平板式永磁电动悬浮系统设计与实验研究

该文提出一种以汽车为载体的平板式永磁电动悬浮系统,并从结构设计、等效实验、原理样机测试三方面对电磁特性开展研究。首先,阐述系统的结构及原理,依托自主研制的最高时速600 km的动轨实验台,分析在固定参数下的电磁力特性和垂向自稳定能力,并验证有限元模型的准确性。其次,对悬浮磁体、导向磁体、导体板进行计算分析。最后,改装汽车,加装间隙调节机构、简易悬浮架、车载磁体及测试系统,并搭建长50 m的铜制导体板轨道,开展原理样机测试。整车约为1500 kg,最高实验速度为70 km/h,最大悬浮间隙约为35 mm。实验结果验证了导向磁体的有效性,展现出平板式永磁电动悬浮系统较强的载重能力。

一种用于磁悬浮汽车的永磁电动轮的优化策略

为了改善磁悬浮汽车的基础性能,基于目前国内外永磁电动悬浮的研究现状,提出了一种基于更优磁化角的永磁电动轮结构。首先从原理的角度分析磁化角度变化实现更优电动轮结构的理论合理性,通过优化环形永磁电动轮的磁化角可以增加单极对的永磁体数量增加外围磁场强度,并利用等效面电流法推导得出更简洁的解析计算公式,分析得到了永磁电动轮与导体板之间的结构关系、磁场特性和涡流分布特点;然后在三维电磁仿真优化方面,从磁场、悬浮力、驱动力、浮重比和浮驱比等多个性能参数对比传统的永磁电动轮和改进的永磁电动轮。结果验证了改进后的永磁电动轮结构对其悬浮-驱动一体化功能具有有益提升,并从解析计算和实验分析两个角度共同验证三维电磁仿真的准确性和可靠性,为后续设计优化工作提供了可靠手段。这种Halbach阵列永磁电动轮的优化方案有助于磁悬浮概念车的基础性能提升,为“碳达峰、碳中和”背景下新型绿色环保交通工具的形成提供了可行的技术选择。

永磁电动悬浮多工况下的电磁力特性研究

永磁电动悬浮系统由于自身弱阻尼的特点,运行过程中磁体的姿态易受外界扰动而发生改变,从而影响系统的电磁力特性。该文针对磁体倾斜、横移、偏转等工况,采用解析计算、仿真分析、实验验证相结合的方法来研究系统电磁力特性。首先阐述系统的结构及原理,推导Halbach永磁体阵列在水平、倾斜、偏转状态下的磁场分布函数,建立适用于系统多工况的三维解析模型;其次,搭建三维仿真模型,仿真结果验证了解析模型的正确性,并结合解析模型对比分析系统典型工况下的浮阻特性和悬浮能力;最后,依托组内自研的最高设计时速为600km/h的动轨实验台,分析了系统在固定参数下的电磁力特性和垂向自稳定能力,并验证解析模型的准确性及磁体在不同横移位置的电磁力特性。

零磁通线圈式永磁电动悬浮设计及特性研究

为改善平板式永磁电动悬浮导向能力弱、磁阻力大的问题,提出一种新型的永磁电动悬浮系统.首先,阐述系统的结构及原理并建立包含磁体纵向边端效应的三维电磁力解析模型并求解;其次,搭建三维有限元模型,通过对比解析模型计算结果与有限元仿真结果验证了解析模型的准确性和可靠性,并基于有限元模型分析了电磁力的时域特征和磁体与轨道线圈间的电磁耦合过程;最后,以浮重比和浮阻比为性能指标,研究了系统的悬浮性能及浮阻特性,其结果与平板式电动悬浮系统进行对比分析.研究结果表明:该系统具有可行性,其结构简单、能耗低、浮阻比大且克服了导体板式永磁电动悬浮导向能力弱、浮阻比小的问题;在中高速域内,其浮阻比可达65,是平板式永磁电动悬浮的2.5倍;本文提出的系统及三维电磁力解析模型可为未来的磁悬浮交通发展提供参考.

直线型Halbach磁体和导体板构成的电动式磁悬浮系统的分析及实验

永磁和导体板构成的电动式悬浮系统轨道是导体板,磁体使用直线型Halbach型磁体,该系统悬浮力和磁阻力是导体板上产生的涡流和磁体的相互作用的结果。本文建立简化的二维模型,研究该悬浮系统的动态特性,从电磁场方程出发完备求解微分方程,推导悬浮力、磁阻力和浮阻比的解析表达式,并且和Ansoft计算结果以及实验结果进行对照。结果表明电动式悬浮系统二维分析模型是合理的,实验装置的设计制造也是合理的,这些对进一步研究电动式磁悬浮技术是很必要的。

磁浮列车工程中的Halbach永久磁体结构的优化

Halbach磁体结构是工程上理想结构的近似,故可予以优化设计.磁体结构优化的目标是用最少量的磁体产生最强的磁场.针对磁浮列车用直线型Halbach磁体,提出优化指标,得到磁体结构的优化结果(解析表达式),并用实验验证.该解析表达式对直线型Halbach磁体的工程应用具有意义,因为在减轻磁体重量同时提高磁场强度是磁浮列车的关键技术.

直线型Halbach磁体和导体板构成的电动式悬浮系统的实验装置设计

永磁和导体板构成的电动式悬浮系统由导体板和直线型Halbach永久磁体构成,悬浮力和磁阻力是导体板上产生的涡流和磁体的相互作用的结果.研究了实验装置的结构,包括磁体和直流电机,测试、分解电磁力为悬浮力和磁阻力的机构,最后制造实验装置.实验和仿真的对比,说明力的解耦是成功的.这是永久磁体导体板悬浮系统工程化的第一步.

板式双边永磁电动悬浮电磁力计算

针对现有电动悬浮模式的缺点,研究了一种由导体板和双边Halbach永磁阵列构成的悬浮系统。相比单边电动悬浮,该系统电磁阻力更小,适用于城市轨道交通。分别采用解析法和有限元法对其产生的电磁力进行计算。首先,建立了空间矢量磁位方程,通过求解该方程可得导体板中涡流分布;其次,研究了空间磁场与涡流的相互作用,得到了电磁力的2D解析表达式,建立了2D和3D有限元模型,计算了不同速度下的电磁力、磁场与涡流,并得出解析法与2D有限元法的平均相对误差为1.7%;最后,通过与单边电动悬浮对比,证明了该悬浮模式可有效提高浮阻比,减小阻力损耗。

动态扰动下无轴承永磁薄片电机的悬浮力补偿策略

传统的无轴承永磁薄片电机通过径向位移的闭环控制来间接实现悬浮力稳定控制,当薄片转子受到径向干扰时,悬浮力控制的精度和动态响应性能将受到限制。且悬浮力控制中所需的相位信息是需要在准确获得转子角度的基础上才能得到,因此增加了电机控制系统复杂性。为了克服以往悬浮力控制的上述不足,在推导了无轴承永磁薄片电机悬浮力变化量和悬浮力绕组磁链变化量之间关系的基础上,提出了径向悬浮力和径向位移的双闭环补偿控制策略,采用电压-电流模型对转矩绕组气隙磁链进行辨识,使得电机控制的灵活性大大增加。仿真和实验结果表明:所提出的悬浮力控制方法能够提高悬浮力控制精度和动态响应性能,系统抗干扰能力强,且具有良好的动、静态性能。

基于ANSYS的Halbach永磁电动悬浮系统受力分析

Halbach结构的永磁电动悬浮是利用Halbach结构排列的永磁体产生的磁场切割导体板产生感应电流,从而达到悬浮目的的一种悬浮方式。使用ANSYS软件对这种悬浮系统受力进行了数值计算,研究了悬浮力和阻力随系统参数变化的规律,从而得到悬浮系统受力简单有效的表达式,并对该表达式所得结果同ANSYS数值计算结果进行比较,所得结果几乎一样,证明了该表达式是合理的,这对Halbach永磁电动悬浮系统的设计、计算以及其工程应用都有着较为重要的意义。

板式双边永磁电动悬浮三维解析计算

研究目的:板式双边Halbach电动悬浮具有自稳定悬浮的特点,适用于低速磁浮交通。为研究不同参数对电磁力和悬浮特性的影响,从而为工程设计服务,本文基于三维阵列,提出该悬浮系统的解析计算模型,并通过有限元和试验法对解析结果进行验证。研究结论:(1)根据空间导电率特性,将空间划分为不同区域,利用二阶矢量磁位(SOVP)建立不同区域内的电磁场微分方程,用分离变量法求得了空间磁场二阶矢量磁位的通解;(2)由磁荷法推导出Halbach阵列在导体板上、下表面处的静态磁场方程;(3)结合二阶矢量磁位的通解、静态磁场方程和边界条件,确定待定常数,从而推导出不同区域内磁场的表达式,进而由磁荷法计算得到电磁力;(4)用ANSYS软件建立该系统的三维有限元模型,计算磁场和电磁力,与所得到的解析结果进行对比,平均相对误差约为0. 7%;(5)设计了旋转试验台,模拟双边电动悬浮运行方式,对电磁力进行测试,并与解析计算结果对比,所得平均相对误差约为10%;(6)本研究成果可为低速磁浮列车的设计提供理论依据。

考虑机械阻尼结构的永磁悬浮系统动态特性研究

针对永磁悬浮结构的刚性解耦与振动抑制问题,以单自由度永磁悬浮系统为对象,研究弹簧阻尼结构对永磁悬浮系统的动态特性调节机理。将阻尼悬挂的动力学特性引入永磁斥力型悬浮模型中,分析表明弹簧阻尼悬挂并不能直接改善永磁悬浮结构的零阻尼特性。引入并联式混合悬浮结构,构建弹簧阻尼影响下的电磁永磁混合模型,并在电流/间隙双环反馈控制下,改善永磁悬浮结构的动、静态特性,结果表明:弹簧阻尼结构加剧了被控系统模型的复杂程度,但合理的弹簧有利于车辆减振与控制解耦,为进一步考量中小型悬浮架的机械解耦、车辆减振等设计,提供了理论基础和参考依据。

永磁电动悬浮系统三维解析建模与电磁力优化分析

电磁力准确计算是对Halbach阵列永磁电动悬浮系统进行研究和优化的基础,结构优化是提高系统性能和减少工程化建设成本的关键。建立包含类似直线电机横向端部和纵向端部效应的三维电磁场解析模型,通过对比2-D、3-D解析模型计算结果与3-D有限元仿真结果,验证了所建解析模型的准确性和可靠性。基于三维解析模型对永磁电动悬浮系统进行优化分析,研究结构参数对优化指标的影响,首次量化导体板宽度和永磁体宽度对系统横向端部效应的作用,总结出基于参数分析的系统优化设计方法。最后利用多目标粒子群优化算法对系统进行优化,通过对比参数分析系统优化设计解和优化算法设计解的性能,证明提出的优化方法快速可靠。

基于Halbach阵列的永磁电动悬浮仿真与性能影响因素分析

为了研究永磁电动悬浮中各参数对系统悬浮性能的影响,针对直线型Halbach永磁体阵列,基于电磁场理论分析,结合瞬态电磁场有限元模型,明确永磁体外部磁场的分布规律,之后分析了永磁电动悬浮系统的电磁特性与系统各参数的关系,最终提出了一种较优的永磁体结构方案。研究表明,永磁体阵列下部磁场呈近似正弦分布,电动悬浮系统低速时以磁阻力为主,高速时以悬浮力为主。轨道感应板厚度的选取是影响浮阻比的关键,当永磁体长宽高之比为1:1.2:0.8时,系统浮重比最大,浮阻比与永磁体长度近线性相关,因此,合理选择相关参数可有效提高系统悬浮性能。

基于Halbach阵列的永磁被动阻尼方案研究

采用Halbach永磁体阵列的电动悬浮(PEDS)系统凭借其结构简单、稳定可靠及成本低等优势,在磁浮支撑领域具有很高的应用价值。本文以永磁电动系统为研究对象,针对其临界稳定特性,提出了一种侧面布置Halbach永磁阵列结构,利用磁阻力实现永磁电动悬浮系统垂向阻尼被动控制的阻尼方法。介绍了PEDS的悬浮原理,应用Ansoft软件进行了永磁电动系统的电磁仿真;搭建了带有阻尼模块的悬浮架模型;建立了悬浮系统的动力学模型,仿真阻尼方法的作用效果。仿真结果证明了该永磁被动阻尼方法作为电动悬浮系统阻尼方案的可行性,并对阻尼模块结构对振动抑制效果的影响进行了初步探究,为实际工程应用提供参考依据。

提升直流接触器灭弧能力和减小体积的设计分析

分析了直流电在高电压下的电弧特性,结合公司开发的直流接触器产品,介绍了一种提高直流接触器灭弧能力的灭弧系统方案和有效缩小产品体积的设计方案,将灭弧装置设计改进为串励磁吹线圈灭弧+永久磁铁灭弧+“U”型触头强吹磁灭弧三结合的灭弧系统,将触头结构设计为双断点直动式结构,将电磁系统的设计改进为双线圈电磁结构,通过对接触器产品进行接通和分断、约定操作及电寿命等相关电性能试验验证,产品灭弧能力大幅提升,产品体积减小40%,适应直流接触器高可靠性、小型化发展趋势的要求,对提升直流接触器设计研发、提高接触器分断能力和电气寿命、降低接触器体积都具有借鉴意义。

双绕组无轴承磁通切换电机转子径向悬浮滑模控制研究

双绕组无轴承磁通切换电机转子径向悬浮控制系统,通常采用PI控制器,但该控制器存在受电机参数影响大、抗干扰能力弱等影响转子悬浮性能的问题。提出了一种基于滑模变结构控制思想的转子径向悬浮控制方法。该方法在转子动力学模型以及悬浮系统状态方程基础上,构建径向悬浮滑模控制器代替传统的PI控制器,提高转子径向悬浮系统的稳定性。基于MATLAB/Simulink搭建仿真模型,验证了该控制策略的有效性。

真空管道磁悬浮列车支承设计与特性分析

真空管道磁悬浮列车极大降低了空气阻力,其支承结构及特性是目前的研究热点。支撑结构可采用永磁电动悬浮和电磁悬浮混合支承结构,永磁电动悬浮提供主要的悬浮和导向力;电磁悬浮用作辅助支承来提高支承系统的稳定性。理论分析了这种支承特性和结构参数对悬浮性能的影响;并利用ANSYS Maxwell软件,对电磁悬浮和电动悬浮的二维静态和瞬态磁场进行参数化建模和仿真。讨论了提高求解精度和减少计算时间的措施,比较了解析法和有限元法的误差,为真空管道磁悬浮列车研究提供一定的基础。