磁懸浮列車渦流制動的效能分析與優化

2022-10-31 07:55:14陳家敏

鐵道車輛 2022年5期

陳家敏，應博

(1.上海機動車檢測認證技術研究中心有限公司，上海 201805；2.上海地鐵維護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鍵技術之一，但其技術仍然不夠成熟，對渦流制動技術的研究和探索恰逢其時，具有非常重要的理論意義和應用價值，通過理論結合仿真的方法進一步探討渦流制動技術中的難點和關鍵問題，渦流制動將會更加廣泛地應用在我國軌道交通列車制動系統中[1-4]。

本文在研究不同列車運行速度下線性渦流制動裝置制動力的基礎上，對影響渦流制動電磁場和制動力的各參數進行研究，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構和電磁場仿真模型建立

線性渦流制動裝置的基本結構如圖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。當給勵磁線圈通電時，磁力線從N極出發，通過磁極與感應軌間的間隙，穿過感應軌表面，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。當感應軌相對磁場運動時，穿過金屬任意回路的磁通量發生變化，金屬塊內產生感應電動勢，并在閉合回路中產生感應渦流，而渦流產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，達到制動效果[5]。

圖1 線性渦流制動裝置的基本結構

線性渦流制動裝置的尺寸參數如表1所示[6]。

表1 線性渦流制動裝置的尺寸參數

2 各參數對制動性能的影響

2.1 制動力變化與結構參數關系

在電磁鐵磁通回路中，由于鐵磁質的存在，磁通密度的分布與導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出渦流制動力F總為[7-10]：

(1)

式中：k1,k2,k3——常數，與材料和尺寸結構有關；

I0——系統的磁場儲能；

v——磁場區域的體積；

l0——氣隙處磁感應強度。

由式(1)可知，除了可以給定的與材料、尺寸或者結構有關的參數外，列車運行速度、勵磁電流和氣隙參數直接影響渦流制動力和電磁吸力。

2.2 列車運行速度對制動力的影響

圖2和圖3為列車運行速度在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域隨著速度的增加而增加，達到一定臨界值后，在高速區隨速度的增加而下降。電磁吸力隨著列車運行速度的增加而下降，在高速區域電磁吸力較小。由電磁吸力的特性曲線可以看出，低速區電磁吸力的變化很大，彌補了低速區制動力降低較快的缺點，在低速時的摩擦制動上提供了優勢。隨著速度的增加，使得感應軌中產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最大制動力，此時和趨膚效應有關的渦流分布逐漸趨于穩定，磁力線的彎曲變形達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到極限。由于制動過程中產生的渦流退磁效應，勵磁線圈的等效電阻隨列車運行速度的增加逐漸增加，同時考慮溫度對及其他參數的影響變化，以及漏磁的不斷增大，使得制動力下降。

圖2 制動力隨列車運行速度變化曲線

圖3 電磁吸力隨列車運行速度變化曲線

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行速度的變化曲線，如圖6和圖7所示。電磁鐵與感應軌間的氣隙越大，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生較大的變化。感應軌與制動裝置間氣隙越小越好，不過感應軌與制動裝置氣隙不能太小，會容易產生風險，氣隙8 mm已經是制動后最小間隙。

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個磁極變為14個磁極，使每個磁極的長度從71 mm變為47 mm，得到不同磁極數量下制動力和電磁吸力隨列車運行速度的變化曲線，如圖8和圖9所示。相同列車運行速度下，14個磁極的制動力反而較小。14個磁極的電磁鐵與感應軌總作用面積比12個磁極的電磁鐵與感應軌總作用面積小，總電磁鐵體積也隨著磁極數量的增加而減小，磁感應強度也隨之降低，因此制動力減小。從結構優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越。

圖8 磁極數量對制動力的影響

圖9 磁極數量對電磁吸力的影響

2.6 導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結構鋼、硅鋼、St37結構鋼加硅鋼。圖10和圖11為3種材料下制動力和電磁吸力隨列車運行速度變化曲線。由圖10、圖11可知，3種導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結構鋼作為導磁材料較好。

圖10 導磁材料對制動力的影響

圖11 導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磁極排列方式的結構均是可行的，但NSNS的制動裝置制動力和電磁吸力明顯大于NSSN，響應時間也更短，制動力的波動更小；無論渦流制動裝置磁極數量多少，以NSNS磁極交替排列的形式分布能達到更好的制動效果。