混合EMS磁悬浮系统研究

论文摘要

磁浮技术作为20世纪的一项新兴技术近几年来得到了长足的发展,已被广泛应用于交通,冶金,机械,电器,材料等领域。磁浮技术的应用之一即磁浮列车作为一种新型的非接触式地面轨道交通运输工具,已经在实践中得到了成功的应用。 传统的EMS和EDS磁悬浮系统结构上简单可靠而且技术上已经相当成熟,但是这种两种悬浮系统还有一些需要改进的地方。对于常导EMS磁浮列车,由于悬浮线圈具有一定的电阻,列车在运行中能量的消耗不可忽视,而且影响悬浮气隙的进一步增大,从而增加了列车对轨道的精度要求;而EDS磁浮列车一般采用低温超导磁体,悬浮气隙较EMS磁浮列车大,但由于悬浮是斥力悬浮,轨道上的闭合悬浮线圈是离散的,悬浮斥力没有闭环控制,列车的舒适度较差;磁场很强又无闭合铁芯磁路,在列车车厢中有较强的磁场,磁场对人体的不明损害将增加。 针对上述问题,本论文设计了永磁与常导线圈构成的混合EMS悬浮系统及高温超导线圈与常导线圈构成的混合EMS悬浮系统,并探索了采用纯超导线材构成的高温超导EMS悬浮系统。 本文主要对这三种EMS悬浮系统进行深入研究,研制了一套可分别完成两种混合悬浮系统及纯高温超导悬浮系统实验的单磁铁模型及用于该模型的实验装置,并通过实验验证了两种混合EMS悬浮系统及纯高温超导EMS悬浮系统用于磁悬浮轨道交通系统的可行性。 本项研究对发展磁悬浮轨道交通以及高温超导线材在磁浮列车中的应用具有重大的理论研究意义和实际应用价值。 本文采用有限元的分析方法对三种悬浮系统的电磁特性做了详尽的理论分析,结合永磁与超导线材的材料特性设计并制造了可分别完成两种混合悬浮及纯高温超导悬浮实验的单磁铁实验台;分别分析了三种EMS悬浮系统的工作原理,建立了三种EMS悬浮系统的数学模型,设计了悬浮控制器,从理论上分析其控制的可行性并进行了仿真;设计了适用于混合EMS悬浮系统的四象限斩波器以及基于DSP的数字控制器,实现了两种混合EMS悬浮系统及纯超导EMS悬浮系统的稳定悬浮;最后通过对几种系统与传统的纯常导电磁悬浮系统进行比较研究,展望几种新型EMS悬浮系统的工程应

论文目录

• 第1章 绪论
• 1.1 磁浮列车的悬浮系统原理
• 1.2 采用EMS悬浮技术的磁浮列车发展状况
• 1.2.1 EMS技术在德国的发展概况
• 1.2.2 EMS技术在日本的发展概况
• 1.2.3 EMS技术在中国的发展概况
• 1.3 采用EDS悬浮技术的磁浮列车发展状况
• 1.3.1 EDS技术在日本的发展概况
• 1.3.2 EDS技术在美国的发展概况
• 1.3.2 斥力型悬浮技术在中国的发展概况
• 1.4 混合EMS悬浮技术
• 1.4.1 混合EMS悬浮技术的研究现状
• 1.5 本论文的内容和主要工作
• 第2章 混合悬浮系统设计及电磁场仿真
• 2.1 混合悬浮系统实验台概述
• 2.1.1 混合EMS悬浮磁铁
• 2.1.2 常导电磁线圈和永磁构成的混合EMS悬浮系统参数设计
• 2.1.3 高温超导线圈和常导线圈构成的混合EMS悬浮系统参数设计
• 2.2 基于ANSYS9.0的系统电磁场仿真
• 2.2.1 ANSYS软件概述
• 2.2.2 两种混合磁悬浮系统及纯超导系统的电磁场仿真
• 第3章 常导和永磁混合悬浮系统
• 3.1 混合系统数学模型
• 3.1.1 平衡点附近线性化
• 3.1.2 状态空间及传递函数模型
• 3.2 混合系统的控制及仿真
• 3.2.1 混合悬浮系统的控制
• 3.2.2 系统的PID控制及仿真
• 3.3 实验系统
• 3.3.1 斩波器主电路设计
• 3.3.2 信号处理
• 3.3.3 基于DSP芯片的数字控制器
• 3.3.4 悬浮实验结果
• 第4章 超导与常导混合的悬浮系统
• 4.1 超导的特性及其在磁悬浮中的应用
• 4.1.1 超导的基本特性
• 4.1.2 高温超导
• 4.1.3 超导的应用
• 4.2 混合系统的数学模型
• 4.3 混合系统的控制及仿真
• 4.4 实验系统
• 4.4.1 悬浮实验结果分析
• 第5章 纯超导悬浮系统
• 5.1 纯超导EMS悬浮系统数学模型
• 5.2 纯超导EMS悬浮系统实验结果
• 第6章 几种悬浮系统的总结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果