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电磁型磁悬浮列车动力学研究

摘要: 在综合分析各国电磁型磁悬浮列车的发展现状和及其动力学研究的基础上,考虑车辆和轨道的相互作用,将悬浮列车和轨道作为一个整体,就电磁力、转向架、轨道变形和控制动力学稳定性分析等方面的问题,提出了今后研究的方向。

关键词:电磁型悬浮列车; 动力学; 综述; 弹性轨道

在磁悬浮列车系统中,列车和轨道是互相作用的, 稳定的悬浮状态[ 1 ] 。1939 年,Braunbek 对此作了物理悬浮气隙的变化量由气隙传感器测出传给控制系统, 剖析:唯有抗磁性材料才能依靠选择恰当的永久磁铁控制系统调整磁铁电压,使电磁力相应变化,实现悬浮结构与相应的磁场分布实现稳定悬浮[ 2 ,3 ] 。为使磁力气隙调整。正常运行时,电磁型悬浮列车的悬浮高度能够用于稳定的自由悬浮,必须根据物体的悬浮状态不超过1 cm , 对气隙的波动非常敏感。然而,由于负连续不断地调节磁场。利用受控的磁吸引力来进行悬载变化、驱动加速度或减速力、空气动力、轨道弯度、坡浮是由Graeminger 首次提出的。电磁型悬浮列车是道和不平整等原因产生的外部扰动力,以及控制系统利用受控直流电磁铁进行悬浮,这一技术是目前世界本身固有的非线性及传感器的测量误差等原因产生的上最先进的。它不仅用于磁悬浮列车系统,还可用在内部扰动力,都会引起气隙的变化。因此,将磁悬浮列轴承、陀螺以及磁悬挂天平等磁悬浮装置中。车和轨道作为一个整体来研究是十分必要的。下面就电磁型悬浮列车在车体内装有电磁铁,轨道为导电磁力、转向架、列车与轨道耦合动力及稳定性方面的磁体,车辆和轨道构成长定子同步电机,车辆为转子, 问题阐述如下。电磁铁绕组中的电流大小根据气隙传感器的信号进行调节,悬浮力的大小与车速无关,任何速时均能保持稳定的悬浮。车身前进的动力由直线感1842 年,Earnshow 证明了仅仅用永久磁体是不应电机(或直线同步电机) 提供。因此,电磁铁的电磁能使一个铁磁体在所有6 个自由度上都保持在自由、力和力矩特性对列车的影响是基本的。 1 磁场与承载能力 1 .1 波器的输出电流; 另外,热损耗、漏磁通、磁心和导轨中的磁阻也会影响单铁力的大小。文献[4 ] 针对轨道转弯处或轨道不平处电磁铁与导磁轨发生倾斜的情况,提出了小滚动下电磁铁的计算公式。文献[ 5 ] , 以保角变换和无穷级数理论为基础,在电磁铁为无限大导磁率的非饱和磁性材料、电磁铁与反应板表面磁势为常值的假设下,提出了在较大滚动条件下升力、侧向力及滚动力矩计算的新方法。 2 转向架       磁悬浮列车进入实用阶段,不可避免的问题是转向问题。日本关于HSST21001 型磁悬浮列车进展报告中[ 6 ] ,有近1/ 4 的篇幅涉及转向架机构,但目前几乎看不到有关的理论分析和设计资料, 仅有一些概述[ 7 ,8 ] 。悬浮系统与车厢的支撑关系,经历了3 个研究阶“飞行器结构”“ 磁轮结构”及“ 转向架模块结段:、构”[ 9 ] 。早期的悬浮理论是建立在飞行器的运行原理上,把磁悬浮列车看作为刚体自由度运动,在车厢底板上直接固定4 块电磁铁,用偏航、仰俯、滚动等概念来描述和控制磁浮列车运动。德国的TR201 型、日本的HSST201 型、我国的KDC2I 型都采用了这种理论。这种结构在低速时,矛盾并不突出,但速度稍有提高时, 问题就很严重,如TR204 型,原设计速度为250 km/ h , 但速度临近200 km/ h 就发生严重的振动、摇摆,出现悬浮不稳定的现象。“ 磁轮结构”的磁浮列车,每个悬浮单元在悬挂方向上是自由的,可由悬浮控制系统独立控制,能够适应不同的轨道平面,如德国的TR205 型、TR206 型磁浮列车。“ 磁轮”结构完全保证了电磁铁之间的运动解耦,同时也保证了车辆的曲线通过能力。在一定程度上, “ 磁轮”概念是在“ 飞行器结构”概念碰壁以后从一个极端走到另一个极端。“ 转向架模块结构”是前二者的折衷,如HSST 型的悬浮系统,在悬浮方向和导向方向无机械的约束,日本HSST203 型实现了5 个自由度模块悬挂。TR207 型和TR208 型也采用了这一概念。       H. Yoshioka 等在文献[ 10～13 ] 中介绍了山梨磁悬浮试验线ML X01 型磁浮列车车辆结构的有关细节,给出了试验车辆转向架简图,并进行了两组车试验,分析了车辆动力学性能,包括悬浮性能、横向定位及稳定性能。       赵志苏等分析比较了磁悬浮列车3 单元、4 单元、5 单元转向架的几何结构和转弯时的运动关系[ 14 ] ,认为: ① 在同一车厢长度的条件下,应选用5 单元结构转向架; ② 从简化结构和缩短导向滑槽长度角度,应选用3 单元结构转向架; ③ 从减小进入弯道时的冲击角度应选用4 单元结构转向架。上海磁悬浮列车是德国TR208 型的改进型,每节车由4 个完全相同的磁浮架连接而成,每个磁浮架由2 个相同的模块组成,每个模块上由4 个电磁铁和一个推进电机组成,具有独立悬浮、导向与推进功能[15～17 ] 。   3 磁悬浮列车2轨道动力学        在磁悬浮列车推进技术研究中,人们发现许多磁悬浮列车特有的现象,例如:德国的TR204 型及日本的HSST204 型在实验中发现: ① 运行时车体发生结构振动; ② 双面直线电机引起侧向不平衡; ③ 在钢架桥上悬浮时与桥架一起振动,而在混凝土桥上则无此现象[ 18 ,19 ] 。上海磁悬浮试验车在调试时,就发现了车辆与钢梁共振的现象。       认为轨道是刚体,列车悬浮系统与轨道之间没有耦合关系,故不考虑轨道对车的影响,这在轨道刚度系数很大的实验室内模型车分析时具有足够的精度。但实际线路中,轨道是有弹性的,轨道存在振动。引起振动的'原因有: ① 当磁浮车通过轨道时,引起轨道在垂直方向上的静态弯曲; ② 由于轨道梁和悬浮系统间相互作用而引起的轨道动态弯曲; ③ 由于轨道梁的连接和轨道表面引起的几何不规则。因此,轨道的弹性振动和动态变形必须要考虑。       评定磁悬浮列车运行品质的一个重要指标是保证磁悬浮列车能够在各种扰动作用下具有平衡稳定的悬浮。由于磁浮列车的车厢是通过弹簧、阻尼系统与磁悬浮转向架联结的,分析测试悬浮体与二次悬挂体质量、运行速度、轨道长度、磁轮长度、轨道阻尼等对磁悬浮系统的动力特性的影响,研究车厢、悬浮转向架与弹性轨道之间的耦合动力特性是必要的。

一、磁悬浮技术的发展与现状 磁悬浮技术的发展始于上世纪,恩思霍斯(Eamshanws)发现了抗磁物体可以在磁场中自由悬浮,此现象于1939年由布鲁贝克(Braunbeck)进行了严格的理论证明,但是它的实际应用研究直到最近二十年才广泛开展。近年来,磁悬浮技术得到了迅速发展,并得到越来越广泛的应用。由于现代科学技术的发展,如传感器、控制技术(尤其是数字控制技术)、低温和高温超导技术,使得磁悬浮技术迅速崛起,各国都投入大量的人力、物力、进行研究。 磁悬浮由于无接触的特点,避免了物体之间的摩擦和磨损,能延长设备的使用寿命,改善设备的运行条件,因而在交通、冶金、机械、电器、材料等各个方面有着广阔的应用前景。 二、磁悬浮的应用 磁悬浮技术的应用范围从高速磁轴承到高速悬浮列车,以及大气隙的风洞磁悬浮模型等各个领域。磁悬浮轴承的研究是国外一个非常活跃的研究方向,典型对象是发电机的磁悬浮轴承(又称磁力轴承)。主动式磁悬浮轴承(AMB)以其无机械磨损、无噪声、寿命长、无润滑油污染等特点而广泛应用于航空、航天、核反应堆、真空泵、超洁净环境、飞轮储能等领域。 高速磁悬浮电机(Bearingless Motors)是近年提出的一个新研究方向,集磁悬浮轴承和电动机于一体,具有自悬浮和驱动能力,不需要任何独立的轴承支撑,具有体积小、临界转速高等特点,更适合于超高速运行的场合,也适合小型乃至超小型结构。国外自上世纪90年代中期开始进行研究,相继出现了永磁同步型磁悬浮电机、开关磁阻型磁悬浮电机、感应型磁悬浮电机等各种类型。其中感应型磁悬浮电机具有结构简单、成本低、可靠性高、气隙均匀、易于弱磁升速,是最有前途的方案之一。传统的电机由定子和转子组成,定子与转子之间通过机械轴承连接,在转子运动过程中存在机械摩擦,增加了转子的摩擦阻力,佼运动部件磨损,产生机械振动和噪声,使运动部件发热,润滑剂性能变差,甚至会使电机气隙不均匀,绕组发热,温升增大,从而降低电机效能,最终缩短电机使用寿命。磁悬浮电机利用定子和转子励磁磁场间“同性相斥,异性相吸”的原理使转子悬浮起来,同时产生推进力驱使转子在悬浮状态下运动。磁悬浮电机的研究越来越受到重视,并有一些成功的报道。如磁悬浮电机应用在生命科学领域,国外已研制成功的离心式和振动式磁悬浮人工心脏血泵,采用无机械接触式磁悬浮结构不仅效率高,而且可以防止血细胞破损引起溶血、凝血和血栓等问题。磁悬浮血泵的研究不仅可以解除心血管病患者的疾苦,提高患者生活质量,而且对人类延续生命具有深远意义。 三、磁悬浮球控制系统的工作原理 图1 磁悬浮球控制系统功能图 电磁铁绕组中通以一定的电流,产生电磁力,只要控制电磁铁绕组中的电流,使产生的电磁力与钢球的重量相平衡,钢球就可以悬浮在空中,处于不稳定的平衡状态。这是由于电磁铁与钢球之间的电磁力大小与相互之间的距离成反比,只要平衡状态稍微受扰动,就会导致钢球掉下来或被电磁铁吸住,为此必须实现闭环控制。采用电光源和传感器组成的测量装置测量钢球与电磁之间的距离y的变化,当钢球受到扰动下降,与电磁铁之间的距离增大时,控制电磁铁控制绕组中的控制电流相应增大,则钢球又被吸回到品衡状态,反之亦然。 以上讨论的是钢球在垂直方向的控制,为了使钢球能稳定地在空中悬浮,钢球在水平方向上也应有一定的稳定范围。为了解决这个问题,将电磁铁铁心指向钢球的一端呈锥体形,如图1示。当钢球在水平方向上偏离中心平衡位置时,电磁力重新指向钢球表面的发向方向。此力可分解为垂直方向和水平方向两个分量,水平方向分量使钢球恢复到原中心平衡位置。 四、对磁悬浮球控制器进行理论设计 首先建立数学模型得到钢球的数学模型为: 选取模型参数 通过对磁悬浮球控制系统的性能分析最终确立系统数学模型。 所以,磁悬浮球控制器校正后的传递函数为: 五、传递函数G(s)的性能分析 由图2示可以知道,该系统由较宽的带宽,截至频率比较大,所以控制系统有较快的快速性;相角裕度越小,系统的阻尼特性越好,动态过程较为平稳;高频斜率大,控制系统有较强的抗干扰能力,钢球能稳定地悬浮。希望采纳