軌道檢測平臺懸浮電磁鐵設計與仿真計算

任忠華 袁茂林 李小慶 王子超 劉帥 王劍博

（1.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春 130024；2.湖南凌翔磁浮科技有限責任公司，湖南長沙 410000）

0.引言

磁懸浮列車是通過電磁力實現列車與軌道之間的無接觸的懸浮和導向，再利用直線電機產生的電磁力牽引列車運行的現代高科技軌道交通工具[2]。

為保證磁浮列車的正常平穩運行，必須保證磁浮軌道及相關設備的運行狀態、參數控制在標準的范圍內。在軌道竣工驗收及日常運行維護檢測過程中，為減輕勞動強度，提高檢測精度和效率，降低運營成本和降低工作過程中的安全風險，有必要開發磁浮軌道綜合檢測平臺。檢測平臺搭載直線驅動電機、電源、傳感器、控制箱等設備，具備獨立的懸浮、牽引、檢測功能。檢測平臺總重量為1000kg。基本結構及布局如圖1。

本文在中低速磁懸浮列車典型的HSST電磁吸力型懸浮方式（EMS）[3]的基礎上，設計了應用于檢測平臺的電磁鐵。

圖1 檢測平臺結構

1.電磁力的計算

如圖2為磁浮系統中電磁鐵和軌道的結構形式。假設磁感應強度B延磁極表面是均勻分布的，則電磁力的基本公式為：

圖2 電磁鐵和軌道的結構

式中：F—電磁力（J/cm）；

S—磁極面總面積（cm2）；

u0—空氣磁導率（1.25×10-8H/cm）。

磁感應強度計算為：

ds—極板與F軌懸浮氣隙。

將公式（2）帶入公式（1）得到U型電磁鐵吸力計算公式：

上面公式（1）就是通常稱的麥克斯韋公式，如果B的單位為高斯，F的單位為公斤，則上式可改寫為更為實用的公式：

由以上計算公式可知，電磁力與磁感應強度和磁極面面積成正比，但需要注意的是需避免鐵芯材料的磁通密度達到飽和狀態。

2.電磁鐵設計及有限元分析

2.1 三維建模

電磁鐵及軌道設計符合長沙磁浮快線軌道尺寸[4]。F軌和鐵芯材料為Q235；線圈材料為鋁扁線；線圈窗口面積：40×164=6560mm2；鐵芯截面積：20456mm2。

三維建模在機械設計軟件solidworks中完成，為減小模型仿真計算量，去除螺紋孔、倒角等對磁場無影響的特征，且模型在XYZ坐標系中心位置方便模型導入Ansys maxwell進行前處理、模型修改及求解定義。采用單個線包進行計算。如圖4。

圖4 單個線包仿真模型

2.2 仿真計算及結果

前處理：

（1）定義鐵芯和F軌材料Q235，定義材料的B-H曲線；

（2）定義線包材料為鋁線，取線包截面定義總電流為參數N＊I，便于多組匝數、電流的參數化分析；

（3）定義受力求解對象為F軌；

（4）定義求解線包中通入勵磁電流的電感，匝數為N；

（5）根據經驗及計算機配置進行網格劃分、求解精度設置以及邊界設置。

根據檢測平臺總重量為1000kg，兩個電磁鐵共4個線包，單個線包需提供懸浮力250kg (2.5kN)。前處理完成后，進行以下兩種工況計算。

（1）穩定懸浮狀態，氣隙寬度8mm仿真結果。

設置線圈安匝數（NI）：5000A；電流密度：1.08A/mm2（有效面積取窗口面積70%）。

保持安匝數（NI）=5000A，不同安匝數組合下的電感值如表1所示。

表1 穩定懸浮狀態不同安匝數組合的線包電感值

如圖5所示鐵芯磁密處于0.65～1.08T。碳鋼Q235材料磁密飽和值（約為1.5T）。未達到磁密飽和值。

圖5 穩定懸浮狀態鐵芯磁密

（2）啟動瞬間，氣隙寬度16mm仿真結果。

設置線圈安匝數（NI）：5000×1.9A=9500A；電流密度：2.06A/mm2（有效面積取窗口面積0.7）。

保持安匝數（NI）=5000×1.9A=9500A，不同安匝數組合下的電感值如表2所示。

表2 啟動瞬間不同安匝數組合線包電感值

鐵芯磁密處于0.91～1.28T，如圖6所示。

圖6 啟動瞬間鐵芯磁密

根據圖6可知鐵芯材料未達到磁密飽和值。

懸浮電磁鐵線圈電感是列車懸浮供電電源和懸浮斬波器設計需要提供的重要參數。電磁鐵采用48V低壓蓄電池電源供電，根據電磁鐵瞬時電壓計算公式：

電流和匝數的不同選擇影響線圈的電感值，進而影響啟動時電磁鐵電流響應速度[5]，綜合考慮選擇電流42A匝數120，鋁扁線尺寸為3.15mm×11.2mm。

綜上分析：

（1）8mm穩定懸浮時，電流密度：1.08A/mm2，根據經驗可允許檢測平臺在軌道原地靜浮，不會導致電磁鐵過熱；

（2）穩定懸浮鐵芯磁密最大為1.08T，啟動瞬間鐵芯磁密最大為1.28T，Q235材料的磁密飽和值約為1.5T，且電流密度允許一定程度加大。電磁鐵懸浮力留有部分余量，允許后期在檢測平臺上增加設備；并且鐵芯磁密距飽和值留有一定余量有利于電磁鐵在一些特定情況下增大電流懸浮力的快速響應，而不受磁路磁密飽和的限制，如車輛進入豎曲線段車速較高時，需要懸浮力的快速增大。

3.結語

根據檢測平臺首次樣機試驗結果,在試驗軌道上穩定懸浮電流為40A，總勵磁電流為40A×120=4800安匝，靜浮2h無過熱或觸發保護。起浮電流為80A總勵磁電流為80A×120=9600安匝。試驗數據與仿真結果存在一定誤差但基本符合。

通過理論計算結合有限元仿真，在磁浮列車懸浮電磁的基礎上，更改極板長度、鐵芯長度、線包數量、線圈參數完成了檢測平臺電磁鐵設計。對懸浮電磁鐵設計具有重要指導作用。磁浮軌道檢測是維持磁浮列車穩定、安全運行的重要保障。軌道檢測平臺的開發具有重要意義和迫切的必要性。