磁悬浮列车制动技术的研究

磁悬浮列车制动技术的研究

0涡流制动原理与其他交通工具车辆一样，磁浮列车也存在故障。磁悬浮列车基本上可以不考虑粘着问题,这是磁悬浮列车的一个显著的优点。制动时,可以采用反向直线同步电机或异步电机的推力来制动,另外附加涡流制动。涡流制动的基本原理比较简单,利用励磁电磁铁与钢轨或钢圆盘(简称感应体)的相对运动,在感应体中产生感应(动生或感生的)电势,产生涡流,使列车的动能变成感应体中的热能,并通过感应体把热量发散出去;也可解释为由于感应体中的涡流产生的磁场与励磁电磁体产生的磁场相互作用,气隙中的磁场发生变化,形成垂直分量与水平分量的作用力,水平分量的作用力与列车的前进方向相反,即制动力。低速时,由于涡流制动产生的制动力比较小,磁悬浮列车要采用其他措施,把涡流制动改变成异步发电机工作状态以及配合滑块摩擦制动来解决。1励磁电源的应用磁悬浮列车采用3种制动方式:(1)再生制动或电阻制动,一般采用电阻制动;(2)机械制动;(3)涡流制动。电阻制动和涡流制动是高速时用于制动全程;机械制动是一种滑块制动,仅在低速制停时使用。在TR07磁悬浮列车上除使用通过反向直线同步电动机的推力来进行制动外,还使用线性涡流制动,利用沿车体前进方向分布的导轨(感应体)中的感应涡流来工作。每节列车中有2个涡流制动装置,分布在列车的两侧。每侧涡流制动装置有一个16极、长2048mm的电磁铁。每对磁极的磁距为128mm,线圈宽128mm。线圈导线是经过阳极化处理的铝带。感应体或电磁铁的宽为310mm(参见图1)。电磁铁安装在每节车的第三个磁悬浮转向架的中部,代替磁悬浮列车上的导向磁铁(参见图2)。每侧的励磁电磁铁分成4个单元,每个单元有4个磁极。为了防止每个单元的损坏导致整个电源的切除,每个单元分别由直流440V或由车上备用蓄电池通过四象限斩波器供电。440V电源由车上8个直线发电机和4个变流器升压得到。励磁电流最大可达800A。备用蓄电池电压440V,容量40Ah。一般情况下励磁电流为直流120A。只要列车速度大于46km/h,整个磁悬浮列车涡流制动装置就能产生1.5m/s2的最大减速度。正常状态下电磁铁的工作气隙为8mm,因车速低于150km/h时,涡流制动力急剧下降,故在50km/h以下时采用着地的滑块摩擦制动制停列车;车速接近停止的低速时,每单元的电磁铁励磁线圈中通以不同相位的交流电源,使涡流装置工作在转差大于1的直线异步电机工况,电流有效值为100A,此时磁场波长为电流励磁时的2倍。交流电源也由四象限斩波器得到,由直流励磁控制转变为交流励磁的时间很短,交直励磁转换很容易,几乎是连续转换。电源频率从0到最大频率可调,最大频率受四象限斩波器的最大输出电压制约,为4Hz左右。制动特性为线性,制动力特性如图3所示。高速时电磁铁采用直流励磁,其工作类似于转子为移动的励磁电磁铁和定子为短连的导轨(感应体)的直线同步电机运行。为了防止损耗太大和发热,导轨由电阻率较高的特殊材料组成。制动力的大小取决于励磁电流、列车速度、涡流装置的几何尺寸以及导轨(感应体)的电阻率。涡流制动的制动特性如图4所示。涡流制动设计时,为了防止对磁悬浮列车和线路设备的影响和损坏,电磁铁励磁电流的大小取决于要求达到的减速度和能承受的最大垂直吸力的极限。从制动特性曲线知,由于导轨中磁与电流的集肤效应,制动力在很大的高速区保持恒定,这种特性对高速制动很有利。涡流制动设计总的要求是,达到足够的制动力,不影响其他磁铁的正常工作,导轨以及其他部件不产生不允许的机械应力,制动线路要简单,电源损耗要小,制动装置质量与产生的垂直吸力要小。为达到以上要求,首先要防止励磁电源因故障全部切除;其次各个制动电路要分开控制,逆变器要分开监控,控制信号要合理检测。2涡流制动的接触问题磁悬浮列车上,涡流制动中每组的电磁铁的长度为2000mm左右,磁极数10~40极。电磁铁与导轨面的距离为5mm~15mm,一般取6mm~8mm。电磁铁制动时,在导轨中产生感应(动生)电势。励磁为非直流或列车作变速运动时,导轨中还产生感应(感生)电势。涡流制动装置的设计与计算问题属于三维非线性涡流场问题。同时励磁电磁铁处在运动状态,这样使问题变得更加复杂,计算变得更难。其数学模型为非线性微分方程,只能通过数值计算求解。数值方法有差分计算和有限元计算。由于励磁电磁铁是移动体,用有限差方法时需要用到“迎流”系数。在有限元计算中应用“迎流”有限元法,通过优化设计确定电磁铁的尺寸,如槽宽、槽深以及励磁电流大小。只要磁极数足够,磁极极性可认为是作周期性分布。计算可以三维场计算或二维场计算。三维场计算比二维场精确(参见图5),所以二维场计算后必须进行校正,并结合试验数据,找出校正系数。低速时涡流装置采用交流励磁,作异步发电机工作,若按三维场计算,计算困难,收敛性差,可能得不到计算值。此时可假设导轨(感应体)与电磁铁的宽度为无限大,然后按二维场进行计算。有关资料表明,交流励磁时,若系统不饱和,则制动力与电流的二次方成正比;若系统饱和,则制动力与电流的一次方成正比。不同时刻电流下的平均制动力都很接近,这为计算带来了方便。2.1线性涡流制动的“迎流”有限元方法分析涡流制动时,由于电磁铁与导轨(感应体)的相对运动,速度项的引入使有限元方程的系数矩阵为一个不对称方阵。当速度较高时,采用一般的伽辽金有限元法来求解会出现不稳定的数值解,即振荡不收敛。因此要采用“迎流”有限元法求解制动力。(1)伽辽金有限元方程式中e0为剖分单元数。采用简单模式“迎流”有限元方程法,就是把速度引入系数矩阵进行适当处理,即式中:W——加权参数,在1,2,3维计算中分别为2,ae——单元Ke中的某一位置(ae,Ze);Oe——单元Ke的局部坐标系的原点(aoe,Zoe);——运动媒质剖分单元的局部坐标系原点处的速度;|J(Oe)|——等参数变换中的雅可比矩阵的行列式;_a,_Z——分别为运动媒质在局部坐标系原点处沿a,Z方向的磁导率;ea,eZ——分别为运动媒质在局部坐标系原点处沿a,Z方向的电导率;ha,hZ——分别为剖分单元沿a,Z方向的实际长度。在剖分单元为矩形时,x、y分别与a、Z方向一致,_、e各向同性,与方向无关。设运动媒质沿x方向移动,则Vey=0,hx=ha,hy=hZ,Vx=Va,Vy=VZ,Pex=Pea=_ehxVex/2,Pey=PeZ=0。所以Ze取单元中任意值。上式Kij中的积分项用高斯积分法计算。根据简单模式“迎流”有限元方法,计算每个单元中的系数矩阵,迭加可得有限元方程的总系数矩阵。解方程后,即可求解位函数和磁感应强度。(2)制动力计算(1)能量法导轨中的电流导轨中消耗的功率P:式中N为电磁铁的极对数。(2)马克斯威尔法导轨中的制动力应由导轨中的涡流电流和磁化电流共同引起,所以导轨中的制动力式中,Jm为磁化电流;S、n分别为导轨表面积和导轨表面法线方向的单位矢量。3涡流制动装置在中国(1)从运行安全性、可靠性来说,磁悬浮列车的涡流制动是必不可少的。