱动即可以是由车内线圈驱动轨道上的金属长定子来实现，也可以是通过由车内或车外线圈驱动轨道上或车上的多个离散永磁体来实现，再也可以是由磁齿轮驱动轨道上的多个离散永磁体来实现；列车姿态的控制方式可以是多模式，也可以是单模式。

所述的列车姿态的控制方式可以是多模式，也可以是单模式指的是：单模式是指；单一使用车内永磁体的位移，结合机械阻尼系统来调控车辆的动平衡，可以减少线圈的数量以降低些成本；多摸式指的是：除使用车内永磁体的位移及结合机械阻尼系统外，还需要结合车内线圈的电磁调空一起来调控车辆的动平衡，虽然成本高些，但是可以建立强大而稳定的动平衡，满足高速(600里/小时)磁悬浮状态。

无论单摸还是多摸方式，永磁体的调控位移的方向总是朝着车体串动位移相反的方向移动；所谓串动指的是：车体的单纯沿着水平或垂直方向的平移或升降。

以下结合附图就本发明的基本实施例，对本发明作进一步说明：

图1控翼式永磁悬浮列车断面构造示意图

图2控翼式永磁悬浮技术闭环控制原理方框图

图示说明：

(1)/(2) (悬浮永磁)垂直位移驱动活塞

(3)/(4) (悬浮永磁)水平位移驱动活塞

(5)/(6)/(7)/(8) 液压缸

(9) (导向永磁)驱动活塞

(10)/(11) 滑动平台及液压缸

(12)/(13) 车体悬浮永磁体

(14)/(15) 轨道悬浮永磁体

(16)/(17) (岛状分布)轨道导向永磁体

(18) T型轨道体

(19) 车底盘

(20)/(21) 阻尼/导向线圈

(22) 阻尼/导向/驱动线圈

(23) 车体导向永磁体

(24) 车厢体

(30) 车厢偏移取样系统

(31) 车体悬浮永磁体控制系统

(32) 车体导向永磁体控制系统

(33) 线圈阻尼电流生成系统

(34) 线圈驱动电流生成系统

(35) 计算机处理系统

如图1所示：

主体结构是由：T型轨道体(18)承载着：车厢体(24)，车底盘(19)，在T型轨道体(18)上安装有：轨道悬浮永磁体(14)/(15)及(岛状分布)轨道导向永磁体(16)/(17)；在车底盘(19)上安装有：车体悬浮永磁体(12)/(13)及车体导向永磁体(23)，他们与在T型轨道体(18)上的对应永磁体之间是斥力关系(排斥的磁力悬浮及排斥的磁力导向)；车体悬浮永磁体(12)/(13)被滑动平台及液压缸(10)/(11)约束着；悬浮永磁体(12)/(13)固定在滑动平台及液压缸(10)/(11)上，在(悬浮永磁)水平位移驱动活塞(3)/(4)的驱动下，永磁体(12)/(13)可以沿着与车体行驶方向垂直的(水平)方向位移；在同样作为液压缸(10)/(11)的驱动下，永磁体(12)/(13)可以沿着与车体行驶方向垂直的(铅垂)方向位移((悬浮永磁)垂直位移驱动活塞(1)/(2)的1端固定在车体底盘上，因而整个滑动平台及液压缸(10)/(11)可以承载着永磁体(12)/(13)一起铅垂位移)；液压缸(5)/(6)/(7)/(8)是与车底盘(19)固定安装在一起的。车体导向永磁体(23)可被(导向永磁)驱动活塞(9)驱动，沿着铅垂方向运动。

阻尼/导向线圈(20)/(21)的主要作用之1是：辅助导向作用；必要时参与辅助悬浮及吸收晃动能量(减震)；与此类似：阻尼/导向/驱动线圈(22)的最为主要的作用是与(岛状分布)轨道导向永磁体(16)/(17)配合，形成列车的前进驱动力，可以必要时使用其一部分线圈，配合完成姿态控制。

如图2所示：

闭环控制系统控制过程如下：车厢偏移取样系统(30)通过安装在车体轨道上的(位移/速度/加速度)传感器，测得数据；在计算机(35)的计算下，指挥车体悬浮永磁体控制系统(31)及车体导向永磁体控制系统(32)使得车内的永磁体产生位移；位移的方向将是使诸力对车体的合力提供继续抵抗重力的支持力及弯道行驶所需要的向心力。合力矩则是车厢体转回应有的方位。但是永磁体无法吸收车体晃动的动能，能量的吸收需要车底盘与车体之间的液压减震装置；另一个吸收能量的渠道是通过线圈阻尼电流生成系统(33)及线圈驱动电流生成系统(34)，参与能量的存储与调控。

Claims

1.调翼式永磁悬浮技术；其主体结构是由：T型轨道体(18)承载着：车厢体(24)，车底盘(19)，在T型轨道体(18)上安装有：轨道悬浮永磁体(14)/(15)及岛状分布的轨道导向永磁体(16)/(17)；在车底盘(19)上安装有：车体悬浮永磁体(12)/(13)及车体导向永磁体(23)，他们与在T型轨道体(18)上的对应永磁体之间是斥力关系，即排斥的磁力悬浮及排斥的磁力导向；车体悬浮永磁体(12)/(13)被滑动平台及液压缸(10)/(11)约束着；悬浮永磁体(12)/(13)固定在滑动平台及液压缸(10)/(11)上，在水平位移驱动活塞(3)/(4)的驱动下，永磁体(12)/(13)可以沿着与车体行驶方向垂直的(水平)方向位移；在同样作为液压缸(10)/(11)的驱动下，永磁体(12)/(13)可以沿着与车体行驶方向垂直的(铅垂)方向位移；垂直位移驱动活塞(1)/(2)的1端固定在车体底盘上，因而整个滑动平台及液压缸(10)/(11)可以承载着永磁体(12)/(13)一起铅垂位移；液压缸(5)/(6)/(7)/(8)是与车底盘(19)固定安装在一起的。车体导向永磁体(23)可被(导向永磁)驱动活塞(9)驱动，沿着铅垂方向运动；阻尼/导向线圈(20)/(21)的主要作用之1是：辅助导向作用；必要时参与辅助悬浮及吸收晃动能量(减震)；与此类似：阻尼/导向/驱动线圈(22)的最为主要的作用是与岛状分布的轨道导向永磁体(16)/(17)配合，形成列车的前进驱动力，可以必要时使用其一部分线圈，配合完成姿态控制；闭环控制系统控制过程如下：车厢偏移取样系统(30)通过安装在车体轨道上的位移/速度/加速度传感器，测得数据；在计算机(35)的计算下，指挥车体悬浮永磁体控制系统(31)及车体导向永磁体控制系统(32)使得车内的永磁体产生位移；位移的方向将是使诸力对车体的合力提供继续抵抗重力的支持力及弯道行驶所需要的向心力。合力矩则是车厢体转回应有的方位。但是永磁体无法吸收车体晃动的动能，能量的吸收需要车底盘与车体之间的液压减震装置；另一个吸收能量的渠道是通过线圈阻尼电流生成系统(33)及线圈驱动电流生成系统(34)，参与能量的存储与调控；悬浮的动态平衡控制：主要是由控制车体悬浮永磁铁(12)/(13)及车体导向永磁体(23)的相对于车底盘(19)的位移来实现，其次是对阻尼/导向/驱动线圈(20)/(21)/(22)进行驱动及控制，车厢与车底盘之间也可以加装液压阻尼装置来缓冲平衡；悬浮及动平衡控制要点：主要是由车体悬浮永磁体(12)/(13)与轨道悬浮永磁体(14)/(15)之间的位置关系决定的，位置关系的改变是由液压缸(5)/(6)及(10)/(11)驱动垂直位移驱动活塞(1)/(2)及悬浮永磁水平位移驱动活塞(3)/(4)，滑动平台(10)/(11)提供磁体滑移支撑物。当车厢偏移取样系统(30)含有位移/速度/加速度等传感器检测车辆偏移超标后，然后有计算机发出指令：车体悬浮永磁体控制系统(31)及车体导向永磁体控制系统(32)将发出指令使车体内的永磁体产生相对与车底盘的位移，位移的数值与车体晃动偏移的大小成正相关关系；方向在多数情况下与晃动偏移的方向相反；线圈阻尼电流生成系统(33)及线圈驱动电流生成系统(34)也将参与调控。车体永磁铁可以是分段的且可以独立控制的，以应对车体的复杂偏移运动；另一方面：永磁体之间的力场是保守力场，将无法快速消减车体的晃动；线圈的辅助调整控制是极其必要的，即阻尼/驱动线圈将参与吸收车体动能，将此转化为电力回收；由于本技术采用的是永磁体之间的同性相斥的方式，因而当间隙减小之时磁力将增加，自然满足平衡的恢复原则，远离时间隙增大磁力将减小、重力将使之有恢复的趋势；本技术中调节磁铁的位置将消耗少的多的能量，而获得相当高效率的敏捷控制，同时获得较大的磁间隙，有利于高速运动；导向及导向控制：主要控制车体导向永磁体(23)的位移，其次由阻尼/导向/驱动线圈(20)/(21)/(22)辅助控制；车辆的驱动：相当于一个‘长转子’永磁同步电机来完成；轨道导向永磁体(16)/(17)相当于“长转子”；驱动线圈(22)相当于电机的定子。由于车辆2侧的对称性，驱动力的(与列车前进方向垂直)水平分力是相互抵消的；因而不会产生与列车前进方向垂直的横向合力，可以获得平稳的沿着前进方向的驱动力；车箱体(24)与车底盘(19)之间可以加装一些液压减振组件，用以吸收车体的晃动能量；*需要指出：当驱动车体永磁铁(12)/(13)的沿着垂直方向的运动时，将能改变车体的局部负重；一节车厢中，车体永磁铁(12)/(13)可分为可以独立控制的多块，以抵消人员在车厢内走动的动态载荷，不至于使车体过分倾斜，控制合理的水平度；目前液压系统及直线电机的闭环响应速度易达到1/100秒数量级；尤其在厘米行程尺度上已十分成熟；*需要指出：任何固定安装的永磁悬浮系统，无论是吸还是斥悬浮以及吸/斥混合式，都需要一定条件，外来被控；才能获得稳定平衡。当偏离非稳定平衡点后；相对微小的偏离就会产生较大的破坏平衡方向的力及力矩，因而需要的外界恢复力及力矩也将是与之在1个数量级；其特征就在于：在磁悬浮车辆的动平衡调整上使用了位移驱动装置来驱动车上永磁体，使永磁体产生位移；车体晃动能量的吸收即可以通过液压或气压再或是弹性材料的阻尼来实现，也可以是由电磁线圈的电磁阻尼来完成；列车的驱动即可以是由车内线圈驱动轨道上的金属长定子来实现，也可以是通过由车内或车外线圈驱动轨道上或车上的多个离散永磁体来实现，再也可以是由磁齿轮驱动轨道上的多个离散永磁体来实现；列车姿态的控制方式可以是多模式，也可以是单模式。

2.如权利要求1调翼式永磁悬浮技术所述的列车姿态的控制方式可以是多模式，也可以是单模式指的是：单模式是指；单一使用车内永磁体的位移，结合机械阻尼系统来调控车辆的动平衡；多摸式指的是：除使用车内永磁体的位移及结合机械阻尼系统外，还需要结合车内线圈的电磁调空一起来调控车辆的动平衡；无论单摸还是多摸方式，永磁体的调控位移的方向总是朝着车体串动位移相反的方向移动。