磁懸浮列車制動技術的研究

磁懸浮列車制動技術的研究

0渦流制動原理與其他交通工具車輛一樣，磁浮列車也存在故障。磁懸浮列車基本上可以不考慮粘著問題,這是磁懸浮列車的一個顯著的優(yōu)點。制動時,可以采用反向直線同步電機或異步電機的推力來制動,另外附加渦流制動。渦流制動的基本原理比較簡單,利用勵磁電磁鐵與鋼軌或鋼圓盤(簡稱感應體)的相對運動,在感應體中產(chǎn)生感應(動生或感生的)電勢,產(chǎn)生渦流,使列車的動能變成感應體中的熱能,并通過感應體把熱量發(fā)散出去;也可解釋為由于感應體中的渦流產(chǎn)生的磁場與勵磁電磁體產(chǎn)生的磁場相互作用,氣隙中的磁場發(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的前進方向相反,即制動力。低速時,由于渦流制動產(chǎn)生的制動力比較小,磁懸浮列車要采用其他措施,把渦流制動改變成異步發(fā)電機工作狀態(tài)以及配合滑塊摩擦制動來解決。1勵磁電源的應用磁懸浮列車采用3種制動方式:(1)再生制動或電阻制動,一般采用電阻制動;(2)機械制動;(3)渦流制動。電阻制動和渦流制動是高速時用于制動全程;機械制動是一種滑塊制動,僅在低速制停時使用。在TR07磁懸浮列車上除使用通過反向直線同步電動機的推力來進行制動外,還使用線性渦流制動,利用沿車體前進方向分布的導軌(感應體)中的感應渦流來工作。每節(jié)列車中有2個渦流制動裝置,分布在列車的兩側(cè)。每側(cè)渦流制動裝置有一個16極、長2048mm的電磁鐵。每對磁極的磁距為128mm,線圈寬128mm。線圈導線是經(jīng)過陽極化處理的鋁帶。感應體或電磁鐵的寬為310mm(參見圖1)。電磁鐵安裝在每節(jié)車的第三個磁懸浮轉(zhuǎn)向架的中部,代替磁懸浮列車上的導向磁鐵(參見圖2)。每側(cè)的勵磁電磁鐵分成4個單元,每個單元有4個磁極。為了防止每個單元的損壞導致整個電源的切除,每個單元分別由直流440V或由車上備用蓄電池通過四象限斬波器供電。440V電源由車上8個直線發(fā)電機和4個變流器升壓得到。勵磁電流最大可達800A。備用蓄電池電壓440V,容量40Ah。一般情況下勵磁電流為直流120A。只要列車速度大于46km/h,整個磁懸浮列車渦流制動裝置就能產(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,因車速低于150km/h時,渦流制動力急劇下降,故在50km/h以下時采用著地的滑塊摩擦制動制停列車;車速接近停止的低速時,每單元的電磁鐵勵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的直線異步電機工況,電流有效值為100A,此時磁場波長為電流勵磁時的2倍。交流電源也由四象限斬波器得到,由直流勵磁控制轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鲃畲诺臅r間很短,交直勵磁轉(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。制動特性為線性,制動力特性如圖3所示。高速時電磁鐵采用直流勵磁,其工作類似于轉(zhuǎn)子為移動的勵磁電磁鐵和定子為短連的導軌(感應體)的直線同步電機運行。為了防止損耗太大和發(fā)熱,導軌由電阻率較高的特殊材料組成。制動力的大小取決于勵磁電流、列車速度、渦流裝置的幾何尺寸以及導軌(感應體)的電阻率。渦流制動的制動特性如圖4所示。渦流制動設計時,為了防止對磁懸浮列車和線路設備的影響和損壞,電磁鐵勵磁電流的大小取決于要求達到的減速度和能承受的最大垂直吸力的極限。從制動特性曲線知,由于導軌中磁與電流的集膚效應,制動力在很大的高速區(qū)保持恒定,這種特性對高速制動很有利。渦流制動設計總的要求是,達到足夠的制動力,不影響其他磁鐵的正常工作,導軌以及其他部件不產(chǎn)生不允許的機械應力,制動線路要簡單,電源損耗要小,制動裝置質(zhì)量與產(chǎn)生的垂直吸力要小。為達到以上要求,首先要防止勵磁電源因故障全部切除;其次各個制動電路要分開控制,逆變器要分開監(jiān)控,控制信號要合理檢測。2渦流制動的接觸問題磁懸浮列車上,渦流制動中每組的電磁鐵的長度為2000mm左右,磁極數(shù)10~40極。電磁鐵與導軌面的距離為5mm~15mm,一般取6mm~8mm。電磁鐵制動時,在導軌中產(chǎn)生感應(動生)電勢。勵磁為非直流或列車作變速運動時,導軌中還產(chǎn)生感應(感生)電勢。渦流制動裝置的設計與計算問題屬于三維非線性渦流場問題。同時勵磁電磁鐵處在運動狀態(tài),這樣使問題變得更加復雜,計算變得更難。其數(shù)學模型為非線性微分方程,只能通過數(shù)值計算求解。數(shù)值方法有差分計算和有限元計算。由于勵磁電磁鐵是移動體,用有限差方法時需要用到“迎流”系數(shù)。在有限元計算中應用“迎流”有限元法,通過優(yōu)化設計確定電磁鐵的尺寸,如槽寬、槽深以及勵磁電流大小。只要磁極數(shù)足夠,磁極極性可認為是作周期性分布。計算可以三維場計算或二維場計算。三維場計算比二維場精確(參見圖5),所以二維場計算后必須進行校正,并結(jié)合試驗數(shù)據(jù),找出校正系數(shù)。低速時渦流裝置采用交流勵磁,作異步發(fā)電機工作,若按三維場計算,計算困難,收斂性差,可能得不到計算值。此時可假設導軌(感應體)與電磁鐵的寬度為無限大,然后按二維場進行計算。有關資料表明,交流勵磁時,若系統(tǒng)不飽和,則制動力與電流的二次方成正比;若系統(tǒng)飽和,則制動力與電流的一次方成正比。不同時刻電流下的平均制動力都很接近,這為計算帶來了方便。2.1線性渦流制動的“迎流”有限元方法分析渦流制動時,由于電磁鐵與導軌(感應體)的相對運動,速度項的引入使有限元方程的系數(shù)矩陣為一個不對稱方陣。當速度較高時,采用一般的伽遼金有限元法來求解會出現(xiàn)不穩(wěn)定的數(shù)值解,即振蕩不收斂。因此要采用“迎流”有限元法求解制動力。(1)伽遼金有限元方程式中e0為剖分單元數(shù)。采用簡單模式“迎流”有限元方程法,就是把速度引入系數(shù)矩陣進行適當處理,即式中:W——加權參數(shù),在1,2,3維計算中分別為2,ae——單元Ke中的某一位置(ae,Ze);Oe——單元Ke的局部坐標系的原點(aoe,Zoe);——運動媒質(zhì)剖分單元的局部坐標系原點處的速度;|J(Oe)|——等參數(shù)變換中的雅可比矩陣的行列式;_a,_Z——分別為運動媒質(zhì)在局部坐標系原點處沿a,Z方向的磁導率;ea,eZ——分別為運動媒質(zhì)在局部坐標系原點處沿a,Z方向的電導率;ha,hZ——分別為剖分單元沿a,Z方向的實際長度。在剖分單元為矩形時,x、y分別與a、Z方向一致,_、e各向同性,與方向無關。設運動媒質(zhì)沿x方向移動,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中的積分項用高斯積分法計算。根據(jù)簡單模式“迎流”有限元方法,計算每個單元中的系數(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)和磁感應強度。(2)制動力計算(1)能量法導軌中的電流導軌中消耗的功率P:式中N為電磁鐵的極對數(shù)。(2)馬克斯威爾法導軌中的制動力應由導軌中的渦流電流和磁化電流共同引起,所以導軌中的制動力式中,Jm為磁化電流;S、n分別為導軌表面積和導軌表面法線方向的單位矢量。3渦流制動裝置在中國(1)從運行安全性、可靠性來說,磁懸浮列車的渦流制動是必不可少的。