軌道渦流對(duì)磁浮車輛頭部懸浮間隙傳感器的影響*

羅茹丹， 吳 峻， 李中秀

(國防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院,湖南 長沙 410073)

0 引 言

常導(dǎo)中低速磁浮列車采用無接觸的電磁懸浮和直線牽引原理，以其無磨損、噪音低、安全、平穩(wěn)、舒適等優(yōu)點(diǎn)而受到了廣泛關(guān)注，在運(yùn)行過程中，懸浮系統(tǒng)控制車廂始終與軌道之間保持在8～10 mm左右的懸浮間隙，懸浮間隙檢測由懸浮間隙傳感器完成。懸浮間隙傳感器安裝于電磁鐵的端部和F型軌道中間，處于在F軌下部，是一種高頻反射式電渦流位移傳感器[1～3]，是懸浮控制系統(tǒng)實(shí)施主動(dòng)控制的關(guān)鍵檢測部件。為了保證車體的正常穩(wěn)定運(yùn)行[4～6]，懸浮間隙傳感器必須為懸浮控制系統(tǒng)反饋可靠、實(shí)時(shí)間隙信息[7]。

中低速磁浮軌道通常采用無疊片F(xiàn)型鋼軌，在運(yùn)行過程中，車輛底部的懸浮電磁鐵與軌道發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，軌道中會(huì)感應(yīng)出渦流(簡稱為F軌渦流)，研究[8～11]表明，F(xiàn)軌的這種渦流現(xiàn)象造成了懸浮力的下降，并隨著速度的升高而增大，且越靠近車輛頭部越明顯。運(yùn)動(dòng)電磁鐵引入的渦流在電磁鐵兩端所對(duì)應(yīng)的軌道處表現(xiàn)較大的密度，而在電磁鐵中間所對(duì)應(yīng)的軌道處表現(xiàn)較小的密度，且兩端的渦流方向相反，車輛運(yùn)動(dòng)前端的軌道渦流削弱懸浮磁場，而后端的軌道渦流則加強(qiáng)懸浮磁場[12]。

外界環(huán)境中的電磁場會(huì)對(duì)電渦流傳感器造成影響[13～17]，但被測導(dǎo)體中存在的渦流對(duì)傳感器檢測的影響研究不多，特別是這種運(yùn)動(dòng)電磁鐵引入的F軌渦流對(duì)懸浮間隙傳感器的影響研究更少，目前尚無文獻(xiàn)展開分析研究。

本文對(duì)車輛頭部懸浮電磁鐵進(jìn)行了有限元仿真，分析了車輛運(yùn)動(dòng)引入的渦流，仿真了懸浮間隙傳感器檢測線圈正對(duì)F軌檢測面的渦流及磁通密度情況，并探究了F軌渦流對(duì)車輛頭部懸浮間隙傳感器的影響。

1 軌道渦流情況仿真

根據(jù)北京中低速磁浮S1線的磁浮列車情況，其最高運(yùn)行速度設(shè)計(jì)為100 km/h，由文獻(xiàn)[10，11]可知F軌的渦流情況與列車的運(yùn)行速度呈正相關(guān)，即速度越高，F(xiàn)軌渦流效應(yīng)越明顯，對(duì)懸浮間隙傳感器造成的影響可能越大，因此，本文主要分析討論時(shí)速100 km/h條件下F軌渦流對(duì)懸浮間隙傳感器的影響。

懸浮電磁鐵模塊3D模型如圖1所示。一個(gè)懸浮電磁鐵模塊由四個(gè)懸浮電磁鐵線包組成，上方是導(dǎo)軌，下部是由極板、鐵芯、和線圈組成的電磁鐵，中間部分是懸浮間隙為9 mm(定義懸浮間隙為電磁鐵極面與軌道下極面之間的距離)，線圈電流40 A，匝數(shù)為384，軌道、極板和鐵芯采用Q235材料，線圈材料為鋁，運(yùn)動(dòng)對(duì)象為軌道，仿真軌道向z軸正方向運(yùn)動(dòng)。根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，電磁鐵相對(duì)軌道向z軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)。

圖1 懸浮電磁鐵模塊三維仿真模型

檢測線圈設(shè)置為距離軌道下表面13 mm的原因是，為了防止電磁鐵處于吸死軌道狀態(tài)時(shí)，傳感器的檢測探頭線圈不會(huì)碰到軌道而受損，電磁鐵與軌道貼住時(shí)，傳感器的檢測探頭與檢測的軌道面之間依然保留4 mm間隙，這樣，當(dāng)懸浮間隙為9 mm時(shí)，傳感器的探頭線圈距離檢測的軌道面之間就是13 mm。

懸浮間隙傳感器由于是一種高頻反射式電渦流傳感器，檢測磁場在F軌表面所形成的渦流。由于趨膚效應(yīng)，渦流的滲透深度很薄[18]。參照滲透深度的計(jì)算式(1)，激勵(lì)頻率為2 MHz，硅鋼片電導(dǎo)率為5×106S/m，相對(duì)磁導(dǎo)率為7 000～10 000，計(jì)算得到懸浮間隙傳感器檢測渦流形成的趨膚深度約為0.006 mm,即

(1)

為探究F軌渦流對(duì)懸浮間隙傳感器的影響，根據(jù)所計(jì)算的趨膚深度，選取模型中距離懸浮間隙傳感器正對(duì)應(yīng)的F軌下凹表面0.006 mm的面為分析面。懸浮間隙傳感器裝有三個(gè)檢測線圈，其與電磁鐵的相對(duì)位置如圖 2[19]。

為方便討論，如圖3所示，沿x方向在懸浮間隙傳感器的每個(gè)檢測線圈中心各取了一條參考線，仿真分析這些位置軌道下表面0.006 mm處的F軌渦流情況。結(jié)果如圖4所示，圖中6條曲線分別為時(shí)速為100 km/h下6處參考線位置的渦流側(cè)向分量Jz。

圖2 懸浮間隙傳感器與懸浮電磁鐵的相對(duì)位置

圖3 參考線位置示意

圖4 時(shí)速100 km/h渦流仿真

由圖 4可知，前端懸浮間隙傳感器檢測線圈3和后端懸浮間隙傳感器檢測線圈6位置的渦流現(xiàn)象最明顯，且兩端渦流方向相反。仿真參考線3中心處的渦流磁場頻率，達(dá)到100 Hz左右，因此該F軌渦流為一種低頻渦流。

在此基礎(chǔ)上，仿真參考線3和參考線6的由渦流側(cè)向分量Jz產(chǎn)生磁通密度側(cè)向分量By的變化情況，結(jié)果如圖 5所示。因?yàn)榍岸薋軌渦流產(chǎn)生磁通密度方向向上，與懸浮間隙傳感器檢測線圈激勵(lì)產(chǎn)生渦流是正向作用疊加，而后端F軌渦流產(chǎn)生磁通密度方向向下，與懸浮間隙傳感器檢測線圈激勵(lì)產(chǎn)生渦流是反向作用疊加。前后端比較而言，前端F軌渦流更大，導(dǎo)致前端的磁通密度變化比較大。靜止時(shí)的相同參考面的磁通密度仿真情況如圖 5(b)所示，比較可知因?yàn)闇u流的影響，使得軌道下表面最大磁通密度變化達(dá)到了0.23 T。

圖5 磁通密度仿真情況

2 軌道渦流對(duì)懸浮間隙傳感器影響的仿真分析

如圖 6所示，為了進(jìn)一步分析F軌渦流對(duì)懸浮間隙傳感器的影響，在懸浮電磁鐵模塊兩端懸浮間隙傳感器檢測線圈3和檢測線圈6的位置增加兩個(gè)檢測線圈，如前所述，z坐標(biāo)比較小的檢測線圈為前端懸浮間隙傳感器檢測線圈，該線圈激勵(lì)電流頻率為2 MHz，線圈距離軌道下表面13 mm，仿真時(shí)速100 km/h時(shí)懸浮間隙傳感器所對(duì)應(yīng)的F軌檢測面處的磁通密度分布。檢測線圈設(shè)置為距離軌道下表面13 mm的原因是，為了防止電磁鐵處于吸死軌道狀態(tài)時(shí)，懸浮間隙傳感器的檢測探頭線圈因碰到軌道而受損，電磁鐵與軌道貼住時(shí)，傳感器的檢測探頭與檢測的軌道面之間依然保留4 mm間隙，這樣，當(dāng)懸浮間隙為9 mm時(shí)，傳感器的探頭線圈距離檢測的軌道面之間就是13 mm。

圖6 仿真模型示意

圖7為對(duì)應(yīng)的檢測線圈等效電感量值的變化。由圖可知，F(xiàn)軌渦流導(dǎo)致了前后端傳感器線圈電感值都發(fā)生了波動(dòng)，最大前端傳感器發(fā)生大約0.065 μH幅值的變化(相對(duì)變化1.57 %)，且時(shí)速100 km/h下的前端傳感器線圈與靜止時(shí)相比，其電感在發(fā)生波動(dòng)的同時(shí)，值也有所下降，但后端傳感器線圈電感值變化不明顯，這是因?yàn)樵陔姶盆F的前端引入的F軌渦流比后端更強(qiáng)所致。檢測線圈的電感影響越大，傳感器間隙檢測結(jié)果的影響也就越大，檢測線圈電感值的變小說明F軌渦流的影響導(dǎo)致懸浮間隙傳感器輸出測量間隙值偏大。

另一方面，由于F軌渦流是運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體在恒磁場中切割磁感線而產(chǎn)生，屬于低頻渦流，而懸浮間隙傳感器檢測線圈在F軌檢測表面形成的是高頻渦流。為了分析兩種不同頻率的渦流疊加影響，如圖 8所示，單獨(dú)建立仿真模型，高頻激勵(lì)線圈中通入2 MHz的高頻電流，線圈距離軌道高度與前面仿真模型一致，設(shè)置13 mm，為模擬F軌與電磁鐵相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的渦流情況，陰影部分設(shè)為低頻激勵(lì)線圈，通入100 Hz的低頻電流，使其在F軌中形成低頻渦流，當(dāng)通入的電流方向與高頻激勵(lì)電流一致時(shí)，其表現(xiàn)為兩種渦流的正向疊加作用，反之則表現(xiàn)為反向疊加作用。

圖8 檢測高低頻渦流疊加效果模型示意

由于F軌材料的磁導(dǎo)率不是常數(shù)，是非線性的磁化曲線，其無法在渦流場進(jìn)行求解[20]，且上文的三維仿真都是在瞬態(tài)場進(jìn)行的，為輔助上文的仿真，仍利用瞬態(tài)場分析低頻F軌渦流與高頻檢測渦流疊加后對(duì)傳感器檢測線圈等效電感值的影響，當(dāng)模型分別為只有高頻激勵(lì)線圈, 高低頻渦流正向疊加, 高低頻渦流反向疊加時(shí)對(duì)應(yīng)的高頻激勵(lì)線圈電感值,分別為4.138 60,4.105 59,4.105 60 μH。

結(jié)果顯示，低頻渦流與高頻渦流的疊加導(dǎo)致檢測線圈等效電感值的下降，即渦流損耗的增大，減弱高頻激勵(lì)線圈的渦流效果。無論是正向疊加還是反向疊加都將減小線圈的電感值，且兩種變化量基本一致。

因?yàn)闄z測線圈與軌道的距離越大，其等效電感值越小，結(jié)合上述高低頻渦流仿真結(jié)果可以得出低頻渦流的疊加導(dǎo)致傳感器檢測的距離偏大的結(jié)論，進(jìn)一步說明了F軌渦流有可能導(dǎo)致懸浮間隙傳感器輸出測量間隙值偏大的結(jié)果。

3 試驗(yàn)與建議

為探究仿真結(jié)果的正確性以及懸浮間隙傳感器實(shí)際受F軌渦流現(xiàn)象影響，對(duì)懸浮間隙傳感器進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)。

如圖 9所示，在懸浮間隙傳感器背部安裝的L型支架上安裝3只激光傳感器，其中2#和3#激光位移計(jì)在一條水平線上。通過觀測懸浮間隙傳感器3只檢測線圈探頭的輸出以及激光位移計(jì)3只探頭的輸出來進(jìn)行對(duì)比。

圖9 激光傳感器安裝示意

試驗(yàn)磁浮車輛設(shè)定在7.0 %～7.5 %坡頂?shù)钠街倍瓮颠\(yùn)行，由于測試條件受限，試驗(yàn)運(yùn)行速度為60 km/h，此速度與本文仿真速度100 km/h有一定差距，但因?yàn)镕軌的渦流現(xiàn)象是隨車輛速度的提高而增強(qiáng)的，所以,60 km/h速度條件下的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)本文仿真的驗(yàn)證是合理且可接受的。

從圖10的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，懸浮間隙傳感器3只線圈探頭輸出值均向大的方向漂移了最大約1.5 mm，與前文的仿真結(jié)果一致，懸浮間隙傳感器因受F軌渦流影響而導(dǎo)致其輸出的測量值偏大。

圖10 端部試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)這些影響，提出改善懸浮間隙傳感器受F軌渦流影響的幾點(diǎn)建議如下：

1)適當(dāng)延長懸浮間隙傳感器探頭，使其檢測線圈向車輛中間部分移動(dòng)。F軌渦流的分布情況是兩個(gè)端部渦流現(xiàn)象比較明顯而中間部分則弱一些，取圖4參考線3向電磁鐵中間位置偏100 mm的位置仿真其渦流情況，仿真值幾乎為0 A/m，所以，將懸浮間隙傳感器的檢測線圈安裝位置向中間轉(zhuǎn)移會(huì)減弱F軌渦流對(duì)懸浮間隙傳感器檢測的影響。

2)適當(dāng)增大懸浮間隙。懸浮間隙分別為8,9,9.5 mm的F軌渦流對(duì)懸浮間隙傳感器檢測影響,當(dāng)列車時(shí)速為0 km/h時(shí)，對(duì)應(yīng)的仿真電感值分別為4.356,4.138,4.136 μH;當(dāng)列車時(shí)速為100 km/h時(shí)，對(duì)應(yīng)的仿真電感值分別為4.310,4.112,4.132 μH?？芍S著懸浮間隙的增大，前端懸浮間隙傳感器檢測線圈仿真電感下降值逐漸變小，所以，適當(dāng)?shù)靥岣邞腋￠g隙可以在一定程度上減弱F軌渦流對(duì)懸浮間隙傳感器的影響。

4 結(jié) 論

1)由于F軌和電磁鐵發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而切割磁感線，懸浮間隙傳感器渦流檢測面位置產(chǎn)生了感應(yīng)渦流，其影響磁通密度變化最大幅值可達(dá)0.23 T。

2)F軌渦流導(dǎo)致懸浮間隙傳感器檢測線圈的電感值會(huì)產(chǎn)生呈下降趨勢(shì)的波動(dòng)，且渦流越大，電感值下降的越多，使得懸浮間隙傳感器輸出測量間隙值偏大，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了上述結(jié)論。

3)針對(duì)F軌渦流情況，可將懸浮間隙傳感器的檢測端向電磁鐵模塊的中間位置延伸，使檢測線圈向其中間位置偏移；并適當(dāng)?shù)卦龃髴腋￠g隙。上述措施可以在一定程度上減弱F軌渦流對(duì)懸浮間隙傳感器的影響。