磁懸浮列車渦流制動的效能分析與優(yōu)化

陳家敏，應(yīng) 博

(1.上海機(jī)動車檢測認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805；2.上海地鐵維護(hù)保障有限公司車輛分公司，上海 201805)

線性渦流制動裝置是磁懸浮列車的關(guān)鍵技術(shù)之一，但其技術(shù)仍然不夠成熟，對渦流制動技術(shù)的研究和探索恰逢其時，具有非常重要的理論意義和應(yīng)用價值，通過理論結(jié)合仿真的方法進(jìn)一步探討渦流制動技術(shù)中的難點(diǎn)和關(guān)鍵問題，渦流制動將會更加廣泛地應(yīng)用在我國軌道交通列車制動系統(tǒng)中[1-4]。

本文在研究不同列車運(yùn)行速度下線性渦流制動裝置制動力的基礎(chǔ)上，對影響渦流制動電磁場和制動力的各參數(shù)進(jìn)行研究，為今后研制、完善線性渦流制動裝置提供借鑒參考。

1 線性渦流制動裝置基本結(jié)構(gòu)和電磁場仿真模型建立

線性渦流制動裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，制動電磁鐵由磁軛、勵磁線圈和鐵芯組成，電磁鐵由12個磁極組成，N、S方向交替排列。當(dāng)給勵磁線圈通電時，磁力線從N極出發(fā)，通過磁極與感應(yīng)軌間的間隙，穿過感應(yīng)軌表面，再通過間隙回到S極，向上通過磁軛再次回到N極，形成閉合回路。當(dāng)感應(yīng)軌相對磁場運(yùn)動時，穿過金屬任意回路的磁通量發(fā)生變化，金屬塊內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并在閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)渦流，而渦流產(chǎn)生的磁場對制動電磁鐵主磁場有抑制作用，即阻止列車前進(jìn)，達(dá)到制動效果[5]。

圖1 線性渦流制動裝置的基本結(jié)構(gòu)

線性渦流制動裝置的尺寸參數(shù)如表1所示[6]。

表1 線性渦流制動裝置的尺寸參數(shù)

2 各參數(shù)對制動性能的影響

2.1 制動力變化與結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系

在電磁鐵磁通回路中，由于鐵磁質(zhì)的存在，磁通密度的分布與導(dǎo)體中電流密度的分布具有高度的相似性，因此可以采用類似于電路定理的磁路定理來處理磁場問題。對于線性渦流制動裝置，利用等效磁路法推導(dǎo)出渦流制動力F總為[7-10]：

(1)

式中：k1,k2,k3——常數(shù)，與材料和尺寸結(jié)構(gòu)有關(guān)；

I0——系統(tǒng)的磁場儲能；

v——磁場區(qū)域的體積；

l0——?dú)庀短幋鸥袘?yīng)強(qiáng)度。

由式(1)可知，除了可以給定的與材料、尺寸或者結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)外，列車運(yùn)行速度、勵磁電流和氣隙參數(shù)直接影響渦流制動力和電磁吸力。

2.2 列車運(yùn)行速度對制動力的影響

圖2和圖3為列車運(yùn)行速度在0～300 km/h間制動力和電磁吸力的曲線，渦流制動力在低速區(qū)域隨著速度的增加而增加，達(dá)到一定臨界值后，在高速區(qū)隨速度的增加而下降。電磁吸力隨著列車運(yùn)行速度的增加而下降，在高速區(qū)域電磁吸力較小。由電磁吸力的特性曲線可以看出，低速區(qū)電磁吸力的變化很大，彌補(bǔ)了低速區(qū)制動力降低較快的缺點(diǎn)，在低速時的摩擦制動上提供了優(yōu)勢。隨著速度的增加，使得感應(yīng)軌中產(chǎn)生渦流的等效線圈磁通密度的變化增加，制動力增加直到出現(xiàn)最大制動力，此時和趨膚效應(yīng)有關(guān)的渦流分布逐漸趨于穩(wěn)定，磁力線的彎曲變形達(dá)到極限到平行并聚集到此位置，磁場作用的渦流等效線圈制動力即達(dá)到極限。由于制動過程中產(chǎn)生的渦流退磁效應(yīng)，勵磁線圈的等效電阻隨列車運(yùn)行速度的增加逐漸增加，同時考慮溫度對及其他參數(shù)的影響變化，以及漏磁的不斷增大，使得制動力下降。

圖2 制動力隨列車運(yùn)行速度變化曲線

圖3 電磁吸力隨列車運(yùn)行速度變化曲線

2.3 勵磁電流對制動力的影響

在給定氣隙11 mm的條件下，設(shè)定勵磁電流分別為50 A、60 A、70 A、80 A，得到不同勵磁電流下制動力和電磁吸力隨列車運(yùn)行速度的變化曲線，如圖4和圖5所示。從圖中可以看出，同一列車運(yùn)行速度下，勵磁電流越大，制動力和電磁吸力越大。

圖4 勵磁電流對制動力的影響

圖5 勵磁電流對電磁吸力的影響

2.4 氣隙大小對制動力的影響

在給定勵磁電流56.7 A的條件下，設(shè)定氣隙分別為8 mm、11 mm、19 mm、27 mm，得到不同氣隙下制動力和電磁吸力隨列車運(yùn)行速度的變化曲線，如圖6和圖7所示。電磁鐵與感應(yīng)軌間的氣隙越大，總磁阻越大，磁通密度越小。渦流制動對電磁鐵與感應(yīng)軌之間的氣隙大小很敏感，氣隙的變化能夠引起制動力和電磁吸力產(chǎn)生較大的變化。感應(yīng)軌與制動裝置間氣隙越小越好，不過感應(yīng)軌與制動裝置氣隙不能太小，會容易產(chǎn)生風(fēng)險，氣隙8 mm已經(jīng)是制動后最小間隙。

圖6 氣隙對制動力的影響

圖7 氣隙對電磁吸力的影響

2.5 磁極數(shù)量對制動力的影響

保證電磁鐵總長度和高度不變，將12個磁極變?yōu)?4個磁極，使每個磁極的長度從71 mm變?yōu)?7 mm，得到不同磁極數(shù)量下制動力和電磁吸力隨列車運(yùn)行速度的變化曲線，如圖8和圖9所示。相同列車運(yùn)行速度下，14個磁極的制動力反而較小。14個磁極的電磁鐵與感應(yīng)軌總作用面積比12個磁極的電磁鐵與感應(yīng)軌總作用面積小，總電磁鐵體積也隨著磁極數(shù)量的增加而減小，磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之降低，因此制動力減小。從結(jié)構(gòu)優(yōu)化和空間占有的情況考慮，選擇12個磁極時的制動性能更加優(yōu)越。

圖8 磁極數(shù)量對制動力的影響

圖9 磁極數(shù)量對電磁吸力的影響

2.6 導(dǎo)磁材料對制動力的影響

磁懸浮列車用電磁鐵的鐵芯主要有3種材料：St37結(jié)構(gòu)鋼、硅鋼、St37結(jié)構(gòu)鋼加硅鋼。圖10和圖11為3種材料下制動力和電磁吸力隨列車運(yùn)行速度變化曲線。由圖10、圖11可知，3種導(dǎo)磁材料的使用對制動力和電磁吸力影響不大，相對來說采用St37結(jié)構(gòu)鋼作為導(dǎo)磁材料較好。

圖10 導(dǎo)磁材料對制動力的影響

圖11 導(dǎo)磁材料對電磁吸力的影響

2.7 磁極排列方式對制動力的影響

圖12和圖13為采用2種磁極排列方式(NSNS和NSSN)時制動力和電磁吸力隨列車運(yùn)行速度的變化曲線。如圖12和圖13所示，NSNS和NSSN磁極排列方式的結(jié)構(gòu)均是可行的，但NSNS的制動裝置制動力和電磁吸力明顯大于NSSN，響應(yīng)時間也更短，制動力的波動更小；無論渦流制動裝置磁極數(shù)量多少，以NSNS磁極交替排列的形式分布能達(dá)到更好的制動效果。

圖12 磁極排列方式對制動力的影響

圖13 磁極排列方式對電磁吸力的影響

3 渦流制動裝置試驗(yàn)分析

現(xiàn)有數(shù)學(xué)模型和仿真計算僅僅是對渦流制動裝置進(jìn)行定性分析，為驗(yàn)證所設(shè)計的渦流制動裝置的減速效能，與廠家合作研制了渦流制動裝置并進(jìn)行了臺架試驗(yàn)，如圖14所示。

圖14 渦流制動裝置

圖15和圖16為最大輸入電流條件下渦流制動裝置的制動力和電磁吸力隨列車運(yùn)行速度變化曲線。

圖16 最大輸入電流條件下渦流制動裝置電磁吸力變化曲線

對比圖2、圖3的仿真結(jié)果和圖15、圖16的試驗(yàn)曲線，制動力和電磁吸力的變化曲線幾乎一致。

4 結(jié)論

本文基于理論計算和數(shù)值分析，對電磁渦流制動的效能進(jìn)行了深入的分析，得出以下結(jié)論：

(1) 通過對渦流制動裝置的影響參數(shù)展開分析，對比不同影響參數(shù)下的結(jié)果，找到在勵磁電流56.7 A時，感應(yīng)軌與制動裝置間氣隙最優(yōu)值為8 mm。

(2) 在最優(yōu)參數(shù)值下改變電磁鐵磁極數(shù)量和電磁鐵結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化和空間占有率考慮，12個磁極的制動裝置與14個磁極的制動裝置相比，能達(dá)到更好的制動效果。

(3) 對比分析了導(dǎo)磁材料對制動性能的影響，St37結(jié)構(gòu)鋼、硅鋼和St37結(jié)構(gòu)鋼加硅鋼交替混合使用3種形式對結(jié)果均無太大影響。

(4) 對比了2種磁極排列方式(NSNS和NSSN)的制動力和電磁吸力結(jié)果，得出NS磁極交替排列分布的電磁渦流制動裝置的制動性能更加優(yōu)越。

本研究可為實(shí)際設(shè)計和優(yōu)化線性渦流制動裝置提供參考。