高速列车涡流制动技术综述＊

丁福焰，吕宝佳，顾磊磊

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

早在1855年法国物理学家Léon Foucault就发现了涡流原理。1892年世界上第一个轨道车辆涡流制动专利在英国出现。1903年法国申报了世界上第一个汽车用涡流制动器专利。今天，涡流制动技术已在起重、汽车、轨道交通等行业得到了大量应用。

就轨道车辆应用而言，涡流制动可使列车保持较高的减速度，缩短制动距离，减少磨损，提高运行经济性。法国、德国和日本等均进行了长时间的研究和开发，在研发过程中解决了大量的技术和工程难题，例如制动特性及控制、工作气隙、电磁铁供电、轨道温升、对轨道电路的影响、结构和安装等，丰富了高速列车的制动方式，获得了较好的运用效果，其经验值得我们借鉴。

1 涡流制动的原理、分类及特点

1.1 涡流制动的基本原理

涡流制动的基本原理如图1所示，磁铁按照N、S极交替布置，并与导体（感应体）保持一定的气隙。当励磁线圈通电，导体与电磁铁无相对运动（v=0）时，主磁通恒定，磁场是对称的，导体中不产生涡流，电磁铁与导体之间只有吸力（F=FA）而没有制动力。当磁铁与导体相对运动（v＞0）时，导体切割磁力线，根据电磁感应原理，导体内将会产生闭合的漩涡状感应电流，称为电涡流，由电涡流产生的磁场使主磁场发生畸变，磁力线发生偏转，生成切向分力FB，即为制动力。从能量转换的角度来说，列车的动能通过感应体的涡流损耗，使感应体温度升高，从而将列车的动能转换成热能消散于大气，达到制动的目的［1-3］。

图1 涡流制动原理图

涡流制动的突出优点是无机械磨损、无气味、无噪声，在很大的速度范围内制动力具有平坦的特性，且制动力可控，即可用于紧急制动，又可用于常用制动，可部分替代摩擦制动，减少制动盘、闸片的磨损和更换，优化运行质量，改善乘车舒适度。

1.2 涡流制动的分类

根据磁铁和感应体的结构型式，涡流制动可分为线性涡流制动和旋转涡流制动。线性涡流制动又称轨道涡流制动，是将钢轨作为磁感应体，利用安装在转向架上的磁铁与钢轨产生相对运动，在钢轨上感应出涡流并形成制动力。

线性涡流制动的优点：

（1）属于非黏着制动方式，不依赖于轮轨黏着系数；

（2）可产生强大的制动力，减小制动距离，提高行车安全性，特别适合高速应用；

（3）不会对轨道产生冲击。

线性涡流制动存在的问题主要包括在同一线路区段频繁制动，可能引起钢轨发热；低速时电磁吸力很大，因此不宜在低速下使用；电磁场对轨道电路的干扰作用，对于不同类型或制式的轨道道路，需要进行研究和试验。

旋转涡流制动又称为盘式涡流制动，是在车轴上设置金属圆盘作为磁感应体，磁铁可安装在金属盘的一侧或两侧，金属感应盘在磁场中转动时可感应出涡流，形成制动力矩，如图2所示［4］。

图2 旋转涡流制动原理图

旋转涡流制动的优点：

（1）应用与线路无关，即不受轨道线路的限制；

（2）涡流感应盘的材料可以选择；

（3）可在既有的机车车辆上补装。

旋转涡流制动的缺点：属于黏着制动，对减少磨耗和维修有利，但对高速条件下提高制动减速度作用不大。

根据励磁方式，涡流制动又可分为电磁涡流制动和永磁涡流制动。电磁涡流制动采用导磁率较高的铁芯（或其他材料）磁极，周围缠绕线圈绕组，由外部的供电电源提供励磁，从而产生磁场并形成涡流制动力，通过调节励磁电流，实现制动力的控制。其特点是可产生较大的制动力，且易于控制，可调节性好，但要消耗较大的电功率，线圈温度高，低速时可用性差。

永磁涡流制动是用永磁材料制成的磁铁取代电磁铁，通过对永久磁铁位置的调节实现涡流制动力的控制。其特点是无励磁线圈，不需要外部供电装置，质量轻，热负荷小，且可用作停车制动，可用性强，运用成本也较低，具有良好的发展前景。

2 涡流制动装置的结构与制动特性

2.1 结构

图3 ICE3的线性涡流制动装置

安装在一个转向架上的线性涡流制动装置主要包括电磁铁、支承梁、传力杆、支架、横向拉杆、悬挂装置等，图3为德国ICE3动车组应用的涡流制动装置。电磁铁有两组，分别布置在转向架两侧、钢轨中心线上方。支承梁用来固定电磁铁，构成闭合磁路，同时承受制动力和吸引力。支架中含有球铰，允许支承梁和电磁铁沿垂向移动。传力杆负责传递制动力，横向拉杆用来保持两组电磁铁的距离并与支承梁构成整体框架，悬挂装置用于支承梁和电磁铁的升降。电磁铁不工作时，通过悬挂装置使其悬挂在转向架上，此时制动装置不会增加簧下质量，对走行特性无影响。进行制动时，悬挂装置可使电磁铁下降到低位，此时制动装置的质量由轮对轴箱承受，变为簧下质量，电磁铁通电后在钢轨中感应出涡流，达到制动目的［5-6］。

轨道车辆旋转涡流制动装置主要包括涡流制动盘或感应盘（转子）和磁铁（定子）两部分，图4为日本新干线动车组所用的旋转涡流制动装置［7］。感应盘安装在车轴上，并随车轴一同转动。为加强散热，可在盘上设置散热孔或采用其他散热结构。电磁铁布置在感应盘两侧，安装在转向架上。

图4 新干线动车组的旋转涡流制动装置

2.2 制动特性

图5 ICE3实测涡流制动力特性曲线

图5所示为德国ICE3动车组实测的制动力与速度关系曲线［8］，由图可见，低速时制动力随速度的提高而快速增加，100km／h左右制动力达到最大，然后略有减小，但在很大的速度范围甚至很高的速度下均可发挥近乎恒定的制动力。速度低于50km／h时，制动力快速衰减而垂向磁吸力不断增大，实际使用时被关闭。

3 涡流制动的关键技术

涡流制动装置的研发，是对电磁、机械、热力学、控制及电气等多种学科进行集成。其中的关键技术主要包括以下几个方面：

3.1 电磁参数设计与优化

为获得理想的制动特性，且热负荷和温升满足要求，应在电磁机理研究的基础上，通过工程化的建模、解析和数值仿真，进行磁感应强度、线圈匝数、导线截面积、磁阻、极距、气隙等参数和结构尺寸的选择、设计与优化，这是涡流制动需要解决的根本问题，也是工程化研究的难点所在。

3.2 磁性材料选择与磁铁制造工艺

对于电磁涡流制动，需研究和选择铁芯及线圈材料，探索制造工艺，提高绝缘和耐热性能，并具有一定的强度，发挥较大的制动力；对永磁涡流制动来说，应研究和选择合适的永磁材料，在保证性能的同时，又具有良好的经济性。

3.3 机械结构设计

制动装置整体应具有足够的强度和刚度，能够传递制动力而不会产生塑性变形或断裂，并保持磁铁与感应体的恒定间隙和相对位置，能够承受高速运行所带来的振动和冲击，还包括轻量化技术，特别是减轻簧下质量。

3.4 供电与励磁控制

对电磁涡流制动而言，供电方案和励磁电源设计也是很重要的，应具有较高的可靠性和可控性，提供合适的励磁功率，以便获得所需的制动力，并尽量减小质量和体积。当涡流制动用作紧急制动时，要求在电网断电的情况下也能发挥制动作用。

3.5 制动管理

为充分发挥涡流制动装置的作用，并与其他制动方式协调工作，产生均匀的减速度，同时尽量减小磨损，提高运行经济性，研究制动力和能量的分配与优化，从而指导涡流制动的控制，则是应用中必不可少的工作内容。

4 国内外涡流制动技术的研究与应用发展概况

尽管第一个涡流制动专利是针对轨道车辆的，但涡流制动却首先在汽车上得到了应用，1936年世界第一台汽车涡流制动器在法国诞生。汽车涡流制动装置采用旋转涡流型式，作为一种辅助制动手段，可提高车辆运行的安全性，延长机械制动器寿命，并降低车辆维修和运营费用。目前，在国外已被大量用于大型客车、载重汽车和特种车辆。

20世纪90年代涡流制动装置进入我国汽车市场，被称为电涡流缓速器（或缓行器）。1997年我国交通部颁布了JT／T 325《营运客车类型划分及等级评定》标准，首次提出大型高三级营运客车应设有缓行器的要求。2002年修订时，将缓行器安装范围扩大为中型客车高二级、大型客车高二和高三级。此后又在2004、2006和2010年进行了多次修订，客车等级进一步细化，在2010年版本中规定，中型客车高二级及所有大型和特大型客车均应安装缓速器［9］。这一标准对我国商用汽车缓速器的快速发展起到了积极的推动作用，掀起了汽车缓速器的研究、开发热潮，一时出现了很多有关电涡流缓速器的论文和专利，生产和销售涡流缓速器的企业发展到20多家。至2007年底，我国汽车缓速器产量达4.5万台，其中95%以上为电涡流缓速器。目前，电涡流缓速器已成为现代汽车制动系统的关键部件之一，各大客车制造厂、众多公交和长途客运企业都已成为电涡流缓速器的客户，部分重型货车也开始装用电涡流缓速器。营运客车和货车安装电涡流缓速器后，安全性和舒适度得到提高，并起到了节油效果（图6）。

图6 汽车电涡流缓速器

自20世纪60年代起，德、法、日等国一直对涡流制动用于轨道车辆进行研发和试验。法国曾在TGV-001燃气轮高速动车组Y225型转向架上进行过旋转型涡流制动装置试验，1972～1973年法国国营铁路公司（SNCF）对线性涡流制动进行了首次线路运行试验，1974年和1975年在Z7001动车组上也进行了试验。其后，在TGV的Y229型转向架上也曾采用线性涡流制动装置进行试验。20世纪90年代SNCF又与GEC-Alsthom、Knorr等专业厂商合作，对采用不同制造技术研发的两种线性涡流制动装置在360km／h的高速列车TGV-NG上进行装车试验［10］，最终在新一代高速列车AGV上安装了2套线性涡流制动装置。当行车速度在350～200km／h之间时，每台转向架的涡流制动装置可产生20kN的紧急制动力［11］。

德国对轨道车辆涡流制动技术的研究大体始于上世纪70年代初，克诺尔公司曾多次参与法国、德国铁路的试验研究。从1985年起，德国铁路（DB）利用ICE／V高速试验动车组进行了长期、大量的线性涡流制动试验研究。随着新材料的发展，1996年研制成功新的电磁线圈，解决了电磁铁的轻量化及其与传统轨道线路匹配等问题，1998～2000年在ICE-S上进行了全面的试验和运用考核。2002-08正式投入商业运营的ICE3高速动车组批量装用了线性涡流制动装置，在最大常用制动和快速制动中，涡流制动装置可分别提供145kN和170kN的制动力，特别是在230km／h以上速度范围，涡流制动力远大于电制动力，取得了良好的应用效果，其300km／h、330km／h初速度下的制动距离不大于3 350m、4 200m，平均减速度不小于1.04m／s、1.00 m／s［2］［5-6］。至2009年底，至少已有67列ICE3动车组装用了线性涡流制动装置。同时，德国也在研究旋转涡流制动技术在轨道车辆上的应用问题［12］。

日本新干线利用951型试验电动车组曾对线性涡流制动装置进行试验，但当时考虑到轨道发热等问题，新干线最终选择了旋转涡流制动装置，100系、300系和700系动车组在拖车上均采用了旋转涡流制动+空气盘形制动的组合型式。其中，300系每轴2套，700系每轴1套（为减轻拖车轴重）。300系7级常用制动的能量分配为：再生制动占62%，涡流制动占35%，机械制动占3%［13］。近年来，日本又重拾轨道涡流制动，但有所创新，他们正在研究一种交流励磁的轨道涡流制动装置，它是利用直线感应电机原理，进行涡流制动的同时，可利用逆变器将一部分能量反馈到电网（再生制动）或通过电阻耗散（电阻制动），从而减小钢轨的温升［14-15］。

我国铁路的涡流制动研究起步较晚，20世纪90年代，同济大学（包括原上海铁道大学）对涡流制动的电磁机理、制动特性等进行了分析、研究，发表了多篇论文［16-19］。他们还与株洲电力机车厂等单位合作，研制了小比例的线性涡流制动试验台［20-21］，并利用试验台进行了试验，当试验速度分别为250，300，350km／h时，对应制动时间分别为9.86，12s和12.27s［22］。西南交通大学等也于近期开展了永磁旋转涡流制动的研究［23］。我国轨道车辆的涡流制动技术，总体上还处于理论研究阶段，工程化的试验和研发工作尚未真正开展。

近年来，中国高速铁路发展迅速，目前运营的高速动车组在制动型式上，动车采用再生制动和盘形制动，拖车只采用盘形制动。300km／h以上等级列车的制动功率很大，制动盘将承受很高的热负荷，其材料和结构设计受到很大的挑战，且闸片和制动盘磨耗加剧，运行成本加大。如果采用涡流制动，不仅可缩短紧急制动距离，提高列车安全性，而且可在常用制动中发挥作用，高速区段使用涡流制动和再生制动或电阻制动，低速区段使用空气盘形制动补充，则可大大降低制动盘、闸片磨耗，节省运行成本，提高高速列车的运营效率。

自2009年起，中国铁道科学研究院机车车辆研究所研制高速涡流制动试验台，目前正在进行安装和调试。该试验台可1∶1地再现涡流制动的能量转化过程，既可进行线性涡流制动试验，又可进行旋转涡流制动试验。试验台建成后，将为我国高速列车和其他轨道车辆涡流制动技术的工程化研究与产品研发提供有力的技术支撑。

5 结束语

列车速度的提高，使制动系统不断面临新的挑战。对于我国铁路这类大运量运输系统，保持较高的制动减速度水平，以缩短制动距离和追踪间隔时间，将会获得实际效益。同时，我们总是希望寿命周期成本最低，以获得好的运行经济性。因此，探索多种制动方式相配合的复合制动系统技术，特别是非黏着制动的应用，仍是今后的研究课题。由前述分析可见，线性涡流制动是一种适用于现代高速应用的有效解决方案，而永磁涡流制动、交流励磁涡流制动是两个有吸引力的研究方向。

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