陳家敏，應(yīng) 博

(1.上海機動車檢測認證技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)之一，但其技術(shù)仍然不夠成熟，對渦流制動技術(shù)的研究和探索恰逢其時，具有非常重要的理論意義和應(yīng)用價值，通過理論結(jié)合仿真的方法進一步探討渦流制動技術(shù)中的難點和關(guān)鍵問題，渦流制動將會更加廣泛地應(yīng)用在我國軌道交通列車制動系統(tǒng)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(chǔ)上，對影響渦流制動電磁場和制動力的各參數(shù)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(jié)構(gòu)和電磁場仿真模型建立

線性渦流制動裝置的基本結(jié)構(gòu)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(dāng)給勵磁線圈通電時，磁力線從N極出發(fā)，通過磁極與感應(yīng)軌間的間隙，穿過感應(yīng)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(dāng)感應(yīng)軌相對磁場運動時，穿過金屬任意回路的磁通量發(fā)生變化，金屬塊內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并在閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)渦流，而渦流產(chǎn)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(jié)構(gòu)

線性渦流制動裝置的尺寸參數(shù)如表1所示[6]。

表1 線性渦流制動裝置的尺寸參數(shù)

2 各參數(shù)對制動性能的影響

2.1 制動力變化與結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系

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

(1)

式中：k1,k2,k3——常數(shù)，與材料和尺寸結(jié)構(gòu)有關(guān)；

I0——系統(tǒng)的磁場儲能；

v——磁場區(qū)域的體積；

l0——氣隙處磁感應(yīng)強度。

由式(1)可知，除了可以給定的與材料、尺寸或者結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)外，列車運行速度、勵磁電流和氣隙參數(shù)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(qū)域隨著速度的增加而增加，達到一定臨界值后，在高速區(qū)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(qū)域電磁吸力較小。由電磁吸力的特性曲線可以看出，低速區(qū)電磁吸力的變化很大，彌補了低速區(qū)制動力降低較快的缺點，在低速時的摩擦制動上提供了優(yōu)勢。隨著速度的增加，使得感應(yīng)軌中產(chǎn)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(xiàn)最大制動力，此時和趨膚效應(yīng)有關(guān)的渦流分布逐漸趨于穩(wěn)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(chǎn)生的渦流退磁效應(yīng)，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(shù)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(shè)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(chǎn)生較大的變化。感應(yīng)軌與制動裝置間氣隙越小越好，不過感應(yīng)軌與制動裝置氣隙不能太小，會容易產(chǎn)生風(fēng)險，氣隙8 mm已經(jīng)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(shù)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?yōu)?4個磁極，使每個磁極的長度從71 mm變?yōu)?7 mm，得到不同磁極數(shù)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(yīng)軌總作用面積比12個磁極的電磁鐵與感應(yīng)軌總作用面積小，總電磁鐵體積也隨著磁極數(shù)量的增加而減小，磁感應(yīng)強度也隨之降低，因此制動力減小。從結(jié)構(gòu)優(yōu)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(yōu)越。

圖8 磁極數(shù)量對制動力的影響

圖9 磁極數(shù)量對電磁吸力的影響

2.6 導(dǎo)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(jié)構(gòu)鋼、硅鋼、St37結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jié)構(gòu)鋼作為導(dǎo)磁材料較好。

圖10 導(dǎo)磁材料對制動力的影響

圖11 導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(yīng)時間也更短，制動力的波動更??；無論渦流制動裝置磁極數(shù)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。

圖12 磁極排列方式對制動力的影響

圖13 磁極排列方式對電磁吸力的影響

3 渦流制動裝置試驗分析

現(xiàn)有數(shù)學(xué)模型和仿真計算僅僅是對渦流制動裝置進行定性分析，為驗證所設(shè)計的渦流制動裝置的減速效能，與廠家合作研制了渦流制動裝置并進行了臺架試驗，如圖14所示。

圖14 渦流制動裝置

圖15和圖16為最大輸入電流條件下渦流制動裝置的制動力和電磁吸力隨列車運行速度變化曲線。

圖16 最大輸入電流條件下渦流制動裝置電磁吸力變化曲線

對比圖2、圖3的仿真結(jié)果和圖15、圖16的試驗曲線，制動力和電磁吸力的變化曲線幾乎一致。

4 結(jié)論

本文基于理論計算和數(shù)值分析，對電磁渦流制動的效能進行了深入的分析，得出以下結(jié)論：

(1) 通過對渦流制動裝置的影響參數(shù)展開分析，對比不同影響參數(shù)下的結(jié)果，找到在勵磁電流56.7 A時，感應(yīng)軌與制動裝置間氣隙最優(yōu)值為8 mm。

(2) 在最優(yōu)參數(shù)值下改變電磁鐵磁極數(shù)量和電磁鐵結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化和空間占有率考慮，12個磁極的制動裝置與14個磁極的制動裝置相比，能達到更好的制動效果。

(3) 對比分析了導(dǎo)磁材料對制動性能的影響，St37結(jié)構(gòu)鋼、硅鋼和St37結(jié)構(gòu)鋼加硅鋼交替混合使用3種形式對結(jié)果均無太大影響。

(4) 對比了2種磁極排列方式(NSNS和NSSN)的制動力和電磁吸力結(jié)果，得出NS磁極交替排列分布的電磁渦流制動裝置的制動性能更加優(yōu)越。

本研究可為實際設(shè)計和優(yōu)化線性渦流制動裝置提供參考。