盧迪++周三強

摘要：針對車輪傳感器是保證鐵路運輸安全、提高運輸效率及管理系統(tǒng)自動化所必需的一種核心設備問題，通過分析了車輪傳感器的工作原理，利用Ansoft Maxwell 3D有限元仿真軟件對傳感器電磁系統(tǒng)進行了仿真，在建立合理的車輪傳感器電磁仿真模型的基礎上，分析了線圈的位置和角度對傳感器電磁分布產生的影響，優(yōu)化了發(fā)送和接收線圈的結構，對車輪傳感器的設計和研制具有一定的指導意義.

關鍵詞：傳感器；電磁場；線圈；Ansoft

DOI：10.15938/j.jhust.2015.02.010

中圖分類號：U284.47

文獻標志碼：A

文章編號：1007-2683（2015）02-0053-04

0 引 言

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國在鐵路建設方面的投入大幅增加，對于鐵路設備和鐵路安全運行的要求也愈來愈高.車輪傳感器是保證鐵路運輸安全、提高運輸效率及管理系統(tǒng)自動化所必需的一種核心設備.同前，國內外流行的車輪傳感器主要有無源和有源兩種形式.而無源傳感器由于自身的不足，只能在列車運行速度高于5km/h的時候才可以使用，所以現(xiàn)在大多數(shù)都采用有源車輪傳感器

電磁感應車輪傳感器是有源車輪傳感器的一種，種類繁多，應用最為廣泛.然而其詳盡的磁場分布規(guī)律和定量分析的文獻圍內外公開的甚少，準確分析和計算車輪傳感器中電磁系統(tǒng)的磁場分布是傳感器優(yōu)化設計和研制的關鍵問題，

1 車輪傳感器的工作原理

電磁感應車輪傳感器主要是利用線圈互感原理研制的.當列車車輪通過計測點時，車輪傳感器接收端的磁通量會發(fā)生變化，從而得到輪軸信息.發(fā)送端和接收端一般由銅質線圈和磁性材料構成，但由于磁性材料的溫度穩(wěn)定性差，我們采用了空心線圈，車輪傳感器的電磁系統(tǒng)包括發(fā)送線圈和接收線圈，發(fā)送線圈安裝在鋼軌外側，接收線圈安裝在鋼軌內側，車輪傳感器的裝置圖如圖1所示：

2 車輪傳感器有限元建模

目前，工程技術領域內常用的數(shù)值模擬方法有：有限單元法、邊界元法、離散單元法和有限差分法，就適用性與應用的廣泛性而言，主要是有限單元法.Ansoft Maxwell作為世界著名的商用低頻電磁場有限元軟件，在實際中有著廣泛的應用.此軟件把復雜的數(shù)學計算放到后臺進行處理，使用者可以直接面向需要解決的問題，建立模型，設置材料屬性，參數(shù)及其他相關的求解設置，然后進入后處理步驟，得到相關電磁場和參數(shù)的詳細信息.

2.1 求解器設定和幾何建模

車輪傳感器的電磁分布屬于不對稱的非線性開域時變磁場，無法建立二維磁場模型，所以只能利用Ansoft Maxwell 3D進行有限元建模，車輪傳感器周圍電磁場屬于非線性似穩(wěn)磁場，對于似穩(wěn)磁場通常采用Ansoft中的渦流場求解器進行仿真分析，

幾何建模中主要有發(fā)射和接收線圈、車輪和鐵軌等幾何體.根據(jù)鐵路用熱軋鋼軌的標準CB2585-2007中的分類，仿真計算中所用到的鋼軌采用50kg/m的鋼軌，車輪采用鐵道行業(yè)標準TB/T10IO-2005中所規(guī)定的RD33型輪對，然而在實際的仿真中，由于車輪和鐵軌的尺寸過大，剖分的網(wǎng)格數(shù)過多，對計算資源要求很高，所以我們對其進行了簡化處理，鋼軌和模擬車輪的具體尺寸如圖2所示，鋼軌的長度設定為200mm.

2.2指定材料屬性

車輪傳感器的材料屬性如下表所示.

2.3激勵源和邊界條件設定

由于車輪傳感器主要是利用發(fā)送線圈和接收線圈的互感原理設計的，發(fā)送線圈需要通過一定的電流，接收線圈中才會感應出信號.仿真時在發(fā)送線圈添加240mA的正弦電流信號，接收線圈添加為被動激勵信號，在渦流場求解器中可以利用軟件自動計算得出接收線圈中感應出的信號值.為了提高仿真速度，計算過程中設定幾何邊界為阻抗邊界.引入阻抗邊界條件后，可以對透入深度進行忽略，減小了器件表層劃分過于細致帶來的龐大計算量.

3 仿真結果分析

車輪傳感器是利用線圈的互感設計的，發(fā)送線圈和接收線圈的位置和角度對車輪傳感器的靈敏度有著至關重要的影響，要設計出最優(yōu)的傳感器結構，必須先確定出其適合的角度和位置.本模型是以Maxwell中的3D渦流場進行模擬仿真的，可以利用接收線圈中的感應磁通量來衡量其最優(yōu)結構.模型的YOZ平面投影圖和網(wǎng)絡剖分圖如圖3所示.

數(shù)據(jù)由于接收線圈位置受車輪輪緣導致的空間限制，只能試著改變發(fā)射線圈的位置和角度來達到優(yōu)化傳感器結構的目標，本文以發(fā)射線圈的幾何相對位置Y=82mm，Z=72mm，α=65°作為基準位置，分別改變發(fā)射線圈的橫向距離y、縱向距離Z和角度α，通過對接收線圈中磁通量的變化進行分析，利用Maxwell軟件中的計算器Fields Calculator對磁通量進行計算，得到的接收線圈內部截面磁通量值如表2，3，4所示.

由于鋼軌周圍的空間限制，實際的發(fā)射線圈調整角度也受到限制，我們只對40°至85°進行了仿真.從表2我們可以看出隨著發(fā)射線圈角度的增加，接收線圈中的磁通量有一定的波動，考慮到本文是利用無車輪和有車論時磁通量的差值來進行車輪輪軸的測量，我們選擇磁通量值較大且有、無車輪時差值較大的作為線圈的最佳安放位置.當α=65°有時接收線圈的磁通量值比較大，并且與無車輪時接收線圈的磁通量差值最大，因此選α=65°作為接收線圈最佳安放角度.

同樣由于鋼軌周圍的空間限制，實際的發(fā)射線圈水平位置和垂直位置也受到限制，線圈不可能無限的接近鐵軌，根據(jù)鐵路部門的相關規(guī)定以及在實際安裝中裝置的安裝空間限制，我們只對水平位置Y=74mm至y=108mm和垂直位置Z=60㎜至Z=78mm之間的位置進行仿真，從表3和表4我們可以看出，水平位置y=82mm時有車輪時接收線圈的磁通量值最大，并且與無車輪時接收線圈的磁通量差值最大；垂直位置Z=72mm時有車輪時接收線圈的磁通量值比較大，并且與無車輪時接收線圈的磁通量差值最大，所以選水平位置y=82mm.垂直位置Z=72mm作為接收線圈最佳安放位置.

通過對以上3個表格進行分析可以確定線圈的最佳安放位置為y=82mm，Z=72mm，α=65°.與傳感器處于最佳安放位置時，傳感器的磁感應云圖，如圖4和圖5所示，磁感應矢量圖，如圖6和圖7所示.此時接收線圈中感應到的磁通量值最大且與無車輪時磁通量差值最大，如果按這個結構設計傳感器的電磁系統(tǒng)，可以提高傳感器信號的靈敏度.

5 結 論

車輪傳感器是保障鐵路安全運營的核心設備，本文利用Ansoft Maxwell 3D有限元仿真軟件對傳感器電磁系統(tǒng)進行了仿真，通過對仿真結果的數(shù)據(jù)分析可得，當線圈的水平位置為82mm、垂直位置為72mm、角度為65°時，傳感器探頭線圈的靈敏度最高.