阅读说明：本技术 集电靴电磁辅助控制系统、集电靴、有轨电车及控制方法 (Collector shoe electromagnetic auxiliary control system, collector shoe, tramcar and control method ) 是由 王乐民 周昌 李娟虹 陶红杰 姜慧龙 臧玉军 于 2019-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明实施例通过提供的一种集电靴电磁辅助控制系统、集电靴、有轨电车及控制方法,该系统包括：信号探测器、电磁驱动电路和辅助电磁线圈。通过在集电靴的永磁体上设置辅助电磁线圈,设置信号探测器与电磁驱动电路电连接,电磁驱动电路与辅助电磁线圈电连接,信号探测器根据集电靴和集电区的位置关系向电磁驱动电路发送控制信号,电磁驱动电路根据控制信号控制辅助电磁线圈内部电流的方向从而改变集电靴底部磁场的大小。当集电靴驶入集电区时,集电靴底部磁场增大；当集电区为集电靴供电时,集电靴底部磁场为永磁体磁场大小；当集电靴离开集电区时,集电靴底部磁场减小到零。通过改变辅助电磁线圈磁场方向,减小集电靴与集电区之间的磨损。(The embodiment of the invention provides a collector shoe electromagnetic auxiliary control system, a collector shoe, a tramcar and a control method, wherein the system comprises: signal detector, electromagnetic drive circuit and auxiliary electromagnetic coil. The auxiliary electromagnetic coil is arranged on the permanent magnet of the collector shoe, the signal detector is electrically connected with the electromagnetic driving circuit, the electromagnetic driving circuit is electrically connected with the auxiliary electromagnetic coil, the signal detector sends a control signal to the electromagnetic driving circuit according to the position relation between the collector shoe and the collector area, and the electromagnetic driving circuit controls the direction of current in the auxiliary electromagnetic coil according to the control signal so as to change the size of a magnetic field at the bottom of the collector shoe. When the collector shoe drives into the collector region, the magnetic field at the bottom of the collector shoe is increased; when the collector region supplies power to the collector shoe, the magnetic field at the bottom of the collector shoe is the size of the magnetic field of the permanent magnet; when the collector shoe leaves the collector region, the magnetic field at the bottom of the collector shoe is reduced to zero. And the abrasion between the collector shoe and the collector region is reduced by changing the magnetic field direction of the auxiliary electromagnetic coil.)

集电靴电磁辅助控制系统、集电靴、有轨电车及控制方法

技术领域

本发明涉及电气技术领域，尤其涉及一种集电靴电磁辅助控制系统、集电靴、有轨电车及控制方法。

背景技术

随着城市的发展，现代有轨电车的供电方式逐步由架空接触网向无接触网发展，无接触网供电方案不仅可以有效避免架空接触网可能出现的电击或者挂落等安全隐患，还对缓解城市交通、美化城市环境发挥了重要作用。

目前，有轨电车采用的是在集电靴上安装多个矩形永磁体，当转向架进入区段上方位置时，挡板打开，集电靴落下，其中位于两侧的磁体起到矫正位置的作用，使集电靴正好落到区段的正上方，中心区域磁体的磁场使区段内的弹性磁性钢带吸起，使其与正极触点接触，给有轨电车供电；当有轨电车驶离区段区域，弹性磁条失去吸力的作用，在重力作用下落回初始状态，与安全负极触点连接，不再给有轨电车供电。

但现有集电靴永磁系统至少存在如下技术问题：当钢带被吸引上来后，磁体与钢带之间距离变小，磁体对钢带产生非常大的吸力，在正常工作状态，集电靴是在拖拽状态，由于磁体对钢带产生的吸力过大造成集电靴电极的拖拽磨损，同时集电靴驶离集电区时，导致拖拽力过大，也容易给集电靴部件造成损害。

发明内容

本发明实施例提供一种集电靴电磁辅助控制系统、集电靴、有轨电车及控制方法，通过在集电靴的永磁体设置辅助电磁线圈，通过电磁驱动电路控制辅助电磁线圈的电流方向，改变辅助电磁线圈磁场方向，减小集电靴与集电区之间的磨损。

第一方面，本发明实施例提供一种集电靴电磁辅助控制系统，包括：

信号探测器、电磁驱动电路和辅助电磁线圈；

其中，所述信号探测器与所述电磁驱动电路电连接，所述电磁驱动电路与所述辅助电磁线圈电连接；

所述辅助电磁线圈设置在集电靴的永磁体上，所述永磁体设置在所述集电靴的本体上，所述永磁体用于与地面上的集电区的钢带吸附为有轨电车供电；

当所述信号探测器检测到集电靴驶入目标集电区时，发送第一控制信号至所述电磁驱动电路，电磁驱动电路根据第一控制信号控制辅助电磁线圈产生与所述永磁体磁场方向一致的第一磁场，所述第一磁场和所述永磁体磁场共同将吸引集电区的钢带向上移动；

当所述信号探测器检测到所述集电区的钢带被所述第一磁场和所述永磁体磁场吸引向上移动到工作位置时，所述集电区的钢带与所述集电靴正极触点接触，所述集电区向有轨电车供电，所述信号探测器发送第二控制信号至所述电磁驱动电路，所述电磁驱动电路切断所述辅助电磁线圈的电流；

当所述信号探测器检测到集电靴远离目标集电区时，发送第三控制信号至所述电磁驱动电路，电磁驱动电路根据第三控制信号控制所述辅助电磁线圈产生与所述永磁体磁场方向相反的第二磁场，所述第二磁场的磁力和所述永磁体磁场的磁力相抵消，所述第二磁场和所述永磁体磁场对所述集电区的钢带的吸力为零，所述集电区的钢带下落，所述集电区不再为有轨电车供电。

在一种可能的设计中，所述驱动电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和控制器；

所述第一开关管的漏极与所述第二开关管的漏极连接，所述第三开关管的漏极与所述第四开关管的漏极连接，所述第一开关管的源极和第三开关管的源极接高电平，第二开关管的源极和第四开关管的源极接地；第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管的栅极分别与控制器连接，所述控制器和所述信号探测器连接，所述辅助电磁线圈的两端分别与第一开关管的漏极和第三开关管的漏极连接。

在一种可能的设计中，所述电磁线圈，包括：多个电磁子线圈，每个电磁子线圈的两端分别与第一开关管的漏极和第三开关管的漏极连接，所述每个电磁子线圈之间并联连接。

在一种可能的设计中，每个电磁子线圈采用矩形线圈磁场结构缠绕在所述每个永磁体侧面。

在一种可能的设计中，所述电磁子线圈材料采用低碳钢，所述电磁线圈心部尺寸为长40mm×宽40mm×高30mm，外部尺寸为长60×宽60×高30mm；所述电磁线圈直径为0.3mm，线圈高厚比为3，所述电磁线圈厚度为10mm，所述电磁磁感应强度为11000Gs，漏磁系数为2，所述电磁线圈铁心直径为4.5mm。

在一种可能的设计中，当所述信号探测器检测到集电靴驶入目标集电区时，发送第一控制信号至所述电磁驱动电路的控制器，所述控制器根据所述第一控制信号控制第一开关管和第四开关管导通及第二开关管和第三开关管关断。

在一种可能的设计中，当所述信号探测器检测到所述集电区的钢带被所述第一磁场和所述永磁体磁场吸引向上移动到工作位置时，发送第二控制信号至所述电磁驱动电路的控制器，所述控制器根据所述第二控制信号控制第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管关断。

第二方面，本发明实施例提供一种集电靴，包括如第一方面任一项所述的集电靴电磁辅助控制系统。

第三方面，本发明实施例提供一种有轨电车，包括如第二方面所述的集电靴。

第四方面，本发明实施例提供一种集电靴电磁辅助控制方法，基于第一方面任一项所述的集电靴电磁辅助控制系统，包括：

当所述信号探测器检测到集电靴驶入目标集电区时，发送第一控制信号至所述电磁驱动电路，电磁驱动电路根据第一控制信号控制辅助电磁线圈产生与所述永磁体磁场方向一致的第一磁场，所述第一磁场和所述永磁体磁场共同将吸引集电区的钢带向上移动；

当所述信号探测器检测到所述集电区的钢带被所述第一磁场和所述永磁体磁场吸引向上移动到工作位置时，所述集电区的钢带与所述集电靴正极触点接触，所述集电区向有轨电车供电，所述信号探测器发送第二控制信号至所述电磁驱动电路，所述电磁驱动电路切断所述辅助电磁线圈的电流；

当所述信号探测器检测到集电靴远离目标集电区时，发送第三控制信号至所述电磁驱动电路，电磁驱动电路根据第三控制信号控制所述辅助电磁线圈产生与所述永磁体磁场方向相反的第二磁场，所述第二磁场的磁力和所述永磁体磁场的磁力相抵消，所述第二磁场和所述永磁体磁场对所述集电区的钢带的吸力为零，所述集电区的钢带下落，所述集电区不再为有轨电车供电。

本发明实施例通过提供的一种集电靴电磁辅助控制系统、集电靴、有轨电车及控制方法，该控制系统包括：信号探测器、电磁驱动电路和辅助电磁线圈。通过在集电靴的永磁体上设置辅助电磁线圈，设置信号探测器与电磁驱动电路电连接，电磁驱动电路与辅助电磁线圈电连接，信号探测器根据集电靴驶和集电区的位置关系向电磁驱动电路发送控制信号，电磁驱动电路根据接收到的控制信号控制辅助电磁线圈的电流方向。当集电靴驶入集电区时，辅助电磁线圈产生第一磁场与所述永磁体磁场方向一致，吸引集电区的钢带向上移动；当集电区的钢带与集电靴正极触点接触，电磁驱动电路切断辅助电磁线圈的电流；当集电靴远离集电区时，辅助电磁线圈产生第一磁场与所述永磁体磁场方向相反，集电区的钢带下落。本发明实施例通过提供一种集电靴电磁辅助控制系统，改变辅助电磁线圈磁场方向，降低了集电靴与钢带之间的摩擦力，大幅度减少电极磨损。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明实施例提供的集电靴电磁辅助控制系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的电磁驱动电路结构示意图；

图3为本发明实施例提供的电磁子线圈结构示意图。

具体实施方式

通过上述附图，已示出本发明明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本发明构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

有轨电车使用地面供电系统，对缓解城市交通、美化城市环境发挥了重要作用。目前，有轨电车采用的创威地面供电系统是由无架空线供电系统技术的领先者意大利运输公司安萨尔多研发的有轨电车地面供电系统。创威地面供电系统技术的核心在于转向架集电靴的设计。集电靴上安装了多个矩形永磁体，当转向架进入区段上方位置时，集电靴落下，其中位于两侧的磁体起到矫正位置的作用，使集电靴正好落到区段的正上方，中心区域磁体的磁场使区段内的弹性磁条(与柔性供电带相连)吸起，使其与正极触点接触，给机车供电，称之为激活状态。当机车驶离区段区域，弹性磁条失去吸力的作用，在重力作用下落回初始状态，与安全负极触点连接，供电系统处于未激活状态，此时汽车、行人均可安全通过该区域。

但经过长时间的运营发现，现有集电靴永磁系统存在着一些急需解决的问题：首先为了使弹性磁条在较远的距离被吸引上来，必须使用磁性较强、体积较大的永磁体；当弹性磁条被吸引上来后，弹性磁条与钢带之间距离变小，永磁体对弹性磁条存在非常大的吸力。在正常工作状态，集电靴是在拖拽状态，吸力过大造成集电靴与弹性磁条之间存在严重的拖拽磨损，集电靴驶离集电区时，导致拖拽力过大，容易给模块部件造成损害。并且在永磁体的工作过程中，由于永磁体周围存在的磁场，导致永磁体会吸引地面磁性杂物，而这些杂物吸附在磁体下面的包覆层上很难清理。如果有较大杂物吸附，会导致挡板卡住无法恢复、挡板存在卡滞等问题，影响有轨电车的运行。

本发明旨在提供一种集电靴电磁辅助控制系统、集电靴、有轨电车及控制方法，通过在集电靴的永磁体设置辅助电磁线圈，通过电磁驱动电路控制辅助电磁线圈的电流方向，改变辅助电磁线圈磁场方向，减小集电靴与集电区之间的磨损。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的集电靴电磁辅助控制系统结构示意图。该集电靴电磁辅助控制系统10，包括：信号探测器11、电磁驱动电路12和辅助电磁线圈13。

信号探测器11与电磁驱动电路12电连接，电磁驱动电路12与辅助电磁线圈13电连接。

信号探测仪使用红外线检测方式检测集电靴与目标集电区的相对位置关系，检测集电靴相对于目标集电区的位置信息后生成控制信号并将控制信号发送至电磁驱动电路12控制辅助电磁线圈13的电流方向。

辅助电磁线圈13设置在集电靴的永磁体上，永磁体设置在集电靴的本体上，永磁体用于与地面上的集电区的钢带吸附为有轨电车供电。

集电靴与地面上的集电区之间通过钢带接触导电，集电靴通过底部的永磁体磁场和辅助电磁线圈13的磁场所产生的磁力，吸引地面上的集电区的钢带向上移动。当有轨电车到达地面上的集电区的上方时，集电靴通过底部的永磁体的磁场和辅助电磁线圈13生成的磁场产生的磁力吸引钢带向上移动并移动到导电位置，使地面上的集电区为有轨电车供电。

当信号探测器11检测到集电靴驶入目标集电区时，发送第一控制信号至电磁驱动电路12，电磁驱动电路12根据第一控制信号控制辅助电磁线圈13产生与永磁体磁场方向一致的第一磁场，第一磁场和永磁体磁场共同将吸引集电区的钢带向上移动。

本实施例中，当信号探测器11检测到集电靴驶入目标集电区时，集电靴需要较大的引力吸引集电区的钢带向上移动。信号探测器11发送第一控制信号至电磁驱动电路12，电磁驱动电路12根据第一控制信号控制辅助电磁线圈13的电流方向，使得辅助电磁线圈13产生的第一磁场方向与永磁体磁场方向一致。当前，集电靴底部的磁场包括辅助电磁线圈13产生的第一磁场和永磁体磁场，辅助电磁线圈13产生的第一磁场增强了集电靴底部的磁场大小，增大了集电靴吸引集电区的钢带向上移动的引力大小，保证集电区的钢带可向上移动到工作位置。

当信号探测器11检测到集电区的钢带被第一磁场和永磁体磁场吸引向上移动到工作位置时，集电区的钢带与集电靴正极触点接触，集电区向有轨电车供电，信号探测器11发送第二控制信号至电磁驱动电路12，电磁驱动电路12切断所述辅助电磁线圈13的电流。

本实施例中，当信号探测器11检测到集电区的钢带被第一磁场和永磁体磁场吸引向上移动到工作位置时，集电靴进入供电区段，集电靴的磁体对正下方的钢带吸起后处于工作状态。钢带在集电靴磁场正下方，集电靴对钢带向上的吸引力较大。此时，信号探测器11发送第二控制信号至电磁驱动电路12，电磁驱动电路12根据第二控制信号切断辅助电磁线圈13的电流，可防止线圈长时间导电造成线圈过热，出现故障。集电靴底部只剩下永磁体产生的磁力吸附钢带，从而减小集电靴的磁体对钢带的引力大小，避免集电靴的磁体对正下方的钢带发生拉拽钢带的问题，降低了集电靴与钢带之间的摩擦力，大幅度减少电极磨损。

当信号探测器11检测到集电靴远离目标集电区时，发送第三控制信号至电磁驱动电路12，电磁驱动电路12根据第三控制信号控制辅助电磁线圈13产生与永磁体磁场方向相反的第二磁场，第二磁场的磁力和永磁体磁场的磁力相抵消，第二磁场和永磁体磁场对集电区的钢带的吸力为零，集电区的钢带下落，集电区不再为有轨电车供电。

本实施例中，当信号探测器11检测到集电靴远离目标集电区时，发送第三控制信号至电磁驱动电路12，电磁驱动电路12根据第三控制信号给辅助电磁线圈13加反向电流，控制辅助电磁线圈13产生与永磁体磁场方向相反的第二磁场，第二磁场的磁力和永磁体磁场的磁力相抵消，使集电靴底部的磁场强度大幅度减小，第二磁场和永磁体磁场对集电区的钢带的吸力为零，集电区的钢带下落，集电区不再为有轨电车供电。

本发明实施例通过提供的一种集电靴电磁辅助控制系统，包括：信号探测器11、电磁驱动电路12和辅助电磁线圈13。通过在集电靴的永磁体上设置辅助电磁线圈13，设置信号探测器11与电磁驱动电路12电连接，电磁驱动电路12与辅助电磁线圈13电连接，信号探测器11根据集电靴驶和集电区的位置关系向电磁驱动电路12发送控制信号，电磁驱动电路12根据接收到的控制信号控制辅助电磁线圈13的电流方向。当集电靴驶入集电区时，辅助电磁线圈13产生第一磁场与永磁体磁场方向一致，吸引集电区的钢带向上移动；当集电区的钢带与集电靴正极触点接触，电磁驱动电路12切断辅助电磁线圈13的电流；当集电靴远离集电区时，辅助电磁线圈13产生第一磁场与永磁体磁场方向相反，集电区的钢带下落。本发明实施例通过提供一种集电靴电磁辅助控制系统，改变辅助电磁线圈13磁场方向，减小集电靴与集电区之间的磨损。

请参阅图2，图2为本发明实施例提供的电磁驱动电路12结构示意图。作为本发明实施例提供的集电靴电磁辅助控制系统的一种具体实施方式，该电磁驱动电路12，包括：第一开关管121、第一开关管122、第三开关管123、第四开关管124和控制器125。

第一开关管121的漏极与第一开关管122的漏极连接，第三开关管123的漏极与第四开关管124的漏极连接，第一开关管121的源极和第三开关管的源极接高电平，第一开关管122的源极和第四开关管124的源极接地；第一开关管121、第一开关管122、第三开关管123和第四开关管124的栅极分别与控制器125连接，控制器125和信号探测器11连接，辅助电磁线圈13的两端分别与第一开关管121的漏极和第三开关管123的漏极连接。

第一开关管121、第一开关管122、第三开关管123和第四开关管124组成一个典型的H桥驱动电路，如果通过辅助电磁线圈13通电产生磁场，需连通对角线上的一对开关管，根据不同开关管的导通情况，电流可能会顺时针流过辅助电磁线圈13产生与永磁体磁场方向一致的磁场，电流也可能会逆时针流过辅助电磁线圈13产生与永磁体磁场方向相反的磁场，从而控制辅助电磁线圈13的N极和S极的转换。

进一步地，请参阅图2，作为本发明实施例提供的集电靴电磁辅助控制系统的一种具体实施方式，该辅助电磁线圈13，包括：多个电磁子线圈131，电磁子线圈131的两端分别与第一开关管121的漏极和第三开关管123的漏极连接，多个电磁子线圈131之间并联连接。

当信号探测器11检测到集电靴驶入目标集电区时，信号探测器11发送第一控制信号至电磁驱动电路12的控制器125，控制器125根据第一控制信号控制第一开关管121和第四开关管124导通及第一开关管122和第三开关管123关断。此时，电流的方向为第一开关管121、电磁子线圈131、第四开关管124，多个电磁子线圈131之间并联连接，流过电磁子线圈131内部的电流产生的磁场方向与永磁体的磁场方向一致。增强了集电靴底部的磁场大小，增大了集电靴吸引集电区的钢带向上移动的引力大小，保证集电区的钢带可向上移动到工作位置。

当信号探测器11检测到集电区的钢带被第一磁场和永磁体磁场吸引向上移动到工作位置时，集电靴进入供电区段，集电靴的磁体对正下方的钢带吸起后处于工作状态。信号探测器11发送第二控制信号至电磁驱动电路12的控制器125，控制器125根据第二控制信号控制控制第一开关管121、第一开关管122、第三开关管123和第四开关管124关断。电磁子线圈131内部都没有电流通过，电磁子线圈131没有产生磁场，集电靴底部只剩下永磁体的磁场吸附钢带，从而减小集电靴的磁体对钢带的引力大小，降低了集电靴与钢带之间的摩擦力，大幅度减少电极磨损，并且还可防止线圈长时间导电造成线圈过热，出现故障，影响有轨电车的正常行驶。

当信号探测器11检测到集电靴远离目标集电区时，信号探测器11发送第三控制信号至电磁驱动电路12的控制器125，控制器125根据第三控制信号控制第一开关管122和第三开关管123导通及第一开关管121和第四开关管124关断。此时，电流的方向为第一开关管122、电磁子线圈131、第三开关管123，多个电磁子线圈131之间并联连接，流过电磁子线圈131内部的电流产生的磁场方向与永磁体的磁场方向相反。辅助电磁线圈13产生与永磁体磁场方向相反的第二磁场，第二磁场的磁力和永磁体磁场的磁力相抵消，使集电靴底部的磁场强度大幅度减小，第二磁场和永磁体磁场对集电区的钢带的吸力为零，集电区的钢带下落，集电区不再为有轨电车供电。

本实施例中，控制器125接收信号探测器11发送的控制信号控制第一开关管121、第一开关管122、第三开关管123和第四开关管124的开通的关断，控制辅助电磁线圈13内部电流的方向，从而改变辅助电磁线圈13电流形成的磁场方向。通过检测集电靴与目标集电区的位置情况，控制辅助电磁线圈13电流形成的磁场方向，减小集电靴与集电区之间的磨损。

进一步地，请一并参阅图3，图3为本发明实施例提供的电磁子线圈131结构示意图。作为本发明实施例提供的集电靴电磁辅助控制系统的一种具体实施方式，电磁子线圈131采用矩形线圈磁场结构缠绕在永磁体20侧面。

电磁子线圈131按照永磁体20磁场的N-S方向缠绕在永磁体20的侧面，使得电磁子线圈131通电后所产生的磁场方向与永磁体20的磁场方向一致或者相反，从而通过控制流入电磁子线圈131的电流方向控制电磁子线圈131生成的磁场的方向，达到增强永磁体20磁场或者减弱永磁体20磁场的目的。采用矩形线圈方式缠绕在永磁体20侧面，便于绕线排布，同时节约空间，使得各电磁子线圈131可增加缠绕长度，从而加强电磁子线圈131的磁场强度。

进一步地，电磁子线圈131材料采用低碳钢，电磁线圈心部尺寸为长40mm×宽40mm×高30mm，外部尺寸为长60×宽60×高30mm；电磁线圈直径为0.3mm，线圈高厚比为3，电磁线圈厚度为10mm，电磁磁感应强度为11000Gs，漏磁系数为2，电磁线圈铁心直径为4.5mm。

电磁子线圈131通过设置电磁线圈心部尺寸为长40mm×宽40mm×高30mm，外部尺寸为长60×宽60×高30mm，并且按照直径为0.3mm，线圈高厚比为3，电磁线圈厚度为10mm的要求将电磁线圈缠绕在永磁体20侧面，并将缠绕有电磁子线圈131的永磁体20安装在集电靴，可实现在不改变集电靴外观形状的前提下，本方案提供的集电靴电磁辅助控制系统的整体装配尺寸符合集电靴系统尺寸，提高了本方案的可实施性。实现了在降低集电靴与钢带之间的摩擦力、减少电极磨损的前提下，降低了改装成本，提高了经济效益。

进一步地，本发明实施例提供一种集电靴，包括了上述实施例所述的集电靴电磁辅助控制系统。

进一步地，本发明实施例提供一种有轨电车，包括了上述集电靴。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。