高速磁浮悬浮磁铁及悬浮列车的制作方法

本实用新型涉及悬浮磁铁领域，特别是涉及一种高速磁浮悬浮磁铁及悬浮列车。

背景技术：

在高速悬浮列车中，悬浮磁铁是安装在车辆下部的重要功能部件，它的功能主要有三个方面：悬浮，悬浮磁铁吸引轨道，提供车辆悬浮所需的作用力；牵引，悬浮磁铁是牵引电机的次级，其磁极呈n、s交错排列，与沿轨道铺设的长定子电缆相互作用，提供车辆牵引所需的作用力；悬浮磁铁的磁极铁芯中嵌入了发电线圈，在车辆高速运行时提供车辆所需的电能，实现无接触供电。

高速悬浮列车所用的悬浮磁铁存在以下几个方面的不足：磁极采用铝箔绕制，每绕制1层铝箔，就需绕制1层绝缘材料，磁极线圈的填充系数较低，其电流密度偏大，导致磁极发热严重；当磁极线圈的温度过高时，容易破坏磁极的环氧灌封层和绝缘性能，但是现有磁极并不具备监控线圈温度的技术手段，也就无法在温度过高的情况下提前进行保护。

此外，磁悬浮系统通常采用电流环提升电流的响应速度，并采用间隙环进行稳定控制。但是，采用电流环会导致系统不稳定的极点远离虚轴，增加了系统不稳定的程度。如果用磁通环来代替电流环，可以提升磁通的响应速度，区别在于，采用磁通环会使得系统不稳定的极点靠近虚轴，此时系统将是接近临界温度的，再采用间隙环实现系统的稳定控制是比较容易的。采用磁通环代替电流环具有如下的优点：一是磁通环有利于降低系统不稳定的程度，使得稳定控制相对容易；二是在磁铁结构参数确定的前提下，悬浮力的大小直接由磁通的分布情况决定，控制磁通就等效于控制了悬浮力，控制更加直接，效果也更加突出；三是磁通传感器的体积和成本远低于电流传感器，采用磁通环可以降低系统的造价。

为了实现磁通环反馈控制，需要用到磁通传感器。在实验装置中，通常采用在磁极上表面直接安装磁通传感器的方式。但是，现有磁极并没有预留磁通传感器的安装位置，如果简单地将磁通传感器安装在磁极上表面，会占用悬浮磁铁的运动空间，导致悬浮间隙的可调节范围变小，在悬浮磁铁碰撞轨道时还容易损坏磁通传感器。

技术实现要素：

本实用新型提供一种高速磁浮悬浮磁铁及悬浮列车，可解决现有技术中悬浮磁铁所面临的上述问题。

本实用新型的技术解决方案为一种高速磁浮悬浮磁铁，包括多个磁极，所述磁极包括铁芯、绕制在所述铁芯周围的线圈、磁通传感器、温度传感器和灌封层；

所述铁芯包括：

钢片组件，包括层叠设置的钢片，所述钢片的上边缘设置有缺口，所述缺口构造成容纳所述磁通传感器的第一沟槽；

固定板，贴合所述钢片组件的最外侧的两钢片设置；

螺栓，贯穿所述钢片和固定板设置，用于紧固所述钢片和固定板；

所述线圈包括长边段、短边段及连接所述长边段和短边段的弧形段，所述温度传感器贴合所述长边段、短边段和弧形段设置，并位于所述线圈的上表面和/或下表面；所述温度传感器和磁通传感器位于所述灌封层内部。

优选地，所述温度传感器并联设置，所述磁极还包括与所述温度传感器电联的数据处理单元。

优选地，所述高速磁浮悬浮磁铁还包括悬浮控制器，所述磁极还包括与所述数据处理单元环形组网电连的数据采集单元，所述数据采集单元与所述悬浮控制器电连。

优选地，所述磁极包括三个磁通传感器，所述钢片的上边缘设置有三个缺口，对应构造成三条第一沟槽。

优选地，所述长边段、短边段和弧形段分别设置两个温度传感器。

优选地，所述铁芯的上表面还设置有用于安装发电线圈的第二沟槽，所述第一沟槽与第二沟槽平行且间隔设置。

优选地，所述高速磁浮悬浮磁铁与悬浮轨道适配，所述悬浮轨道上设置有凹槽，相邻凹槽之间形成凸齿，相邻两所述第一沟槽的间距与凹槽和凸齿等宽设置。

本实用新型还提出一种悬浮列车，包括上述的高速磁浮悬浮磁铁。

本实用新型通过将温度传感器直接贴合线圈的上表面或下表面设置，在将二者进行灌封形成灌封层，使温度传感器受到了灌封层的保护，同时也可检测到线圈内部的实际温度。此外在铁芯上设置第一沟槽以及在第一沟槽中设置磁通传感器，在灌封后磁通传感器同样位于磁通传感器中，可用于对高速磁浮悬浮磁铁进行磁通环控制，此外第一沟槽和灌封层可对磁通传感器起到一定的保护作用。

附图说明

图1为高速磁浮悬浮磁铁一实施例中磁极的结构示意图；

图2为图1实施例中磁极另一视角结构的结构示意图；

图3为图1实施例中铁芯的结构示意图；

图4为图1实施例中磁极与悬浮轨道的结构示意图；

图5为图1实施例中数据处理单元及数据处理单元的功能模块示意图；

图6为图1实施例中数据采集单元及悬浮控制器的功能模块示意图。

具体实施方式

本实用新型提出一种高速磁浮悬浮磁铁，参照图1至图6。

在本实施例中，高速磁浮悬浮磁铁包括多个磁极，所述磁极包括铁芯11、绕制在所述铁芯11周围的线圈20、磁通传感器30、温度传感器40和灌封层（图中未示出）；所述铁芯11包括钢片组件11、固定板12和螺栓13。其中，钢片组件11包括层叠设置的钢片，所述钢片的上边缘设置有缺口，所述缺口构造成容纳所述磁通传感器30的第一沟槽11a；所述磁极包括三个磁通传感器30，所述钢片的上边缘设置有三个缺口，对应构造成三条第一沟槽11a。固定板12贴合所述钢片组件11的最外侧的两钢片设置；螺栓13贯穿所述钢片和固定板12设置，用于紧固所述钢片和固定板12；所述线圈20包括长边段、短边段及连接所述长边段和短边段的弧形段，所述温度传感器40贴合所述长边段、短边段和弧形段设置，并位于所述线圈20的上表面和/或下表面；所述灌封层设置在所述线圈20及温度传感器40的外部。

在本实施例中，磁极线圈20绕制过程中，提前将多个温度传感器40预先固定在线圈20上，随后温度传感器40与磁极线圈20一起灌封成型，在不破坏线圈20及磁极整体结构的前提下，具备实时监测线圈20温度的功能，以防止线圈20因温度过高而损坏，同时有利于悬浮控制器33自动适应线圈20温度的变化，提升悬浮系统的性能。选取最能反映其最高温度的位置预埋温度传感器40，该位置分别位于磁极线圈20的长边、短边及弧线区域；在每个位置分别放置两个温度传感器40，以便具备冗余功能，提高温度检测结果的可靠性。即每个磁极线圈20需要放置六个温度传感器40，同时测量三个典型位置的温度。温度传感器40放置在磁极的上表面，也可以将其放置在磁极的下表面。温度传感器40的具体放置位置应能反映线圈20表面的最高温度，所选用的温度传感器40，其量程必须能够涵盖磁极线圈20的温度变化范围。

对于每个磁极上预埋的六个温度传感器40，它们的数据首先传输至位于磁极接口位置的数据处理单元41。磁极线圈20上的数据处理单元41负责采集六个温度传感器40的数据，采用并联组网的方式。数据处理单元41与所有的温度传感器40分别单独连接，用于获取温度传感器40的测量数据。为了满足磁极的绝缘性能要求，温度传感器40、数据处理单元41以及其连接线均需进行绝缘处理，且能够在磁极线圈20的最高温度的环境下正常工作。

数据处理单元41对该磁极的所有温度传感器40的测量结果进行对比和融合，形成并上传能够反映磁极线圈20最高温度和当前状态的有效数据，以减轻数据链路的传输压力，简化对温度传感器40和数据处理单元41布线的复杂程度。最高温度的获取可通过对六个温度传感器40的测量结果取最大值来计算。

在本实施例中，温度传感器的型号为mf53-103f-3950，主要特定：ntc热敏电阻温度传感器，绝缘性好；具有双层密封工艺，具有良好的绝缘密封性和抗机械碰撞；使用温度范围-40～200℃；头部可耐温250℃，线材耐温200℃。数据处理单元的核心ic为msp430f16x系列的单片机，主要特定：超低功耗，在1mhz的始终条件下，芯片的电流最低会在165ua作用，ram保持模式下的最低功耗只有0.1ua；宽电压范围，1.8-3.6v；片上资源丰富，含有adc、uart、定时器等资源，满足需求。

在本实施例中，所述高速磁浮悬浮磁铁与悬浮轨道60适配，所述悬浮轨道60上设置有凹槽62，相邻凹槽62之间形成凸齿61，相邻两所述第一沟槽11a的间距与凹槽62和凸齿61等宽设置。所述高速磁浮悬浮磁铁还包括悬浮控制器33，所述磁极还包括与所述磁通传感器30组网电连的数据采集单元32，所述数据采集单元32与所述悬浮控制器33电连。

在本实施例中，中央处理单元是悬浮控制器的一部分，其核心ic为tms320f28335，支持浮点运算，能满足悬浮控制的需求；与数据处理单元6的接口匹配，易于通信。悬浮磁铁的磁极根据其与悬浮控制器33的对应关系进行分组，每台悬浮控制器33对应一组磁极，每组磁极的数目可多可少。为了获取其该组所有磁极的温度测量结果，悬浮控制器33通过中央处理单元42与所有磁极相连，获取所有磁极的数据处理单元41上传的有效数据。为了便于布线，中央处理单元42与该组所有的数据处理单元41采用环形组网方式，避免因单个数据处理单元41损坏或者单根电缆损坏而导致整个通信网络瘫痪。

为了测量悬浮磁场以完成磁通反馈控制，本实用新型采用在磁极铁芯11预埋磁通传感器30的方法。其具体实施方式是，在加工磁极铁芯11所需硅钢片的过程中，预留出磁通传感器30的安装及布线位置；当硅钢片叠压成磁极铁芯11后，在预留的位置中完成磁通传感器30的固定与布线；然后磁通传感器30随磁极铁芯11一起灌封成型。具体的，硅钢片在上表面增加了三个缺口，用于安装磁通传感器30。缺口的宽度应能够满足磁通传感器30的安装需求，只需略大于磁通传感器30的宽度即可。

与磁极铁芯11正对的轨道60是齿槽结构，且齿宽和槽宽相等，均为齿槽周期的一半，当悬浮磁铁沿轨道60移动时，缺口正对轨道60的部位会周期性变化，位于缺口内部的磁通传感器30的测量结果也会随着其正对轨道60部位的变化而变化。因此，选取相邻两个缺口的中心距与齿宽和槽宽相等，也是轨道60齿槽周期的一半。这样可以保证当一个缺口对应于轨道60的凸齿62时，与之相邻的缺口恰好正对于轨道60的凹槽61，即安装在相邻两个缺口的两个磁通传感器30分别检测了对应齿部的磁通和对应槽部的磁通，便于抑制轨道60齿槽变化对磁通传感器30的检测结果的影响。同一个铁芯11上位于外侧的两个缺口间隔一个齿槽周期，它们与轨道60的正对位置关系是一样的，可以互为冗余。

从硅钢片的叠压方向来看，改进后的铁芯11叠压结构中，铁芯11的一侧为改进后的硅钢片，另一侧为原来的硅钢片，叠压过程中用螺栓13进行定位和紧固，总的叠压厚度不变。改进后的铁芯11成型中，第一沟槽11a的长度，只需略大于磁通传感器30的长度即可。在每个铁芯11上预留了三个缺口，用于磁通传感器30的安装。这三个磁通传感器30的连接线随发电线圈20的引出线一起，经盖板上的过线孔引出至磁极的接口位置。在接口位置设置有数据采集单元32，用于采集三个磁通传感器30的测量结果，再将其发送至悬浮控制器33，用于悬浮系统的稳定控制。

在本实施例中，磁通传感器30位于闭合磁路中，能够较为准确地测量出磁通的值及其变化规律，可用性好。磁通传感器预埋在磁极铁芯，其周围是紧密贴合的硅钢片，能够对磁通传感器形成良好的保护，不会因为受外力或者振动的影响而损坏磁通传感器。增加磁通传感器后，不会破坏磁极的外部尺寸，与原有悬浮系统的结构兼容。考虑到轨道的齿槽结构，每个磁极可以配置多个磁通传感器，获得能够反映该磁极所处磁场磁通的较准确的值。每台控制器可以获取与之相连的所有磁极的磁通测量数据，相当于获取整个悬浮区域的磁通分布，能够实现更加有效的控制算法。控制器可以采取融合之后的磁通数据进行悬浮控制，实现对磁通和悬浮力的准确调节，有利于提升系统的悬浮性能。

本实用新型还提出一种悬浮列车，包括上述的高速磁浮悬浮磁铁。

在以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。