一種磁浮列車的E型電磁鐵磁力及溫升特性分析

韓偉濤，周 穎，高信邁，鞠錄峰

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

磁浮列車作為一種新型交通工具，受到了世界各國的廣泛關注，近幾年世界很多國家均在研究磁浮列車技術及其應用。目前磁浮列車在很多國家已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)運營如中國、日本及韓國等[1-4]。磁浮列車上安裝電磁鐵，電磁鐵的磁場經(jīng)過軌道功能件產(chǎn)生電磁力，列車依靠電磁力懸浮在軌道上，實現(xiàn)無接觸支撐[5-7]。隨后懸浮的列車在直線電機的驅(qū)動下實現(xiàn)沿軌道運行[8]。由于無機械摩擦及直線牽引，磁浮列車具備磨損小、維護成本低、啟停速度快和爬坡能力強等優(yōu)點。由此可見，電磁鐵是磁浮列車的核心部件，其承載能力關系到列車能否實現(xiàn)懸浮。此外，電磁鐵持續(xù)通電會產(chǎn)生較高溫度，長時間過熱會導致電磁鐵燒損，所以達到合理穩(wěn)態(tài)溫度至關重要。本文對一種磁浮列車用E型電磁鐵特性進行分析，校核其性能的同時，為后續(xù)優(yōu)化設計提供依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)及原理

1.1 結(jié)構(gòu)

E型電磁鐵結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括磁極、極板、線纜及連接器等結(jié)構(gòu)。其中磁極由繞組繞制在鐵芯上制成，表面灌封環(huán)氧樹脂；繞組與鐵芯表面作絕緣處理；繞組采用鋁箔，鋁箔之間作絕緣處理。磁極由兩側(cè)極板夾在中間，磁極鐵芯與極板接觸。極板分為上、中、下3部分，聯(lián)合磁極整體呈E型。極板采用結(jié)構(gòu)鋼，既具備承載能力，將電磁力傳遞至車輛；又具備導磁性能，傳遞磁場至軌道功能件。線纜及連接器用于磁極供電，未在圖中畫出。電磁鐵兩端預留間隙傳感器安裝位置。

圖1 E型電磁鐵結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 原理

E型電磁鐵磁路如圖2所示，上、下極板極性一致，均為N，與中間極板S極極性相反。2排磁極產(chǎn)生的磁場由鐵芯出發(fā)分別經(jīng)過上、下極板進入導軌，之后經(jīng)過中間極板回到鐵芯。極板與導軌之間的間隙磁場產(chǎn)生的電磁吸力用于實現(xiàn)懸浮功能。此外，E型電磁鐵還能夠提供一定的導向力，當發(fā)生橫向偏移時，電磁鐵與軌道間磁場發(fā)生扭曲，產(chǎn)生部分橫向分量，從而產(chǎn)生被動導向力。

圖2 E型電磁鐵磁路示意圖

2 電磁特性

E型電磁鐵主要參數(shù)見表1，根據(jù)相關參數(shù)，搭建E型電磁鐵及軌道有限元模型。通過電磁分析，確定E型電磁鐵的懸浮力、工作點及磁場分布，為后續(xù)承載能力設計及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

表1 E型電磁鐵主要參數(shù)

2.1 靜態(tài)性能

通過計算不同間隙下懸浮力隨電流的變化關系，獲得E型電磁鐵懸浮力—間隙—電流特性曲線，如圖3所示。根據(jù)車輛載重要求，單個E型電磁鐵垂向載荷為2.8 t，在額定間隙8 mm下，懸浮力達到2.8 t時，所需的工作電流為23 A，即E型電磁鐵的額定工作電流為23 A。E型電磁鐵的工作點為間隙8 mm，電流23 A，該位置存在較好的線性區(qū)15~30 A，該區(qū)域控制系統(tǒng)調(diào)整能力較強，同時較好的線性也有利于控制。起浮瞬間電流較大，如果起浮間隙為16 mm，起浮所需的電流為45 A，如果起浮間隙為20 mm，起浮電流需要到達60 A。盡管起浮電流較大，但是持續(xù)時間較短，不會影響溫升。

圖3 E型電磁鐵懸浮力—間隙—電流特性

在間隙8 mm，工作電流25 A條件下，E型電磁鐵的磁場分布如圖4所示。磁極鐵芯磁密相對比較均勻，大部分區(qū)域處于1.1~1.4 T之間，沒有出現(xiàn)明顯的磁飽和，也沒有出現(xiàn)大面積的低磁密區(qū)域。極板位置的磁場分布相對雜散，對應極板位置的磁密相對較高，但未出現(xiàn)磁飽和。極板兩端小區(qū)域磁密較高，接近2.0 T，但區(qū)域很小，對性能沒有影響。此外，部分區(qū)域磁密非常低，對磁場傳導沒有較大作用，后續(xù)可考慮將該位置掏空，在保證強度的基礎上進行輕量化改進。

圖4 E型電磁鐵磁場云圖

2.2 動態(tài)性能

為避免運行過程中電磁鐵產(chǎn)生較大渦流，E型電磁鐵在運行方向上均為相同極性，未采用NS交變結(jié)構(gòu)。盡管如此，電磁鐵頭尾端仍然會產(chǎn)生動態(tài)端部效應，即運行過程中，該位置存在一定渦流效應，會對電磁力產(chǎn)生影響。為提高計算效率，搭建了半個E型電磁鐵的動態(tài)分析模型，對不同速度下動態(tài)懸浮力進行計算，計算結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 導軌渦流分布圖

圖6 半個E型電磁鐵懸浮力隨速度變化關系

E型電磁鐵運動方向上的入端及出端均會出現(xiàn)渦流拖軌現(xiàn)象，2處渦流區(qū)會導致電磁鐵運行時的懸浮力降低。速度為0 km/h時，半個E型電磁鐵的懸浮力為17.1 kN。速度為80 km/h時，懸浮力為15.3 kN，相比靜態(tài)下的懸浮力降低了10.5%。因此，在進行電磁鐵承載能力設計時，需要將動態(tài)懸浮力損失考慮在內(nèi)。

3 溫升特性

E型電磁鐵適用于不同速度等級的磁浮列車，然而，當應用于低速場景時，走行風的散熱效果較差，同時由于E型電磁鐵處于持續(xù)工作狀態(tài)，且工作電流較大，電磁鐵發(fā)熱比較嚴重，易導致電磁鐵燒損，影響運行安全。因此，對其溫度場進行分析，并考慮低速下采用強迫冷卻措施進行散熱優(yōu)化。

3.1 溫度場分析

溫度場模型搭建所需的材料特性，如熱導率、比熱容及密度，見表2。其中磁極繞組由鋁箔及聚酰亞胺絕緣膜相間組成，鋁箔厚度為0.19 mm，絕緣膜厚度為0.016 mm。如果按實際進行建模，繞組層數(shù)較多，且層厚較薄，模型網(wǎng)格無法劃分，影響求解結(jié)果。因此，將鋁箔及絕緣膜2種材料按照空間占比及各自材料特性等效簡化為一種材料，稱為等效繞組。

表2 電磁鐵材料特性

電磁鐵的發(fā)熱源為磁極繞組，主要為銅損，E型電磁鐵在工作點的發(fā)熱功耗約為620 W。溫度場分析不考慮走行風影響，繞組的散熱方式主要為熱傳導及自然對流，自然對流系數(shù)取5 W/（m2·℃），環(huán)境溫度取25℃。熱模型如圖7所示，磁極表面包裹樹脂。雙層繞組之間及繞組與鐵芯之間存在2 mm縫隙，采用絕緣紙進行絕緣處理，澆鑄時灌滿樹脂，因此，模型在該位置簡化為樹脂處理。

圖7 E型電磁鐵熱模型

由于溫升過程時間長，熱傳導充分，溫度場分布比較均勻，溫度最高點位于繞組位置。磁極采用的絕緣膜為F級絕緣，長時間工作時溫度不高于155℃。在自然對流條件下，磁極繞組溫度最高點的溫升過程如圖8所示，溫升速率約為1.6 K/min。當工作時間達到67 min時，繞組內(nèi)部最高溫度達到155℃，即在此條件下持續(xù)工作67 min，就必須停止，并進行散熱，否則會出現(xiàn)燒損。

圖8 繞組溫度最高點溫升過程

3.2 強迫冷卻

根據(jù)E型電磁鐵溫度場分布可知，磁極表面樹脂及鐵芯都是較好的散熱位置，可在該2處位置設計強迫冷卻。考慮在鐵芯內(nèi)部設計水冷管道，通過水冷方式降低鐵芯及繞組溫度，如圖9所示。

圖9 E型電磁鐵水冷管道位置

水冷管道外徑15 mm，內(nèi)徑12 mm，每個磁極配置3根。水冷管道材質(zhì)為鋼，對流系數(shù)取1 000 W/（m2·℃），水溫恒為25℃。在此工作環(huán)境下，磁極溫度最高點的溫升過程如圖10所示。在水冷散熱措施下，磁極溫升速率大幅降低，并能夠達到熱穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)溫度低于85℃，該溫度滿足F級絕緣要求，因此，通過增加水冷能夠保證E型電磁鐵在額定承載下持續(xù)工作。

圖10 繞組溫度最高點溫升過程—水冷

4 結(jié)束語

經(jīng)過電磁特性分析，E型電磁鐵均能夠滿足承載力要求，鐵芯及極板磁場未達到飽和磁密，額定工作點所在區(qū)域具有較好的線性。但應用于低速場景時，走行風散熱效果較差，必須采用強迫水冷散熱。在水冷條件下，散熱效果明顯增強，E型電磁鐵能夠持續(xù)工作，且滿足溫升要求。