[发明专利]一种引入永磁电磁耦合器的独立轮对导向控制结构及方法

权利要求书

1.一种引入永磁电磁耦合器的独立轮对导向控制结构，其特征在于，其包括车轮、外置制动盘、U形车轴、轮侧齿轮、齿轮箱、控制器、车速传感器，左右两侧车轮外侧中心通过法兰连接外制动盘，左右车轮内侧的中心位置分别连接U形车轴一端形成轮对，左右两侧车轮紧贴车轮的内侧同心安装轮侧齿轮，左右两侧的轮侧齿轮分别与两侧对应的齿轮箱中的小齿轮啮合，两个齿轮箱中的小齿轮分别连接有传动轴，两根传动轴的另一端分别连接电磁耦合器的内转子部分、外转子部分。

2.根据权利要求1所述的一种引入永磁电磁耦合器的独立轮对导向控制结构，其特征在于，所述制动盘与轮毂之间采用螺栓进行连接固定，所述轮侧齿轮固结在轮毂上，小齿轮与轮侧齿轮啮合，小齿轮与传动轴之间采用过盈配合进行安装。

3.根据权利要求1所述的一种引入永磁电磁耦合器的独立轮对导向控制结构，其特征在于，所述电磁耦合器设置有控制系统，其包括 车速传感器：用于感应当前车速； 转速传感器，对应设置在左右车轮处，用于感应当前左右车轮的转速； 曲线线路信息应答器：用于感应当前路线上的曲线线路的信息，包括位置信息、长度信息、曲线度； 变流器：接受控制器的控制的同时与电磁耦合器连接，用于对电流进行控制，从而控制电磁耦合器内外转子转速； 控制器：控制器与车速传感器、转速传感器、曲线线路信息应答器、变流器连接，接受车速传感器、转速传感器、曲线线路信息应答器的信息，对变流器控制以使其输出一定频率、大小的三相交流电。

4.根据权利要求1所述的一种引入永磁电磁耦合器的独立轮对导向控制结构，其特征在于，电磁耦合器的外转子采用三相绕组的供电方式，外转子部分相对于轮侧齿轮转动，在耦合器外壳嵌入带有三条石墨制受电轨道的绝缘圈为耦合器供电，在轮侧齿轮箱壁安装有两个弹簧支承的钢制滚珠分别于两条受电轨道接触供电。

5.根据权利要求1所述的一种引入永磁电磁耦合器的独立轮对导向控制结构，其特征在于，所述电磁耦合器为永磁体筒式调速型电磁耦合器，其包括外转子和内转子，耦合器外转子由耦合器外壳、嵌入在外壳内部的由硅钢片叠压而成的外转子铁芯、外转子线圈绕组和端盖构成，耦合器内转子由硅钢片叠压而成的内转子铁芯和内转子铁芯内圈构成，外转子铁芯和内转子铁芯上嵌有钕铁硼永磁材料的永磁体，轮侧齿轮与小齿轮啮合后带动电磁耦合器的鼠笼式内转子转动；右侧车轮转动可以带动电磁耦合器的外转子转动，此时耦合器外转子与内转子的转速差可以反映两侧车轮的转速差。

6.根据权利要求1所述的一种引入永磁电磁耦合器的独立轮对导向控制结构，其特征在于，为使传动轴中心线相对于地面高度较低而不影响电磁耦合器与U形车轴发生干涉，将齿轮箱向下倾斜45°安装，以满足低地板车的车底板高度需求。

7.一种引入永磁电磁耦合器的独立轮对导向控制方法，其特征在于，其步骤包括： （1）控制器通过曲线线路信息应答器、车速传感器分别获取车辆运行的线路信息以及车辆运行速度信息； （2）控制器计算得出通过曲线时的两侧车轮转速差控制期望； （3）将步骤2）中得到的转速差控制期望作为电磁耦合器矢量控制系统的控制目标，控制永磁电磁耦合器内外转子间产生电磁力矩以驱使两侧车轮形成转速差通过曲线； （4）通过安装于两侧车轮处的转速传感器，得知当前车轮转速差数据与转速差控制期望进行对比，将两者做差可得转速差控制误差，并以该转速差控制误差为控制器的反馈信号，根据该反馈信号永磁电磁耦合器内外转子间产生电磁力矩以驱使两侧车轮形成转速差趋于转速差控制期望。

8.根据权利要求7所述的一种引入永磁电磁耦合器的独立轮对导向控制方法，其特征在于，所述线路信息包含线路曲率及外轨超高。

9.根据权利要求7所述的一种引入永磁电磁耦合器的独立轮对导向控制方法，其特征在于，线路参数信息通过地面应答器信号触发或者里程数映射采集得到。

10.根据权利要求7所述的一种引入永磁电磁耦合器的独立轮对导向控制方法，其特征在于，步骤（2）中两侧车轮转速差控制期望计算方法为根据独立轮对的横向动力学模型，考虑独立轮对的横移运动y_w和摇头运动ψ_w，如式（1）和（2）所示：

（1）

（2）

式（1）和（2）中，m_w为轮对质量；I_wz为轮对的摇头转动惯量； f₁₁为纵向蠕滑系数；f₂₂为横向蠕滑系数；P为轮对轴重；r₀为名义滚动圆半径；λ为车轮锥型踏面斜度；v为轮对前进速度；g为重力加速度；ϕ_sew为曲线外轨超高角；κ为曲线的曲率；L_g为名义滚动圆横向跨距之半；L_b为一系悬挂定位点横向跨距之半；分别为左右侧车轮转动速度；k_x、k_y分别为一系纵横向定位刚度；T_L、T_R分别为两侧车轮的驱动力矩；在稳态运行情况下，假设独立轮对稳态通过曲线，其惯性项可忽略不计，即，可得到下列两式：

（3）

式中：为两侧车轮实时转速差，且；为避免轮缘与轨道接触的最直接的方法是控制轮对的横移量小于轮缘间隙，即控制目标为y_w0 = 0，由此可知两侧车轮的转速差控制期望为

（4）

倘若线路曲线外轨超高h设置满足：

（5）

式中：h的单位mm，v_p为各车次通过该曲线段的车速，单位km/h；

则式（5）可近似表示为：

（6）

代入当前车辆运行速度v和线路曲率κ，得到两侧车轮实时转速差控制期望。