高速磁悬浮轨道交通研究进展

从磁悬浮轨道交通的基本原理、磁悬浮列车的技术特点等角度出发,简述了世界各国高速磁悬浮轨道交通的发展概况,对比了常导电磁悬浮、永磁电动磁悬浮、低温超导电动磁悬浮和高温超导磁悬浮等4种磁悬浮方式的研究历史、悬浮特点、悬浮间隙、悬浮能耗、控制系统、技术成熟度与应用情况;采用文献调研、比对、分析、提炼等方法,综述了国内外高校、...     

面向微细加工的二自由度磁悬浮平台

为消除激光微细加工移动台中的机械摩擦，提出一种由三组子单元共同悬浮驱动的新型磁浮平台.首先，介绍平台结构及其工作原理，三组子单元具有相同的结构，由永磁体和电磁线圈构成；分析线圈对永磁体的作用力，并对磁悬浮平台能够实现稳定悬浮的平面范围进行讨论；其次，建立磁悬浮平台的平面内的动力学模型以及子单元位移与平台位移的变换方程；再者，基于分散控制策略，设计子单元系统相应的模糊PD (proportionalderivative)控制器；最后，搭建实物平台，并对其进行静态悬浮实验、步进响应实验、双轴组合工作实验.结果表明：该磁悬浮平台在±2 mm的平面范围内可忽略竖直方向的运动控制；在静态悬浮时，磁悬浮平台在x方向均方根误差仅为2.95μm，最大跟踪误差为11μm；同时磁悬浮平台具备4 mm的运动行程以及双轴组合工作能力.     

单自由度磁悬浮系统无模型自适应控制的研究

针对单自由度磁悬浮系统的非线性及难以建立精确数学模型的问题，将全格式无模型自适应控制（FFDL-MFAC）方法应用于单自由度磁悬浮系统，首先，采用无模型自适应控制算法、伪梯度估计算法、伪梯度重置算法和单自由度磁悬浮系统的动态化数据模型，设计单自由度磁悬浮系统的控制器；然后，仿真分析MFAC控制参数对单自由度磁悬浮系统控制效果的影响及对阶跃响应信号、干扰信号和噪声信号的响应特性；最后，在磁悬浮球实验装置上进行实验验证. 研究结果表明:全格式无模型自适应控制方法只需采集单自由度磁悬浮系统在工作状态下的I/O数据，无需建立单自由度磁悬浮系统精确数学模型，通过设定全格式无模型自适应控制器参数即可使控制器具备良好的自适应性和鲁棒性，实现高精度稳定悬浮控制；与PID相比，FFDL-MFAC将系统的超调量降低了0.005，稳定悬浮位移的误差均方根减小了0.2607.      

可变磁路式永磁悬浮平台的起浮控制方法

磁悬浮技术应用于超洁净传送，可有效减少粉尘污染. 可变磁路式永磁悬浮平台具有低功耗、抗吸附的特性，可避免电磁悬浮传送平台温升大和混合磁悬浮平台安全性差的弊端. 为解决永磁悬浮平台起浮过程易发散的问题，提出并验证分散控制、集中控制和积分分离法3种起浮控制方法. 首先，分析可变磁路式永磁悬浮平台的磁力控制原理，建立系统动力学模型，并采用分散控制实现悬浮平台起浮；然后，针对起浮后平台倾斜的问题，提出了三自由度集中控制方法，其中平台的垂向控制为PD （proportional differential），侧倾与俯仰方向为PID（proportional integral differential ）；最后，应用积分分离法进行分段控制，以实现垂向的精确定位. 研究结果表明:集中控制方法实现了平台倾斜角的自纠偏，可有效解决分散控制下各磁极磁力特性差异引起的平台倾斜问题，调节时间为0.5 s；垂向采用积分分离方法后，平台垂向的稳态误差由0.23 mm可减小为0，调节时间为3.0 s.      

常导电磁悬浮动态特性研究

以常导磁浮车辆的悬浮导向基本单元为对象，对采用两级串联悬浮控制的单磁铁悬浮系统进行悬浮刚度和阻尼特性的理论与数值分析．分析结果表明：电磁悬浮刚度与间隙反馈系数成正比，悬浮阻尼与间隙变化速率反馈控制系数成正比；车体二系悬挂频率、轨道基频和控制系统特征频率任意两者互相接近时，容易发生车轨共振．     

电动磁浮列车用直线谐波发电机发电特性计算

为研究高速磁悬浮车辆直线谐波发电机的发电特性，首先，基于空间谐波法，提出超导线圈的磁动势分布模型，并推导超导线圈在三维空间内磁感应强度分布公式；其次，基于悬浮线圈与超导线圈间的电磁耦合关系，计算悬浮线圈电流的感应磁场，分析得知悬浮线圈五次谐波磁场用于感应集电；然后，将悬浮线圈五次谐波磁场作为集电线圈的激励，推导集电线圈感应电动势的解析式；最后，以日本山梨线MLX01型磁浮列车为工程背景，利用数值解析值、有限元仿真和日本山梨线实测数据进行了对比分析.研究结果表明：超导线圈磁感应强度、感应电动势和集电功率的解析值与有限元仿真、实测数据的相对误差均在10%以内，验证了磁动势分布模型和解析模型的有效性；列车速度大于100 km/h时，悬浮线圈电流及其感应磁场趋于饱和；集电线圈感应电动势与列车运行速度近似呈线性关系，集电功率与速度呈二次非线性关系；列车速度500 km/h时，集电功率为43.3 kW；列车速度在380 km/h时达到25.0 kW的目标集电功率，保证了磁悬浮车辆车载供电的可靠性.     

基于自适应非奇异终端滑模的悬浮控制策略

针对采用传统线性滑模控制的电磁悬浮系统存在响应速度慢以及抗干扰能力差的问题，提出了一种基于自适应非奇异终端滑模的悬浮控制方法，该方法将自适应控制引入到终端滑模控制，结合滑模控制对扰动不敏感的优点，利用自适应控制对滑模趋近律系数进行在线自适应调节，改善悬浮系统的动态性能. 首先，建立了电磁悬浮系统数学模型；然后，利用李雅普诺夫稳定理论证明了所设计控制器的稳定性；最后，进行了仿真和实验验证. 实验结果表明:自适应非奇异终端滑模对信号跟踪具有更快的响应速度和更小的稳态误差，对峰峰值为2 N的正弦或锯齿干扰力气隙波动可限定在0.2 mm以内，进行0.1 kg加减载实验时气隙波动为0.6 mm，各项性能均优于终端滑模和线性滑模.      

EMS型中低速磁浮列车悬浮架技术研究综述

悬浮架是承载EMS(electro-magnetic suspension)型中低速磁浮列车运行的关键子系统，影响列车的悬浮稳定性、舒适性和安全性，需要对其进行深入研究.围绕国内外EMS型中低速磁浮列车应用案例，介绍了（悬挂）端置式悬浮架、（悬挂）中置式悬浮架的技术方案和特征，总结了主要技术指标.结合悬浮架技术研究、发展现状，讨论了磁轨作用关系、运动解耦能力、动力学性能、结构强度以及悬浮冗余设计五大研究方向，通过对研究内容梳理和总结，归纳了现有前沿科学问题和工程技术挑战：一是轨距亟须统一；二是动态磁轨关系研究欠缺；三是悬浮架横向动力学有待研究；四是悬浮架疲劳强度分析及试验不足；五是悬浮架机械结构冗余设计方案较少.     

永磁悬浮车稳定悬浮机构研究

介绍了３种用于永磁悬浮车的永磁悬浮机构。一种车体重心在悬浮机构之上,另两种车体悬挂在悬浮机构之下。根据永磁体斥力与吸力的基本特性,从力学平衡与稳定性的角度,对３种永磁悬浮机构进行了研究。分析表明将永磁体的斥力和吸力合理组合能够将车体悬浮起来。在３种永磁体悬浮结构中,斥力和吸力共同作用下的悬挂式悬浮机构可实现静态稳定悬浮。     

真空管道运输系统发展现状及展望

作为一种新型交通系统,真空管道运输系统将悬浮列车技术和低气压管道技术相结合,理论上能够最大限度地减小列车高速运行时的摩擦阻力和气动阻力.为了促进真空管道运输系统的发展,从基本原理角度,系统论述了真空管道运输系统的可行性及车辆、管道、驱动装置等子系统关键构成,指出了其快速、便捷、安全、环保和高效等优势;介绍了国内外真空管道运输系统的研究现状,包括美国ET3、美国Hyperloop、瑞士超高速地铁Swissmetro,以及西南交通大学真空管道高温超导磁悬浮车试验平台,比较分析了各单位在车辆、管道、驱动装置及造价等方面的技术特点和优势;展望了当前发展真空管道运输系统亟需解决的关键问题,并指出车轨作用、高速直线牵引、气动和散热、管道密封以及管道内通信、救援这几个方面是今后需要重点研究的领域.      

中低速磁浮车辆研究综述

基于电磁悬浮型中低速磁浮列车的工作原理,阐述了中低速磁浮各核心子系统(悬浮导向系统、牵引电机、走行机构、制动系统、轨道-桥梁结构等)的技术特征,综合分析了各子系统存在的技术问题和解决方案;梳理了 日本Linimo列车、韩国EcoBee列车、长沙磁浮快线、北京磁浮S1线和西南交通大学自主研发的(悬挂)中置式磁浮列车的发展...     

基于混合式磁浮平台的解耦及控制分析

为了研究磁悬浮平台系统中存在的多自由度耦合问题,提出一种利用永磁体之间的被动受力来减少竖直方向上主动控制的设计思路,给出一种混合斥力式磁浮平台的结构设计,该磁悬浮结构的定子由永磁体和电磁线圈共同组成,由永磁体提供主要的悬浮力,电磁线圈提供水平方向的驱动力,以此减少负责主动悬浮的线圈数量,减小线圈功耗及产热. 基于磁荷模型推导出磁标量势满足的拉普拉斯方程,利用分离变量法求出磁标量势的解析表达式,并对浮子在整个磁场中的受力进行精确的计算;充分研究探讨了定子与动子永磁体之间被动悬浮力的稳定区域,简化忽略了竖直方向上力的解耦,建立被控对象的数学模型,并研制了以微控制单元为中心的数字集成控制器,通过试验研究了平台的悬浮性能. 研究结果表明:本文所提出的混合斥力式磁浮平台在悬浮高度23 mm水平范围 ± 4 mm内,能够实现稳定的水平运动,并且浮子在垂直方向的位移变化不超过0.2 mm.      

高速磁浮悬浮架柔性特征对曲线通过性能的影响

为研究高速磁浮悬浮架小曲线通过动力学性能,考虑高速磁浮悬浮架柔性振动,建立悬浮架有限元模型,并计算其弹性模态,建立高速磁浮整车车辆动力学模型;应用同济大学磁浮试验线线路条件、试验速度曲线及拟合的轨道不平顺,分析了悬浮架柔性振动对悬浮、导向电磁铁间隙、电磁力的影响;同时,建立了刚性悬浮架动力学模型与之对比. 研究结果表明:R400小曲线通过时,电磁铁动力学性能受悬浮架柔性振动的影响较大,两种模型的导向力相差约12.5 kN,悬浮力相差约6.0 kN;通过试验仿真比较,考虑悬浮架柔性的计算结果更接近于实测结果;悬浮架垂向和横向振动的主频分别为10.4 Hz和13.2 Hz,分别与前后悬浮框相对点头、反相摇头模态频率相近;在研究控制参数优化、悬挂参数优化、运行稳定性等高速磁浮关键问题时应考虑悬浮架的柔性振动.      

电磁悬浮技术在汽车悬架系统中的应用

汽车悬架系统承受着路面传给汽车车轮的各个方向的力,同时担负着保证汽车行驶平顺性和操纵稳定性的重任,是汽车各总成中磨损较为严重的部分之一.本文借鉴电磁悬浮技术在磁悬浮列车上的成功应用,结合汽车悬架系统的基本结构,提出电磁式电控悬架的想法,并把传统的电控悬架的特点与之相比较.电磁式电控悬架在一定程度上减少了摩擦,增加行驶平顺性,简化悬架结构.     

基于数据驱动的磁浮列车悬浮系统参数整定

为了解决由于磁浮列车悬浮系统模型存在复杂非线性所带来的控制器参数整定难题,考虑仅依靠悬浮系统单次悬浮调试的输入输出数据来实现控制器参数整定,研究了基于数据驱动的磁浮列车悬浮系统快速参数整定方法. 首先,通过磁浮列车悬浮系统的建模分析了悬浮系统的开环不稳定性和复杂非线性;其次,针对虚拟参考反馈参数整定方法存在的参考模型确定问题,利用估计闭环响应方法来实现数据驱动的控制器参数整定;并且考虑到数据中存在的干扰噪声会影响控制器参数整定,提出了基于信号投影的磁悬浮系统数据噪声抑制方法;最后,以单铁磁悬浮系统为研究对象,通过单铁悬浮实验验证了本文提出的基于数据驱动的磁浮列车悬浮系统参数整定方法的有效性. 研究结果表明:悬浮系统的开环不稳定性和复杂非线性会给参数的快速整定带来较大困难;基于信号投影的噪声抑制方法能够将带噪声数据的方差降低54.1%;基于数据驱动的参数整定方法能够快速地整定好悬浮系统控制器参数,经参数整定后的系统相较于初始条件下只粗调好的PID反馈控制系统的阶跃响应超调量下降72.0%,平方误差积分 （ISE）下降79.8%,绝对误差积分 （IAE）下降54.5%.      

基于磁悬浮技术的建筑隔震研究进展

隔震是在强烈地震中保护建筑物最有效的技术之一,采用磁悬浮技术对建筑结构进行隔震是结构工程的前沿研究领域,与采用传统橡胶隔震支座的技术相比,磁悬浮技术可以同时实现对隔震结构水平振动和竖向振动的主动控制,但基于磁悬浮技术的建筑隔震研究还相对比较薄弱. 简要回顾了磁悬浮技术的发展历程,详细介绍了磁悬浮隔震的基本原理和工作过程,系统阐述了永磁体轨道-电磁铁、衔铁-电磁铁两种磁悬浮隔震体系的理论研究进展与隔震装置研发情况,指出了磁悬浮隔震技术在建筑结构的实际应用中还有待解决的关键问题,并对今后基于磁悬浮技术的建筑结构隔震研究提出了一些建议.      

滑差频率对磁浮车辆运行性能的影响

采用二维电磁场理论对直线电机气隙磁场的纵向分量和垂向分量进行求解, 得到了电机牵引力和法向力的解析表达式, 利用直线电机试验台对解析计算方法进行检验, 对比6~18 Hz恒滑差频率下牵引力和法向力随速度的变化; 建立了三悬浮架单节磁浮车辆动力学模型, 仿真对比了车体和悬浮架分别在1、3、5、8 kN冲击力下的振动响应; 计算了单节中低速磁浮车辆牵引特性, 分析了不同滑差频率对车辆牵引性能的影响; 综合考虑电机法向力对悬浮系统的影响和车辆的牵引需求, 提出了变滑差频率控制策略。研究结果表明: 电机牵引特性一般包括恒力区和恒功区, 恒力区初级电流最大值为390 A, 恒功区电压最大值为212 V, 恒力区牵引力变化较小, 恒功区牵引力衰减较快; 滑差频率越小, 电机起动牵引力和法向力越大, 恒力区越短, 反之亦然; 法向冲击力小于8 kN时车辆平稳性指标等级均达到优秀, 但为了减小悬浮系统的负担, 电机法向力应越小越好; 较低的滑差频率使车辆低速段牵引性能更强, 但采用较高的滑差频率有利于提高全速度范围的牵引性能; 在变滑差频率控制策略中起动滑差频率的选择综合考虑车辆的牵引性能和悬浮能力, 速度达到恒功转折点后滑差频率逐渐增大, 该策略使电机恒力区牵引力适中, 恒功区牵引力始终为电机所能发挥的最大值。      

考虑电流振铃特性的悬浮电磁铁等效电路模型

电磁悬浮型（electromagnetic suspension,EMS）磁浮列车通过悬浮斩波器调节悬浮电磁铁电流,进而控制悬浮力,使车体稳定悬浮. 悬浮斩波器驱动悬浮电磁铁过程中所产生的电流振铃会增加开关损耗,造成电磁干扰（electromagnetic interference,EMI）,甚至影响悬浮控制效果. 研究悬浮电磁铁电流振铃的产生机理,能为其抑制措施的设计予以指导. 为此,提出了一种考虑电流振铃特性的悬浮电磁铁等效电路模型. 首先,用策动点函数法推导了悬浮电磁铁导抗函数的一般形式,并结合悬浮电磁铁电流的单位阶跃响应特性确定了其导抗函数的最简表达式以及对应的等效电路模型;接着,用判别式法和仿真法分析了不同电路参数对电流振铃特性的影响;最后,比较了同一悬浮电磁铁电流振铃的仿真和实验波形. 结果表明:在所给参数条件下,实验所得悬浮电磁铁电流纹波幅值、振铃峰峰值和振铃频率分别比仿真结果小9.7%、20%和11%;此外,仿真的电流振铃衰减时间约为1 μs,与实验结果接近;仿真和实验所得悬浮电磁铁电流振铃的幅值、频率和衰减特性均能较好吻合,证明了所提电路模型的正确性.