車輪傳感器電磁分布研究

盧迪++周三強(qiáng)

摘要：針對車輪傳感器是保證鐵路運(yùn)輸安全、提高運(yùn)輸效率及管理系統(tǒng)自動化所必需的一種核心設(shè)備問題，通過分析了車輪傳感器的工作原理，利用Ansoft Maxwell 3D有限元仿真軟件對傳感器電磁系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，在建立合理的車輪傳感器電磁仿真模型的基礎(chǔ)上，分析了線圈的位置和角度對傳感器電磁分布產(chǎn)生的影響，優(yōu)化了發(fā)送和接收線圈的結(jié)構(gòu)，對車輪傳感器的設(shè)計和研制具有一定的指導(dǎo)意義.

關(guān)鍵詞：傳感器；電磁場；線圈；Ansoft

DOI：10.15938/j.jhust.2015.02.010

中圖分類號：U284.47

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-2683（2015）02-0053-04

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國在鐵路建設(shè)方面的投入大幅增加，對于鐵路設(shè)備和鐵路安全運(yùn)行的要求也愈來愈高.車輪傳感器是保證鐵路運(yùn)輸安全、提高運(yùn)輸效率及管理系統(tǒng)自動化所必需的一種核心設(shè)備.同前，國內(nèi)外流行的車輪傳感器主要有無源和有源兩種形式.而無源傳感器由于自身的不足，只能在列車運(yùn)行速度高于5km/h的時候才可以使用，所以現(xiàn)在大多數(shù)都采用有源車輪傳感器

電磁感應(yīng)車輪傳感器是有源車輪傳感器的一種，種類繁多，應(yīng)用最為廣泛.然而其詳盡的磁場分布規(guī)律和定量分析的文獻(xiàn)圍內(nèi)外公開的甚少，準(zhǔn)確分析和計算車輪傳感器中電磁系統(tǒng)的磁場分布是傳感器優(yōu)化設(shè)計和研制的關(guān)鍵問題，

1 車輪傳感器的工作原理

電磁感應(yīng)車輪傳感器主要是利用線圈互感原理研制的.當(dāng)列車車輪通過計測點(diǎn)時，車輪傳感器接收端的磁通量會發(fā)生變化，從而得到輪軸信息.發(fā)送端和接收端一般由銅質(zhì)線圈和磁性材料構(gòu)成，但由于磁性材料的溫度穩(wěn)定性差，我們采用了空心線圈，車輪傳感器的電磁系統(tǒng)包括發(fā)送線圈和接收線圈，發(fā)送線圈安裝在鋼軌外側(cè)，接收線圈安裝在鋼軌內(nèi)側(cè)，車輪傳感器的裝置圖如圖1所示：

2 車輪傳感器有限元建模

目前，工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)常用的數(shù)值模擬方法有：有限單元法、邊界元法、離散單元法和有限差分法，就適用性與應(yīng)用的廣泛性而言，主要是有限單元法.Ansoft Maxwell作為世界著名的商用低頻電磁場有限元軟件，在實(shí)際中有著廣泛的應(yīng)用.此軟件把復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算放到后臺進(jìn)行處理，使用者可以直接面向需要解決的問題，建立模型，設(shè)置材料屬性，參數(shù)及其他相關(guān)的求解設(shè)置，然后進(jìn)入后處理步驟，得到相關(guān)電磁場和參數(shù)的詳細(xì)信息.

2.1 求解器設(shè)定和幾何建模

車輪傳感器的電磁分布屬于不對稱的非線性開域時變磁場，無法建立二維磁場模型，所以只能利用Ansoft Maxwell 3D進(jìn)行有限元建模，車輪傳感器周圍電磁場屬于非線性似穩(wěn)磁場，對于似穩(wěn)磁場通常采用Ansoft中的渦流場求解器進(jìn)行仿真分析，

幾何建模中主要有發(fā)射和接收線圈、車輪和鐵軌等幾何體.根據(jù)鐵路用熱軋鋼軌的標(biāo)準(zhǔn)CB2585-2007中的分類，仿真計算中所用到的鋼軌采用50kg/m的鋼軌，車輪采用鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T10IO-2005中所規(guī)定的RD33型輪對，然而在實(shí)際的仿真中，由于車輪和鐵軌的尺寸過大，剖分的網(wǎng)格數(shù)過多，對計算資源要求很高，所以我們對其進(jìn)行了簡化處理，鋼軌和模擬車輪的具體尺寸如圖2所示，鋼軌的長度設(shè)定為200mm.

2.2指定材料屬性

車輪傳感器的材料屬性如下表所示.

2.3激勵源和邊界條件設(shè)定

由于車輪傳感器主要是利用發(fā)送線圈和接收線圈的互感原理設(shè)計的，發(fā)送線圈需要通過一定的電流，接收線圈中才會感應(yīng)出信號.仿真時在發(fā)送線圈添加240mA的正弦電流信號，接收線圈添加為被動激勵信號，在渦流場求解器中可以利用軟件自動計算得出接收線圈中感應(yīng)出的信號值.為了提高仿真速度，計算過程中設(shè)定幾何邊界為阻抗邊界.引入阻抗邊界條件后，可以對透入深度進(jìn)行忽略，減小了器件表層劃分過于細(xì)致帶來的龐大計算量.

3 仿真結(jié)果分析

車輪傳感器是利用線圈的互感設(shè)計的，發(fā)送線圈和接收線圈的位置和角度對車輪傳感器的靈敏度有著至關(guān)重要的影響，要設(shè)計出最優(yōu)的傳感器結(jié)構(gòu)，必須先確定出其適合的角度和位置.本模型是以Maxwell中的3D渦流場進(jìn)行模擬仿真的，可以利用接收線圈中的感應(yīng)磁通量來衡量其最優(yōu)結(jié)構(gòu).模型的YOZ平面投影圖和網(wǎng)絡(luò)剖分圖如圖3所示.

數(shù)據(jù)由于接收線圈位置受車輪輪緣導(dǎo)致的空間限制，只能試著改變發(fā)射線圈的位置和角度來達(dá)到優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)的目標(biāo)，本文以發(fā)射線圈的幾何相對位置Y=82mm，Z=72mm，α=65°作為基準(zhǔn)位置，分別改變發(fā)射線圈的橫向距離y、縱向距離Z和角度α，通過對接收線圈中磁通量的變化進(jìn)行分析，利用Maxwell軟件中的計算器Fields Calculator對磁通量進(jìn)行計算，得到的接收線圈內(nèi)部截面磁通量值如表2，3，4所示.

由于鋼軌周圍的空間限制，實(shí)際的發(fā)射線圈調(diào)整角度也受到限制，我們只對40°至85°進(jìn)行了仿真.從表2我們可以看出隨著發(fā)射線圈角度的增加，接收線圈中的磁通量有一定的波動，考慮到本文是利用無車輪和有車論時磁通量的差值來進(jìn)行車輪輪軸的測量，我們選擇磁通量值較大且有、無車輪時差值較大的作為線圈的最佳安放位置.當(dāng)α=65°有時接收線圈的磁通量值比較大，并且與無車輪時接收線圈的磁通量差值最大，因此選α=65°作為接收線圈最佳安放角度.

同樣由于鋼軌周圍的空間限制，實(shí)際的發(fā)射線圈水平位置和垂直位置也受到限制，線圈不可能無限的接近鐵軌，根據(jù)鐵路部門的相關(guān)規(guī)定以及在實(shí)際安裝中裝置的安裝空間限制，我們只對水平位置Y=74mm至y=108mm和垂直位置Z=60㎜至Z=78mm之間的位置進(jìn)行仿真，從表3和表4我們可以看出，水平位置y=82mm時有車輪時接收線圈的磁通量值最大，并且與無車輪時接收線圈的磁通量差值最大；垂直位置Z=72mm時有車輪時接收線圈的磁通量值比較大，并且與無車輪時接收線圈的磁通量差值最大，所以選水平位置y=82mm.垂直位置Z=72mm作為接收線圈最佳安放位置.

通過對以上3個表格進(jìn)行分析可以確定線圈的最佳安放位置為y=82mm，Z=72mm，α=65°.與傳感器處于最佳安放位置時，傳感器的磁感應(yīng)云圖，如圖4和圖5所示，磁感應(yīng)矢量圖，如圖6和圖7所示.此時接收線圈中感應(yīng)到的磁通量值最大且與無車輪時磁通量差值最大，如果按這個結(jié)構(gòu)設(shè)計傳感器的電磁系統(tǒng)，可以提高傳感器信號的靈敏度.

5 結(jié) 論

車輪傳感器是保障鐵路安全運(yùn)營的核心設(shè)備，本文利用Ansoft Maxwell 3D有限元仿真軟件對傳感器電磁系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，通過對仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)分析可得，當(dāng)線圈的水平位置為82mm、垂直位置為72mm、角度為65°時，傳感器探頭線圈的靈敏度最高.