一种旋转式永磁电动悬浮、驱动一体化测试装置的制作方法

本发明属于永磁电动式磁悬浮技术领域，具体涉及一种旋转式永磁电动悬浮、驱动一体化测试装置。

背景技术：

现有永磁电动悬浮技术主要应用于磁浮列车，其技术原理基于传统板式永磁电动悬浮结构演变。

现有技术中公开的一种用于永磁电动式磁悬浮列车的静态悬浮装置(cn2015106009945)，包括安装在磁浮列车上的转向架、圆柱形永磁体组合结构以及与圆柱形永磁体模块相配合的半筒状槽型导轨。装置上的四个圆柱形永磁体结构两两相对分布在转向架两侧沿，每一侧搭载一个双轴伸电机用于驱动圆柱形永磁体旋转。双轴伸电机输出轴与半筒状导槽几何中心重合，固定机构将旋转双轴伸电机固定在转向架上，其中圆柱形永磁体结构采用径向和轴向的充磁方式。电机驱动圆柱形永磁体结构旋转，磁场与半筒状槽型导轨相互作用，利用楞次定律原理，磁力线被导轨上的闭合线圈切割，从而在闭合线圈中产生感生电流，感应电流产生的感应磁场与原磁场方向相反，相互排斥产生悬浮力。此外，在永磁体结构左右偏移的情况下，排斥力的合力既表现出垂向的悬浮力，同时也表现出横向的导向力。该方案的优势在于使永磁电动式悬浮列车实现可控制的静态悬浮，打破传统低速车轮支撑高速才能悬浮的磁悬浮运行模式。但是，该方案公开的静态悬浮装置存在以下技术问题：1)采用半筒状包裹式轨道导槽结构，不利于轨道散热，需设置制冷系统，增加了系统的自重与成本。2)装置采用双轴伸电机驱动，噪音和功率较大，电机发热严重。3)未利用电动悬浮固有磁阻力，需独立安装直线电机实现驱动；4)该装置仅适用于磁悬浮列车。

现有技术还公开了一种用于磁浮列车的线圈式永磁电动悬浮装置(cn2016105630459)。该装置包括列车车体、轨道以及直线电机，轨道两侧分别安装一组线圈，轨道线圈由若干沿轨道延伸方向间隔设置的零磁通线圈构成，列车车体上横向间隔与线圈相对应的双边永磁阵列，双边永磁阵列包括位于零磁通线圈以上的上部直线型halbach阵列和位于零磁通线圈以下的下部直线型halbach阵列，零磁通线圈与上部直线型halbach阵列底面之间存在上部气隙，与下部直线型halbach阵列顶面之间存在下部气隙。该方案设计满足在没有复杂控制系统的情况下，实现列车自稳定悬浮，且悬浮刚度较大，阻力和能耗较低。但是，该方案公开的线圈式永磁电动悬浮装置存在以下技术问题：1)直线型双halbach永磁阵列包裹式结构设计复杂，车体空间利用率低，且不易维修。2)装置不能实现静态悬浮，且涡流损耗对线圈的加工精度要求较高。3)该装置采用零磁通线圈结构，需沿线敷设，设计难度大、成本较高。4)该装置仅适用于磁悬浮列车。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供一种旋转式永磁电动悬浮、驱动一体化测试装置。改变了传统电动磁悬浮技术受固有磁阻力制约的现状，充分利用环形halbach永磁阵列结构特点，通过机械旋转运动将固有磁阻力巧妙转化成行进方向的驱动力，实现永磁电动悬浮系统悬浮、驱动一体化测试及演示功能。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种旋转式永磁电动悬浮、驱动一体化测试装置，所述测试装置包括悬浮体、供所述悬浮体在垂直和水平二个维度运动的悬浮体运动支架、悬浮力及驱动力采集单元；

所述悬浮体包括对称设置的两个环形halbach永磁体阵列、分别用于驱动所述两个环形halbach永磁体阵列的两个直流电机、和所述两个直流电机连接以保证两个直流电机同步转速的联轴器、用于固定安装所述两个直流电机的悬浮体支架；

所述悬浮体运动支架包括测试装置基座、安装在所述测试装置基座上的水平滑轨、能够沿所述水平滑轨在水平方向往复运动的水平滑块、固定设置在所述水平滑块上的悬浮体基座、垂直固定设置在所述悬浮体基座上的垂直滑轨、能够沿所述垂直滑轨在竖直方向往复运动的垂直滑块；所述悬浮体支架固定安装在所述垂直滑块上；

在所述测试装置基座的上部设置感应板底座、在所述感应板底座的上部设置感应板；所述环形halbach永磁阵列在所述感应板上方且能够相对于所述感应板旋转，使感应板产生涡流，涡流场和永磁磁场之间产生排斥力，所述排斥力包括法向力和切向力，法向力表现为克服悬浮体自身重力的悬浮力，切向力表现为驱动悬浮体水平移动的驱动力；

所述悬浮力及驱动力采集单元用于采集作用于所述悬浮体的悬浮力和驱动力。

进一步地，所述悬浮力及驱动力采集单元包括悬浮力传感器和驱动力传感器；当水平滑块触碰到所述驱动力传感器，能够实现驱动力采集；当垂直滑块与悬浮力传感器接触，能够实现悬浮高度检测及悬浮力采集；

通过将水平滑块固定能够测量不同悬浮高度下的悬浮力和驱动力数据。

进一步地，所述环形halbach永磁体阵列采用径向和切向的充磁方式；所述环形halbach永磁体阵列包括铝合金轮毂和一定数量的永磁单体，所述永磁单体嵌设在所述铝合金轮毂的外沿，所述永磁单体构成四对极halbach磁体环形阵列；所述环形halbach永磁体阵列外沿包裹设置尼龙保护套。

进一步地，所述感应板采用无磁良导体制备，具体地，无磁良导体可以采用铝、铜合金材料制备；

所述感应板的厚度为：6mm～10mm；

所述感应板底座采用空心铝材结构；

所述感应板的表面和所述环形halbach永磁体阵列之间的间隔，即初始悬浮高度为10mm～20mm。

进一步地，所述环形halbach永磁阵列采用直流电机驱动，采用直流电机pwm无极变速控制技术来控制转速，使两个环形halbach永磁阵列能够持续加速或者减速以及保持恒定转速，以获取不同转速下的悬浮力和驱动力数据。

进一步地，所述测试装置采用电子调速器通过脉宽调制输出三相脉冲直流驱动直流电机，实现匀速、加速、减速和制动功能。

进一步地，所述测试装置还包括用于检测直流电机转速的霍尔传感器和微型磁体，所述霍尔传感器安装于悬浮支架的内侧，微型磁体安装在联轴器侧表面；所述霍尔传感器的正面与所述微型磁铁间隔3mm～5mm，能够实时检测直流电机的转速并通过数字设备实时显示。

本发明的有益技术效果：

本发明所述装置改变了传统电动磁悬浮技术受固有磁阻力制约的现状，充分利用环形halbach永磁阵列结构特点，通过机械旋转运动将固有磁阻力巧妙转化成行进方向的驱动力，实现永磁电动悬浮系统悬浮、驱动一体化测试。

本发明提供的旋转式永磁电动悬浮、驱动一体化测试装置采用直线导轨与滑块模组搭建二维往复运动支架，能够实现悬浮体在竖直方向和水平方向的自由移动，将动态悬浮、驱动力测试及演示功能集一体，可视化程度高。

本发明提供的旋转式永磁电动悬浮、驱动一体化测试装置能够实现不同悬浮高度及不同相对转速下的动态悬浮和悬浮力、驱动力等数据采集，可作为电动悬浮力特性研究平台，造价低廉，操作便捷。

本发明提供的旋转式永磁电动悬浮、驱动一体化测试装置是面向新型地面交通的探索与电动悬浮基础性研究，装置采用双永磁阵列对称结构，为新概念磁悬浮交通模式提供技术储备，如磁悬浮汽车、磁悬浮列车、磁悬浮物流等。

附图说明

图1为本发明实施例中一种旋转式永磁电动悬浮、驱动一体化测试装置结构示意图；

图2为本发明实施例中环形halbach永磁体阵列结构示意图；

图3为本发明实施例中旋转式永磁电动悬浮、驱动一体化测试装置控制及力采集示意图；

附图标记：1.悬浮力传感器调节螺杆；2.垂直滑轨；3.三角固定支架；4.水平滑轨；5.感应板；6.感应板底座；7.测试装置基座；8.水平滑块；9.环形halbach永磁体阵列；10.悬浮体基座；11.驱动力传感器；12.悬浮体支架；13.联轴器；14.直流电机；15.垂直滑块；16.悬浮力传感器；9-1.铝合金轮毂；9-2.永磁单体；9-3.尼龙套。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

如图1所示，本发明实施例提供一种旋转式永磁电动悬浮、驱动一体化测试装置，所述测试装置用于旋转式永磁电动悬浮技术的悬浮和驱动力测试和原理演示，使电动悬浮装置同时实现静态悬浮和水平驱动功能。能够实现不同悬浮高度及不同转速下的动态悬浮和悬浮力、驱动力等数据采集，可作为电动悬浮力特性研究平台，造价低廉，操作便捷。

所述测试装置包括悬浮体、供所述悬浮体在垂直和水平二个维度运动的悬浮体运动支架、悬浮力及驱动力采集单元；

所述悬浮体包括对称设置的两个环形halbach永磁体阵列9、分别用于驱动所述两个环形halbach永磁体阵列9的两个直流电机14、和连接两个直流电机14以保证两个直流电机同步转速的联轴器13、用于固定安装所述两个直流电机14的悬浮体支架12；其中，安装在悬浮体支架12两侧的直流电机14以及环形halbach永磁体阵列9对称设置；

所述悬浮体运动支架包括测试装置基座7、安装在所述测试装置基座7上的水平滑轨4、能够沿所述水平滑轨4在水平方向往复运动的水平滑块8、固定设置在所述水平滑块8上的悬浮体基座10、垂直固定设置在所述悬浮体基座10上的垂直滑轨2、能够沿所述垂直滑轨2在竖直方向往复运动的垂直滑块15；所述悬浮体支架12固定安装在所述垂直滑块15上；因此，所述悬浮体能够随着所述垂直滑块15沿所述垂直滑轨2在竖直方向往复运动；且所述所述悬浮体能够随着所述水平滑块8沿所述水平滑轨4在水平方向往复运动。

优选地，所述悬浮体运动支架还包括三角固定支架3，能够将垂直滑轨2稳定地固定设置在所述悬浮体基座10上。

在所述测试装置基座7的上部设置感应板底座6、在所述感应板底座6的上部设置感应板5；所述环形halbach永磁阵列9在所述感应板5上方且能够相对于所述感应板5旋转，使感应板5产生涡流，涡流场和外磁场之间产生排斥力，所述排斥力包括法向力和切向力，法向力表现为克服悬浮体自身重力的悬浮力，切向力表现为驱动悬浮体水平移动的驱动力；

其中，关于驱动悬浮体水平移动的驱动力：是通过环形halbach永磁阵列9相对于所述感应板5的机械旋转运动，将电动悬浮固有磁阻力转化为水平方向的驱动力；

本实施例中的悬浮体运动支架采用滑动组件搭建能够实现悬浮体在竖直方向和水平方向的自由移动；并且能够实现动态悬浮、驱动力测试及演示功能集一体，可视化程度高。

所述悬浮力及驱动力采集单元用于采集作用于所述悬浮体的悬浮力和驱动力。在本实施例中，所述悬浮力及驱动力采集单元包括悬浮力传感器16和驱动力传感器11；当水平滑块8触碰到所述驱动力传感器11，能够实现驱动力采集；当垂直滑块15与悬浮力传感器16接触，能够实现悬浮高度检测及悬浮力采集；

优选地，所述悬浮力传感器16设置在所述垂直滑轨2的顶部；所述驱动力传感器11设置在所述水平滑轨4的一端。所述悬浮力及驱动力采集单元还包括悬浮力传感器调节螺杆1，能够通过调节悬浮力传感器调节螺杆1使得垂直滑块15与悬浮力传感器16接触。

通过将水平滑块8固定能够测量不同悬浮高度下的悬浮力和驱动力数据。通过悬浮力传感器16和驱动力传感器11采集的悬浮力和驱动力信号，经过力采集设备存储、分析，能够得到永磁电动悬浮装置的悬浮特性关系。

在本实施例中，所述环形halbach永磁体阵列(9)采用径向和切向的充磁方式；所述环形halbach永磁体阵列(9)包括铝合金轮毂和一定数量的永磁单体，永磁单体嵌设在所述铝合金轮毂的外沿，磁单体构成四对极halbach磁体环形阵列；在永磁单体的外沿包裹设置尼龙套。

优选地，所述永磁单体的数量是16块，分别是顺时针相邻四块磁体为一组，共四组，充磁方向相同。单组四块磁体沿逆时针方向间隔90度充磁，即上、左、下、右四个方向，此时永磁体利用率最高，悬浮力和驱动力效果最佳。四对极halbach磁体环形阵列能够形成外侧变化的强磁场，内侧磁场弱化。此外，尼龙套的厚度为2mm～5mm，尼龙套用于保障环形halbach永磁体阵列高速、稳定、安全的运行，避免造成永磁单体受到磨损及脱落的风险。其中，环形halbach永磁体阵列9是基于传统永磁体拼装技术改进，常用于旋转电机，该技术采用永磁体轴向式与径向式排列结合在一起，从而形成单边磁场。此外，所述测试装置可采用多种磁化角度充磁，以实现用最少量的永磁体产生最强的磁场，以增强阵列外侧单位方向上的磁场。

在本实施例中，所述感应板5采用无磁良导体制备，一般采用铝、铜合金材料制备；所述感应板的厚度为：6mm～10mm，可满足所述感应板5涡流效应不受空间限制而削减所述悬浮力和驱动力，且保证所述感应板5利用率最高。

所述感应板底座6采用空心铝材结构，以便加快耗散所述感应板5在测试过程中产生的热量。

所述感应板的表面和所述环形halbach永磁体阵列9之间的间隔，即初始悬浮高度为10mm～20mm，以满足所述直流电机14短时间加速后使所述悬浮体达到悬浮可视化的效果。其中，测试装置的悬浮力和驱动力与初始悬浮高度呈正相关关系，若初始悬浮高度过低，测试装置响应延迟，若初始悬浮高度过高，难以实现悬浮力有效采集。

在本实施例中，所述环形halbach永磁阵列采用直流电机驱动，采用直流电机pwm无极变速控制技术来控制转速，使两个环形halbach永磁阵列能够持续加速或者减速以及保持恒定转速，以获取不同转速下的悬浮力和驱动力数据。其中，环形halbach永磁阵列依靠直流电机驱动，测试装置的悬浮性能与驱动效率取决于环形halbach永磁阵列与感应板之间的相对速度。采用直流电机pwm无极变速控制技术，能够使测试装置满足稳定悬浮、驱动及制动功能，使环形永磁轮对可持续加速或者减速以及保持恒定转速，以获取不同的悬浮和驱动性能指标。

如图3所示，本实施例中旋转式永磁电动悬浮、驱动一体化测试装置控制及力采集具体包括：采用双电机同步控制策略，并实时开启永磁体阵列转速采集；以220v交流电作为输入，通过大功率开关器件整流后得到24v稳压直流电源，为直流电机、力传感器和霍尔转速计供能。

所述测试装置搭载2.4ghz无线电遥控器实现电机转速控制，采用电子调速器通过脉宽调制输出三相脉冲直流驱动直流电机，实现匀速、加速、减速和制动功能。

为满足更精确的悬浮和驱动的转速控制要求，所述测试装置还包括用于检测直流电机转速的霍尔传感器和微型磁体，所述霍尔传感器安装于悬浮支架10的内侧，微型磁体安装在联轴器13侧表面；所述霍尔传感器的正面与所述微型磁铁间隔3mm～5mm，能够实时检测直流电机的转速并通过显示设备实时显示。此外，通过垂向和水平力传感器采集装置的悬浮力和驱动力信号，经力采集设备存储、分析，得到永磁电动悬浮装置的悬浮特性关系。

本实施例提供的旋转式永磁电动悬浮、驱动一体化测试装置采用永磁电动式磁悬浮技术：启动无刷直流电机14驱动环形永磁体阵列9高速旋转，环形halbach永磁阵列相对于感应板5(无磁良导体)转动时，闭合磁感线切割感应板，在感应板5中形成感生电流。由电磁感应原理与楞次定律可知，感生电流产生的感应磁场与原磁场之间产生电磁力阻碍这种相对运动，法线方向表现为悬浮力，而切线方向表现为磁阻力；悬浮力和磁阻力同步采集可实现悬浮、驱动一体化的演示及开展电动悬浮的悬浮特性研究。本发明中主要依靠环形halbach永磁阵列9中的永久磁铁的磁场与铝板相对运动实现悬浮或驱动，称之为永磁电动式磁悬浮技术，永磁电动式磁悬浮技术通常应用于磁悬浮轨道交通领域。本发明提供的装置是双永磁阵列对称结构，主要验证其悬浮和驱动功能，将该装置作为独立单元，两个单元可适用于磁悬浮汽车，四个及以上的单元可适用于磁悬浮列车，采用所述装置中的感应板5替换轨道，永磁阵列替换车轮即可。

本发明中所述测试装置其技术效果在于将应用于磁悬浮轨道交通领域的电动磁悬浮结构加以改进、优化，并以测试装置的形式展现，较好的将磁悬浮原理可视化、悬浮和驱动性能量化；测试装置相比于磁悬浮列车系统原理简单，成本低廉，实施难度小，更适用于原理性研究和可行性探索。综上所述，旋转式永磁电动悬浮技术更适用于如本发明中所述的测试装置，而非直接应用于轨道交通或其他工程化领域。

并且，本实施例提供的旋转式永磁电动悬浮、驱动一体化测试装置采用直流电机控制技术：环形永磁阵列依靠直流电机驱动，装置的悬浮性能与驱动效率取决于永磁体阵列与感应板之间的相对速度。装置满足稳定悬浮、驱动及制动功能，需采用直流电机pwm无极变速控制技术，使环形永磁轮对可持续加速或者减速以及保持恒定转速，以获取不同的悬浮和驱动性能指标。