磁懸浮列車(chē)制動(dòng)技術(shù)的研究

磁懸浮列車(chē)制動(dòng)技術(shù)的研究

0渦流制動(dòng)原理與其他交通工具車(chē)輛一樣，磁浮列車(chē)也存在故障。磁懸浮列車(chē)基本上可以不考慮粘著問(wèn)題,這是磁懸浮列車(chē)的一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)。制動(dòng)時(shí),可以采用反向直線同步電機(jī)或異步電機(jī)的推力來(lái)制動(dòng),另外附加渦流制動(dòng)。渦流制動(dòng)的基本原理比較簡(jiǎn)單,利用勵(lì)磁電磁鐵與鋼軌或鋼圓盤(pán)(簡(jiǎn)稱(chēng)感應(yīng)體)的相對(duì)運(yùn)動(dòng),在感應(yīng)體中產(chǎn)生感應(yīng)(動(dòng)生或感生的)電勢(shì),產(chǎn)生渦流,使列車(chē)的動(dòng)能變成感應(yīng)體中的熱能,并通過(guò)感應(yīng)體把熱量發(fā)散出去;也可解釋為由于感應(yīng)體中的渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與勵(lì)磁電磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用,氣隙中的磁場(chǎng)發(fā)生變化,形成垂直分量與水平分量的作用力,水平分量的作用力與列車(chē)的前進(jìn)方向相反,即制動(dòng)力。低速時(shí),由于渦流制動(dòng)產(chǎn)生的制動(dòng)力比較小,磁懸浮列車(chē)要采用其他措施,把渦流制動(dòng)改變成異步發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)以及配合滑塊摩擦制動(dòng)來(lái)解決。1勵(lì)磁電源的應(yīng)用磁懸浮列車(chē)采用3種制動(dòng)方式:(1)再生制動(dòng)或電阻制動(dòng),一般采用電阻制動(dòng);(2)機(jī)械制動(dòng);(3)渦流制動(dòng)。電阻制動(dòng)和渦流制動(dòng)是高速時(shí)用于制動(dòng)全程;機(jī)械制動(dòng)是一種滑塊制動(dòng),僅在低速制停時(shí)使用。在TR07磁懸浮列車(chē)上除使用通過(guò)反向直線同步電動(dòng)機(jī)的推力來(lái)進(jìn)行制動(dòng)外,還使用線性渦流制動(dòng),利用沿車(chē)體前進(jìn)方向分布的導(dǎo)軌(感應(yīng)體)中的感應(yīng)渦流來(lái)工作。每節(jié)列車(chē)中有2個(gè)渦流制動(dòng)裝置,分布在列車(chē)的兩側(cè)。每側(cè)渦流制動(dòng)裝置有一個(gè)16極、長(zhǎng)2048mm的電磁鐵。每對(duì)磁極的磁距為128mm,線圈寬128mm。線圈導(dǎo)線是經(jīng)過(guò)陽(yáng)極化處理的鋁帶。感應(yīng)體或電磁鐵的寬為310mm(參見(jiàn)圖1)。電磁鐵安裝在每節(jié)車(chē)的第三個(gè)磁懸浮轉(zhuǎn)向架的中部,代替磁懸浮列車(chē)上的導(dǎo)向磁鐵(參見(jiàn)圖2)。每側(cè)的勵(lì)磁電磁鐵分成4個(gè)單元,每個(gè)單元有4個(gè)磁極。為了防止每個(gè)單元的損壞導(dǎo)致整個(gè)電源的切除,每個(gè)單元分別由直流440V或由車(chē)上備用蓄電池通過(guò)四象限斬波器供電。440V電源由車(chē)上8個(gè)直線發(fā)電機(jī)和4個(gè)變流器升壓得到。勵(lì)磁電流最大可達(dá)800A。備用蓄電池電壓440V,容量40Ah。一般情況下勵(lì)磁電流為直流120A。只要列車(chē)速度大于46km/h,整個(gè)磁懸浮列車(chē)渦流制動(dòng)裝置就能產(chǎn)生1.5m/s2的最大減速度。正常狀態(tài)下電磁鐵的工作氣隙為8mm,因車(chē)速低于150km/h時(shí),渦流制動(dòng)力急劇下降,故在50km/h以下時(shí)采用著地的滑塊摩擦制動(dòng)制停列車(chē);車(chē)速接近停止的低速時(shí),每單元的電磁鐵勵(lì)磁線圈中通以不同相位的交流電源,使渦流裝置工作在轉(zhuǎn)差大于1的直線異步電機(jī)工況,電流有效值為100A,此時(shí)磁場(chǎng)波長(zhǎng)為電流勵(lì)磁時(shí)的2倍。交流電源也由四象限斬波器得到,由直流勵(lì)磁控制轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鲃?lì)磁的時(shí)間很短,交直勵(lì)磁轉(zhuǎn)換很容易,幾乎是連續(xù)轉(zhuǎn)換。電源頻率從0到最大頻率可調(diào),最大頻率受四象限斬波器的最大輸出電壓制約,為4Hz左右。制動(dòng)特性為線性,制動(dòng)力特性如圖3所示。高速時(shí)電磁鐵采用直流勵(lì)磁,其工作類(lèi)似于轉(zhuǎn)子為移動(dòng)的勵(lì)磁電磁鐵和定子為短連的導(dǎo)軌(感應(yīng)體)的直線同步電機(jī)運(yùn)行。為了防止損耗太大和發(fā)熱,導(dǎo)軌由電阻率較高的特殊材料組成。制動(dòng)力的大小取決于勵(lì)磁電流、列車(chē)速度、渦流裝置的幾何尺寸以及導(dǎo)軌(感應(yīng)體)的電阻率。渦流制動(dòng)的制動(dòng)特性如圖4所示。渦流制動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí),為了防止對(duì)磁懸浮列車(chē)和線路設(shè)備的影響和損壞,電磁鐵勵(lì)磁電流的大小取決于要求達(dá)到的減速度和能承受的最大垂直吸力的極限。從制動(dòng)特性曲線知,由于導(dǎo)軌中磁與電流的集膚效應(yīng),制動(dòng)力在很大的高速區(qū)保持恒定,這種特性對(duì)高速制動(dòng)很有利。渦流制動(dòng)設(shè)計(jì)總的要求是,達(dá)到足夠的制動(dòng)力,不影響其他磁鐵的正常工作,導(dǎo)軌以及其他部件不產(chǎn)生不允許的機(jī)械應(yīng)力,制動(dòng)線路要簡(jiǎn)單,電源損耗要小,制動(dòng)裝置質(zhì)量與產(chǎn)生的垂直吸力要小。為達(dá)到以上要求,首先要防止勵(lì)磁電源因故障全部切除;其次各個(gè)制動(dòng)電路要分開(kāi)控制,逆變器要分開(kāi)監(jiān)控,控制信號(hào)要合理檢測(cè)。2渦流制動(dòng)的接觸問(wèn)題磁懸浮列車(chē)上,渦流制動(dòng)中每組的電磁鐵的長(zhǎng)度為2000mm左右,磁極數(shù)10~40極。電磁鐵與導(dǎo)軌面的距離為5mm~15mm,一般取6mm~8mm。電磁鐵制動(dòng)時(shí),在導(dǎo)軌中產(chǎn)生感應(yīng)(動(dòng)生)電勢(shì)。勵(lì)磁為非直流或列車(chē)作變速運(yùn)動(dòng)時(shí),導(dǎo)軌中還產(chǎn)生感應(yīng)(感生)電勢(shì)。渦流制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)與計(jì)算問(wèn)題屬于三維非線性渦流場(chǎng)問(wèn)題。同時(shí)勵(lì)磁電磁鐵處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài),這樣使問(wèn)題變得更加復(fù)雜,計(jì)算變得更難。其數(shù)學(xué)模型為非線性微分方程,只能通過(guò)數(shù)值計(jì)算求解。數(shù)值方法有差分計(jì)算和有限元計(jì)算。由于勵(lì)磁電磁鐵是移動(dòng)體,用有限差方法時(shí)需要用到“迎流”系數(shù)。在有限元計(jì)算中應(yīng)用“迎流”有限元法,通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)確定電磁鐵的尺寸,如槽寬、槽深以及勵(lì)磁電流大小。只要磁極數(shù)足夠,磁極極性可認(rèn)為是作周期性分布。計(jì)算可以三維場(chǎng)計(jì)算或二維場(chǎng)計(jì)算。三維場(chǎng)計(jì)算比二維場(chǎng)精確(參見(jiàn)圖5),所以二維場(chǎng)計(jì)算后必須進(jìn)行校正,并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù),找出校正系數(shù)。低速時(shí)渦流裝置采用交流勵(lì)磁,作異步發(fā)電機(jī)工作,若按三維場(chǎng)計(jì)算,計(jì)算困難,收斂性差,可能得不到計(jì)算值。此時(shí)可假設(shè)導(dǎo)軌(感應(yīng)體)與電磁鐵的寬度為無(wú)限大,然后按二維場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。有關(guān)資料表明,交流勵(lì)磁時(shí),若系統(tǒng)不飽和,則制動(dòng)力與電流的二次方成正比;若系統(tǒng)飽和,則制動(dòng)力與電流的一次方成正比。不同時(shí)刻電流下的平均制動(dòng)力都很接近,這為計(jì)算帶來(lái)了方便。2.1線性渦流制動(dòng)的“迎流”有限元方法分析渦流制動(dòng)時(shí),由于電磁鐵與導(dǎo)軌(感應(yīng)體)的相對(duì)運(yùn)動(dòng),速度項(xiàng)的引入使有限元方程的系數(shù)矩陣為一個(gè)不對(duì)稱(chēng)方陣。當(dāng)速度較高時(shí),采用一般的伽遼金有限元法來(lái)求解會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的數(shù)值解,即振蕩不收斂。因此要采用“迎流”有限元法求解制動(dòng)力。(1)伽遼金有限元方程式中e0為剖分單元數(shù)。采用簡(jiǎn)單模式“迎流”有限元方程法,就是把速度引入系數(shù)矩陣進(jìn)行適當(dāng)處理,即式中:W——加權(quán)參數(shù),在1,2,3維計(jì)算中分別為2,ae——單元Ke中的某一位置(ae,Ze);Oe——單元Ke的局部坐標(biāo)系的原點(diǎn)(aoe,Zoe);——運(yùn)動(dòng)媒質(zhì)剖分單元的局部坐標(biāo)系原點(diǎn)處的速度;|J(Oe)|——等參數(shù)變換中的雅可比矩陣的行列式;_a,_Z——分別為運(yùn)動(dòng)媒質(zhì)在局部坐標(biāo)系原點(diǎn)處沿a,Z方向的磁導(dǎo)率;ea,eZ——分別為運(yùn)動(dòng)媒質(zhì)在局部坐標(biāo)系原點(diǎn)處沿a,Z方向的電導(dǎo)率;ha,hZ——分別為剖分單元沿a,Z方向的實(shí)際長(zhǎng)度。在剖分單元為矩形時(shí),x、y分別與a、Z方向一致,_、e各向同性,與方向無(wú)關(guān)。設(shè)運(yùn)動(dòng)媒質(zhì)沿x方向移動(dòng),則Vey=0,hx=ha,hy=hZ,Vx=Va,Vy=VZ,Pex=Pea=_ehxVex/2,Pey=PeZ=0。所以Ze取單元中任意值。上式Kij中的積分項(xiàng)用高斯積分法計(jì)算。根據(jù)簡(jiǎn)單模式“迎流”有限元方法,計(jì)算每個(gè)單元中的系數(shù)矩陣,迭加可得有限元方程的總系數(shù)矩陣。解方程后,即可求解位函數(shù)和磁感應(yīng)強(qiáng)度。(2)制動(dòng)力計(jì)算(1)能量法導(dǎo)軌中的電流導(dǎo)軌中消耗的功率P:式中N為電磁鐵的極對(duì)數(shù)。(2)馬克斯威爾法導(dǎo)軌中的制動(dòng)力應(yīng)由導(dǎo)軌中的渦流電流和磁化電流共同引起,所以導(dǎo)軌中的制動(dòng)力式中,Jm為磁化電流;S、n分別為導(dǎo)軌表面積和導(dǎo)軌表面法線方向的單位矢量。3渦流制動(dòng)裝置在中國(guó)(1)從運(yùn)行安全性、可靠性來(lái)說(shuō),磁懸浮列車(chē)的渦流制動(dòng)是必不可少的。