一种适用于物体负载电磁驱动装置及驱动方法
阅读说明：本技术 一种适用于物体负载电磁驱动装置及驱动方法 (Electromagnetic driving device and driving method suitable for object load ) 是由 朱海滨 史黎明 王培龙 陈敏洁 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种适用于物体负载电磁驱动装置及驱动方法,包括筒形结构直线感应电机和辅助机构,所述筒形结构直线感应电机包括弧形单边直线感应电机初级和圆柱形直线感应电机次级；所述的弧形单边直线感应电机初级包括六个单边直线感应电机,在收缩状态下,初级的六个单边直线感应电机横截面呈圆形结构,且两两成对运行；筒形结构直线感应电机在长度方向伸展后包括三段结构,分别定义为前段、中段和后段,电磁驱动设备未运行状态下,前段、中段和后段直线感应电机在储运状态下共同构成一个圆筒结构直线感应电机的助推动力筒,实现物体负载的推动、装载和锁止,还可以实现直线电机次级的电磁制动、自动复位和位置检测。(The invention provides an electromagnetic driving device and a driving method suitable for object load, which comprise a cylindrical linear induction motor and an auxiliary mechanism, wherein the cylindrical linear induction motor comprises an arc single-side linear induction motor primary and a cylindrical linear induction motor secondary; the primary side of the arc-shaped single-side linear induction motor comprises six single-side linear induction motors, and in a contraction state, the cross sections of the six single-side linear induction motors of the primary side are in a circular structure and operate pairwise; the cylindrical linear induction motor comprises three sections of structures which are respectively defined as a front section, a middle section and a rear section after being stretched in the length direction, and the front section, the middle section and the rear section of linear induction motor jointly form a boosting power cylinder of the cylindrical linear induction motor in a storage and transportation state under the condition that the electromagnetic driving device is not in a running state, so that the pushing, loading and locking of object loads are realized, and the secondary electromagnetic braking, automatic resetting and position detection of the linear motor can be realized.)
技术领域
本发明涉及物体负载推动技术领域，具体涉及一种适用于物体负载电磁驱动装置及驱动方法。
背景技术
物体负载依靠外力实现助推，世界上很多国家都开展针对不同质量的物体负载加速方式的研究，比如弹簧、橡皮筋、气/液压、火箭助推、电磁驱动等。随着储能、电力电子技术、芯片技术、电磁技术、计算机技术和自动控制技术等不断发展，人们提出电磁驱动系统，电磁驱动具有全电能运行，推力大、推力平稳、效率高、速度及加速度可控等优点。电磁驱动技术虽起步稍晚，但由于其潜在的应用前景，该项技术的研究备受重视。针对物体负载的推动，目前采用较多的还是气动推动或液压推动等，这类的推动方式环境适应性差，推动力随时间变化较大，造成物体负载的推动加速度不可控，对推动物体负载的冲击力较大。采用电磁驱动可以实现推力的稳定控制，进而保持推动物体负载加速度的稳定。同时，电磁驱动系统环境适应性强，可在海拔5000米、低温至零下20度的环境中正常工作，设备的存储温度可以达到零下45度。
电磁驱动系统由储能与能量管理单元、功率变换单元、控制系统、检测与信号传输单元和电磁能量转换单元。面对物体负载的电磁驱动技术需求，采用圆柱形直线感应电机作为电磁能量转换的执行机构，它是一种实现电磁推力直线推动的关键环节，将输入的电能转化为物体负载推动所需要的机械能，不需要任何中间传动机构直接驱动物体负载直线运动。
目前，有关筒形直线电机的研究文献很多，但采用多个单边直线电机共同构建的筒形直线电机结构没有相关文献报道。
中国专利CN109758693A涉及一种用于高层输送用的电磁驱动装置，采用的是旋转电机的模式，实现负载的直线运动，需要中间传动环节，增加设备的复杂程度和能量传递的效率。
中国专利CN107380476A涉及一种适用于物体负载电磁驱动的双边直线推动电动机，采用扁平的直线电机的结构，对于物体负载的推动采用折叠的推动轨道，折叠后占用的空间相对本发明的筒形结构还是比较大；筒形结构容易实现物体负载的填装、锁止。
发明内容
本发明要解决的问题是：设计一种适用于物体负载电磁驱动装置及驱动方法，实现物体负载的推动、填装和锁止。本发明中的圆柱形直线感应电机可以方便的实现物体负载的填装和推动以及锁止；推动时对直线感应电机次级和物体负载可靠支撑；物体负载和直线感应电机次级分离后，实现对直线感应电机次级的可靠制动；采样得到的速度信号，反馈给控制系统，实现对圆柱形直线感应电机闭环控制，获得稳定推力输出和平稳加速度，达到物体负载要求的出口速度。本发明设计了能满足物体负载电磁驱动的圆柱形直线感应电机，也可采用多台筒形感应电机同时工作，可实现多个物体负载的连续助推。
本发明的技术方案为：一种适用于物体负载电磁驱动装置，包括筒形结构直线感应电机和辅助机构，所述筒形结构直线感应电机包括弧形单边直线感应电机初级和圆柱形直线感应电机次级；
所述的弧形单边直线感应电机初级包括六个单边直线感应电机，六个单边直线感应电机初级的每个采用弧形结构，在收缩状态下，初级的六个单边直线感应电机横截面呈圆形结构，且两两成对运行；
筒形结构直线感应电机在长度方向伸展后包括三段结构，分别定义为前段、中段和后段，每段包括一对单边直线感应电机，电磁驱动设备未运行状态下，前段、中段和后段直线感应电机在储运状态下共同构成一个圆筒结构直线感应电机的助推动力筒；
助推动力筒准备运行时，中段一对弧形单边直线感应电机固定不动，前段一对弧形单边电机向前伸展和收缩，后段一对弧形单边直线感应电机向后伸展和收缩，伸展后助推动力筒加长，也就是物体负载助推行程加长，满足物体负载的不同出口速度和加速度要求。
进一步的，所述后段为物体负载推动初始段，前段定义为物体负载脱离轨道段，后段和中段弧形单边直线感应电机上固定有多个电机模块，前段弧形单边直线感应电机上固定有电机模块，并且在末端固定有永磁体构成的制动模块和楔形橡胶阻尼块，实现圆柱形直线感应电机次级的电磁制动。
进一步的，所述圆柱形直线感应电机次级为圆柱体腔体结构，由两层材质构成，外层为铝质，内层为铁磁材料称为背铁；内侧还设置有非金属材料构成的长条形支撑件，支撑填装进腔体的物体负载，约束物体负载除推动直线方向外的所有自由度。
进一步的，弧形单边直线感应电机初级包括电机模块，电机模块绕组端口电缆引出到辅助机构的接线端子处，之后再与外部变流器设备相连接。
进一步的，所述辅助机构为机械结构，对六个弧形单边直线感应电机初级支撑、锁止和固定，构成完整助推动力筒，同时实现弧形单边直线感应电机初级成对的伸缩控制。
进一步的，所述的筒形结构直线感应电机的电机截面为圆形，替换的，或为正方形、等边六边形或者八边形，特点在于不同段能进行伸缩控制，减少空间占用，且增大推力。
进一步的，所述弧形单边直线感应电机初级要保持对称工作，在弧形单边直线感应电机背部安装伸缩的导轨，通过液压系统进行控制。
进一步的，所述的辅助机构通过构建一个机械框架将所述的弧形单边直线感应电机初级固定，形成一个筒形结构直线感应电机构成的助推动力筒，控制弧形单边直线感应电机初级伸展和收缩。
根据本发明的另一方面，前述电磁驱动装置的驱动方法，包括如下步骤：
步骤1、推动前，通过液压装置驱动紧固套筒伸出，然后再伸出弧形直线感应电机初级；
步骤2、通过液压装置驱动导轨，从而带动弧形单边直线感应电机初级后段向左伸展到指定位置，带动弧形单边直线感应电机的前段向右伸展到指定位置并可靠锁止，完成助推动力筒的伸展工作，弧形单边直线感应电机的中段固定不动；
步骤3、圆柱形直线感应电机次级放置在后段，从助推动力筒起始点往圆柱形直线感应电机次级的腔体内填装入物体负载并可靠锁定，调整由筒形结构直线感应电机构成的助推动力筒推动角度；
步骤4、先给后段电机模块通电，圆柱形直线感应电机次级上感生向前的电磁推力，有前向运动的趋势；当圆柱形直线感应电机次级到达中段时，给中段电机模块充电；当圆柱形直线感应电机次级完全离开后段，后段电机模块断电；当圆柱形直线感应电机次级到达前段时，给前段电机模块通电，即采用分段供电的模式；由圆柱形直线感应电机产生的电磁推力作用将圆柱形直线感应电机次级和物体负载一起向前加速运动。
步骤5、在达到物体负载出口速度位置点，筒形结构直感应电机突然实现回馈制动，圆柱形直线感应电机次级和物体突然失去助力减速，依靠惯性让物体负载脱离直线感应电机次级的腔体，以一定速度弹出去；同时，物体负载脱离圆柱形直线感应电机次级后，圆柱形直线感应电机次级在回馈制动中运行速度降低，并以一定速度进入永磁体制动单元，由磁涡流制动力进一步降低运行速度，最后由楔形橡胶块阻尼制动，在混合制动方式下使圆柱形直线感应电机次级停止运动；控制直线感应电机次级反向运动，返回至助推动力筒起始点，系统重新复位，准备再次运行。
进一步的，如果停止本次运行任务，物体负载助推完成后，助推动力筒中的前段和后段进行收缩，收缩到位后，依次收缩此段紧固套筒。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明提出一种筒形适用于物体负载电磁驱动用的筒形结构直线感应电机；
2.圆柱形直线感应电机采用模块化设计架构，电机绕组分段供电模式；
3.每一段弧形单边直线感应电机内包括多个电机模块，每个单元电机绕组可以并联或串联，提高整个电磁驱动设备工作效率；
4.可以实现物体负载的填装、推动和锁止；
5.可以实现电磁驱动助推动力筒的伸展和收缩，节省电磁驱动设备占用的空间；
6.可以实现直线感应电机次级的制动、复位和锁止；
7.提出的直线感应电机筒形结构直线感应电机构成的电磁驱动用助推动力筒结构紧凑，可以运用在陆地车载模式、海上舰载模式和空中飞机运载模式下的物体负载的电磁驱动；
8.本发明采用新型结构的直线感应电机的方式，没有中间传动环节，直线实现负载的向前运动，减少能量的损失；
9.本发明采用筒形结构的直线感应电机，可实现电磁驱动助推动力筒的伸缩，占用空间更小，控制灵活。
附图说明
图1为本发明中直线感应电机筒形结构直线感应电机截面图；
图2为本发明中直线感应电机构成的助推动力筒结构示意图；
图3为本发明中弧形单边直线感应电机结构示意图；
图4为本发明中圆柱形直线感应电机储存状态下三维示意图；
图5为本发明中前段弧形单边直线感应电机结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，以下结合附图和实施案例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
根据本发明的实施例，如图1-2所示，提出一种适用于物体负载电磁驱动装置及驱动方法，用筒形结构直线感应电机作为电磁驱动装置的助推动力筒，电磁驱动装置包括筒形结构直线感应电机1和辅助机构4；其中，筒形结构直线感应电机1包括弧形单边直线感应电机初级2、圆柱形直线感应电机次级3；
参见图1所示，所述的筒形结构直线感应电机1采用六个长初级短次级感应三相交流电机构成，六个单边直线感应电机初级分别表示为2-A,2-B,2-C,2-X,2-Y,2-Z,其中2-A和2-X为一对，2-B和2-Y为一对，2-C和2-Z为一对，单边直线感应电机初级采用弧形结构，在收缩状态下，六个初级横截面呈圆形结构。筒形结构直线感应电机包括三段结构，每段包括一对弧形单边直线感应电机，分别定义为前段、中段和后段，电磁驱动设备未运行状态下，前段、中段和后段直线感应电机在储运状态下共同构成一个圆筒结构直线感应电机的助推动力筒；助推动力筒准备运行时，中段一对弧形单边直线感应电机固定不动，前段一对弧形单边电机可以向前伸展和收缩，后段一对弧形单边直线感应电机可以向后伸展和收缩，伸展后助推动力筒加长，也就是物体负载助推行程加长，可以满足物体负载的不同出口速度和加速度要求。
所述弧形单边直线感应电机初级2共有三对弧形单边直线感应电机，分别定义为前段、中段和后段，每段长度相同。其中，后段为物体负载推动初始段，前段定义为物体负载脱离轨道段，后段和中段弧形单边直线感应电机上固定有多个电机模块10，前段弧形单边直线感应电机上固定有电机模块10，在末端固定有永磁体构成的制动模块6和楔形橡胶阻尼块7，实现圆柱形直线感应电机次级3的混合制动。
所述圆柱形直线感应电机次级3为圆柱体，由两层材质构成，外层为铝质，内层为铁磁材料称为背铁9。内侧还有非金属材料构成的长条形支撑件，支撑填装进腔体的物体负载，约束物体负载除推动直线方向外的所有自由度。
弧形单边直线感应电机的初级包括电机模块10，电机模块的线圈通过三相交流电后，在空间产生行波磁场，圆柱形直线感应电机次级3在行波磁场的作用下表面感生涡流，行波磁场和涡流相互作用，产生推力，推动次级沿行波磁场方向进行直线运动，从而推动放置在圆柱形直线感应电机次级腔体内的物体负载直线运动，圆柱形直线感应电机次级3内的物体负载加速到要求的出口速度，直线感应电机次级突然制动，物体负载与圆柱形直线感应电机次级3分离，物体负载实现助推以一定速度弹出直线感应电机次级腔体。圆柱形直线感应电机次级3被快速制动，并可控制返回至后段初始点，准备再次运行。
所述辅助机构4主要是机械结构，对六个弧形单边直线感应电机初级支撑、锁止和固定等功能，构成完整助推动力筒，同时实现弧形单边直线感应电机初级成对的伸缩控制等。
优选地，所述的筒形结构直线感应电机1的电机截面可以为圆形，也可以为正方形、等边六边形或者八边形等，特点在于不同段可以进行伸缩控制，而整个助推动力筒整体结构占用空间少，对所助推的物体负载适应性强。
优选地，所述弧形单边直线感应电机初级2的截面可以不是弧形，要保持对称工作，可在弧形单边直线感应电机背部安装伸缩的导轨，通过液压系统进行控制(也可以用伺服电机实现，此内容不包含在本发明内)。
优选地，所述直线感应电机次级3为多层材料构成的圆柱体，外层为铝质，内层贴有铁导磁材料，在次级铝板内层有四条通长的非金属支撑导轨，所述通长的非金属支撑导轨对物体负载进行支撑和导向，约束物体负载在圆柱体腔体内除向前的所有自由度。
优选地，所述的辅助机构主要是构建一个机械框架将所述的弧形单边直线感应电机初级2固定，形成一个筒形结构直线感应电机构成的助推动力筒，控制弧形单边直线感应电机初级2伸展和收缩；前段和后段弧形单边直线感应电机伸展时，首先是紧固套筒5伸出，然后再伸出弧形直线感应电机初级，收缩时，先收缩弧形单边直线感应电机初级，再收缩紧固套筒；在弧形单边直线感应电机初级伸展到位时，通过锁定机构6将弧形单边直线感应电机初级位置固定住，避免在电机工作时，受冲击力影响而位置发生改变。
优选地，后段和中段弧形单边直线感应电机包括多个电机模块10构成，前段弧形单边直线感应电机包括电机模块10和混合制动单元构成，混合制动单元为永磁体7和楔形橡胶缓冲器8，永磁体安装在后段两个弧形单边直线感应电机的近末端，实现直线感应电机次级的电磁涡流制动；在后段弧形单边直线感应电机末尾设有楔形橡胶缓冲器8，对圆柱形直线感应电机次级3进行阻尼制动，实现对圆柱形直线感应电机次级3缓冲和保护。
如图1、图5所示，根据本发明的一个实施例，弧形单边直线感应电机，即筒形结构直线感应电机的初级，每段弧形单边直线感应电机包括多个电机模块10。电机初级线圈通过三相交流电后，在空间产生行波磁场，圆柱形直线感应电机次级3在行波磁场的作用下表面感生涡流，行波磁场和涡流相互作用，产生推力，推动次级沿行波磁场方向进行直线运动，从而推动放置在圆柱形直线感应电机次级内的物体负载直线运动，圆柱形直线感应电机次级3内的物体负载加速至要求的出口速度时，圆柱形直线感应电机次级3突然制动，物体负载与圆柱形直线感应电机次级3分离，实现物体负载推动出仓，以一定速度弹出。
优选的，弧形单边直线感应电机初级伸缩机构由液压来实现，由锁止机构6固定弧形单边直线感应电机初级位置。锁止机构6由液压力控制。
本发明的具体工作过程如下：
如图1-4所示，推动前，通过液压装置驱动紧固套筒5伸出一定距离，然后通过液压装置驱动导轨，从而带动2-A和2-X一对弧形单边直线感应电机初级(为方便描述，规定此段为助推动力筒的后段)向左伸展到指定位置，带动2-B和2-Y一对弧形单边直线感应电机(为方便描述，规定此段为助推动力筒的前段)向右伸展到指定位置并可靠锁止，完成助推动力筒的伸展工作，2-C和2-Z一对弧形单边直线感应电机(为方便描述，规定此段为助推动力筒的中段)固定不动。
圆柱形直线感应电机次级放置在后段，从助推动力筒起始点往圆柱形直线感应电机次级的腔体内填装入物体负载并可靠锁定，调整由筒形直线感应电机构成的助推动力筒推动角度；先给后段电机模块10通电，圆柱形直线感应电机次级3上感生向前的电磁推力，有前向运动的趋势；当圆柱形直线感应电机次级3到达中段时，给中段电机模块10充电；当圆柱形直线感应电机次级3完全离开后段，后段电机模块10断电；当圆柱形直线感应电机次级3到达前段时，给前段电机模块10通电，这样分段供电的模式，可以减少给电机提供电能的功率变换单元的容量，同时提高整个电磁驱动设备运行的功率因素，提高电磁驱动设备运行效率。由通电的直线感应电机初级和直线感应电机次级共同作用产生的电磁推力作用将圆柱形直线感应电机次级3和物体负载一起向前加速运动。
在运行过程中，筒形结构直线感应电机将检测到的圆柱形直线感应电机次级速度信号，用于对筒形结构直线感应电机进行闭环控制，实现筒形结构直线感应电机推力稳定输出。
在达到物体负载出口速度位置点，筒形结构直线感应电机突然实现回馈制动，圆柱形直线感应电机次级和物体突然失去助力减速，依靠惯性让物体负载脱离直线感应电机次级的腔体，以一定速度弹出去。同时，物体负载脱离直线感应电机次级后，直线感应电机次级在直线感应电机回馈制动中运行速度降低，并以一定速度进入永磁体制动单元，由磁涡流制动力进一步降低运行速度，最后由楔形橡胶块阻尼制动，在混合制动方式下使直线感应电机次级在短时间内停止运动。控制直线感应电机次级反向运动，返回至助推动力筒起始点，系统重新复位，准备再次运行。
如果停止本次运行任务，物体负载助推完成后，助推动力筒中的前段和后段进行收缩，先收缩2-A和2-X一对弧形直线感应电机，收缩到位后，依次收缩此段紧固套筒5；然后收缩2-B和2-Y一对弧形直线感应电机，收缩到位后，最后收缩此段紧固套筒5，助推动力筒恢复成初始状态的圆柱形直线感应电机结构。整个装置占用空间少。
以上所述仅是本发明的优选实施方案，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出其它改进和变形，这些改进和变形也视为本发明的保护范围。
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