一种采用v型轨道的磁浮列车用悬浮导向和牵引装置及其控制方法

专利名称：一种采用v型轨道的磁浮列车用悬浮导向和牵引装置及其控制方法
一种采用V型轨道的磁浮列车用悬浮导向和牵引装置及其控制方法技术领域
本发明主要涉及到磁浮车辆领域，特指一种磁浮列车用的悬浮导向及牵引装置。
技术背景
磁浮列车的纵向无接触悬浮、水平无接触导向及沿轨道方向的无接触牵引是其三大基本功能，通常由悬浮系统、导向系统及牵引系统来实现。如果这三大系统各自独立，将导致磁浮列车的体积重量庞大、结构复杂、造价高，因此通常要将这些功能进行一定的融合。目前，常规的结构包括HSST型低速磁浮列车和TR型高速磁浮列车。
HSST型磁浮列车采用U型电磁铁和倒U型轨道结构，通过主动控制悬浮方向的运动，而导向方向的运动具有自稳特性，因此它将悬浮和导向功能融合在一起，其悬浮导向系统具有结构简单、运行高效的特点。为了实现牵引功能，HSST在磁浮列车上安装直线型短定子感应电机，在轨道上安装铝质反应板，通过涡流效应来产生牵引力。这种牵引系统由于涡流损耗大、端部效应导致磁力损失、初级和次级间气隙大等原因，其牵引效率低，速度受到限制，实用最高速度仅为100km/h左右，因此称为低速型磁浮列车。总的来说，HSST型磁浮列车将悬浮和导向系统进行了融合，但牵弓I系统是独立的。
TR型磁浮列车采用直线型长定子同步电机进行牵引，牵引效率高、运行速度快，最高时速可达500km/h以上。更重要的是，该磁浮列车利用牵引电机的励磁电磁铁同时实现其悬浮功能，将悬浮功能和牵引功能有机结合，有效提高了磁场的利用率。但是为了实现导向功能，该系统加入了一套由导向电磁铁、导向控制器及相应的供电设备组成的导向系统，该导向系统非常复杂，体积重量庞大，显著增加了车辆重量及造价，运行能耗也会增加。 此外，导向电磁铁与轨道之间的几何约束，导致其转弯半径受到较大限制，如果弯道半径较小，导向电磁铁就会碰撞轨道。总的来说，TR型磁浮列车将悬浮和牵弓丨系统进行了融合，但导向系统是独立的。发明内容
本发明要解决的技术问题就在于针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、工作稳定可靠、可利用同一套磁路来实现悬浮、导向及牵引功能的采用V型轨道的磁浮列车用悬浮导向和牵引装置及其控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案
—种采用V型轨道的磁浮列车用悬浮导向和牵引装置，包括牵引组件和悬浮导向组件，所述悬浮导向组件包括安装于车体上的转向架和位于地面上的轨道，所述轨道包括支撑基础和轨道梁，所述轨道梁的左右两侧分别装设有一套铁芯线圈，所述铁芯线圈沿着与水平面呈一定夹角α的方向布置，所述转向架上与铁芯线圈对应的位置处设有励磁体， 所述励磁体的布置方向与铁芯线圈的布置方向平行。
作为本发明的进一步改进
所述转向架与轨道梁之间还设有支撑滑块。
本发明进一步提供一种上述悬浮导向和牵引装置的控制方法，其步骤为
(1)建立轨道坐标系{0}和转向架坐标系{A}并定义运动方式假设轨道静止，此时轨道坐标系也称为惯性坐标系，惯性坐标系{0}的原点取为转向架处于平衡时的质心位置，其y轴水平向右，其Z轴竖直向上；转向架坐标系{A}与转向架固连，其原点取为转向架的质心位置，其y轴和ζ轴的选取方法是，当转向架处于平衡位置时，转向架坐标系{A}与惯性坐标系{0}重合；一般情况下，转向架坐标系{A}相对于惯性坐标系{0}有平移运动 (y,z)和旋转运动θ，称ζ方向的运动为悬浮运动，称y方向的运动为导向运动，称θ方向的旋转运动为滚动；
(2)通过检测到实时的位置信号，得出悬浮、导向及滚动这三个独立的状态分量；
(3)利用状态变量构造控制变量U1，使得悬浮闭环运动稳定；鉴于U1 = Δ 1+Δ 2, 因此当检测到悬浮状态分量ζ偏离零位时，两侧的励磁电流采用同相控制，以使得悬浮状态分量回归到标称值；其中，Ai1 = I1-I0, Ai2 = i2-i0, I1和i2分别是左侧和右侧励磁体的电流，I0是平衡状态对应的电流；
(4)利用状态变量构造控制变量U2，使得导向及滚动系统的闭环运动稳定；鉴于U2 =Δ I1-Ai2,因此当检测到导向状态分量y偏离零位和(或)滚动角θ不为零时，两侧的励磁电流采用差动控制，以使得导向状态分量y和(或)滚动角θ回归到标称值。
与现有技术相比，本发明的优点在于
1、本发明采用一套励磁体来实现磁浮列车的悬浮、导向及牵引三大功能，结构简单，磁场的利用率高；相对于TR型磁浮列车，本发明取消了导向电磁铁、导向控制器、涡流制动电磁铁、涡流制动控制器，车载电源设备也可减少，车辆得到简化，复杂度大为降低，成本降低。
2、本发明由于车载设备减少了约一半，车辆上的设备安装层可以降低高度，车辆总高度及重心就降低了，车辆的安全性得到提高。
3、本发明由于没有导向电磁铁的约束，转向架在导向方向上可以移动较大位移， 因此车辆的转弯半径减小。
4、本发明可采用直线同步电机牵引，牵引效率高，该牵引技术的速度适用范围为0 到500km/h，因此本发明的磁浮列车，可以用于低速、中速及高速型磁浮列车。


图1是本发明的结构示意图2是本发明中轨道坐标系与转向架坐标系的关系示意图3是本发明中两侧的悬浮间隙δ ρ δ 2及电磁吸力的力臂巧、r2与转向架运动状态的几何关系示意图4是具体实施例中悬浮导向及滚动运动的运动曲线示意图。
图例说明
10、支撑基础；11、轨道梁；12、转向架；13、支撑滑块；14、左侧长定子铁芯；15、右侧长定子铁芯；16、左侧长定子线圈；17、右侧长定子线圈；18、左侧励磁体；19、右侧励磁体。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
区别于电动悬浮(EDS)原理，本发明采用电磁悬浮(EMS)原理来实现悬浮和导向功能。本发明的EMS励磁磁场，既用于悬浮，又用于导向，还用于牵引。本发明的EMS磁场， 由安装在磁浮列车上的励磁体产生，轨道上安装直线同步电机的长定子铁芯和牵引线圈。 励磁体的磁极的极性，沿轨道方向呈NS交错排列。根据牵引需求及牵引电机的优化设计需求，按照电机设计理论，可选择励磁体的极距和极宽。
本发明的一种采用V型轨道的磁浮列车用悬浮导向和牵引装置，包括牵引组件和悬浮导向组件，该牵引组件包括长定子和励磁体，即采用在轨道上铺设长定子、在车上安装励磁体的通用牵引方式。如图1所示，本发明中的悬浮导向组件包括安装于车体上的转向架12和位于地面上的轨道，轨道包括支撑基础10和轨道梁11，轨道梁11通过支撑基础10 支承并位于转向架12的下方。转向架12为磁浮列车的下部结构，转向架12与车厢之间通过二次系连接，这种连接方式是通用技术。轨道梁11的左右两侧分别装设有一套铁芯线圈，即左侧长定子铁芯14、左侧长定子线圈16、右侧长定子铁芯15和右侧长定子线圈17， 定子线圈绕设于与其对应的长定子铁芯上。该铁芯线圈沿着与水平面呈一定夹角α的方向布置，即该铁芯线圈的布置方向与水平面不平行，呈斜向布置。转向架12的两侧向下、向内延伸形成对轨道梁11的包裹状，铁芯线圈布置于轨道梁11的底面，转向架12上与铁芯线圈对应的位置处设有励磁体，同理励磁体也包括分别与左右铁芯线圈对应的左侧励磁体 18、右侧励磁体19。该励磁体的布置方向与铁芯线圈的布置方向平行，即沿着与水平面呈一定夹角α的方向布置。采用本发明的结构，轨道两侧的与励磁体作用的功能面不是水平的，而是对称倾斜成V字状，轨道倾斜角度为α，如图1、图2和图3所示。这样，就悬浮导向功能而言，励磁体与轨道的吸引力，既不是纵向的悬浮力，也不是水平的导向力。在这种结构中，电磁吸力在竖直方向上的分量(本文件称之为余弦分量)是悬浮力，在水平方向上的分量(本文件称之为正弦分量)是导向力。利用V型轨道结构后，轨道两侧励磁体产生的吸力，余弦分量相互叠加，共同承载列车及其载荷的重量，正弦分量互相抵消，只有在存在导向需求的条件下，左右两侧的正弦分量才打破平衡，给磁浮列车提供所需要的导向力。导向需求可能来自于弯道离心力、侧风或其它侧向的干扰力。采用本发明的结构，利用一套励磁体产生的磁场，同时实现了悬浮导向和牵引功能，可以适应于0到500km/h的磁浮列车。
本实施例中，在转向架12与轨道梁11之间还设有支撑滑块13。
本实施例中，为了实现悬浮导向，在车辆上要安装一些传感器，用于检测列车与轨道的相对位置，根据该相对位置的变化，调整励磁体中的电流，通过负反馈作用，使得车辆与轨道保持在所设定的相对位置。该设定位置也称为额定位置、平衡位置或标称位置。所安装的传感器可以是一种或多种，可以检测励磁体和轨道之间的间隙，也可检测励磁体相对于轨道的滚动等。关键在于，这些传感器的信号经过适当组合后，可以得出悬浮、导向及滚动这三个独立的状态分量。
本实施例中，励磁体可以采用纯电磁铁，也可以采用永磁电磁混合型励磁磁铁，也可以采用超导型励磁磁铁。其关键在于，励磁磁场的大小可以通过调整励磁电流的大小来适当调节。
本发明采用的励磁磁场调节技术是①当检测到悬浮状态分量偏离零位时，两侧的励磁电流采用同相控制，即同时增大或同时减小，以使得悬浮状态分量回归到标称值；② 当检测到导向状态分量偏离零位时，两侧的励磁电流采用差动控制，即一侧增大另一侧减小，以使得导向状态分量回归到标称值；③当检测到滚动状态分量偏离零位时，两侧的励磁电流采用差动控制，以使得滚动状态分量回归到标称值；④传感器检测到导向有偏离或发生了滚动时，尽管采用的控制手段都是差动控制，但它是可以同时消除导向偏差和滚动偏差的，简单解释如下不妨假设悬浮处于标称位置，如果导向也处于标称位置，仅有滚动发生，这时会产生差动控制，其产生的作用力是要减小滚动量，但它会使得导向出现偏差，而导向偏差的出现又使得差动控制量减小甚至反相，通过一段时间的调整，如果系统是稳定的，就可以同时使得导向偏差和滚动偏差回归到零位。
本实施例中，牵引控制采用借用常规的直线长定子同步电机的牵引控制技术，该技术目前已经是相当成熟的常用技术了。该技术的速度适用范围为0到500km/h。
如图2和图3所示，分析转向架12的运动。首先建立轨道坐标系{0}和转向架坐标系{A}。不失一般性，可假设轨道静止，此时轨道坐标系也称为惯性坐标系。惯性坐标系 {0}的原点取为转向架12处于平衡时的质心位置，其y轴水平向右，其ζ轴竖直向上。需要说明的是，本示意图只给出了转向架12的下部，实际情况还要考虑转向架12的上部，因此转向架12的质心应如图2中所示处于轨道上方。转向架坐标系{A}与转向架12固连， 其原点取为转向架12的质心位置，其y轴和ζ轴的选取方法是，当转向架12处于平衡位置时，转向架坐标系{A}与惯性坐标系{0}重合。一般情况下，转向架坐标系{A}相对于惯性坐标系10}有平移运动(y，ζ)和旋转运动θ，称ζ方向的运动为悬浮运动，称y方向的运动为导向运动，称θ方向的旋转运动为滚动。
根据牛顿定律，转向架12在惯性坐标系中的动力学模型为
mz = fx cos a + f2 cos a-m- g + fz(1)
m y = Z1 sin α - /2 sin α + fy(2 )
J-e = r2 f2 -T1 -Z1 +Me(3)
其中，m是转向架重量，J是转向架相对其质心的转动惯量，α是轨道倾角，g是重力加速度，f和A分别是左侧励磁体18的吸力及其对质心的力臂，f2和r2分别是右端励磁体19的吸力及其对质心的力臂，fz和fy分别是悬浮方向和导向方向的外界干扰力，M0是滚动方向的干扰力矩。
方程⑴和⑵是转向架12的质心平动运动的动力学方程，方程(3)是转向架12 绕质心转动运动的动力学方程。
在动力学模型中，g是常数；m、J、α是设计参数，一旦设计完成，它们也是常数 ’左右两侧的力及力臂，是与转向架12的运动状态及控制变量有关的变量，其关系为I12
/i = ^c ■么(4)
fi= Kc'-h…(5)
r, = C2 · cos θ -C1 · sin θ(6)
r2 = C2 · cos θ +C1 · sin θ(7)
其中，K。是与磁铁结构有关的常数山和i2分别是左侧和右侧励磁体的电流，是控制变量，由控制器根据传感器输入及一定的控制算法生成；S工和S 2分别表示左侧和右侧间隙，C1和C2为常数，其表达式为
δ j = (Ty1) sin α - (Z-Z1) cos α +C1 · cos θ +C2 · sin θ (8)
δ 2 = (y-y^ sin α - (Z-Z1) cos α +C1 · cos θ -C2 · sin θ (9)
C1 = y2 · sin α -ζ2 · cos α(10)
C2 = y2 · cos α +ζ2 · sin α(11)
其中，(yi，Zl)表示右侧轨道下表面中点在惯性坐标系{0}中的坐标，(y2d2)表示右侧励磁体19中点在转向架坐标系{A}中的坐标，它们都是常数。
根据上述动力学模型，可求得悬浮运动的线性化方程为
m z = K10 (Az1 + Ai2 ) + 2Κδ0 cosa ■ ζ + fz(12)
其中，Sci和、分别是平衡状态对应的间隙与电流，称为额定间隙和额定电流，其它有关参数为
Ki0 = cos α · Ki, K50 = cos α · K5
Kr =2^ci O_ 2ΚαξΛ<5 _^o3
Δ I1 = I1-In, Ai= i9-i2 -lO选择状态向量和控制输入为ZX1U1 = Δ I1+ Δ i9则悬浮运动方程为 =AxI +BlUl +L其中“ 0 0"“0 “A1 =,B1 =12 - cosa ■ Kso jm 01_KJm_
X1 = A1X1 + B,u, + f,(13)
根据控制理论可知，由于A1具有右半平面的特征值，因此悬浮开环运动是不稳定的；但由于能控阵是满秩的，因此该系统是能控的，于是可利用状态变量构造控制变量U1, 使得悬浮闭环运动稳定。在实施例中将给出设计实例。
类似地，导向运动的线性化方程为
my = Kn{Ml - Ai2)-KSl{-2y ■ sma+ 2 ■ C2 ■ θ)+fy(H)
滚动运动的线性化方程为
J0 = (KCM+2KsC22)e-2KSlC2y-KiC2· {Μ} ~Αι2) + ΜθQ5),+ 2
其中，Kil= sina · Ki, K51 = sin α 仄δ，Kcm = 2KC C1。δο
由于导向运动方程中含有滚动的角度状态θ，滚动运动方程中又含有导向运动的状态y，因此，应将这两个方程统一起来考虑。选取状态变量、控制变量和干扰量分别为
权利要求
1.一种采用V型轨道的磁浮列车用悬浮导向和牵引装置，包括牵引组件和悬浮导向组件，所述悬浮导向组件包括安装于车体上的转向架(1 和位于地面上的轨道，所述轨道包括支撑基础(10)和轨道梁(11)，所述轨道梁(11)的左右两侧分别装设有一套铁芯线圈，其特征在于所述铁芯线圈沿着与水平面呈一定夹角α的方向布置，所述转向架(12)上与铁芯线圈对应的位置处设有励磁体，所述励磁体的布置方向与铁芯线圈的布置方向平行。
2.根据权利要求1所述的采用V型轨道的磁浮列车用悬浮导向和牵引装置，其特征在于所述转向架(1 与轨道梁(11)之间还设有支撑滑块(13)。
3.一种用于权利要求1或2中悬浮导向和牵引装置的控制方法，其特征在于步骤为(1)建立轨道坐标系{0}和转向架坐标系{A}并定义运动方式假设轨道静止，此时轨道坐标系也称为惯性坐标系，惯性坐标系{0}的原点取为转向架(12)处于平衡时的质心位置，其y轴水平向右，其ζ轴竖直向上；转向架坐标系{A}与转向架(1 固连，其原点取为转向架(1 的质心位置，其y轴和ζ轴的选取方法是，当转向架(1 处于平衡位置时，转向架坐标系{A}与惯性坐标系{0}重合；一般情况下，转向架坐标系{A}相对于惯性坐标系 {0}有平移运动(y，z)和旋转运动θ，称ζ方向的运动为悬浮运动，称y方向的运动为导向运动，称θ方向的旋转运动为滚动；(2)通过检测到实时的位置信号，得出悬浮、导向及滚动这三个独立的状态分量；(3)利用状态变量构造控制变量U1，使得悬浮闭环运动稳定；鉴于U1= Δ 1+Δ 2,因此当检测到悬浮状态分量ζ偏离零位时，两侧的励磁电流采用同相控制，以使得悬浮状态分量回归到标称值；其中，Ai1 = I1-I0, Ai2 = i2-i0, I1和i2分别是左侧和右侧励磁体的电流，i0是平衡状态对应的电流；(4)利用状态变量构造控制变量U2，使得导向及滚动系统的闭环运动稳定；鉴于U2= Δ i「Ai2，因此当检测到导向状态分量y偏离零位和(或)滚动角θ不为零时，两侧的励磁电流采用差动控制，以使得导向状态分量y和(或)滚动角θ回归到标称值。
全文摘要
一种采用V型轨道的磁浮列车用悬浮导向和牵引装置及其控制方法，该装置包括牵引组件和悬浮导向组件，悬浮导向组件包括转向架和轨道，轨道中轨道梁的左右两侧分别装设有一套铁芯线圈，铁芯线圈沿着与水平面呈一定夹角α的方向布置，转向架上与铁芯线圈对应的位置处设有励磁体，励磁体的布置方向与铁芯线圈平行。该方法的步骤为(1)建立坐标系并定义运动方式；(2)得出悬浮、导向及滚动这三个独立的状态分量；(3)利用状态变量构造控制变量u1，使得悬浮闭环运动稳定；(4)利用状态变量构造控制变量u2，使得导向及滚动系统的闭环运动稳定；本发明具有结构简单紧凑、成本低廉、工作稳定可靠、可利用同一套磁路来实现悬浮、导向及牵引功能等优点。
文档编号B60L13/00GK102490623SQ201110377719
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月23日 优先权日2011年11月23日
发明者刘恒坤, 张晓 , 弥柱, 李云钢, 程虎, 董钟, 龙娟 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学