高速动车组线性涡流制动系统特性仿真研究_杨利强.pdf

第 1 期学术专论高速动车组线性涡流制动系统特性仿真研究杨利强1徐凯歌2刘赛赛3(1徐州地铁集团有限公司，221018，徐州;2徐州地铁运营有限公司，221018，徐州;3南京中车浦镇海泰制动设备有限公司，211899，南京第一作者，正高级工程师)摘要基于涡流制动原理建立涡流制动力的数学模型，并利用 ANSYS Maxwell 软件建立 LECB(线性涡流制动)三维仿真模型。根据控制变量法研究列车速度、气隙、励磁电流等因素对涡流制动特性的影响，并分析了常用制动和紧急制动工况下的电磁特性。研究结果表明:线性涡流制动力受速度的影响明显，低速时制动力快速上升并达到幅值，然后随着速度的增加，制动力下降并趋于平稳;励磁电流、励磁线圈匝数与线性涡流制动力成正相关，气隙、钢轨材料电导率与线性涡流制动力成负相关;相同条件下，励磁线圈材料为铝时，线性涡流制动系统产生的制动力大小优于励磁线圈材料为铜时产生的制动力。关键词高速动车组;涡流制动;有限元分析;控制变量法中图分类号U270357U266DOI:1016037/j1007869x202301001Characteristic Simulation of Linear Eddy CurrentBraking System of High-speed EMUYANG Liqiang，XU Kaige，LIU SaisaiAbstractA mathematical model of eddy current braking forceis established based on eddy current braking principle，and theLECB(linear eddy current brake)3D simulation model is es-tablishedusingANSYSMaxwellsoftwareAccordingtocontrol variable method，the influence of factors such as trainspeed，air gap，excitation current on eddy current braking char-acteristics is studied，and the electromagnetic characteristicsunder common braking and emergency braking conditions areanalyzed esearch results show that the linear eddy currentbraking force is obviously affected by the speed At low speed，the braking force rises rapidly and reaches the amplitude，andthen decreases and becomes stable as speed increases The exci-tation current and the number of excitation coil turns are posi-tively correlated with the linear eddy current braking force，while the air gap and the conductivity of rail material are nega-tively correlated with the linear eddy current braking force Un-der the same conditions，the braking force generated by the lin-ear eddy current braking system with excitation coil material ofaluminum is larger than with material of copperKey wordshigh-speed EMU;eddy current braking;finite el-ement analysis;control variable methodFirst-authors addressXuzhou Metro Group Co，Ltd，221018，Xuzhou，China线性涡流制动是一种不依靠车轮与钢轨之间的摩擦进行制动的方式，其在高速下可提供稳定、可靠的制动力，已逐渐成为高速列车上一种新型的制动方式1-2。但线性涡流制动系统受列车速度、气隙等因素影响，想要获得安全可靠的制动力就要为线性涡流制动系统选取合适的参数范围。关于线性涡流制动的研究，国内外学者已进行过大量的试验与分析。法国研发的 AGV(高速动车组)列车运用的是线性涡流制动系统进行制动，当列车运行速度在200 km/h 以上时，每列列车的瞬时制动力可达到 20 kN3-4。德国从 1985 年开始在ICE-V(试验型城际列车特快)试验车上进行试验。结合 ICE-V 试验车的问题及法国 AGV 列车的经验，德国铁路公司在 ICE-3(德国高速动车组 ICE 的第三代)试验车上对改良后的线性涡流制动系统进行了试验并取得了良好的效果。其研究结果表明:ICE3 试验车使用线性涡流制动系统进行制动时，若动车速度升高，其制动力也能保持较稳定的水平，而制动功率则跟随试验车速度的变化而变化(近似的可以看成线性关系)，但线性涡流制动热负荷却比摩擦制动产生的热负荷低很多。这为列车线性涡流制动技术的推广提供了应用基础5-6。1964 年，日本建成的新干线是世界上第一条高速铁路，长度约为 550 km，最快速度可达 210 km/h。大约 6 年后，日本开始在新干线上进行一系列线性涡流制动试验。1990 年，日本又开始研究电磁涡流制动技术和永磁涡流制动技术。日本在其高速列车上运用电制动与空气制动组成的联合制动系统进行制动，列车的拖车采用旋转型涡流制动系统作为12023 年电制动系统。旋转型涡流制动在高速列车上的成功应用表明，在拖车上使用旋转型涡流制动与空气制动相结合的制动方式是行之有效的7。文献 8以“迎流的”有限元法为基础，推导了涡流制动力公式，并得到其制动力曲线。由该曲线可以看出，随着列车速度的增加，其制动力呈现出先变大后减小的趋势，并在中间某速度处达到最大值。文献 9对永磁涡流制动器进行了分析，求解出其制动力公式，并分析了不同参数变化对制动力的影响。文献 10 利用德国 T07 型磁浮列车的线性涡流制动装置，推导出其制动力的关系式，得到了制动力随列车速度变化的曲线。文献 11采用子域法计算了线性涡流制动力与速度、励磁电流、气隙长度、板厚和电导率等参数之间的解析公式，并通过有限元仿真验证了理论计算的正确性。由上述研究可知，线性涡流制动系统产生的制动力与所选取的不同参数有关，因此研究不同参数对线性涡流制动系统的影响至关重要。本文通过 ANSYS Maxwell 仿真软件对线性涡流制动系统进行建模仿真，分析了线性涡流制动系统在不同车速、气隙、励磁电流及励磁线圈匝数时产生的制动力大小，为线性涡流制动系统的设计提供借鉴与参考。1线性涡流制动系统的数学模型高速列车线性涡流制动系统是由电磁系统和机械系统组成的。电磁系统包括牵引变流器、励磁电磁铁等，其中励磁电磁铁由磁轭、电枢线圈和铁心组成。机械系统一般由升降风缸、套筒等组成。励磁电磁铁与钢轨平行，其包括 8 个磁极，线圈的电流通入方向使磁极按照“N-S-N-S”交替排列。当高速列车利用线性涡流制动系统进行制动时，钢轨切割电磁铁产生的磁场使钢轨中感应出涡流并形成涡流磁场，该新生磁场将阻碍原本电磁铁产生的磁场变化而使气隙中的磁场畸变产生 2 个力的分量，其中一个横向电磁力会阻碍列车运动，从而达到列车制动的目的。由于线性涡流制动力的计算涉及到很多复杂因素，因此，本文根据线性涡流制动系统的工作原理及其在不同工况下的工作过程，采用磁路分析法对涡流磁场进行相应简化，进而建立线性涡流制动力的数学模型。由图 1 的线性涡流制动磁场示意图可知，磁极与磁极之间构成闭合回路，由于每两个磁极之间形成的回路相同且对称，因此分析电磁铁的电磁机理时，可将多个磁极等效成一对磁极进行分析。图 1线性涡流制动磁场示意图Fig1Diagram of linear eddy current braking magnetic field根据等效原理，可将磁极与钢轨之间产生的涡流等效成一个半径为 r、集肤深度为 的涡流计算微元。涡流区域磁通是按照余弦规律变化的，因此在钢轨表面产生的感应电动势 E 为:E=ddt=B2r2vsinvt()(1)式中:线性涡流区域磁通;B 气隙处的磁感应强度;v 列车速度;相邻电磁铁之间的极距;t 变化时间。感应涡流在钢轨表面的集肤深度为:=2 v(2)式中:钢轨的电阻率，/m;钢轨磁导率，H/m。由式(1)和式(2)可得，涡流有效值 为:=2BvD232(3)式中:D 涡流区域直径，mm。按照等效磁路原理，对磁路模型各部分磁阻进行等效，得到气隙处的磁感应强度为:B=32 0NI032 l0+2ke0vD2(4)式中:0 空气磁导率，H/m;I0 励磁电流，A;ke 折算系数;N 线圈安匝数，匝;l0 气隙长度，mm。2第 1 期学术专论从能量守恒的角度出发，可以得到涡流区域内产生的功率有效值 P 为:P=B23v2D4256 2(5)根据线性涡流制动力 F=Pv，可得:F=25/203/21/2NI0()2D4v16 l0+ke0D2v()2(6)从式(6)中可以看出，线性涡流制动力与列车速度、气隙长度、励磁电流等诸多因素有关。此外，涡流密度衰减率 可以表示为:=exp 2z()(7)式中:z 深度，mm;涡流频率，Hz;钢轨电导率，S/m。由式(7)可知，和 对电流衰减起到了重要作用。当 不变时，或 越大，则在同一 z 处衰减得越大12，因此 和 的取值也会影响制动力的大小。综上可知，列车速度、气隙、励磁电流、励磁线圈匝数、钢轨材料电导率及励磁线圈材料等能够影响线性涡流制动特性和电磁特性。2线性涡流制动系统仿真模型21模型建立利用 ANSYS Maxwell 软件建立线性涡流制动系统仿真模型(以下简称“仿真模型”)，如图 2 所示。仿真模型尺寸如表 1 所示。图 2线性涡流制动系统仿真模型Fig2Simulation model of linear eddy current braking system由于钢轨是铁磁性物质，该仿真模型中取其相对磁导率为 200 H/m，电导率为 5106S/m;磁轭与磁心的相对磁导率取值为 1 360 H/m，电导率为0153 8 S/m;励磁线圈选铜材料。表 1线性涡流制动系统仿真模型尺寸Tab 1Simulation model size of linear eddy currentbraking system名称尺寸铁心115 mm75 mm110 mm励磁线圈170 mm130 mm102 mm磁轭1 460 mm130 mm40 mm磁极两端极板35 mm130 mm110 mm磁矩(中心距)182 mm为保证仿真模型计算的准确率，要对模型进行剖分;由于线形涡流制动系统会在钢轨表面产生涡流，所以针对钢轨要按照集肤深度进行剖分。线性涡流制动系统网格剖分图如图 3 所示。图 3线性涡流制动系统网格剖分Fig3Grid division of linear eddy current braking system22制动特性仿真常用制动时，线性涡流制动系统励磁电流 I078 A;紧急制动时 I0为95 A。气隙长度 l0变化范围为 68 mm，制动特性试验参数如表 2 所示。表 2制动特性试验参数Tab2Experimental parameters of braking chara