專利名稱：一種磁浮列車直線電機的設(shè)計系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及直線電機技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種磁浮列車直線電機的設(shè)計系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
中低速磁浮列車主要是利用裝在列車上的電磁鐵與導(dǎo)軌上的電磁鐵產(chǎn)生電磁吸力，或裝在列車上的電磁鐵與導(dǎo)軌上的導(dǎo)體作相對運動，利用電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生電動斥力，使車輛和導(dǎo)軌間保持10 15毫米的間隙，這樣車輛便懸浮于導(dǎo)軌面上，再由直線電機系統(tǒng)驅(qū)動磁浮車輛運行。由于列車在鐵軌上方懸浮運行，鐵軌與列車不接觸，使得列車不但具有運行速度快，還具有噪音小、振動輕微等優(yōu)點。參見圖1所示的直線電機結(jié)構(gòu)示意圖，直線電機可將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)的傳動裝置，可以將它看成是一臺旋轉(zhuǎn)電機按徑向剖開，并展成平面而成，直線電機中對應(yīng)定子的部分叫初級、對應(yīng)轉(zhuǎn)子的部分叫次級，在初級繞組中通多相交流電，便產(chǎn)生一個平移交變磁場成為行波磁場，在行波磁場與次級永磁體的作用下產(chǎn)程驅(qū)動動力，從而實現(xiàn)磁浮車輛運動部件的直線運動。磁浮列車采用直線電機牽引運行，其中，列車部分安裝直線電機的定子，直線電機的次級感應(yīng)板為鋁板，鋪設(shè)在F形鋼軌上。目前，國內(nèi)外有很多單位研究和應(yīng)用直線電機系統(tǒng)，針對直線電機法向力、牽引力等數(shù)據(jù)，大多是基于理論計算或是設(shè)計靜態(tài)測試實驗來獲取。由于在中低速磁浮列車系統(tǒng)中，與列車牽引系統(tǒng)相關(guān)的牽引力和對列車懸浮系統(tǒng)產(chǎn)生影響的法向力，對所述牽引系統(tǒng)和懸浮系統(tǒng)的控制設(shè)計具有指導(dǎo)性的意義，但是，當磁浮列車處于動態(tài)運行情況下，還沒有合適的準確的測量方法對法向力、牽引力進行測量以獲取法向力、牽引力的實際測量值，無法驗證法向力和牽引力的理論計算值與靜態(tài)測試值的準確性，從而無法優(yōu)化直線電機以進一步提升列車的穩(wěn)定運行。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種磁浮列車直線電機的設(shè)計系統(tǒng)及方法，通過獲取與實際的法向力和牽引力相匹配的直線電機參數(shù)，利用該直線電機實現(xiàn)提升磁浮列車穩(wěn)定運行的目的。本發(fā)明公開了一種磁浮列車的直線電機設(shè)計系統(tǒng)，包括:采集模塊，用于在線采集磁浮列車與直線電機的運行參數(shù)；第一獲取模塊，用于根據(jù)所述運行參數(shù)獲取所述直線電機的法向力實際值和法向力理論值與牽引力實際值和牽引力理論值；第二獲取模塊，用于在法向力實際值與法向力理論值的差值小于第一閾值、且牽引力實際值與牽引力理論值的差值小于第二閾值時，獲取與法向力實際值與牽弓I力實際值相匹配的直線電機參數(shù)。
優(yōu)選的，在上述系統(tǒng)中，所述采集模塊包括:垂向力采集單元，用于利用均勻安裝于直線電機定子上的若干個第一拉壓力傳感器檢測所述安裝位置處的各個垂向力；牽引力采集單元，用于利用第二拉壓力傳感器檢測直線電機的牽引力；加速度采集單元，用于利用垂向加速度傳感器檢測直線電機在垂向上的振動加速度；電壓采集單元，用于利用第一電壓傳感器檢測直線電機的第一線電壓，并利用第二電壓傳感器檢測直線電機的第二線電壓；電流采集單元，用于利用第一電流傳感器檢測直線電機的第一相電流，并利用第二電流傳感器檢測直線電機的第二相電流；速度采集單元，用于利用雷達測速傳感器檢測磁浮列車的運行速度。優(yōu)選的，在上述系統(tǒng)中，所述第一獲取模塊包括:實際值獲取單元，用于根據(jù)公式Fy = Fyn-m*g_m*a計算所述法向力實際值匕，并將所述牽引力采集單元檢測得到的牽引力作為所述牽引力實際值；其中，F(xiàn)yn為所述垂向力采集單元檢測得到的各個垂向力之和，m為平均到每個直線電機上的列車質(zhì)量，a為所述加速度采集單元檢測得到的磁浮列車的振動加速度；理論值獲取單元，用于根據(jù)所述電壓采集單元檢測得到的第一線電壓、第二線電壓、所述電流采集單元檢測得到的第一相電流、第二相電流、所述速度采集單元檢測得到的磁浮列車的運行速度和直線電機參數(shù)計算所述法向力理論值和所述牽引力理論值。優(yōu)選的，在上述系統(tǒng)中，所述采集模塊還包括:側(cè)向力采集單元，用于利用安裝在直線電機兩端的兩個第三拉壓力傳感器分別測量所述直線電機初級與次級之間的側(cè)向力；所述系統(tǒng)還包括:第一選取模塊，用于根據(jù)所述側(cè)向力選取與所述側(cè)向力相匹配的重向安裝座，所述重向安裝座用于將所述直線電機固定于磁浮列車的轉(zhuǎn)向架上。優(yōu)選的，在上述系統(tǒng)中，所述采集模塊還包括:氣隙采集單元，用于利用兩個氣隙傳感器分別檢測懸浮列車兩端的懸浮電磁鐵與軌道梁之間的懸浮氣隙；所述系統(tǒng)還包括:比較模塊，用于比較測量得到的兩個懸浮氣隙，并獲取比較結(jié)果；第二選取模塊，用于在所述比較結(jié)果為兩個懸浮氣隙的差值大于第三閾值時，利用懸浮控制器控制懸浮系統(tǒng)工作，以使所述差值小于第三閾值。本發(fā)明還提供了一種磁浮列車直線電機設(shè)計方法，包括:在線采集磁浮列車與直線電機的運行參數(shù)；根據(jù)所述運行參數(shù)獲取所述直線電機的法向力實際值和法向力理論值與牽引力實際值和牽引力理論值；當法向力實際值與法向力理論值的差值小于第一閾值、且牽弓I力實際值與牽弓I力理論值的差值小于第二閾值時，獲取與法向力實際值與牽引力實際值相匹配的直線電機參數(shù)。優(yōu)選的，在上述方法中，所述在線采集磁浮列車與直線電機的運行參數(shù)包括:利用均勻安裝于直線電機定子上的若干個第一拉壓力傳感器檢測所述安裝位置處的各個垂向力；
利用第二拉壓力傳感器檢測直線電機的牽引力；利用垂向加速度傳感器檢測直線電機在垂向上的振動加速度；利用第一電壓傳感器檢測直線電機的第一線電壓，并利用第二電壓傳感器檢測直線電機的第二線電壓；利用第一電流傳感器檢測直線電機的第一相電流，并利用第二電流傳感器檢測直線電機的第二相電流；利用雷達測速傳感器檢測磁浮列車的運行速度。優(yōu)選的，在上述方法中，所述根據(jù)所述運行參數(shù)獲取所述直線電機的法向力實際值和法向力理論值與牽弓I力實際值和牽弓I力理論值包括:根據(jù)公式Fy = Fyn-m*g_m*a計算所述法向力實際值Fy，并將所述檢測得到的牽引力作為所述牽引力實際值；其中，F(xiàn)yn為所述檢測得到的各個垂向力之和，m為平均到每個直線電機上的列車質(zhì)量，a為所述檢測得到的磁浮列車的振動加速度；根據(jù)第一線電壓、第二線電壓、第一相電流、第二相電流、磁浮列車的運行速度和直線電機參數(shù)計算所述法向力理論值和所述牽引力理論值。優(yōu)選的，在上述方法中，所述方法還包括:利用安裝在直線電機兩端的兩個第三拉壓力傳感器分別測量所述直線電機初級與次級之間的側(cè)向力；根據(jù)所述側(cè)向力選取與所述側(cè)向力相匹配的重向安裝座，所述重向安裝座用于將所述直線電機固定于磁浮列車的轉(zhuǎn)向架上。優(yōu)選的，上述方法還包括:利用兩個氣隙傳感器分別檢測懸浮列車兩端的懸浮電磁鐵與軌道梁之間的懸浮氣隙；比較測量得到的兩個懸浮氣隙，并獲取比較結(jié)果；在所述比較結(jié)果為兩個懸浮氣隙的差值大于第三閾值時，利用懸浮控制器控制懸浮系統(tǒng)工作，以使所述差值小于第三閾值。本發(fā)明磁浮列車直線電機的設(shè)計系統(tǒng)及方法，通過在線測量有關(guān)直線電機動態(tài)特性的數(shù)據(jù)，即測量法向力和牽引力，校核與牽引系統(tǒng)相關(guān)的牽引力測量值與牽引力理論值是否相符，并校核對懸浮系統(tǒng)產(chǎn)生影響的法向力測量值與法向力理論值是否相符，如果相符，則選取與實際的牽引力和法向力相匹配的直線電機參數(shù)，以利用該直線電機進一步提高中低速磁懸浮列車的牽引系統(tǒng)及懸浮系統(tǒng)穩(wěn)定運行的設(shè)計控制水平。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為直線電機結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明磁浮列車直線電機設(shè)計系統(tǒng)的實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明磁浮列車直線電機設(shè)計系統(tǒng)的實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖4為本發(fā)明直線電機電壓電流測量圖；圖5為本發(fā)明懸浮氣隙位置示意圖；圖6為本發(fā)明磁浮列車直線電機設(shè)計方法的流程示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。參見圖2所示，圖2為本發(fā)明提供的一種磁浮列車直線電機設(shè)計系統(tǒng)的實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖，該系統(tǒng)包括:采集模塊1，用于在線采集磁浮列車與直線電機的運行參數(shù)。第一獲取模塊2，用于根據(jù)所述運行參數(shù)獲取所述直線電機的法向力實際值和法向力理論值與牽引力實際值和牽引力理論值。第二獲取模塊3,用于在法向力實際值與法向力理論值的差值小于第一閾值、且牽引力實際值與牽引力理論值的差值小于第二閾值時，獲取與法向力實際值與牽引力實際值相匹配的直線電機參數(shù)。在第二獲取模塊3中，首先獲取磁浮列車不同運行速度對應(yīng)的法向力和牽引力，將法向力的實際測量值與理論計算值進行比較，并將牽引力的實際測量值與理論計算值進行比較(例如:計算各個速度值對應(yīng)的法向力實際值與法向力理論值的差值作為法向力比較結(jié)果、且計算牽引力實際值與牽引力理論值的差值作為牽引力比較結(jié)果，或是利用其它方法進行比較均可)，通過所述比較結(jié)果分析法向力、牽引力速度特性曲線是否與計算出的速度曲線趨勢一致，若趨勢基本一致(例如:實際值與理論值間的測量差值在±200N以內(nèi))，則認為相符，證明在應(yīng)用于軌道車輛的直線電機設(shè)計中，可根據(jù)實際測量值設(shè)計直線電機，即利用實際測量值來獲取直線電機參數(shù)，利用獲取的直線電機參數(shù)來設(shè)計磁浮列車所需的直線電機，可提升磁浮列車的性能。參見圖3所示，圖3為本發(fā)明提供的一種磁浮列車直線電機設(shè)計系統(tǒng)的實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，上述實施例1中的采集模塊I包括:垂向力采集單元11，用于利用均勻安裝于直線電機定子上的若干個第一拉壓力傳感器檢測所述安裝位置處的各個垂向力。例如:均勻選取定子上的8個位置，分設(shè)兩排，每4個位置位為I排，利用η = 8個第一拉壓力傳感器分別測量上述8個位置處的垂向力Fyl，F(xiàn)y2......Fyn,當然位置選取方式不限于此，還包括其它衍生類方式。牽引力采集單元12，用于利用第二拉壓力傳感器檢測直線電機的牽引力Fx。所述第一拉壓力傳感器或第二拉壓力傳感器，可檢測傳感器安裝位置處因直線電機振動所產(chǎn)生的拉力或壓力的變化量，并根據(jù)檢測出的拉力和壓力信號來獲取表征所述垂向力或牽引力大小的電流信號。加速度采集單元13，用于利用垂向加速度傳感器檢測直線電機在垂向上的振動加速度a。
垂向加速度傳感器是一種可變的電容加速度計，固定在列車上，當列車運行過程中產(chǎn)生振動時，于是就有了一個慣性力作用在加速度計上，最終輸出列車振動的幅度和頻率，從而可利用輸出的幅度和頻率便可獲取直線電機在垂向上的振動加速度a。電壓采集單元14，用于利用第一電壓傳感器檢測直線電機的第一線電壓，并利用第二電壓傳感器檢測直線電機的第二線電壓。電流采集單元15，用于利用第一電流傳感器檢測直線電機的第一相電流，并利用第二電流傳感器檢測直線電機的第二相電流。參見圖4所示的直線電機電壓電流測量圖，選取直線電機的任意兩項相電流，例如:選取圖示中的第一相電流Il和第二相電流12，并選取與第一相電流Il和第二相電流12對應(yīng)的第一線電壓Ul和第二線電壓U2。速度采集單元16，用于利用雷達測速傳感器檢測磁浮列車的運行速度V。雷達測速傳感器的工作原理:在磁浮列車運行過程中，向地面發(fā)射雷達波，當雷達波從地面反射回來后，會產(chǎn)生一個與列車速度成比例的頻率偏移信號，通過對所述偏移信號進行處理后便可得到列車的運行速度V。其中，上述實施例1中的第一獲取模塊2包括:實際值獲取單元21，用于根據(jù)公式Fy = Fyn-m*g_m*a計算所述法向力實際值Fy，并將所述牽引力采集單元12檢測得到的牽引力作為所述牽引力實際值；其中，F(xiàn)yn為所述垂向
力采集單元11檢測得到的各個垂向力之和，即Fyn = Fyl+Fy2......Fyn，m為平均到每個直
線電機上的列車質(zhì)量(包括直線電機本身的質(zhì)量)，a為所述加速度采集單元13檢測得到的磁浮列車的振動加速度。 理論值獲取單元22，用于根據(jù)所述電壓采集單元14檢測得到的第一線電壓、第二線電壓、所述電流采集單元15檢測得到的第一相電流、第二相電流、所述速度采集單元16檢測得到的磁浮列車的運行速度和直線電機參數(shù)計算所述法向力理論值和所述牽引力理論值。按照下述方法計算法向力理論值和所述牽引力理論值:獲取直線電機參數(shù)，包括:極數(shù)、極距、鐵心疊厚、總槽數(shù)、線圈節(jié)距、每相串聯(lián)匝數(shù)、氣隙長度、鋁板厚度、次級每邊伸出寬度等參數(shù)。利用第一線電壓、第二線電壓、第一相電流、第二相電流、磁浮列車的運行速度和所述直線電機參數(shù)進行計算后，可得:法向力理論值:
權(quán)利要求
1.一種磁浮列車的直線電機設(shè)計系統(tǒng)，其特征在于，包括: 采集模塊，用于在線采集磁浮列車與直線電機的運行參數(shù)； 第一獲取模塊，用于根據(jù)所述運行參數(shù)獲取所述直線電機的法向力實際值和法向力理論值與牽引力實際值和牽引力理論值； 第二獲取模塊，用于在法向力實際值與法向力理論值的差值小于第一閾值、且牽弓I力實際值與牽引力理論值的差值小于第二閾值時，獲取與法向力實際值與牽弓I力實際值相匹配的直線電機參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述采集模塊包括: 垂向力采集單元， 用于利用均勻安裝于直線電機定子上的若干個第一拉壓力傳感器檢測所述安裝位置處的各個垂向力； 牽引力采集單元，用于利用第二拉壓力傳感器檢測直線電機的牽引力； 加速度采集單元，用于利用垂向加速度傳感器檢測直線電機在垂向上的振動加速度；電壓采集單元，用于利用第一電壓傳感器檢測直線電機的第一線電壓，并利用第二電壓傳感器檢測直線電機的第二線電壓； 電流采集單元，用于利用第一電流傳感器檢測直線電機的第一相電流，并利用第二電流傳感器檢測直線電機的第二相電流； 速度采集單元，用于利用雷達測速傳感器檢測磁浮列車的運行速度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一獲取模塊包括: 實際值獲取單元，用于根據(jù)公式Fy = Fyn-m*g-m*a計算所述法向力實際值Fy，并將所述牽引力采集單元檢測得到的牽引力作為所述牽引力實際值；其中，F(xiàn)yn為所述垂向力采集單元檢測得到的各個垂向力之和，m為平均到每個直線電機上的列車質(zhì)量，a為所述加速度采集單元檢測得到的磁浮列車的振動加速度； 理論值獲取單元，用于根據(jù)所述電壓采集單元檢測得到的第一線電壓、第二線電壓、所述電流采集單元檢測得到的第一相電流、第二相電流、所述速度采集單元檢測得到的磁浮列車的運行速度和直線電機參數(shù)計算所述法向力理論值和所述牽引力理論值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述采集模塊還包括:側(cè)向力采集單元，用于利用安裝在直線電機兩端的兩個第三拉壓力傳感器分別測量所述直線電機初級與次級之間的側(cè)向力； 所述系統(tǒng)還包括: 第一選取模塊，用于根據(jù)所述側(cè)向力選取與所述側(cè)向力相匹配的重向安裝座，所述重向安裝座用于將所述直線電機固定于磁浮列車的轉(zhuǎn)向架上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述采集模塊還包括:氣隙采集單元，用于利用兩個氣隙傳感器分別檢測懸浮列車兩端的懸浮電磁鐵與軌道梁之間的懸浮氣隙； 所述系統(tǒng)還包括: 比較模塊，用于比較測量得到的兩個懸浮氣隙，并獲取比較結(jié)果； 第二選取模塊，用于在所述比較結(jié)果為兩個懸浮氣隙的差值大于第三閾值時，利用懸浮控制器控制懸浮系統(tǒng)工作，以使所述差值小于第三閾值。
6.—種磁浮列車直線電機設(shè)計方法，其特征在于，包括: 在線采集磁浮列車與直線電機的運行參數(shù)；根據(jù)所述運行參數(shù)獲取所述直線電機的法向力實際值和法向力理論值與牽引力實際值和牽引力理論值； 當法向力實際值與法向力理論值的差值小于第一閾值、且牽弓丨力實際值與牽引力理論值的差值小于第二閾值時，獲取與法向力實際值與牽引力實際值相匹配的直線電機參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述在線采集磁浮列車與直線電機的運行參數(shù)包括: 利用均勻安裝于直線電機定子上的若干個第一拉壓力傳感器檢測所述安裝位置處的各個垂向力； 利用第二拉壓力傳感器檢測直線電機的牽引力； 利用垂向加速度傳感器檢測直線電機在垂向上的振動加速度； 利用第一電壓傳感器檢測直線電機的第一線電壓，并利用第二電壓傳感器檢測直線電機的第二線電壓； 利用第一電流傳感器檢測直線電機的第一相電流，并利用第二電流傳感器檢測直線電機的第二相電流； 利用雷達測速傳感器檢測磁浮列車的運行速度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述運行參數(shù)獲取所述直線電機的法向力實際值和法向力理論值與牽弓I力實際值和牽弓I力理論值包括: 根據(jù)公式Fy = Fyn-m*g-m*a計算所述法向力實際值Fy，并將所述檢測得到的牽引力作為所述牽引力實際值；其中，F(xiàn)yn為所述檢測得到的各個垂向力之和，m為平均到每個直線電機上的列車質(zhì)量，a為所述檢測得到的磁浮列車的振動加速度； 根據(jù)第一線電壓、第二線電壓、第一相電流、第二相電流、磁浮列車的運行速度和直線電機參數(shù)計算所述法向力理論值和所述牽引力理論值。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法還包括: 利用安裝在直線電機兩端的兩個第三拉壓力傳感器分別測量所述直線電機初級與次級之間的側(cè)向力； 根據(jù)所述側(cè)向力選取與所述側(cè)向力相匹配的重向安裝座，所述重向安裝座用于將所述直線電機固定于磁浮列車的轉(zhuǎn)向架上。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法還包括: 利用兩個氣隙傳感器分別檢測懸浮列車兩端的懸浮電磁鐵與軌道梁之間的懸浮氣隙； 比較測量得到的兩個懸浮氣隙，并獲取比較結(jié)果； 在所述比較結(jié)果為兩個懸浮氣隙的差值大于第三閾值時，利用懸浮控制器控制懸浮系統(tǒng)工作，以使所述差值小于第三閾值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁浮列車的直線電機設(shè)計系統(tǒng)，包括采集模塊，用于在線采集磁浮列車與直線電機的運行參數(shù)；第一獲取模塊，用于根據(jù)所述運行參數(shù)獲取所述直線電機的法向力實際值和法向力理論值與牽引力實際值和牽引力理論值；第二獲取模塊，用于在法向力實際值與法向力理論值的差值小于第一閾值、且牽引力實際值與牽引力理論值的差值小于第二閾值時，獲取與法向力實際值與牽引力實際值相匹配的直線電機參數(shù)。本發(fā)明還公開了一種磁浮列車的直線電機設(shè)計方法。
文檔編號B60L13/04GK103112362SQ201310063818
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月28日
發(fā)明者曹芬, 佟來生, 彭奇彪, 李曉春, 羅華軍, 何永川, 伍礪矸, 李林 申請人:南車株洲電力機車有限公司