磁軌制動器主要部件參數的最優仿真設計

王相波 王曉東

(中車青島四方機車車輛股份有限公司，266111，青島∥第一作者，工程師)

有軌電車低地板車輛和部分地鐵車輛的緊急制動減速度要求高于普通軌道交通車輛，其減速度可達2.8 m/s2[1]。為了實現該目標減速度，需采用非黏著制動方式。目前日本、德國及法國等國家研發并應用了空氣翼板制動、渦流軌道制動、磁軌制動及渦流盤式等非黏著制動方式[2]。作為非黏著制動方式的一種，磁軌制動不依賴輪軌黏著，制動效果顯著，可提高安全性；磁軌制動器質量輕，對轉向架結構和車輛走行影響小；其構造簡單，工作可靠，少維修；制動時對軌面具有清掃作用，可改善輪軌黏著[3]。 目前，對于磁軌制動的研究集中于提高磁能利用率的新型合成材料的開發、磁軌制動器的結構優化、磁場分析、轉矩特性分析及制動過程的熱平衡分布情況研究等[4-5]。

本文主要研究磁軌制動器各子部件的結構和安裝方式對其性能的影響，通過分析磁軌制動器的結構組成，通過仿真計算找到鐵心和磁軛、磨耗板、減重倒角及線圈等子部件的參數最優值，進而研發出一種完全滿足應用要求，且質量較輕、結構簡單、安全可靠的磁軌制動器。

1 磁軌制動器的結構

磁軌制動器由磁體裝置、傳力裝置和懸掛裝置組成，如圖1 a)所示。 其中，磁體是核心部件，主要由線圈繞組、鐵心、滑靴、隔板、隔熱材料、密封鋼板和相關連接件等組成，如圖1 b)所示。

圖1 磁軌制動器結構

2 磁軌制動器關鍵部件的最優尺寸

本文忽略螺紋孔及螺栓等細節結構和斷面效應，仿真分析滑靴長度為1 200 mm的電磁體與軌道間的吸力。滑靴、鐵心和磁軛均為DT4C電工純鐵。仿真時，磁體采用普通材料，隔板材料為鋁。磁軌制動器的設計吸力F應為75.6 kN。影響F的電磁體部件主要尺寸參數如圖2所示，初步設計尺寸及參數如表1所示。

圖2 影響吸力的電磁體主要部件

表1 電磁體初始設計參數

2.1 鐵芯與磁軛的最優尺寸

在H1和L2給定的條件下(見圖2)，鐵心與磁軛的尺寸參數主要為磁軛寬度L1和鐵心厚度H2。按L1取值區間為30～50 mm，取值間隔為2 mm，對電磁體吸力F進行仿真計算，結果如圖3所示。

由圖3可知：H2越大，L1越大，F越大；當L1和H2取不同值時，F的最小值增至最大值僅相差3.757 kN；當L1≥28 mm時，F都能滿足設計要求。為減輕制動器的整體質量，應使L1和H2盡可能小。經綜合考慮，鐵心與磁軛的最優尺寸為H2=36 mm、L1=28 mm。

圖3 L1和H2對F的影響曲線

2.2 磨耗板最優尺寸

磨耗板尺寸參數包括間隙L4、總寬度L5、磨耗板高度H5和倒角C。仿真計算中，L4取值區間為3～13 mm、取值間隔為2 mm;L5取值區間為56～66 mm，取值間隔為2 mm。仿真計算結果如圖4所示。按H5取值區間為12～20 mm、取值間隔2 mm進行仿真計算，結果如表2所示。按C取值區間為3°～13°、取值間隔2°進行仿真計算，結果如表3所示。

表3 不同C對應的F仿真數據

圖4 L4及L5對F的影響曲線

由圖4可知：制動器與鋼軌吸合時，L5越大，F越大；當L4過大或過小時，F較?。划斨苿悠髋c鋼軌未吸合時，如L4過小，則會產生很大漏磁。因此，綜合考慮圖4、表 1及表 2的數據，在滿足磁軌制動器與鋼軌吸合時設計吸力的基礎上，C和L4應盡量取大，L5和H5應盡量取小。綜上所述，磨耗板最優尺寸取L4=9 mm，L5=56 mm，H5=16 mm，C=14°。

表2 不同H5對應的F仿真數據

2.3 減重倒角的最優尺寸

減重倒角參數為縱向尺寸H3和垂向尺寸L3。仿真計算中，H3取值區間為3～27 mm、取值間隔為3 mm,L3取值區間為3～27 mm，取值間隔為3 mm。仿真結果如表4所示。

根據表4可知：減重倒角越小，F越大；H3在取值范圍內時的磁化飽和度非常低，故H3變化對F影響不大；當L3≥15 mm時，隨著L3的增加，F下降速度加快。為起到減重作用，在F滿足要求時應使H3與L3盡量大。綜上所述，減重倒角最優尺寸取H3=27 mm，L3=15 mm。

表4 不同H3和L3對應的F仿真數據

2.4 制動器與軌面間隙不同時的F

根據上文，磁軌制動器關鍵部件的最優尺寸為：L1=28 mm，L3=15 mm，L4=9 mm，L5=56 mm，H2=36 mm，H3=27 mm，H5=16 mm。經仿真，在最優尺寸下，F=75.71 kN，滿足70.0～75.6 kN的要求。此時，制動器與軌面間隙s不同時的F仿真結如表5及圖5所示。

表5 不同s對應的F仿真數據

圖5 磁通分布和磁通密度云圖

2.5 線圈參數最優值

在完全理想的情況下，有[6]：

(1)

式中：

Φ——氣隙磁通；

S——氣隙面積；

B——氣隙磁感應強度；

μ0——空氣磁導率，μ0=4π×10-7Wb/(A·m)。

在實際運行環境中，由于磁路漏磁不可避免，故僅有部分線圈磁勢在工作氣隙中起作用，即

(2)

式中：

Kf——漏磁系數，由磁路組成確定；根據磁路設計的差異，Kf可取1.0～10.0，在電磁設計中通常按經驗取1.2～5.0。

此外，由于

(3)

故

(4)

式中：

Rm——磁阻；

N——線圈匝數；

I——導線額定電流。

由式(4)可知，確定F的主要參數為N。根據設計目標，電流額定、線圈總截面按照表1所示參數，因此，需要確定N和每根導線的截面積A。在Ansoft電磁仿真軟件中通過直接加載電流密度J來調整F：當其它參數一定時，J越大，則F越大。假設：導線額定電流為I，每根導線截面積為A，電阻率為ρ，導線平均長度為L，每匝線圈電阻為R，總電阻為R總，則有：

(5)

進而可知，在最優情況下，有：

(6)

其中，I、R總及ρ為確定值，每匝線圈平均長度L根據線圈總截面積確定。所以，只需先確定J的最優值，然后根據式(6)得出R的最優值，即可由式(5)確定N的最優值。

3 結語

本文仿真分析了磁軌制動器的鐵心、磁軛、磨耗板、減重倒角及線圈等子部件的參數對磁軌制動器制動吸力影響規律，以減重和制動吸力為目標，通過計算分析，得到了磁軌制動器主要尺寸參數的最優值。在此基礎上分析了S不同時的F值，進而得到了最優尺寸磁軌制動器的S最優值。