淺議高速磁浮車輛懸浮電磁場(chǎng)特性研究

應(yīng) 博,范 琳

(1.上海地鐵維護(hù)保障有限公司,上海 201804;2.同濟(jì)大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院,上海 201804)

1 概述

高速磁浮車在高速區(qū)域的安全平穩(wěn)性相對(duì)輪軌車輛更有優(yōu)勢(shì),國(guó)內(nèi)正在研發(fā)時(shí)速600 km及以上的磁浮列車,并且已研制出可懸浮起來(lái)的樣機(jī)。而高速下的磁浮車輛氣隙電磁場(chǎng)變化復(fù)雜,國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有掌握在不同速度、不同氣隙下其磁矢量變化帶來(lái)的磁密度和作用力變化規(guī)律,而在時(shí)速500 km以下時(shí)主要靠控制勵(lì)磁電流來(lái)控制車輛氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度,難以適應(yīng)更高速度下的磁懸浮控制。

磁浮車下的氣隙磁場(chǎng)一般存在著懸浮磁場(chǎng)、行波磁場(chǎng)、發(fā)電磁場(chǎng),反映氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度和作用方向的磁矢量隨列車速度的提高而激增,其矢量分布和方位會(huì)發(fā)生很大變化,對(duì)原有吸力作用關(guān)系有影響;車下排列的多組磁極本身形成各個(gè)不均勻的閉環(huán)磁場(chǎng),在一定速度下氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化在一定波動(dòng)范圍內(nèi),而高速時(shí)與導(dǎo)軌上感應(yīng)電磁場(chǎng)組合后的波動(dòng)變化將形成多次諧波磁場(chǎng),而諧波磁場(chǎng)如同直線電機(jī)負(fù)載過(guò)程產(chǎn)生垂向力波(對(duì)電機(jī)而言是徑向和切向),二者聯(lián)合作用產(chǎn)生復(fù)雜的氣隙磁場(chǎng)及作用力。針對(duì)磁矢量變化帶來(lái)的磁密度和電磁力變化規(guī)律,現(xiàn)階段主要依靠檢測(cè)反饋被動(dòng)控制勵(lì)磁電流來(lái)控制車輛氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度[1-4]。因此,在發(fā)展更高速度磁浮列車時(shí),若用原有似穩(wěn)電磁場(chǎng)計(jì)算分析方法確定的懸浮導(dǎo)向及電磁制動(dòng)等電磁場(chǎng)的變化規(guī)律來(lái)調(diào)整控制電磁力,將難以達(dá)到準(zhǔn)確控制甚至失敗。

更高速度的磁浮車核心技術(shù)難點(diǎn)之一是如何控制高速下車輛氣隙中電磁場(chǎng),這里包含高速運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)和產(chǎn)生的感應(yīng)電流即導(dǎo)軌上渦旋流形成的電場(chǎng),感應(yīng)電場(chǎng)隨著速度提高而明顯增大,對(duì)原磁場(chǎng)的影響顯著增加,需要抑制方法。

通過(guò)勵(lì)磁電流控制電磁鐵產(chǎn)生電磁場(chǎng),電磁場(chǎng)磁密大小分布和矢量方向是影響電磁力的直接因素,如何改變勵(lì)磁電流特性和參數(shù),考慮分成幾種電磁線圈和施加不同勵(lì)磁電流以穩(wěn)定氣隙磁場(chǎng),關(guān)鍵是要了解電磁場(chǎng)變化規(guī)律和影響因素。現(xiàn)階段只針對(duì)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行了分析研究,并提出了高次諧波磁場(chǎng)振幅計(jì)算方法及徑向電磁力和消振方案[5-6]。

氣隙磁場(chǎng)是多邊界、多元素影響的復(fù)合變化電磁場(chǎng)。分析氣隙磁場(chǎng)變動(dòng)與磁極、速度和氣隙之間的關(guān)系,推導(dǎo)在動(dòng)態(tài)變化的電磁場(chǎng)的復(fù)雜邊界條件,求出氣隙諧波磁場(chǎng)幅值的計(jì)算方法,探討不同速度階段電磁場(chǎng)形態(tài)變化特征、作用場(chǎng)中電磁力波動(dòng)規(guī)律和影響因素,以尋求抑制磁密度變動(dòng)及提高控制磁浮車穩(wěn)定的方法[3-6]。在磁浮車電磁機(jī)構(gòu)中,除了導(dǎo)向電磁鐵磁場(chǎng),懸浮、直線電機(jī)、再生制動(dòng)以及緊急時(shí)磁浮車電磁在應(yīng)用過(guò)程中都存在電磁場(chǎng)變化及穩(wěn)定問(wèn)題,車下多組磁極在高速運(yùn)行時(shí)磁場(chǎng)呈頻率變化,在導(dǎo)軌上產(chǎn)生感應(yīng)渦旋流并隨著速度提高而急劇增大,對(duì)原磁極勵(lì)磁主磁場(chǎng)反作用產(chǎn)生氣隙波動(dòng)磁場(chǎng),以此車輛垂向懸浮力也呈波動(dòng)變化,甚至可能發(fā)生振動(dòng)。與此同時(shí),氣隙中矢量磁場(chǎng)隨著高速運(yùn)行而發(fā)生畸變,引起垂向電磁力顯著下降。從電磁場(chǎng)變化因素看主要是感應(yīng)磁場(chǎng)急劇變化,因此以諧波場(chǎng)理論為基礎(chǔ),研究高速磁浮車氣隙磁場(chǎng)變化特征及參數(shù),可為精確穩(wěn)定控制高速磁浮車運(yùn)行提供技術(shù)支持。

德國(guó)TR08磁浮車[3-5]在列車高速階段的穩(wěn)定性令人印象深刻,用現(xiàn)有方法已經(jīng)很難進(jìn)一步控制電磁作用,經(jīng)過(guò)對(duì)磁浮車電磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)變化與作用關(guān)系的長(zhǎng)期研究和試驗(yàn),認(rèn)識(shí)到實(shí)際運(yùn)動(dòng)中電磁場(chǎng)磁力線在作用界面上呈畸形變化,而感生電流趨膚表面在導(dǎo)軌散漫分布[7-9],電磁作用的效果與磁電作用方位以及電荷集聚直接相關(guān),而傳統(tǒng)的電磁場(chǎng)控制對(duì)此一籌莫展。因此,需要增加可以改變電磁場(chǎng)的產(chǎn)生要素和技術(shù)參數(shù),盡可能促使電磁場(chǎng)能量集聚和傳遞變化,提高電磁場(chǎng)控制效果。

2 磁浮車輛電磁場(chǎng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)

目前在磁浮車等電磁場(chǎng)控制方面已經(jīng)具有一定基礎(chǔ),磁懸浮控制器設(shè)計(jì)考慮了系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)特性,選擇圍繞電流和氣隙定位的規(guī)定標(biāo)稱工作點(diǎn),通過(guò)標(biāo)稱工作點(diǎn)的吸引力進(jìn)行線性化控制[3-6]。

國(guó)內(nèi)在運(yùn)動(dòng)電磁場(chǎng)分析方面已經(jīng)做了大量研究,尤其在電機(jī)氣隙諧波電磁場(chǎng)分析計(jì)算方面有了很多成果[7-8];在磁浮車輛懸浮控制方面也做了大量工作,為消除磁浮線性感應(yīng)電機(jī)(LIM)的法向力對(duì)懸浮系統(tǒng)的干擾影響而推導(dǎo)出了控制電磁力的線性模型[6-9]。

在變化的電磁場(chǎng)中,電磁力不僅與一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)和運(yùn)動(dòng)感生電流作用有關(guān),還與電磁場(chǎng)組合后的波動(dòng)變化即形成的多次諧波磁場(chǎng)以及高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中氣隙磁場(chǎng)磁力線方位、電流分布積聚變化等因素有關(guān)。

在中低速時(shí),因所控制的磁浮車氣隙中的行波磁場(chǎng)、發(fā)電磁場(chǎng)、懸浮磁場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定,運(yùn)動(dòng)過(guò)程中感應(yīng)渦旋流分布和矢量磁場(chǎng)方位變化不明顯。隨著進(jìn)一步高速發(fā)展,電磁鐵磁場(chǎng)將在導(dǎo)軌上感應(yīng)出很強(qiáng)的渦旋流,將減弱懸浮的磁場(chǎng)導(dǎo)致懸浮力衰減,渦流效應(yīng)甚至需要增加懸浮電磁鐵勵(lì)磁功率61.9%[8-9]。

國(guó)內(nèi)外在設(shè)計(jì)磁浮車電磁機(jī)構(gòu)時(shí),普遍以似穩(wěn)電磁場(chǎng)有限元計(jì)算方法來(lái)計(jì)算電磁場(chǎng)強(qiáng)度,用能量法推導(dǎo)電磁作用或用靜態(tài)磁場(chǎng)計(jì)算電磁力[10-12],而對(duì)高速運(yùn)動(dòng)條件下電磁作用關(guān)系影響最大的氣隙磁場(chǎng)的形態(tài)變化未做討論。

傳統(tǒng)的直流電磁鐵設(shè)計(jì)的基本思路:用經(jīng)驗(yàn)公式和磁路計(jì)算方法初步設(shè)計(jì)出電磁鐵結(jié)構(gòu),利用數(shù)值計(jì)算方法或有限元法分析結(jié)構(gòu)中勵(lì)磁磁場(chǎng)強(qiáng)度分布,并對(duì)可能產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)影響進(jìn)行評(píng)估,結(jié)合專項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)優(yōu)化[13-14]。

針對(duì)提高電磁裝置作用效能,在提高勵(lì)磁電流達(dá)到磁飽和及熱容量的極限時(shí),有關(guān)研究不再限于單一直流勵(lì)磁,而是創(chuàng)造性地設(shè)置了混合電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu),通過(guò)分析其變化特征,提供了多種勵(lì)磁電流或與永磁混合建立電磁場(chǎng)的方法[15-17]。在其他電磁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中分析了磁場(chǎng)作用方位和感應(yīng)渦旋流分布的關(guān)系,電磁測(cè)試中分析了脈沖感應(yīng)渦旋流與線圈電壓的關(guān)系[18-21]。

國(guó)內(nèi)外有關(guān)感應(yīng)渦旋流電磁場(chǎng)的文獻(xiàn)中普遍將其簡(jiǎn)化為單一的交變電磁場(chǎng),計(jì)算混合電磁場(chǎng)也將結(jié)構(gòu)分解成單一電磁場(chǎng),應(yīng)用的是比較成熟的二維分析模型[22-24],對(duì)時(shí)空瞬態(tài)變化的感應(yīng)渦旋流電磁場(chǎng)三維數(shù)值計(jì)算方法做了很多專項(xiàng)研究,并做了很多技術(shù)處理。如計(jì)算運(yùn)動(dòng)電磁場(chǎng)強(qiáng)度普遍運(yùn)用逆風(fēng)插值函數(shù)有限元方法[25-28],從宏觀上電磁場(chǎng)仿真計(jì)算的一些數(shù)據(jù)已比較接近實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果,但電磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)變化與感應(yīng)渦旋流區(qū)域之間的復(fù)雜作用關(guān)系則無(wú)法體現(xiàn)出來(lái)。如YAMAZAKI使用自適應(yīng)移動(dòng)坐標(biāo)系對(duì)移動(dòng)導(dǎo)體的瞬態(tài)感應(yīng)渦旋流場(chǎng)進(jìn)行了分析[29]。MURAMATSU等運(yùn)用移動(dòng)坐標(biāo)系進(jìn)行了三維直流穩(wěn)態(tài)感應(yīng)渦旋流分析,TAKAHASHI等運(yùn)用Rosenbrock(羅森布朗克)優(yōu)化方法提高了數(shù)值優(yōu)化速度[30]。以上幾種算法都能精確計(jì)算出制動(dòng)力矩,甚至能優(yōu)化設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)在數(shù)值計(jì)算中提出了采用基于遺傳算法的優(yōu)化算法以及基因法等,優(yōu)化結(jié)果基本能夠滿足要求。也有直接應(yīng)用復(fù)矢量磁位方法分析磁位分布與感應(yīng)渦旋流損耗,推導(dǎo)了反映電磁作用力和各設(shè)計(jì)參數(shù)之間相互關(guān)系的計(jì)算式[28-30],為磁體和軛鐵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了很好的幫助。

計(jì)算線性瞬態(tài)感應(yīng)渦旋流電磁場(chǎng)定解問(wèn)題,采用磁場(chǎng)分割法計(jì)算磁導(dǎo)和電感,主要特點(diǎn)是邊界條件使用磁感應(yīng)強(qiáng)度的法向分量邊界條件代替了電場(chǎng)強(qiáng)度的切向分量邊界條件,約束方程中忽略了位移電流,這種具有特殊性的定解問(wèn)題的解是否唯一和穩(wěn)定,對(duì)于求解瞬態(tài)感應(yīng)渦旋流電磁場(chǎng)而言是一個(gè)基本問(wèn)題[31-32]。在非感應(yīng)渦旋流區(qū)引入標(biāo)量位函數(shù),證明了在推導(dǎo)過(guò)程中起重要作用的輔助函數(shù)的存在性。通過(guò)推導(dǎo)線性瞬態(tài)感應(yīng)渦旋流電磁場(chǎng)定解問(wèn)題的能量估計(jì)式,證明了該定解問(wèn)題的解是唯一的,并且關(guān)于初始條件和外源項(xiàng)是穩(wěn)定的,推出了通有單脈沖電流的單匝圓環(huán)線圈與球形導(dǎo)體共軸的感應(yīng)渦旋流問(wèn)題的解析解[33-34]。

分析電磁機(jī)構(gòu)溫度場(chǎng)變化對(duì)電磁制動(dòng)功率的影響也是最重要的研究?jī)?nèi)容之一。國(guó)內(nèi)外在建立溫度場(chǎng)的計(jì)算模型方面,比較典型的方案是運(yùn)用虛擬邊界法和傳熱學(xué)理論推導(dǎo)轉(zhuǎn)盤穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的計(jì)算公式[35-36],建立轉(zhuǎn)盤瞬態(tài)溫度場(chǎng)的計(jì)算模型,運(yùn)用拉普拉斯(Laplace)變換法推導(dǎo)緩速器轉(zhuǎn)盤瞬態(tài)溫度場(chǎng)的計(jì)算公式,利用伽遼金(Galerkin)法推導(dǎo)溫度場(chǎng)的有限元方程,分析轉(zhuǎn)盤的瞬態(tài)溫度場(chǎng),并分析徑向和軸向方向的溫度與時(shí)間的分布規(guī)律[37]。SRIVASTAVA等[26]基于三維有限元方法進(jìn)行了瞬態(tài)熱傳遞與熱應(yīng)力分析,預(yù)測(cè)值同實(shí)際緩速器的熱循環(huán)測(cè)試結(jié)果一致。一些專家在建立轉(zhuǎn)盤溫度和應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算模型時(shí)運(yùn)用Bessel方程推導(dǎo)了緩速器轉(zhuǎn)盤溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算公式[38]。

由于磁浮車電磁機(jī)構(gòu)電磁場(chǎng)的復(fù)雜性,尤其提到動(dòng)態(tài)三維非線性時(shí)空?qǐng)鲇?jì)算模型,現(xiàn)階段還沒(méi)有廣泛適用的成熟的計(jì)算方法,還需要通過(guò)試驗(yàn)做進(jìn)一步分析。日本、德國(guó)在高速磁浮車電磁技術(shù)試驗(yàn)研究方面主要分析測(cè)算了磁浮車電磁鐵在不同速度階段的特性和溫度變化[5],將試驗(yàn)結(jié)果同二維解析方法以及三維有限元分析方法獲得的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。

對(duì)于動(dòng)態(tài)場(chǎng)和混合場(chǎng)求解提出的多種解析和數(shù)值方法,尤其前期研究得出的電磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)模型、邊界條件及所做的仿真計(jì)算分析成果,為研究多元電磁制動(dòng)機(jī)理打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

3 高速磁浮車輛電磁場(chǎng)變化特性和研究目標(biāo)

在進(jìn)行模擬磁浮車輛懸浮電磁場(chǎng)特性研究中,用模擬電磁鐵和高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤之間電磁場(chǎng)(模擬磁浮電磁鐵和導(dǎo)軌之間運(yùn)動(dòng)關(guān)系)仿真和試驗(yàn),圖1的仿真數(shù)據(jù)顯示,電磁場(chǎng)在作用層面上的磁力線畸變及感生電流趨膚表面,運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下磁極與導(dǎo)軌之間的有旋閉環(huán)電磁場(chǎng)作用方位發(fā)生很大變化(氣隙之間磁場(chǎng)變化有點(diǎn)類似2個(gè)異性磁極之間過(guò)渡到同性磁極之間的磁場(chǎng)變化),圖2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示了對(duì)電磁吸引力的影響,磁電作用場(chǎng)在高速區(qū)域的電磁吸引力始終無(wú)法上升,電磁吸引力隨速度的提高急劇下降。

圖1 運(yùn)動(dòng)時(shí)磁場(chǎng)的典型分布

圖2 磁浮車不同氣隙下的感應(yīng)渦流制動(dòng)力及電磁吸引力隨速度變化曲線

高速階段懸浮電磁鐵在導(dǎo)軌表面會(huì)產(chǎn)生明顯增大的感應(yīng)渦旋流,圖2顯示磁浮車一組渦流制動(dòng)電磁鐵不同氣隙產(chǎn)生的很大電磁力,在懸浮電磁場(chǎng)也有相似效應(yīng)存在。因此建立復(fù)合感應(yīng)渦旋流電磁場(chǎng)模型對(duì)分析高速階段懸浮力及直線電機(jī)牽引力的變化規(guī)律有關(guān)鍵作用。

感應(yīng)渦旋流電磁場(chǎng)包含有能流傳遞的電系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)兩方面,磁場(chǎng)或電場(chǎng)是機(jī)、電系統(tǒng)之間進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的耦合媒介。傳統(tǒng)磁路的分析方法無(wú)法精確地分析非線性耦合場(chǎng)的電磁機(jī)構(gòu)的有關(guān)電磁參數(shù)和運(yùn)行性能,必須應(yīng)用場(chǎng)的分析方法。

麥克斯韋在“電磁場(chǎng)的動(dòng)力理論”研究中已經(jīng)廢棄了力學(xué)模型的觀點(diǎn)而完全轉(zhuǎn)向場(chǎng)論,由于電磁相互作用不僅與場(chǎng)強(qiáng)和距離有關(guān),而且依賴于相對(duì)速度。

經(jīng)典電磁學(xué)理論中采用虛功的原理來(lái)計(jì)算電磁力,電磁作用過(guò)程中電磁場(chǎng)變化即電磁集聚包括無(wú)效的能量變化(類似交流電磁場(chǎng))和在機(jī)械動(dòng)能與磁電耦合的有效做功。電磁場(chǎng)能流密度矢量(Poynting矢量)面積分是單位時(shí)間從體積V流進(jìn)的電磁場(chǎng)能量,即磁感應(yīng)強(qiáng)度B與場(chǎng)強(qiáng)H變化的點(diǎn)乘,受力面在虛位移s方向所受的力可表述為式(1):

(1)

式中:W(s,i)為系統(tǒng)的磁場(chǎng)儲(chǔ)能;i為建立磁場(chǎng)的電流,此處為恒定值。

在電磁鐵作用旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)軌過(guò)程中,線圈通電勵(lì)磁產(chǎn)生電磁場(chǎng)及其磁通密度變化,從式(1)得出:勵(lì)磁電流、線圈匝數(shù)、間隙、鐵芯內(nèi)徑以及速度直接影響電磁場(chǎng)形態(tài)、能流大小和波動(dòng)范圍,也影響了電磁力隨時(shí)間的變化規(guī)律。因此,控制電磁場(chǎng)變化減少電磁能無(wú)謂損耗的研究方向是符合對(duì)電磁場(chǎng)認(rèn)識(shí)的規(guī)律。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)額定功率的單一直流電磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)盤中生成感應(yīng)渦旋流及作用過(guò)程,調(diào)整控制手段幾乎沒(méi)有可能,本項(xiàng)目設(shè)想增加多種可改變的電磁場(chǎng)組成要素,構(gòu)建復(fù)合感應(yīng)渦旋流電磁場(chǎng)以加強(qiáng)電磁場(chǎng)控制,提高控制電磁力穩(wěn)定的效果。

考慮改造現(xiàn)有的試驗(yàn)臺(tái),增加多種類型勵(lì)磁電源及變流變頻控制裝置,設(shè)計(jì)新型電磁鐵,改造多線圈組合磁極以及模擬電磁氣隙試驗(yàn)裝置,設(shè)置多項(xiàng)測(cè)試點(diǎn)及改進(jìn)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等,為開(kāi)拓新的研究成果創(chuàng)造試驗(yàn)條件。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)針對(duì)的是高價(jià)值的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)針對(duì)的是海量和更多類型的數(shù)據(jù)。二者都假設(shè)，雖可能會(huì)存在數(shù)據(jù)質(zhì)量等問(wèn)題，但可以相信輸入數(shù)據(jù)的機(jī)構(gòu)以及數(shù)據(jù)管理員，相信他們不會(huì)故意捏造或篡改數(shù)據(jù)。

研究驗(yàn)證不同速度階段的不同電流、不同頻率、不同峰值等形成的復(fù)合電磁場(chǎng)形態(tài)和變化特征以及電磁作用效果。

關(guān)鍵技術(shù)是建立理論模型和控制方法以及試驗(yàn)手段,分析運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的矢量磁場(chǎng)作用方位和感應(yīng)渦旋流分布的變化,電磁鐵邊界磁場(chǎng)磁力線畸變和漏磁、磁通量分散等動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,應(yīng)用不同元素和控制各種技術(shù)參數(shù)對(duì)復(fù)合感應(yīng)渦旋流電磁場(chǎng)形態(tài)施加影響,實(shí)現(xiàn)在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用場(chǎng)里提高磁場(chǎng)集聚和穿透力、集聚感生電流,提高磁電作用效果;控制磁通變化與轉(zhuǎn)動(dòng)速率匹配,提高控制電磁場(chǎng)的能力。

磁浮車等電磁控制已具有一定基礎(chǔ),為本項(xiàng)目研究提供了適用技術(shù)。磁懸浮控制器設(shè)計(jì)考慮了系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)特性,選擇圍繞電流和氣隙定位的規(guī)定標(biāo)稱工作點(diǎn),通過(guò)標(biāo)稱工作點(diǎn)的吸引力進(jìn)行線性化控制;國(guó)內(nèi)在運(yùn)動(dòng)電磁場(chǎng)分析方面已經(jīng)做了大量研究,尤其對(duì)電機(jī)氣隙諧波電磁場(chǎng)分析計(jì)算有了很多成果;在磁浮車輛懸浮控制方面也做了大量工作,為消除磁浮線性感應(yīng)電機(jī)的法向力影響懸浮系統(tǒng)的干擾因素推導(dǎo)出了控制電磁力的線性模型。

4 開(kāi)創(chuàng)具有自主特色與創(chuàng)新的高速磁浮電磁場(chǎng)技術(shù)方案

前期的理論和試驗(yàn)研究中,認(rèn)為高速磁浮車輛懸浮電磁場(chǎng)突出變化是感應(yīng)電場(chǎng)增大和磁場(chǎng)波動(dòng)變化。變化的電磁場(chǎng)中電磁力不僅與一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)和運(yùn)動(dòng)感生電流作用有關(guān),還與電磁場(chǎng)組合后波動(dòng)變化即形成多次諧波磁場(chǎng),磁力線方位、電流分布積聚、磁導(dǎo)率及材料等因素有關(guān)。因此,不僅是增加磁場(chǎng)強(qiáng)度,而是從改善磁場(chǎng)與渦旋流作用關(guān)系到加強(qiáng)電磁場(chǎng)控制、增大磁場(chǎng)強(qiáng)度、減弱諧波磁場(chǎng)對(duì)電磁力的消耗為具體目標(biāo),對(duì)高速電磁場(chǎng)控制達(dá)到以下三個(gè)方面:

(1) 基于電磁場(chǎng)形態(tài)形成及變化規(guī)律研究,認(rèn)識(shí)不同來(lái)源和位置的電磁場(chǎng)強(qiáng)化控制方法。研究不同勵(lì)磁磁場(chǎng)和感生磁場(chǎng)形成的復(fù)合電磁場(chǎng)組合效應(yīng),隨著高速運(yùn)行條件變化,研究電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)要素對(duì)加強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度和穿透力、集聚感應(yīng)電流的影響,強(qiáng)化電場(chǎng)與磁場(chǎng)耦合控制,探討電磁集聚過(guò)程控制方法。

(2) 基于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下復(fù)合電磁場(chǎng)的計(jì)算分析方法研究,確定不同來(lái)源的電磁場(chǎng)形態(tài)分布和強(qiáng)度變化。如勵(lì)磁電源和線圈產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)分布和變化、感生磁場(chǎng)及電流(渦旋流)分布和變化,對(duì)復(fù)合電磁場(chǎng)進(jìn)行解構(gòu)分析,確定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的邊界條件,建立實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能作用的電磁場(chǎng)本構(gòu)模型,研究合適的計(jì)算方法。針對(duì)不同速度階段,調(diào)整不同勵(lì)磁電流強(qiáng)度、電流變化形式(如脈沖)和變化頻率等手段,分析電磁力變化的影響因素及改變作用場(chǎng)的方法。

(3) 探索在復(fù)雜的波動(dòng)的復(fù)合電磁場(chǎng)中如何產(chǎn)生較大的平穩(wěn)作用力,取得最佳的電磁耦合效應(yīng)的技術(shù)方案。電磁作用場(chǎng)里除了微觀磁致縮力,主要是洛倫茲力、開(kāi)爾文力,兩者作用機(jī)理和變化因素不一樣。要穩(wěn)定控制電磁力,首先要確定形成最理想的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的氣隙電磁場(chǎng)。

從控制電磁場(chǎng)波動(dòng)和電磁密度分散變化角度改進(jìn)電磁場(chǎng)控制方案的思路,構(gòu)建運(yùn)動(dòng)狀態(tài)復(fù)合電磁場(chǎng)模型:利用不同類型的勵(lì)磁電流、組合線圈,配置設(shè)計(jì)磁極幾何參數(shù)和對(duì)應(yīng)的導(dǎo)軌,影響運(yùn)動(dòng)過(guò)程中感應(yīng)磁場(chǎng)變化和磁場(chǎng)作用方位;實(shí)時(shí)施加不同類型的勵(lì)磁電流(如增加脈沖電流或反波動(dòng)電流等)以調(diào)整各速度階段的電磁場(chǎng)形態(tài)(如集聚磁密度、強(qiáng)化磁力線矢量方位、減弱感應(yīng)磁場(chǎng)的波動(dòng)),加強(qiáng)磁電作用效果。如能獲得成功,將形成新的提高電磁作用力的技術(shù)方法,改變現(xiàn)有的高速磁浮車控制模式。

具體在工程上通過(guò)多層線圈磁極結(jié)構(gòu)在不同速度階段通入多種勵(lì)磁電流、控制電磁場(chǎng)強(qiáng)度大小和磁場(chǎng)變化頻率,結(jié)合鐵芯、導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)和材質(zhì)等技術(shù)參數(shù)調(diào)整,強(qiáng)化磁場(chǎng)強(qiáng)度和穿透力及趨膚效應(yīng)狀態(tài)下感應(yīng)電流在作用場(chǎng)中集聚,促使磁電作用,減少電磁力變化。利用理論研究和試驗(yàn)分析電場(chǎng)與磁場(chǎng)耦合效應(yīng),進(jìn)一步認(rèn)識(shí)電磁場(chǎng)與運(yùn)動(dòng)速度、結(jié)構(gòu)形狀和材料、電源控制等方面的影響關(guān)系,形成一個(gè)比較理想的電磁場(chǎng)控制方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在前期單一電磁場(chǎng)研究的基礎(chǔ)上,分析了復(fù)合感應(yīng)渦旋流電磁場(chǎng)的形成和變化特征,包括電磁鐵芯、氣隙區(qū)域的磁場(chǎng)分布及導(dǎo)軌上感應(yīng)電流的分布和變化,運(yùn)動(dòng)電磁場(chǎng)場(chǎng)域變化及邊界關(guān)系,綜合分析了電磁場(chǎng)組合后的形態(tài)特征,推出了電磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算方法。

探討了運(yùn)動(dòng)過(guò)程矢量磁場(chǎng)作用方位和感應(yīng)渦旋流分布的變化以及相互作用關(guān)系的變化,仿真分析了運(yùn)動(dòng)過(guò)程矢量磁場(chǎng)作用方位和感應(yīng)渦旋流分布的變化。結(jié)合相關(guān)試驗(yàn),驗(yàn)證了不同類型勵(lì)磁電流、鐵芯形狀、線圈組合等主要技術(shù)參數(shù)對(duì)復(fù)合感應(yīng)渦旋流電磁場(chǎng)形態(tài)的影響。研究了如何控制磁場(chǎng)和電流集聚及分散即控制電磁場(chǎng)波動(dòng)和磁密度變化,最大程度提高控制能力。具有以下創(chuàng)新:

(1) 開(kāi)拓了一種新的研究方法,發(fā)現(xiàn)了高速下氣隙磁場(chǎng)變化特征,并利用諧波磁場(chǎng)計(jì)算方法推導(dǎo)了復(fù)合磁場(chǎng)變化規(guī)律,同時(shí)分析了磁場(chǎng)隨速度變化時(shí)的磁密度聚集和分散及畸變程度,為控制穩(wěn)定電磁場(chǎng)打下了理論基礎(chǔ)。

(2) 分析了電磁作用場(chǎng)洛倫茲力和開(kāi)爾文力,考慮兩者作用機(jī)理不同,進(jìn)行了復(fù)合電磁場(chǎng)條件下電磁力作用模型及控制方法研究。

(3) 分析了電場(chǎng)與磁場(chǎng)耦合效應(yīng),設(shè)計(jì)了利用多種因素改變運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)形態(tài)和感應(yīng)電流的分布,提高了磁電作用效果,創(chuàng)新地提出了電磁場(chǎng)控制方案。

以上研究成果對(duì)于更加深入地掌握多種形態(tài)的運(yùn)動(dòng)電磁場(chǎng)特性、電磁力作用機(jī)理和開(kāi)發(fā)電磁控制具有重要意義,也開(kāi)拓了瞬態(tài)電磁場(chǎng)應(yīng)用研究的一個(gè)新方向。