盘形涡流制动装置制动特性分析

陈家敏,应 博

(1.上海机动车检测认证技术研究中心有限公司,上海 201805;2.上海地铁维护保障有限公司 车辆分公司,上海 200235)

随着列车高速化,制动系统面临着越来越严峻的挑战。对于任何一种制动方式,其最终目的都是使车辆由高速减至低速或者停止,而制动效果则由制动力的大小所决定。对于涡流制动,其制动力是由电磁场引起的,因此对涡流电磁场的研究具有重要的意义。

文献[1-2]通过经验的算法来计算制动力,采用解析法求解电磁场,然后计算电磁力。文献[3-4]提出了一些计算模型。文献[5]则采用数值的方法来计算电磁场,利用有限元法得出电磁场的分布,再用积分的方法计算电磁力。文献[6-7]用数值法计算了电磁场的相关研究。

本文介绍了电磁力的基本算法和各种制动力的解析法计算模型,并利用通用软件计算了涡流制动力。然后,对影响涡流制动电磁场和制动力的参数进行了研究与优化,得到了合理的制动特性曲线,并与试验曲线进行了比较,证明了其正确性。

1 盘形涡流制动装置

利用励磁电磁铁与转盘的相对运动,在转盘中产生动生和感生电势,进而产生涡流,将列车的动能变成转盘中的热能,并通过转盘把热量发散出去。盘形涡流制动装置如图1所示。

图1 盘形涡流制动装置

2 涡流制动动态变化规律

2.1 涡流制动装置电磁场变化与结构关系

对于电磁场与制动力的计算,一般可分为基于解析法的经验法和数值法2种算法。

通过解析法简化磁场,磁场正弦分布,得到磁通密度[1-2],进而得到制动力的公式:

F=L∬ΩB(x,y)J(x,y)dxdy

(1)

式中:L为长度,B(x,y)为磁通密度,J(x,y)为微元上面的电流密度分布。

利用数值法,通过麦克斯韦方程,经过推导,得到适用于计算机求解的有限元方程[6-7]:

(2)

2.2 不同计算方法对比

图2表示转盘中心处和距离转盘表面1 mm处的磁通密度值在相同条件下,利用ANSYS和FEMLab分别计算得到的结果。

图2 ANSYS和FEMLAB计算结果

2种软件中磁通密度的变化趋势是相同的,呈类似正弦函数的波浪型分布,数值误差也较小。

图3为相同条件下利用不同计算方法所得到的制动力与速度的关系以及不同速度下的磁雷诺系数曲线。在ANSYS中利用2种计算方法计算电磁力,FVW为虚位移法,FMX为麦克斯韦应力张量法。在FEMLab中利用区域积分功能进行电磁力计算。

图3 不同计算方法的制动力

制动力随速度的增加而增加,在达到最大值后,制动力随速度增加而缓慢下降。制动力最大时的速度称为临界速度。3种方法所计算的制动特性曲线中,制动力随速度的变化趋势一致,数值的差别是由算法和网格划分引起的。

随着速度的增加,磁场的变形越来越严重。在速度v的作用下会出现最大制动力。

2.3 数值法和解析法对比

相同条件下,用数值法和解析法分别计算涡流的衰减情况,图4为数值法计算的涡流密度分布情况,沿纵向从转盘表面至中心提取涡流密度值,然后除以表面处的涡流密度值,即得出衰减的规律,与按解析法计算的标准指数衰减曲线比较,数值法解和解析法解是相符的。

图4 数值法与解析法对比

3 涡流制动装置结构参数对性能影响

3.1 气隙大小对制动特性的影响

图5为不同气隙下磁通密度变化曲线,气隙越大磁通密度越小,即气隙越大,磁路中的总磁阻越大。因此,磁通密度就越小。

图5 气隙对磁场的影响

图6为气隙对制动力的影响,由图6可知,气隙越大,制动力越小,整个制动特性曲线的变化趋势也更为平坦。气隙增加时,磁阻也在增加,磁感应强度减小,制动力急剧减小。

图6 气隙对制动力的影响

3.2 转盘厚度对制动特性的影响

转盘厚度对磁场的影响如图7所示,与气隙大小类似,转盘越厚,磁通密度越小,但转盘的磁导率要比空气大,磁阻比空气小。因此,磁通密度的下降幅度较小。

图7 转盘厚度对磁场的影响

图8为不同盘厚的制动特性曲线,随着盘厚的增加,制动力的总体趋势是变小的,但在低速时,转盘厚的制动力反而大。低速时,磁通密度大小差别是很小的,因此决定制动力大小的因素是转盘截面的面积大小,因此转盘厚的制动力大;而在高速时,转盘厚的磁力线不易穿透,因此制动力较小。

图8 不同速度下盘厚对制动力的影响

3.3 磁导率和电导率对制动特性的影响

图9为不同磁导率和电导率的制动特性曲线。磁导率和电导率对制动特性曲线的影响很大,磁导率越大,制动力越大。临界速度变小是由于磁导率越大,磁场的变形越大;而电导率只影响临界速度的大小,并不影响制动力的大小。

图9 μ、σ对制动力的影响

3.4 电流大小对制动特性的影响

在匝数一定的情况下,导线中的电流越大,总电流也越大,磁动势也越大,因此产生的磁通密度也越大。图10为不同激励电流时的磁通密度大小比较,所取磁通密度位于转盘厚度的中线。在条件不变时,磁通密度随激励电流的增大而增大。此外,磁通密度的分布并不随电流的变化而变化,反映在图中就是不同电流下磁通密度变化遵循同样的变化规律。

图10 电流对磁场的影响

4 试验验证

涡流装置试验台如图11所示,主要由模拟制动能量子系统(包括轨道轮、惯性轮、主轴、轴承)、模拟电磁铁与钢轨之间作用子系统(包括电磁铁和气隙调整机构及扇形支架)和信息采集及控制子系统组成。试验台通过设定的磁极与轨道之间的间隙和励磁电流,可测出电磁吸引力及制动力。

图11 涡流制动装置试验台

图12为计算所得的制动特性曲线和国内外试验数据的对比图,由于试验的条件各不相同,因此所得的制动力也大小不一,为使各试验数据具有可比性,在制动特性曲线图中纵坐标采用相对制动力F′,即纵坐标均除以临界速度时的制动力。从图中可以看出,计算的制动力曲线和试验结果拟合度较高,算法正确。为实际设计和优化涡流制动装置提供了可靠的模型和计算方法。

图12 计算曲线和试验曲线对比

5 结束语

利用解析法和数值法对涡流制动的电磁场进行了计算,对比分析了3种不同计算方法所得到的电磁力。对影响涡流制动电磁场和制动力的各种参数进行了研究和优化,通过调整气隙、盘厚、磁导率、电导率和电流大小等参数优化了制动性能。对不同速度时的制动力进行试验,与仿真结果、国外试验曲线进行了对比,结果吻合。