雙磁系永磁磁軌制動器的設(shè)計分析

何 仁，王 亮，王 晶

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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雙磁系永磁磁軌制動器的設(shè)計分析

何 仁，王 亮，王 晶

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

介紹了永磁磁軌制動器在軌道車輛領(lǐng)域的應用情況與工作原理；分析了現(xiàn)有永磁磁軌制動器的特點，提出一種雙磁系永磁磁軌制動器的結(jié)構(gòu)；針對所提出的雙磁系制動器結(jié)構(gòu)，闡述了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計方法并進行設(shè)計；對所設(shè)計的雙磁系制動器的吸力特性進行仿真測試。結(jié)果表明：提出的雙磁系制動器解決了單磁系制動器的不足，同時基于磁路原理的參數(shù)設(shè)計滿足了磁軌制動器的性能要求。

車輛工程；雙磁系永磁磁軌制動；設(shè)計；仿真

0 引 言

黏著制動是軌道車輛的常規(guī)制動方式，制動力從鋼軌經(jīng)車輪傳給車輛。隨著車輛速度的提高，輪軌間黏著系數(shù)急劇下降，導致緊急制動時黏著制動力不足，為保持所要求的制動距離，需其他制動方式作為輔助或制動力的補充[1-3]。磁軌制動作為非黏著制動很好地滿足上述要求，在軌道車輛上得到廣泛應用。目前，德國ICE系列動車組、日本新干線、法國TGV動車組都應用了磁軌制動器，取得很好的效果[4-5]。磁軌制動器安裝于軌道車輛轉(zhuǎn)向架兩個側(cè)架下面，通過電磁鐵或永磁鐵提供磁吸力將制動器吸附于鋼軌上，制動器與鋼軌間滑動摩擦力即為制動力[6-7]。永磁磁軌制動器以其不消耗能量、免維護、高速制動性能好等優(yōu)點得到了廣泛重視[8]。目前，永磁磁軌制動器大多是單磁系結(jié)構(gòu)，其橫截面如圖1[9]。

A—頂蓋(非導磁)；B—永磁體；C—磁軸(非導磁)；D—磁軛(導磁)；E—制動靴(導磁)；F—鋼軌(導磁)

圖1 單磁系永磁磁軌制動器截面

Fig.1 Cross-section of PMB

圖1(a)為非制動狀態(tài)，永磁鐵產(chǎn)生的磁場在磁軛內(nèi)部形成磁回路，制動器對鋼軌沒有磁吸力。當需要制動時，磁軸繞其自身軸線旋轉(zhuǎn)90°，永磁鐵產(chǎn)生的磁場通過磁軛、制動靴和鋼軌形成磁回路，磁吸力將制動器吸附于鋼軌之上，制動靴與鋼軌間滑動摩擦力即為制動力，如圖1(b)。但該結(jié)構(gòu)存在很大不足：非制動時，有漏磁通過制動靴、鋼軌，制動器對鋼軌仍有磁吸力，制動解除不徹底；制動時，永磁體與磁軛間存在大量漏磁現(xiàn)象，制動力小，不能滿足軌道車輛緊急制動的要求。針對上述問題，筆者提出一種雙磁系結(jié)構(gòu)，同時討論了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計方法。

1 雙磁系制動器結(jié)構(gòu)及工作原理

筆者所設(shè)計的雙磁系永磁磁軌制動器沿軌道縱向的橫截面不變，如圖2。永磁鐵B1，B2沿x方向充磁，隔板(t=3 mm)嵌于磁軛中，固定永磁鐵B1，永磁鐵B2固定于磁軸中間，可隨磁軸繞其自身軸線旋轉(zhuǎn)(δ1=0.5 mm)，磁軸兩端部通過滾動軸承與非導磁端蓋(圖中略)相連接。圖2為制動狀態(tài)，永磁鐵B1，B2產(chǎn)生的磁場在制動靴與鋼軌處相互疊加，使制動器對鋼軌磁吸力足夠大，滿足緊急制動要求；當需解除制動時，磁軸繞自身軸線旋轉(zhuǎn)180°，此時永磁鐵B1，B2產(chǎn)生的磁場在制動靴與鋼軌處相互抵消，使制動器對鋼軌磁吸力為0,制動解除徹底。

A—隔板(非導磁)；B1，B2—永磁鐵；C—磁軸(導磁)D—磁軛(導磁)；E—制動靴(導磁)；F—鋼軌(導磁)

圖2 雙磁系永磁磁軌制動器截面

Fig.2 Cross-section of D-PMB

2 雙磁系制動器理論分析

研究表明，由于表面粗糙度等原因，制動靴與鋼軌面間總有氣隙，這部分氣隙稱為等效工作氣隙，常取δ=0.1 mm[10]。為了簡化模型的建立，做出如下假設(shè)：①忽略制動器端部磁效應，沿軌道縱向磁分布相同；②忽略鋼軌上表面弧度，鋼軌上表面水平；③忽略隔板對磁場的影響。圖2所示制動器的等效磁路如圖3，圖中RⅠ,RⅡ,RⅢ,RⅣ表示與圖2相對應的Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ部分磁阻；RZ表示左半磁軸磁阻；Rδ1表示磁軸與左半磁軛間隙磁阻；Rδ表示左制動靴與鋼軌間隙磁阻；RG表示鋼軌磁阻。

圖3 雙磁系永磁磁軌制動器等效磁路

制動力大小與制動器對鋼軌垂直磁吸力FN成正比，故制動力fb可以表示為：

(1)

式中：μ為制動靴與鋼軌間摩擦系數(shù)；Bδ為等效工作氣隙處磁感應強度；Sx為單個制動靴與鋼軌接觸面積；μ0為真空中磁導率。

制動器制動時，根據(jù)磁路基本方程有：

(2)

式中：Kr1，Kr2為磁阻系數(shù)，其與磁軛、制動靴結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)；Hδ為等效工作氣隙處磁場強度；Hm1，Hm2為永磁鐵B1，B2工作點處磁場強度。

在忽略漏磁情況下有：

BδSδ=Bm1Sm1+Bm2Sm2

(3)

式中：Sδ為等效工作氣隙處磁通面積；Bm1，Bm2為永磁鐵B1，B2工作點處磁感應強度；Sm1，Sm2為永磁鐵B1，B2磁通面積。

(4)

由式(2)～式(4)可得：

(5)

(6)

式中：Vm1，Vm2表示永磁鐵B1，B2的體積；Vδ表示單個制動靴處等效工作氣隙體積。

由式(5)、式(6)得：

(7)

代入式(5)得：

(8)

代入式(1)得：

(9)

同理，制動器解除制動時：

(10)

由式(9)、式(10)可得，制動力大小與制動靴鋼軌間摩擦系數(shù)、永磁體1、2工作點磁能積、永磁鐵體積、磁阻系數(shù)(磁軛、制動靴有關(guān))、等效工作氣隙長度有關(guān)。

3 雙磁系制動器參數(shù)設(shè)計

筆者針對CRH2動車組進行設(shè)計，考慮到設(shè)計空間限制，對制動器基本參數(shù)進行選定：制動器沿軌道縱向長度c=1 000mm；磁軛、制動靴需良好導磁性，選工業(yè)純鐵，磁飽和強度Bs1=1.8T；鋼軌部分材料為高錳鋼，磁飽和強度Bs2=1.2T；永磁鐵B1，B2選釹鐵硼，剩磁Br=1.0T,矯頑力HC=-955 200A/m。

3.1 制動靴設(shè)計

為簡便計算,根據(jù)GB2585—2007 《鐵路用熱軋鋼軌》，鋼軌截面以矩形計算：寬度aG=73mm，高度bG=30mm。為保證連接強度與足夠磨損量，制動靴與磁軛相接觸部分高度bx1=15mm；制動靴磨損部分高度bx2=10mm。

研究表明，當兩制動靴間距離lg過大或過小時，制動力都會很小[10]，因此確定合適lg值很重要。根據(jù)式(1)可得，制動力大小與制動靴鋼軌接觸面積成正比，選定制動靴橫向尺寸為73mm，即：

2ax+lg=73(mm)

(11)

制動器工作時，制動靴與鋼軌間的磁場分布如圖4。

圖4 制動靴、鋼軌磁場分布

圖4中各部分磁阻如式(12):

(12)

式中：Rx表示單個制動靴的磁阻；Rl表示兩制動靴間漏磁的磁阻；μr表示相應部分相對磁導率。

因此等效工作氣隙處磁感應強度如式(13)：

(13)

Bx為制動靴上端處磁感應強度，此時制動靴、鋼軌基本達到磁飽和，μrx≈400，μrG≈300。將式(11)～式(13)代入式(1)，可得:

(14)

式中：μ，μ0為常數(shù);lg為兩制動靴間距離，0

采用MATLAB軟件編程優(yōu)化得出，當Bx確定后lg=7.1mm時fb取得最大值，為方便計算取lg=7mm。

3.2 永磁體、磁軛設(shè)計

根據(jù)式(9)可知，制動力大小與永磁鐵B1，B2工作點磁能積成正比，故制動時永磁鐵B1，B2工作點應處于最大磁能積點附近，即：

(15)

由式(15)可得：

(16)

由式(3)、式(16)得：

(17)

此時鋼軌處近似飽和，Bδ≈Bs2=1.2 T。

非制動時，永磁鐵1、2產(chǎn)生的磁場在等效氣隙處為0，永磁體1,2的工作點近似相同，故：

bm1-bm2=0

(18)

由式(17)、式(18)可得：

bm1=bm2=39.6 (mm)

由式(2)可得:

(19)

式中：

(20)

磁軛設(shè)計需滿足以下條件：①磁軛部分不飽和；②在滿足①的條件下磁軛體積盡可能小。圖3中II部分最易飽和，故：

0.5a-r1-δ1≥ax

(21)

b≥bm1+t+2r1+2δ1+bx1=104.2 (mm)

(22)

考慮到制動器體積盡可能小，a=112.6 mm，b=104.2 mm,代入式(20)，計算得Kr1≈Kr2≈50，代入式(19)得lm1=lm2=20 mm。

4 仿真及結(jié)果分析

采用ANSOFT二維瞬時模塊仿真驗證所設(shè)計雙磁系制動器性能。磁軸以15 rpm轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，圖1(b)、圖2分別表示t=0 s時單、雙磁系制動器磁軸位置。

圖5為外尺寸相同的單、雙磁系制動器磁軸旋轉(zhuǎn)1周對鋼軌磁吸力變化情況。從圖5中可以看出：雙磁系制動器制動時對鋼軌吸力FN=78 kN，非制動時對鋼軌吸力FN=0，符合雙磁系永磁磁軌制動器的設(shè)計要求；單磁系制動器制動時對鋼軌吸力FN=31 kN,非制動時對鋼軌吸力FN=10 kN；對比可發(fā)現(xiàn)，雙磁系制動器的制動性能遠遠好于單磁系，更適合作為列車輔助或緊急制動。

圖5 制動器對鋼軌吸力變化

圖6、圖7分別為t=0 s時雙磁系制動器內(nèi)磁場分布和磁力線分布。

圖6 t=0時制動器磁場分布云圖

圖7 t=0時制動器磁力線分布

圖6中可看出：制動靴、鋼軌處基本達到磁飽和；磁軛處未達到磁飽和。圖7中可看出：永磁鐵1、2產(chǎn)生的磁場全部通過等效工作氣隙，漏磁現(xiàn)象很少，符合雙磁系制動器的設(shè)計要求。

圖8、圖9分別表示t=2 s時雙磁系制動器內(nèi)磁場分布和磁力線分布。從圖8、圖9中可看出：制動靴、鋼軌處未達到磁飽和，永磁鐵B1，B2產(chǎn)生的磁場沒有通過制動靴與鋼軌，此時制動靴對鋼軌磁吸力為0，符合雙磁系磁軌制動器的設(shè)計要求。

圖8 t=2時制動器磁場分布云圖

圖9 t=2時制動器磁力線分布

5 結(jié) 論

1)首先分析了現(xiàn)有單磁系永磁磁軌制動器的結(jié)構(gòu)形式和存在的缺點。在此基礎(chǔ)上，提出了一種雙磁系永磁磁軌制動器結(jié)構(gòu)，介紹了其工作原理。根據(jù)分析，該結(jié)構(gòu)方案可以避免原來制動器制動時的漏磁以及非制動時解除制動不徹底等現(xiàn)象，提高了制動器制動性能。

2)針對CRH2動車組，介紹了所設(shè)計雙磁系磁軌制動裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計方法，進行具體設(shè)計。并通過ANSOFT對所設(shè)計的雙磁系磁軌制動器進行了吸力性能仿真，結(jié)果表明，設(shè)計的雙磁系磁軌制動器滿足設(shè)計要求。

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Design and Analysis of Double Permanent Magnet Systems Track Brake

He Ren, Wang Liang, Wang Jing

(School of Automobile & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)

The application and working principles of permanent magnetic track brake(PMB)of rail vehicle were briefly introduced. The characteristics of current PMB were analyzed and a double permanent magnet systems track brake(D-PMB)was proposed. According to the structure of the proposed D-PMB, the design method of main structure parameters was elaborated and the structure parameters were designed. The attraction characteristics of the designed D-PMB were tested by software simulation. The results show that the designed D-PMB makes up for the defect of PMB and the parameter design based on magnetic circuit theory satisfies the performance requirements of PMD.

vehicle engineering; double permanent magnet systems track brake; design; simulation

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.06.34

2013-06-08；

2013-10-01

國家自然科學基金項目(51275212)

何 仁(1962—)，男，江蘇南京人，教授，主要從事車輛機電一體化技術(shù)研究。E-mail：heren@mail.ujs.edu.cn。

U260.356

A

1674-0696(2015)06-181-05