轨道检测平台悬浮电磁铁设计与仿真计算

任忠华 袁茂林 李小庆 王子超 刘帅 王剑博

（1.中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春 130024；2.湖南凌翔磁浮科技有限责任公司，湖南长沙 410000）

0.引言

磁悬浮列车是通过电磁力实现列车与轨道之间的无接触的悬浮和导向，再利用直线电机产生的电磁力牵引列车运行的现代高科技轨道交通工具[2]。

为保证磁浮列车的正常平稳运行，必须保证磁浮轨道及相关设备的运行状态、参数控制在标准的范围内。在轨道竣工验收及日常运行维护检测过程中，为减轻劳动强度，提高检测精度和效率，降低运营成本和降低工作过程中的安全风险，有必要开发磁浮轨道综合检测平台。检测平台搭载直线驱动电机、电源、传感器、控制箱等设备，具备独立的悬浮、牵引、检测功能。检测平台总重量为1000kg。基本结构及布局如图1。

本文在中低速磁悬浮列车典型的HSST电磁吸力型悬浮方式（EMS）[3]的基础上，设计了应用于检测平台的电磁铁。

图1 检测平台结构

1.电磁力的计算

如图2为磁浮系统中电磁铁和轨道的结构形式。假设磁感应强度B延磁极表面是均匀分布的，则电磁力的基本公式为：

图2 电磁铁和轨道的结构

式中：F—电磁力（J/cm）；

S—磁极面总面积（cm2）；

u0—空气磁导率（1.25×10-8H/cm）。

磁感应强度计算为：

ds—极板与F轨悬浮气隙。

将公式（2）带入公式（1）得到U型电磁铁吸力计算公式：

上面公式（1）就是通常称的麦克斯韦公式，如果B的单位为高斯，F的单位为公斤，则上式可改写为更为实用的公式：

由以上计算公式可知，电磁力与磁感应强度和磁极面面积成正比，但需要注意的是需避免铁芯材料的磁通密度达到饱和状态。

2.电磁铁设计及有限元分析

2.1 三维建模

电磁铁及轨道设计符合长沙磁浮快线轨道尺寸[4]。F轨和铁芯材料为Q235；线圈材料为铝扁线；线圈窗口面积：40×164=6560mm2；铁芯截面积：20456mm2。

三维建模在机械设计软件solidworks中完成，为减小模型仿真计算量，去除螺纹孔、倒角等对磁场无影响的特征，且模型在XYZ坐标系中心位置方便模型导入Ansys maxwell进行前处理、模型修改及求解定义。采用单个线包进行计算。如图4。

图4 单个线包仿真模型

2.2 仿真计算及结果

前处理：

（1）定义铁芯和F轨材料Q235，定义材料的B-H曲线；

（2）定义线包材料为铝线，取线包截面定义总电流为参数N＊I，便于多组匝数、电流的参数化分析；

（3）定义受力求解对象为F轨；

（4）定义求解线包中通入励磁电流的电感，匝数为N；

（5）根据经验及计算机配置进行网格划分、求解精度设置以及边界设置。

根据检测平台总重量为1000kg，两个电磁铁共4个线包，单个线包需提供悬浮力250kg (2.5kN)。前处理完成后，进行以下两种工况计算。

（1）稳定悬浮状态，气隙宽度8mm仿真结果。

设置线圈安匝数（NI）：5000A；电流密度：1.08A/mm2（有效面积取窗口面积70%）。

保持安匝数（NI）=5000A，不同安匝数组合下的电感值如表1所示。

表1 稳定悬浮状态不同安匝数组合的线包电感值

如图5所示铁芯磁密处于0.65～1.08T。碳钢Q235材料磁密饱和值（约为1.5T）。未达到磁密饱和值。

图5 稳定悬浮状态铁芯磁密

（2）启动瞬间，气隙宽度16mm仿真结果。

设置线圈安匝数（NI）：5000×1.9A=9500A；电流密度：2.06A/mm2（有效面积取窗口面积0.7）。

保持安匝数（NI）=5000×1.9A=9500A，不同安匝数组合下的电感值如表2所示。

表2 启动瞬间不同安匝数组合线包电感值

铁芯磁密处于0.91～1.28T，如图6所示。

图6 启动瞬间铁芯磁密

根据图6可知铁芯材料未达到磁密饱和值。

悬浮电磁铁线圈电感是列车悬浮供电电源和悬浮斩波器设计需要提供的重要参数。电磁铁采用48V低压蓄电池电源供电，根据电磁铁瞬时电压计算公式：

电流和匝数的不同选择影响线圈的电感值，进而影响启动时电磁铁电流响应速度[5]，综合考虑选择电流42A匝数120，铝扁线尺寸为3.15mm×11.2mm。

综上分析：

（1）8mm稳定悬浮时，电流密度：1.08A/mm2，根据经验可允许检测平台在轨道原地静浮，不会导致电磁铁过热；

（2）稳定悬浮铁芯磁密最大为1.08T，启动瞬间铁芯磁密最大为1.28T，Q235材料的磁密饱和值约为1.5T，且电流密度允许一定程度加大。电磁铁悬浮力留有部分余量，允许后期在检测平台上增加设备；并且铁芯磁密距饱和值留有一定余量有利于电磁铁在一些特定情况下增大电流悬浮力的快速响应，而不受磁路磁密饱和的限制，如车辆进入竖曲线段车速较高时，需要悬浮力的快速增大。

3.结语

根据检测平台首次样机试验结果,在试验轨道上稳定悬浮电流为40A，总励磁电流为40A×120=4800安匝，静浮2h无过热或触发保护。起浮电流为80A总励磁电流为80A×120=9600安匝。试验数据与仿真结果存在一定误差但基本符合。

通过理论计算结合有限元仿真，在磁浮列车悬浮电磁的基础上，更改极板长度、铁芯长度、线包数量、线圈参数完成了检测平台电磁铁设计。对悬浮电磁铁设计具有重要指导作用。磁浮轨道检测是维持磁浮列车稳定、安全运行的重要保障。轨道检测平台的开发具有重要意义和迫切的必要性。