磁悬浮列车永磁悬浮实验设计

Bibby

磁悬浮列车永磁悬浮实验设计
永磁悬浮实验的目的是研制一种使用永磁吸力通过辅助电磁铁的主动控制来实现磁悬浮列车零功耗
悬浮的装置。通过这个实验减少磁悬浮列车运行时的能耗，减少悬浮系统的重量以及生产成本，同
时提高磁悬浮系统控制性能，提高控制的响应速度达到悬浮刚度控制的要求。
永磁悬浮实验的目标，实现20吨车体的稳定悬浮， 悬浮间隙5-20毫米，负重比1：20，平均功耗10
千瓦。
永磁悬浮实验的设计思想，采用10000高斯的钕铁硼磁铁作为列车悬浮的主动力，钕铁硼磁铁与电磁
铁合成磁悬浮可控磁头（见附图）。系统采用低电压大电流小磁头控制方式，采用64个磁头，每个
磁头重20公斤，其中10公斤钕铁硼磁铁，磁头的吸力在100到400公斤。系统最大负重可达25.6吨，
在零功耗悬浮时最大浮力为12.8吨。永磁悬浮采用可变间隙，系统根据负重大小自动改变悬浮间隙
，当系统达到最大负重时悬浮间隙为5毫米，当列车空载时间隙为20毫米。采用可变间隙可以大幅度
提高负重比，同时由于使用了永磁和减轻控制系统本身的重量也提高了负重比，所以1：20的负重比
是可能实现的。将最小间隙减少到5毫米是因为列车一般不会达到满载，同时即使达到满载车速就不
能达到全速，速度的降低可以提高安全性。另外磁悬浮列车将采用弹性间隙可以使车身上下左右作
100毫米的浮动，这就保证了5毫米间隙要比常规磁悬浮10毫米有更好的可靠性和安全性。
永磁悬浮的控制是由两台6千瓦或4台3千瓦的电源供电，总功率为12千瓦。实际上12千瓦供电系统是
不足于提供64个磁头的全负荷工作的，由于悬浮控制的全负荷工作只是瞬时的，只有当车体受到外
力发生摆动时才需要强力的控制，而大部分时间处在零功率状态下，假如车体平均控制功耗为10千
瓦，那么12千瓦的电源足以保证车体的悬浮控制。为了保证瞬间大负荷供电的要求，系统设置了
60000uf的大电容来提供电流的。将12千瓦的电源并联在100个600uf的电容上，电源通过阵列开关元
件连接到磁头。 悬浮系统在电脑的控制下可以对每一个磁头进行控制和检测，实现系统的悬浮控制
。这样的系统可以采用进口的电源和元器件制作，可以提高可靠性，由于电容的重量很轻所以整个
系统只有几百公斤。
永磁悬浮控制采用电脑实现控制而不是用DSP，为什么要用电脑控制，因为磁悬浮的控制不是一个简
单的控制，它需要不断的采集各种反馈信号，比如间隙距离，车载负重，运行速度，受力方向，需
要对这些信息综合分析，然后作出控制判断，发出控制信号，同时这些信号需要通过网络发送到车
头的控制台作为监控信号和黑箱信号。这种控制也不仅是对一个磁头或一组磁头的控制，而是整体
的控制。不仅如此，电脑还可以对每个磁头每个探头作可靠性检测，故障报警等。所以DSP用于做作
玩具还可以，用以控制磁悬浮列车那是设计上的目光短浅。
关于磁头的设计，磁头的电压可以选用48伏，线圈内阻8-16欧姆，这样磁头的响应频率可以达到
1000赫之，千分之一秒完全能够满足控制的要求。
悬浮控制应该采用bang-bang控制以提高控制的刚度，也许在控制的过程中需要对bang-bang控制作
一些技术上的改进。
数据采集可以直接采用USB2.0的高速数据采集卡，这种数据采集卡还有外接的热插拔的，12路信号
采集还有多路信号控制输出。探头也都是可以在市场上买现存的，进口的，所以整个悬浮系统没有
什么工作量。