軌道渦流對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 智能科學學院,湖南 長沙 410073)

0 引 言

常導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、舒適等優點而受到了廣泛關注，在運行過程中，懸浮系統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]，是懸浮控制系統實施主動控制的關鍵檢測部件。為了保證車體的正常穩定運行[4～6]，懸浮間隙傳感器必須為懸浮控制系統反饋可靠、實時間隙信息[7]。

中低速磁浮軌道通常采用無疊片F型鋼軌，在運行過程中，車輛底部的懸浮電磁鐵與軌道發生相對運動，軌道中會感應出渦流(簡稱為F軌渦流)，研究[8～11]表明，F軌的這種渦流現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。運動電磁鐵引入的渦流在電磁鐵兩端所對應的軌道處表現較大的密度，而在電磁鐵中間所對應的軌道處表現較小的密度，且兩端的渦流方向相反，車輛運動前端的軌道渦流削弱懸浮磁場，而后端的軌道渦流則加強懸浮磁場[12]。

外界環境中的電磁場會對電渦流傳感器造成影響[13～17]，但被測導體中存在的渦流對傳感器檢測的影響研究不多，特別是這種運動電磁鐵引入的F軌渦流對懸浮間隙傳感器的影響研究更少，目前尚無文獻展開分析研究。

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

1 軌道渦流情況仿真

根據北京中低速磁浮S1線的磁浮列車情況，其最高運行速度設計為100 km/h，由文獻[10，11]可知F軌的渦流情況與列車的運行速度呈正相關，即速度越高，F軌渦流效應越明顯，對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速100 km/h條件下F軌渦流對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。一個懸浮電磁鐵模塊由四個懸浮電磁鐵線包組成，上方是導軌，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，匝數為384，軌道、極板和鐵芯采用Q235材料，線圈材料為鋁，運動對象為軌道，仿真軌道向z軸正方向運動。根據相對運動原理，電磁鐵相對軌道向z軸負方向運動。

圖1 懸浮電磁鐵模塊三維仿真模型

檢測線圈設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時，傳感器的檢測探頭線圈不會碰到軌道而受損，電磁鐵與軌道貼住時，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，當懸浮間隙為9 mm時，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，渦流的滲透深度很薄[18]。參照滲透深度的計算式(1)，激勵頻率為2 MHz，硅鋼片電導率為5×106S/m，相對磁導率為7 000～10 000，計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軌渦流對懸浮間隙傳感器的影響，根據所計算的趨膚深度，選取模型中距離懸浮間隙傳感器正對應的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檢測線圈，其與電磁鐵的相對位置如圖 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。結果如圖4所示，圖中6條曲線分別為時速為100 km/h下6處參考線位置的渦流側向分量Jz。

圖2 懸浮間隙傳感器與懸浮電磁鐵的相對位置

圖3 參考線位置示意

圖4 時速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，達到100 Hz左右，因此該F軌渦流為一種低頻渦流。

在此基礎上，仿真參考線3和參考線6的由渦流側向分量Jz產生磁通密度側向分量By的變化情況，結果如圖 5所示。因為前端F軌渦流產生磁通密度方向向上，與懸浮間隙傳感器檢測線圈激勵產生渦流是正向作用疊加，而后端F軌渦流產生磁通密度方向向下，與懸浮間隙傳感器檢測線圈激勵產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，導致前端的磁通密度變化比較大。靜止時的相同參考面的磁通密度仿真情況如圖 5(b)所示，比較可知因為渦流的影響，使得軌道下表面最大磁通密度變化達到了0.23 T。

圖5 磁通密度仿真情況

2 軌道渦流對懸浮間隙傳感器影響的仿真分析

如圖 6所示，為了進一步分析F軌渦流對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的位置增加兩個檢測線圈，如前所述，z坐標比較小的檢測線圈為前端懸浮間隙傳感器檢測線圈，該線圈激勵電流頻率為2 MHz，線圈距離軌道下表面13 mm，仿真時速100 km/h時懸浮間隙傳感器所對應的F軌檢測面處的磁通密度分布。檢測線圈設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時，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，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，當懸浮間隙為9 mm時，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為對應的檢測線圈等效電感量值的變化。由圖可知，F軌渦流導致了前后端傳感器線圈電感值都發生了波動，最大前端傳感器發生大約0.065 μH幅值的變化(相對變化1.57 %)，且時速100 km/h下的前端傳感器線圈與靜止時相比，其電感在發生波動的同時，值也有所下降，但后端傳感器線圈電感值變化不明顯，這是因為在電磁鐵的前端引入的F軌渦流比后端更強所致。檢測線圈的電感影響越大，傳感器間隙檢測結果的影響也就越大，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軌渦流是運動導體在恒磁場中切割磁感線而產生，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，單獨建立仿真模型，高頻激勵線圈中通入2 MHz的高頻電流，線圈距離軌道高度與前面仿真模型一致，設置13 mm，為模擬F軌與電磁鐵相對運動而產生的渦流情況，陰影部分設為低頻激勵線圈，通入100 Hz的低頻電流，使其在F軌中形成低頻渦流，當通入的電流方向與高頻激勵電流一致時，其表現為兩種渦流的正向疊加作用，反之則表現為反向疊加作用。

圖8 檢測高低頻渦流疊加效果模型示意

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

結果顯示，低頻渦流與高頻渦流的疊加導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。

因為檢測線圈與軌道的距離越大，其等效電感值越小，結合上述高低頻渦流仿真結果可以得出低頻渦流的疊加導致傳感器檢測的距離偏大的結論，進一步說明了F軌渦流有可能導致懸浮間隙傳感器輸出測量間隙值偏大的結果。

3 試驗與建議

為探究仿真結果的正確性以及懸浮間隙傳感器實際受F軌渦流現象影響，對懸浮間隙傳感器進行了運行試驗。

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3只探頭的輸出來進行對比。

圖9 激光傳感器安裝示意

試驗磁浮車輛設定在7.0 %～7.5 %坡頂的平直段往返運行，由于測試條件受限，試驗運行速度為60 km/h，此速度與本文仿真速度100 km/h有一定差距，但因為F軌的渦流現象是隨車輛速度的提高而增強的，所以,60 km/h速度條件下的試驗結果對本文仿真的驗證是合理且可接受的。

從圖10的實驗結果可以看出，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，與前文的仿真結果一致，懸浮間隙傳感器因受F軌渦流影響而導致其輸出的測量值偏大。

圖10 端部試驗結果

針對這些影響，提出改善懸浮間隙傳感器受F軌渦流影響的幾點建議如下：

1)適當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。F軌渦流的分布情況是兩個端部渦流現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移會減弱F軌渦流對懸浮間隙傳感器檢測的影響。

2)適當增大懸浮間隙。懸浮間隙分別為8,9,9.5 mm的F軌渦流對懸浮間隙傳感器檢測影響,當列車時速為0 km/h時，對應的仿真電感值分別為4.356,4.138,4.136 μH;當列車時速為100 km/h時，對應的仿真電感值分別為4.310,4.112,4.132 μH。可知，隨著懸浮間隙的增大，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，適當地提高懸浮間隙可以在一定程度上減弱F軌渦流對懸浮間隙傳感器的影響。

4 結 論

1)由于F軌和電磁鐵發生相對運動而切割磁感線，懸浮間隙傳感器渦流檢測面位置產生了感應渦流，其影響磁通密度變化最大幅值可達0.23 T。

2)F軌渦流導致懸浮間隙傳感器檢測線圈的電感值會產生呈下降趨勢的波動，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，試驗結果驗證了上述結論。

3)針對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；并適當地增大懸浮間隙。上述措施可以在一定程度上減弱F軌渦流對懸浮間隙傳感器的影響。