一种永磁电动悬浮实验装置及实验方法

1.本发明涉及永磁电动悬浮实验领域，具体而言，涉及一种永磁电动悬浮实验装置及实验方法。


背景技术：

2.磁悬浮列车作为“后高铁时代”的一种新型轨道交通技术，以车载悬浮单元与轨道间的电磁力取代了轮轨摩擦接触力，从而实现了车体的悬浮导向和驱动。基于悬浮原理，磁悬浮技术可分为常导磁悬浮、电动悬浮和高温超导钉扎磁悬浮。
3.长期以来，超导磁体由于其强大的磁性能，一直被当作是电动驱动系统的最佳磁源，然而超导磁体却面临着成本高、结构复杂、冷却环境苛刻、辐射大等一系列问题。随着永磁体性能的不断提高及halbach阵列的广泛应用，利用永磁体替换超导磁体成为可能，从而使得永磁电动驱动系统逐渐受到关注。而实验研究成为永磁电动驱动系统走向实际运用的重要手段和必要环节。从轨道形式上，永磁电动驱动系统可进一步分为线圈式永磁电动悬浮和平板式永磁电动悬浮，而后者产生的磁阻力还可用于涡流制动系统。在现有实验装置中，单台单用，只能研究单一制式的驱动系统，不能完成混合式永磁电动悬浮实验。此外，现有实验装置可完成的实验工况较少，车载磁体的旋转、偏移、俯仰等多自由度的运行姿态尚不能完成。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是：提供了一种永磁电动悬浮实验装置，本实验装置一方面能够进行多种永磁电动悬浮制式的悬浮实验，另一方面本实验装置能够对磁体的不同运行姿态进行实验分析，可完成驱动、悬浮、制动等全过程分析。
5.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：一种永磁电动悬浮实验装置，包括：环状轨道，所述环状轨道包括第一直部和第二直部，所述第一直部设置有第一升降装置和线圈连接板，所述第一升降装置在竖向方向上驱动所述线圈连接板进行移动，所述第二直部设置有第二升降装置和涡流制动导体板，所述第二升降装置在竖向方向上驱动所述涡流制动导体板进行移动；实验台车，所述实验台车的底部设置有第一halbach永磁体阵列连接部，所述环状轨道在对应第一halbach永磁体阵列连接部的位置设置有平板式电动导体板连接部，所述实验台车的两侧部均设置有第二halbach永磁体阵列连接部；以及驱动系统，包括设置在环状轨道顶部的定子线圈和设置在实验台车底部的感应导体板，所述定子线圈和所述感应导体板配合产生推进力驱动所述实验台车。
6.本永磁电动悬浮实验装置的有益效果是：本永磁电动悬浮实验装置通过引入第一直部和第二直部进行多制式融合，第一直部设置有第一升降装置和线圈连接板，第一升降装置在竖向方向驱动线圈连接板进行移
动，所述第二直部设置有第二升降装置和涡流制动导体板，所述第二升降装置在竖向方向驱动涡流制动导体板进行移动。当本实验装置需进行不同制式的实验时，第一升降装置和第二升降装置进行联动动作。本实验装置的轨道包括曲线和直线段，实验模拟的真实性更强，也可探究磁体过弯的电磁特性，即第一直部和第二直部的引入，避免了采用现有实验中以曲代直的等效模拟方法，使实验工况和实际运行工况更加贴合。在实验速度方面，现有实验装置的最高实验速度较低（小于60m/s），而本实验装置的实验速度范围广，当采用循环加速后，可实现不同直线速度量级的实验。
7.另外，本发明提出一种永磁电动悬浮实验方法，使用了上述所述的永磁电动悬浮实验装置，包括以下实验：线圈式永磁电动悬浮实验，首先第二升降装置在竖向将涡流制动导体板进行抬升；在线圈连接板上设置线圈，在第二halbach永磁体阵列连接部上设置第二halbach永磁体阵列，调节第一升降装置使线圈与第二halbach永磁体阵列位置对应；将实验台车设置在环状轨道上后，进行线圈式永磁电动悬浮实验，并进行实验数据的收集；待线圈式永磁电动悬浮实验数据收集完成后，第一升降装置在竖向将线圈连接板进行抬升，第二升降装置在竖向将涡流制动导体板下放完成实验台车的制动；平板式永磁电动悬浮实验，首先在平板式电动导体板连接部上设置平板式电动导体板，在第一halbach永磁体阵列连接部上设置第一halbach永磁体阵列，使第一halbach永磁体阵列与平板式电动导体板位置对应；将实验台车设置在环状轨道上后，第一升降装置在竖向将线圈连接板进行抬升，且第二升降装置在竖向将涡流制动导体板进行抬升，之后进行平板式永磁电动悬浮实验，并进行实验数据的收集；待平板式永磁电动悬浮实验数据收集完成后，第二升降装置在竖向将涡流制动导体板下放完成实验台车的制动；涡流制动实验，首先在第二halbach永磁体阵列连接部上设置第二halbach永磁体阵列；使实验台车设置在环状轨道上；当实验台车达到一定速度后，第二升降装置在竖向将涡流制动导体板进行下放，使涡流制动导体板与第二halbach永磁体阵列位置对应；进行涡流制动实验，并进行实验数据的收集。
8.本永磁电动悬浮实验方法的有益效果是：本永磁电动悬浮实验方法，通过本永磁电动悬浮实验装置，一方面方便进行多制式悬浮实验，另一方面能够得到多组稳定的实验数据，降低了外部因素影响，保证了后期参数的分析。
9.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
10.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。
11.图1为本发明的整体结构示意图；图2为本发明基于图1的a区域放大结构示意图；图3为当本发明进行线圈式永磁电动悬浮实验方法时，实验台车与第一直部的某一状态结构示意图；图4为当本发明进行涡流制动实验方法时，实验台车与第二直部的某一状态结构示意图；图5为本发明的约束装置结构示意图；图6为本发明的第一升降装置结构示意图；图7为本发明中，第二halbach永磁体阵列与“8”字形线圈的配合结构示意图；图8为本发明中，单个“8”字形线圈作用下，电磁力随时间变化的曲线图；图9为本发明中，多个“8”字形线圈作用下，电磁力随时间变化的曲线图；图10为本发明线圈式永磁电动悬浮实验中，线圈式电磁力随方度变化的曲线图；图11为本发明线圈式永磁电动悬浮实验中，线圈式电磁力随垂向中心偏差变化的曲线图；图12为本发明线圈式永磁电动悬浮实验中，线圈式电磁力随垂向高度变化的曲线图；图13为本发明平板式永磁电动悬浮实验中，不同间隙下电磁力随速度变化曲线图；图14为本发明涡流制动实验中，不同气隙下制动力随速度变化的曲线图；图15为本发明涡流制动实验中，制动力随导体板厚度变化的曲线图；图中标记：1、环状轨道；11、第一升降装置；111、基体；112、气缸；12、第二升降装置；13、线圈连接板；14、涡流制动导体板；15、平板式电动导体板连接部；16、定子线圈；2、实验台车；21、第一halbach永磁体阵列连接部；210、第一halbach永磁体阵列；22、第二halbach永磁体阵列连接部；220、第二halbach永磁体阵列；23、感应导体板；3、第一调节装置；4、第二调节装置；51、轮对；52、钢轨；53、第一连接杆；54、第二连接杆；6、数据采集传感器；7、“8”字形线圈。
具体实施方式
12.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。
13.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。
14.永磁电动悬浮的原理是基于楞次定律，本发明能够进行线圈式永磁电动悬浮实验、平板式永磁电动悬浮实验以及涡流制动实验。进一步地，线圈式永磁电动悬浮实验可优先应用于“8”字形线圈永磁电动悬浮实验。
15.如图1至图4所示，一种永磁电动悬浮实验装置，包括：环状轨道1，所述环状轨道1包括第一直部和第二直部，所述第一直部设置有第一升降装置11和线圈连接板13，所述第一升降装置11在竖向方向上驱动所述线圈连接板13进行移动，所述第二直部设置有第二升降装置12和涡流制动导体板14，所述第二升降装置12在竖向方向上驱动所述涡流制动导体板14进行移动；实验台车2，所述实验台车2的底部设置有第一halbach永磁体阵列连接部21，所述环状轨道1在对应第一halbach永磁体阵列连接部21的位置设置有平板式电动导体板连接部15，所述实验台车2的两侧部均设置有第二halbach永磁体阵列连接部22；以及驱动系统，包括设置在环状轨道1顶部的定子线圈16和设置在实验台车2底部的感应导体板23，所述定子线圈16和所述感应导体板23配合产生推进力驱动所述实验台车2。
16.如图3所示，所述环状轨道1的顶部设置有定子线圈16，所述实验台车2的底部设置有感应导体板23。定子线圈16可交叉间隔排布，通以三相交流电。三相交流电在线路中依次通入，在时间上三相电压值依次增加减小，在空间上形成按特定方向行进的磁场波，该磁场与感应导体板23相互作用，根据楞次定律，其会在感应导体板23上产生涡流以阻碍该运动的发生，当感应导体板23在机械上不固定时，这项阻碍运动的力就会转化为驱动感应导体板23前进的驱动力。
17.在本实验装置中，当进行“8”字形线圈永磁电动悬浮实验时，其驱动系统的工作原理是基于电磁感应定律。当以第一直部的长度方向为x方向，以第一直部的宽度方向为y方向，以第一直部的高度方向为z方向，第二halbach永磁体阵列220沿x方向排列，阵列磁体其磁场强度在x方向上近似于正弦分布，在y方向上几乎呈均匀分布。当实验台车2的第二halbach永磁体阵列220以一定速度沿环状轨道运行时，第二halbach永磁体阵列220会与第一直部设置的零磁通“8”字形线圈在一定的工作气隙下存在前进方向的相对位移，由第二halbach永磁体阵列220产生的源磁场会切割“8”字形线圈，使得“8”字形线圈上、下环路产生感应电动势：（1）（2）在表达式（1）和表达式（2）中，表示“8”字形线圈的上环路感应电动势，表示“8”字形线圈的下环路感应电动势，为等效线圈电流，表示磁体速度，、分别为
互感参数，表示互感参数对位移的偏导数， 表示互感参数对位移的偏导数。
18.由于第二halbach永磁体阵列220在垂向方向上与零磁通“8”字形线圈不对中，使得“8”字形线圈上、下环路出现电势差，进而产生感应电流和感应磁场，该感应磁场与第二halbach永磁体阵列220的源磁场产生相互电磁作用，所产生电磁力：（3）在表达式（3）中，表示悬浮力，表示“8”字形线圈上环路感应电流，表示“8”字形线圈下环路感应电流，其余字母释义同表达式（1）和表达式（2）。
19.在本实验装置中，平板式永磁电动悬浮实验的工作原理同样是基于电磁感应定律。在第一halbach永磁体阵列连接部21上设置第一halbach永磁体阵列210，其磁场沿运动方向近似于正弦分布，当第一halbach永磁体阵列210相对于平板式电动导体板运动时，闭合回路导体切割磁感应线，根据电磁感应定律，在导体板内会产生感应电动势，导体板各部分间形成回路，产生与磁体一起运动的涡流。
[0020] （4）在表达式（4）中，表示导体板中的涡流，表示导体板的电导率，表示磁体运动速度，为磁感应强度。
[0021]
根据楞次定律，该感应涡流将阻碍由于运动产生的磁场变化，或者说阻碍磁体与导体板之间的相对运动。通过与源磁场相互作用，产生电磁力，在竖直方向上的分力表现为克服车体重力的悬浮斥力，在运动方向的分力表现为阻碍车体前进的磁阻力。
[0022]
在本实验装置中，涡流制动实验同样基于电磁感应定律。当实验台车2的车载永磁体与导体相对运动时，导体切割磁力线，根据电磁感应原理，导体内将会产生闭合的漩涡状感应电流，由电涡流产生的磁场使主磁场发生畸变，磁力线发生偏转，生成切向分力，即为制动力。从能量转换的角度来说，列车的动能通过感应体的涡流损耗，使感应体温度升高，从而将列车的动能转换成热能消散于大气，达到制动的目的。
[0023]
（5）在表达式（5）中，为磁体与导体板相互作用产生的电磁力，表示导体板中的涡流，为磁感应强度。
[0024]
如图6所示，为明确本发明第一升降装置11的具体结构，所述第一升降装置11包括基体111和气缸112，所述基体111竖直设置，所述气缸112固定连接在所述基体111的侧壁上，所述气缸112电气连接有气缸控制装置，气缸112的输出端与所述线圈连接板13传动连接。
[0025]
第一升降装置11还可以采用定滑轮、钢索和卷扬机的组合结构，即定滑轮设置在基体111的顶部，钢索与定滑轮滑动连接，钢索的一端与卷扬机的起吊部固定连接，钢索的另一端与线圈连接板13固定连接。当启动卷扬机后，通过钢索的下放和提升以实现线圈连
接板13的下放和提升动作。
[0026]
第二升降装置12可采用与第一升降装置11相同的结构。
[0027]
为方便调节第一halbach永磁体阵列连接部21在竖向的位置，以改变第一halbach永磁体阵列210与平板式电动导体板的间隙，本发明引入第一调节装置3，所述第一调节装置3设置在第一halbach永磁体阵列连接部21与实验台车2的底部之间，第一调节装置3带动第一halbach永磁体阵列连接部21进行竖向的移动。
[0028]
为方便调节第二halbach永磁体阵列连接部22在水平方向的位置，以改变第二halbach永磁体阵列220与线圈的间隙，本发明引入第二调节装置4，所述第二调节装置4设置在第二halbach永磁体阵列连接部22与实验台车2的侧部之间，第二调节装置4带动第二halbach永磁体阵列连接部22进行水平的移动。
[0029]
所述第一调节装置3和第二调节装置4可均为电动推杆，此时本结构能够满足高精度间隙调节。
[0030]
如图7所示，第一调节装置3和第二调节装置4还可为螺栓连接板，此时本结构通过改变螺栓的连接位置，进而完成了相应halbach永磁体阵列连接部位置的调节，方便进行低精度间隙调节。
[0031]
如图3所示，为方便进行数据采集，如采集电磁力的大小，本发明引入数据采集传感器6，所述数据采集传感器6设置在第一halbach永磁体阵列连接部21和第二halbach永磁体阵列连接部22上，数据采集传感器6电气连接有信号控制装置。
[0032]
如图5所示，为方便对实验台车2进行自由度的限制，使实验台车2仅沿轨道方向运行，本发明引入约束装置，所述约束装置包括轮对51和钢轨52，所述轮对51通过第一连接杆53固定连接在实验台车2的底部，所述钢轨52通过第二连接杆54固定连接在地面上，轮对51和钢轨52滚动连接。
[0033]
为确定环状轨道1的具体结构形式，本发明优选将所述环状轨道1限定为赛道型。
[0034]
为明确线圈连接板13上所连接线圈的具体结构，如图7所示，所述线圈为“8”字形线圈7。
[0035]
另外，本发明提出一种永磁电动悬浮实验方法，使用了上述所述的永磁电动悬浮实验装置，包括以下实验：线圈式永磁电动悬浮实验，首先第二升降装置12在竖向将涡流制动导体板14进行抬升；在线圈连接板13上设置线圈，在第二halbach永磁体阵列连接部22上设置第二halbach永磁体阵列220，调节第一升降装置11使线圈与第二halbach永磁体阵列220位置对应；将实验台车2设置在环状轨道1上后，进行线圈式永磁电动悬浮实验，并进行实验数据的收集；待线圈式永磁电动悬浮实验数据收集完成后，第一升降装置11在竖向将线圈连接板13进行抬升，第二升降装置12在竖向将涡流制动导体板14下放完成实验台车2的制动；平板式永磁电动悬浮实验，首先在平板式电动导体板连接部15上设置平板式电动导体板，在第一halbach永磁体阵列连接部21上设置第一halbach永磁体阵列210，使第一halbach永磁体阵列210与平板式电动导体板位置对应；
将实验台车2设置在环状轨道1上后，第一升降装置11在竖向将线圈连接板13进行抬升，且第二升降装置12在竖向将涡流制动导体板14进行抬升，之后进行平板式永磁电动悬浮实验，并进行实验数据的收集；待平板式永磁电动悬浮实验数据收集完成后，第二升降装置12在竖向将涡流制动导体板14下放完成实验台车2的制动；涡流制动实验，首先在第二halbach永磁体阵列连接部22上设置第二halbach永磁体阵列220；使实验台车2设置在环状轨道1上；当实验台车2达到一定速度后，第二升降装置12在竖向将涡流制动导体板14进行下放，使涡流制动导体板14与第二halbach永磁体阵列220位置对应；进行涡流制动实验，并进行实验数据的收集。
[0036]
在上述各实验中，实验台车2由静止状态启动加速时，控制系统接收到加速命令后，将控制地面电源通过牵引逆变器、电感，以三相交流电的形式通入定子线圈16，并实时监控直线感应电机的实际供电频率f、供电转差率s、车辆运行速度v、运行位置、电机工作气隙、工作电压电流等信息，计算得到电机的最优供电频率f’、对应的最优供电转差率s
f’以及实验台车2所需的加速度，基于实验台车2的运行速度，可通过调整f和s，使满足：f=f’，并使实验台车2逐渐加速，达到给定速度v*所述为线圈绕组的极距。
[0037]
在本线圈式永磁电动悬浮实验中，实验台车2在直线感应电机的驱动下，速度由0加速到v*的过程中，当监测到实验台车2的运行速度达到实验匹配速度v1时，此时实验台车2上的数据采集传感器6会对磁体经过线圈段时的悬浮力、磁阻力和导向力进行检测并采集。
[0038]
本线圈式永磁电动悬浮实验过程中，设置第二调节装置4，当完成一次线圈式永磁电动悬浮实验后，通过第二调节装置4调节一次第二halbach永磁体阵列连接部22的位置，从而改变第二halbach永磁体阵列220的垂向高度和横向位移，以此得到不同垂向偏差和不同气隙下的三维力。所述三维力为第二halbach永磁体阵列220与线圈相互作用产生的电磁力的三个分量，即垂直方向的悬浮力、运动方向的磁阻力以及横向的导向力。如图8至图12所示，为通过本发明的实验装置测得的电磁力等参数的曲线图。
[0039]
在本平板式永磁电动悬浮实验中，实验台车2在直线感应电机的驱动下，速度由0加速到v*的过程中，当监测到实验台车2的运行速度达到实验匹配速度v2时，此时实验台车2上的数据采集传感器6会对磁体经过平板式电动导体板段时的悬浮力和磁阻力进行检测并采集。
[0040]
本平板式永磁电动悬浮实验过程中，设置第一调节装置3，当完成一次平板式永磁电动悬浮实验后，通过第一调节装置3调节一次第一halbach永磁体阵列连接部21的位置，从而改变第一halbach永磁体阵列210的垂向高度和横向位移，以此得到不同气隙和磁体偏移下的悬浮力和磁阻力。如图13所示，为通过本发明的实验装置得到的不同间隙下电磁力随速度变化曲线图。
[0041]
当进行线圈式永磁电动悬浮实验和平板式永磁电动悬浮实验时，涡流制动导体板14提升抬起，使涡流制动导体板14与车载涡流制动永磁体阵列在实验台车2的横向方向上的投影面不存在重合，此时永磁体阵列产生的磁场不产生制动力，实验台车2在此状态下不
受运行方向上的阻力。
[0042]
在本涡流制动实验中，实验台车2在直线感应电机的驱动下，速度由0加速到v*的过程中，当监测到实验台车2的运行速度达到实验匹配速度v3时，此时实验台车2上的数据采集传感器6会对磁体经过轨道两侧的涡流制动力进行检测并采集。
[0043]
本涡流制动实验过程中，可通过调节第二halbach永磁体阵列220的横向位移，如图14和图15所示，为本发明得到不同工况下的涡流制动力。
[0044]
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。
[0045]
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。