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五位姿参数下车载永磁体与永磁轨道之间的磁力特性研究

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西南交通大学学报 2024年

作者：赵春发刘浩东冯洋罗世辉宋小林西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室

永磁磁浮交通系统利用车载永磁体和永磁轨道间的磁斥力实现悬浮，理解并掌握永磁体磁力与其空间位姿参数的关系对磁浮车辆走行部及轨道结构设计具有重要意义。参考兴国县永磁磁浮交通系统，建立了车载永磁体和永磁轨道的三维磁场有限元... 详细信息

永磁磁浮交通系统利用车载永磁体和永磁轨道间的磁斥力实现悬浮，理解并掌握永磁体磁力与其空间位姿参数的关系对磁浮车辆走行部及轨道结构设计具有重要意义。参考兴国县永磁磁浮交通系统，建立了车载永磁体和永磁轨道的三维磁场有限元模型，计算了不同悬浮间隙、横向偏移、点头角、侧滚角和摇头角条件下车载永磁体受到的磁力，重点分析了车载永磁体悬浮力和横向力随五个位姿参数的变化规律及其相关程度。结果表明，车载永磁体的磁力主要受悬浮间隙和横向偏移量的影响，受摇头角的影响较大，受点头角和侧滚角的影响很小。在设定的参数变化范围内，悬浮力最小值和最大值与额定悬浮力之比分别约为0.75和1.16，横向力最大值达到额定悬浮力的50.42%。车载永磁体横向力的方向与其横向偏移方向一致，摇头力矩与其摇头方向相同，需要为永磁悬浮系统设置导向装置，防止车载永磁体横向晃动和偏航运行。

关键词：磁浮列车永磁悬浮 Halbach阵列磁力有限元法

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稀土永磁悬浮阵列的电磁导向结构设计

稀土 2023年第4期44卷 214-224,I0007页

作者：陈花顺彭月杨杰中铁第一勘察设计院集团有限公司桥梁隧道设计院陕西西安710043 江西理工大学永磁磁浮技术与轨道交通研究院江西赣州341000 江西省磁悬浮技术重点实验室江西赣州341000

永磁阵列悬浮结构(Magnetic Array Suspension,简称MAS)与管道物流系统相结合,为新型物流运输系统带来了新的机遇,但永磁悬浮结构在实现垂向零功率自稳定悬浮的同时,存在着横向侧偏力的挑战。本文以MAS悬浮结构为研究对象,探索一种能够... 详细信息

永磁阵列悬浮结构(Magnetic Array Suspension,简称MAS)与管道物流系统相结合,为新型物流运输系统带来了新的机遇,但永磁悬浮结构在实现垂向零功率自稳定悬浮的同时,存在着横向侧偏力的挑战。本文以MAS悬浮结构为研究对象,探索一种能够实现横向可控的电磁阻尼系统结构。首先,在ANSYS有限元仿真环境下探究MAS悬浮机理,分析垂向悬浮力同悬浮间隙的变化关系,及横向侧偏力随横向间隙变化的规律;其次,针对悬浮结构特点,提出了斥力型和吸力型两种电磁导向方案,并研究分析了两种方案下磁场分布特点及磁密走势;最后,在三维模型的基础上,分析并总结了电磁激励、横向间隙与侧偏力的力学关系。仿真结果表明,斥力型方案下,导向力与横向间隙呈近似线性关系,但受MAS永磁体影响,需要初始电流用于抵消永磁吸力;吸力型方案中,导向力与横向间隙呈非线性关系且不受永磁体影响。综合而言,在相同条件下,吸力型方案更加可行,磁能利用率更高,为研究永磁悬浮系统的性能提升和工程应用提供了一种可行的结构设计方案。

关键词： MAS 管道物流永磁悬浮有限元电磁导向

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可变磁路式永磁悬浮系统线性自抗扰控制分析

沈阳工业大学学报 2023年第5期45卷 534-539页

作者：李强张鹏飞赵川徐方超金俊杰孙凤沈阳工业大学机械工程学院沈阳110870

针对可变磁路式永磁悬浮系统鲁棒性较差的问题,提出了一种基于辅助模型的改进线性自抗扰控制(LADRC)方法.阐述了悬浮系统的工作原理,建立了动力学模型,设计了改进LADRC控制器,分析比较了改进LADRC、PID和传统LADRC控制效果.仿真结果表明... 详细信息

针对可变磁路式永磁悬浮系统鲁棒性较差的问题,提出了一种基于辅助模型的改进线性自抗扰控制(LADRC)方法.阐述了悬浮系统的工作原理,建立了动力学模型,设计了改进LADRC控制器,分析比较了改进LADRC、PID和传统LADRC控制效果.仿真结果表明:输入0.1 mm阶跃外扰时,与传统LADRC和PID控制比较,采用改进LADRC系统响应速度最快且无超调量;输入0.5 N外扰力时,采用改进LADRC系统气隙变化量最小且调节时间最短;与PID相比,采用LADRC方法可提高可变磁路式永磁悬浮系统抗扰能力.

关键词：永磁悬浮鲁棒性工作原理动力学模型控制器超调量响应速度抗扰能力

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永磁悬浮非接触回转驱动系统

机械工程学报 2017年第20期53卷 192-201页

作者：孙凤韦伟金嘉琦金俊杰佟玲岡宏一沈阳工业大学机械工程学院沈阳110870 高知工科大学智能机械系统工学科

提出一种永磁悬浮非接触回转驱动系统,该系统由悬浮部分和非接触回转驱动两部分构成。悬浮部分采用运动控制方式,利用音圈电动机驱动永磁铁实现悬浮物竖直方向的稳定悬浮;回转驱动部分由直流伺服电动机驱动径向磁化永磁铁回转,形成变化... 详细信息

提出一种永磁悬浮非接触回转驱动系统,该系统由悬浮部分和非接触回转驱动两部分构成。悬浮部分采用运动控制方式,利用音圈电动机驱动永磁铁实现悬浮物竖直方向的稳定悬浮;回转驱动部分由直流伺服电动机驱动径向磁化永磁铁回转,形成变化磁场,非接触驱动悬浮物回转。本系统未在悬浮物中加入任何磁性材料,仅利用悬浮物表面剩余磁化点实现悬浮物的非接触回转驱动。介绍系统的悬浮与驱动原理,建立非接触驱动数学模型,并利用仿真与试验分析系统的回转驱动特性。分析结果表明:悬浮物的非接触回转驱动可以由伺服电动机驱动盘状永磁铁旋转来实现。铁球是否旋转与磁铁的数量无关;驱动磁铁的数量与系统的响应速度成正比,驱动磁铁的数量增多,输入速度和输出速度之间的线性度相对提高,旋转稳定。明晰本系统的非接触驱动特性,为隔离环境下铁磁性物品或零件的非接触操纵和姿态控制奠定了理论基础。

关键词：永磁悬浮非接触回转驱动试验分析数学模型

永磁悬浮无尘传送系统的悬浮特性及解耦控制仿真分析

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中国机械工程 2016年第4期27卷 518-525页

作者：金俊杰段振云孙凤路英园沈阳工业大学沈阳110870

介绍了一种永磁悬浮无尘传送系统。该系统采用两对双列对称布置的非接触主动永磁悬浮支承。悬浮支承中,永磁铁提供磁性力,伺服电机驱动永磁铁转动,通过改变悬浮支承与悬浮导轨间的磁通量实现悬浮力的实时控制。通过消除冗余的悬浮支承... 详细信息

介绍了一种永磁悬浮无尘传送系统。该系统采用两对双列对称布置的非接触主动永磁悬浮支承。悬浮支承中,永磁铁提供磁性力,伺服电机驱动永磁铁转动,通过改变悬浮支承与悬浮导轨间的磁通量实现悬浮力的实时控制。通过消除冗余的悬浮支承控制点建立悬浮系统的动力学模型,应用LQR控制方法仿真分析未解耦系统的悬浮特性,证明该系统的耦合性及不易控制性。此外,采用状态反馈解耦控制策略对系统进行解耦控制仿真,结果表明该策略可以使系统解耦,并具有较高的稳定性和较快的响应特性。

关键词：无尘传送永磁悬浮可变磁路状态反馈解耦

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悬挂式永磁磁悬浮列车磁场分析与研究

悬挂式永磁磁悬浮列车磁场分析与研究

作者：王永超江西理工大学

学位级别：硕士

悬挂式永磁磁悬浮列车是一种新型中低速永磁磁浮轨道交通系统,它是通过永磁体之间的排斥力、直线电机牵引和转向架实现零功率悬浮、列车运行和导向。列车系统中存在许多电气、电子设备以及强永磁体,这些设备和磁体产生的电磁能量会通过... 详细信息

悬挂式永磁磁悬浮列车是一种新型中低速永磁磁浮轨道交通系统,它是通过永磁体之间的排斥力、直线电机牵引和转向架实现零功率悬浮、列车运行和导向。列车系统中存在许多电气、电子设备以及强永磁体,这些设备和磁体产生的电磁能量会通过向外辐射或传导的方式对列车上的设备和仪器以及轨道附近的设备产生干扰。悬挂式永磁磁悬浮列车的各项标准和电磁场空间分布表征方法在世界范围内尚未有成熟的相关技术标准可供参考。因此,对悬挂式永磁磁悬浮列车磁场分布规律进行研究具有重要意义。本文以悬挂式永磁磁悬浮列车黄金“红轨”试验线为研究对象,分析悬挂式永磁磁悬浮列车的磁场分布情况。本文首先对强永磁体组成的悬浮系统的磁场进行分析,完成了悬浮结构空间磁场分布的理论分析。在Ansys Electronics Desktop软件中建立悬浮系统电磁仿真模型,通过对悬浮系统逐步简化,以及对悬浮系统内单组及多组悬浮结构的空间磁场分布进行求解,得到悬浮系统的磁场变化趋势和不同悬浮高度下的磁感应强度,以及磁场分布区域。结果表明,悬浮系统的磁场呈中间大两边小的分布特点,在与悬浮结构的距离大于60mm的区域,悬浮系统磁场的影响迅速减弱。其次,针对空心式Halbach长定子永磁同步直线电机构成的驱动牵引系统的磁场分布情况进行研究。通过建立永磁同步直线电机数学模型,计算出电机的磁链方程和工作电流。利用Maxwell软件建立直线电机二维和三维模型,分别对直线电机空载和满载条件下的气隙中心磁感应强度进行数值求解计算,并对直线电机外部空间磁场的变化趋势进行分析。结果表明,直线电机产生的电磁场能量主要集中分布在电机运动方向,磁场能量分布均匀,气隙中央的磁感应强度在0-1.1T范围内是周期变化的,且直线电机外部空间磁场辐射范围在200～250mm,随着与直线电机距离的增加,直线电机的磁场产生的影响逐步减弱。最后,本文采用磁场测试系统对黄金“红轨”试验线的悬浮系统和直线电机实际磁场进行测量。将测试结果与数值计算分析结果进行对比,悬浮系统的磁感应强度最大误差为9.6%,直线电机的最大磁感应强度误差为10%,数值计算分析结果与实验结果一致,验证了针对悬浮系统和直线电机电磁场数值分析方法的有效性。本文的研究为悬挂式永磁磁悬浮列车空间电磁场表征方法的发展奠定基础,为列车电磁兼容设计的完善提供参考。

关键词：悬挂式永磁磁悬浮列车永磁悬浮直线电机电磁场

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可控磁路式并联型永磁悬浮系统

仪器仪表学报 2017年第7期38卷 1714-1722页

作者：孙凤韦伟金俊杰金嘉琦岡宏一沈阳工业大学机械工程学院沈阳110870 高知工科大学智能机械系统工学科

提出一种主要由伺服电机、径向磁化盘状永磁铁、"F"形导磁体及悬浮物构成的可控磁路式并联型永磁悬浮系统。系统中,并联悬浮物是置于导磁体正下方两个不同重量的铁球,伺服电机驱动盘状永磁铁旋转,改变通过悬浮物的有效磁通量,进而控制... 详细信息

提出一种主要由伺服电机、径向磁化盘状永磁铁、"F"形导磁体及悬浮物构成的可控磁路式并联型永磁悬浮系统。系统中,并联悬浮物是置于导磁体正下方两个不同重量的铁球,伺服电机驱动盘状永磁铁旋转,改变通过悬浮物的有效磁通量,进而控制悬浮力大小,实现两铁球的稳定悬浮。根据系统结构及可控磁路式并联型永磁悬浮原理将系统模型简化,并建立系统的数学模型,分析使系统稳定悬浮的可能性,计算使系统稳定悬浮的PD控制器反馈增益范围。实验结果表明:在控制器参数满足计算范围条件下,当给系统一较小阶跃外扰时,在实时控制系统作用下,系统在很短的响应时间内可达到新的稳定悬浮状态;相同的外扰可导致左右球异向的位移响应结果,左球移动方向与外扰相同,而右球相反。

关键词：永磁悬浮并联型 PD控制悬浮实验

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可控磁路式永磁悬浮系统的鲁棒控制

振动与冲击 2019年第10期38卷 65-70页

作者：孙凤夏鹏澎孙兴伟金俊杰赵文辉窦汝桐于慎波沈阳工业大学机械工程学院沈阳110870

为了实现磁悬浮系统的低功耗运行,一种可控磁路式永磁悬浮系统被提出,并基于有限元软件分析了该系统的可行性,建立该系统的动力学模型。针对其强耦合、非线性的特点,为了实现该系统的稳定运行,基于LMI的H_∞鲁棒控制理论,建立了鲁棒控... 详细信息

为了实现磁悬浮系统的低功耗运行,一种可控磁路式永磁悬浮系统被提出,并基于有限元软件分析了该系统的可行性,建立该系统的动力学模型。针对其强耦合、非线性的特点,为了实现该系统的稳定运行,基于LMI的H_∞鲁棒控制理论,建立了鲁棒控制模型,设计状态反馈γ-次优H_∞鲁棒控制器。采用数值仿真与试验相结合的方式分析验证系统的悬浮特性与控制器效果,结果表明:该系统可以实现稳定的低功耗悬浮运行,可以实现对位移信号的跟踪和对外扰力的抑制;解决由于系统模型参数不确定以及外扰等因素引起的系统不稳定问题,保证了系统的鲁棒性。

关键词：永磁悬浮可控磁路鲁棒控制

考虑机械阻尼结构的永磁悬浮系统动态特性研究

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铁道学报 2021年第11期43卷 61-68页

作者：高涛杨杰贾利民张振利刘洋洋江西理工大学永磁磁浮技术与轨道交通研究院江西赣州341000 北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室北京100044 郑州西亚斯学院未来信息技术学院河南郑州451100

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... 详细信息

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。

关键词：永磁悬浮弹簧混合悬浮串级双环控制