磁軌制動器吸力特性研究*

高立群，丁福焰,3，王立寧，王立超，王 可

（1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京100081；2 北京縱橫機電科技有限公司，北京100094；3 中國鐵道科學研究院集團有限公司 高速鐵路與城軌交通系統技術國家工程研究中心， 北京100081）

磁軌制動在世界軌道交通領域尤其在歐洲具有較多的應用，除城市有軌電車外，干線鐵路和高速列車也應用了磁軌制動，如ICE1，ICE2 動車組等［1-3］。隨著列車的速度逐漸提高，對安全性也提出了更高的要求。我國軌道交通車輛上采用的制動方式主要是黏著制動，在雨雪天氣及其他原因引起的低黏著條件下，緊急制動距離難以保證，而采用不依賴輪軌黏著的附加制動裝置，則可有效縮短制動距離，提高運行安全性。

磁軌制動屬于非黏著制動方式，制動效果顯著，構造簡單，工作可靠。研究表明，在相同情況下，采用磁軌制動的列車比不采用磁軌制動的列車可提速40 km/h，制動距離可縮短20%～30%。其中，高懸掛多節式磁軌制動裝置主要應用于高速列車和干線鐵路，低懸掛剛性磁軌制動裝置主要用于低地板有軌電車［4-6］。

磁軌制動裝置與鋼軌之間的吸力是影響其制動力的重要因素，研究磁軌制動的吸力特性對了解其制動性能具有重要意義。德國鐵路上世紀80年代已開展了磁軌制動靜態吸力的試驗研究［7］，克諾爾公司研制了剛性和鉸接（多節）式磁軌制動裝置，并測試了磁吸力隨勵磁電流強度的變化規律［8］。國內目前僅在低地板有軌電車上應用了剛性磁軌制動裝置，尚未實現多節式磁軌制動裝置的工程應用。20 世紀90 年代以來，我國一直在進行磁軌制動的研究，采用不同方法或技術手段對吸力特性進行了探索，林臺平等研究了吸力的簡易測量方法［5］；王立超等研究了剛性式磁軌制動器的吸力及優化問題［6］；王勝等對多節式磁軌制動器吸力進行了仿真計算［9］。文中針對某高懸掛多節式磁軌制動器，首先建立有限元模型，進行3D 電磁場仿真分析，并采用磁軌制動吸力試驗臺進行試驗，從而驗證仿真的合理性并獲得吸力特性。

1 磁軌制動器的基本結構及原理

高懸掛磁軌制動器主要由線圈、極靴、極靴隔板、橫向拉桿、懸掛單元及導向機構等組成。磁軌制動器安裝在轉向架兩側，位于鋼軌上方兩車輪之間并與鋼軌平行，每個轉向架安裝2 組電磁鐵。磁軌制動器安裝示意圖及其工作原理如圖1 所示。

圖1 高懸掛磁軌制動器安裝示意圖及磁軌制動器工作原理

制動時，懸掛單元將制動器下放到鋼軌上，線圈通電產生電磁場，通過極靴、鋼軌形成閉合回路，利用電磁鐵對磁導體的吸力，使制動電磁鐵與鋼軌產生正壓力，列車運行時便會產生摩擦制動力。摩擦力與電磁吸力呈正比，電磁吸力越大，摩擦制動力也越大。磁軌制動裝置緩解時，切斷線圈電流，吸力消失，由懸掛單元懸掛在轉向架上。

2 磁軌制動器電流與吸力特性仿真與試驗對比分析

2.1 計算依據

靜磁場分析的有限元原理是將整個區域分割成許多很小的子區域，將求解邊界問題的原理應用于這些子區域中，求解每個子區域的磁場分布結果。再采用虛功原理，即外表面剖分單元虛變，在虛位移s方向所受的力為式（1）［6］，虛功原理求吸力示意圖如圖2 所示。

圖2 虛功原理求吸力示意圖

式中：Fplate為吸力，N；W（s，i）為系統的磁場儲能，J；i為恒定電流，A；s為位移，m；V為模型的體積，m3；B為磁感應強度；H為磁場強度。

目前國外產品的極靴材料主要有低碳鋼、鑄鐵、球墨鑄鐵、粉末冶金或其中2 種組合形式［7］，文中選用某低碳鋼，其實測B-H曲線如圖3 所示，鋼軌材料為U71Mn，其實測B-H曲線如圖4 所示。

圖3 某低碳鋼的B-H 曲線

圖4 鋼軌材料的B-H 曲線

2.2 仿真模型

文中以正在研制的某試驗車用高懸掛、多節式磁軌制動器為例，分析電流與吸力的關系。

磁軌制動器的供電方式為110 V DC 電壓供電，環境溫度為常溫，但由于在試驗過程中，長時間通電會導致線圈溫度升高、電阻增大，由于供電電壓不變，線圈電流會減小，從而吸力值會降低，測試過程中存在較大誤差，重復性差。因此為了考察磁軌制動在常溫狀態下的吸力特性，將電壓換算成電流供電更為合理。

參 照EN 16207 標準［10］，吸力測試時的鋼軌選用60 kg/m 平鋼軌，即鋼軌頂面加工成平面，平頂寬度為63 mm，在電磁分析軟件Flux 中建立磁軌制動器及鋼軌的模型。完整的制動電磁鐵模型沿長度方向對稱，因此可取半模型并施加對稱邊界條件進行計算，如圖5 所示。

圖5 磁軌制動器的有限元模型

勵磁電流額定值為IN，為研究電流對吸力的影響，將線圈中的勵磁電流設置為變量并進行參數化 掃 描，分 別 對70%IN、80%IN、90%IN、100%IN、110%IN、120%IN、130%IN勵磁電流下的吸力進行仿真分析，設置吸力誤差不大于2%作為收斂條件，提取吸力數據。

2.3 試驗裝置

為了進行磁軌制動器吸力及電磁性能的試驗驗證，基于EN 16207 設計了磁軌制動吸力試驗臺，并在試驗臺上對該磁軌制動器進行吸力測試，如圖6 所示。

圖6 磁軌制動吸力試驗臺

將磁軌制動器安裝在試驗臺上，通過軟件控制試驗臺，進行電流與吸力關系測試，通過改變線圈 的 勵 磁 電 流，分 別 測 試70%IN、80%IN、90%IN、100%IN、110%IN、120%IN、130%IN條件下的吸力。

2.4 結果

通過仿真計算和試驗，可以得出不同勵磁電流下的吸力值，結果見表1。

表1 不同勵磁電流條件下吸力的仿真值與試驗值對比

將試驗結果與仿真結果分別繪制散點圖并擬合進行對比，如圖7 所示。從圖7 可以看出，隨著電流的增加，吸力逐漸增加，但吸力增加的速率略有減小。另外可以發現，試驗與仿真計算的吸力值相差不大，同等條件下二者的偏差小于2%，表明該仿真模型的準確性較高，可用于磁軌制動器的設計并進一步探究其吸力特性。

圖7 勵磁電流與吸力關系仿真和試驗曲線

2.5 分析

為了進一步了解吸力隨電流變化的原因，對鋼軌表面磁密進行分析。當勵磁電流分別為70%IN、100%IN、130%IN時，鋼軌上的磁密分布如圖8～圖10 所示。

圖8 勵磁電流為70%IN 時鋼軌表面磁密分布云圖

圖9 勵磁電流為100%IN 時鋼軌表面磁密分布云圖

圖10 勵磁電流為130%IN 時鋼軌表面磁密分布云圖

從磁密分布云圖上可以看出，隨著勵磁電流的增加，鋼軌表面的磁密逐漸增加，根據電磁鐵吸力F為式（2）［7］：

式中：S為極靴與鋼軌接觸面積；μ為磁導率。

其中磁導率μ=B/H。從磁密分布云圖中可以看出，當電流從70%IN變化至130%IN時，鋼軌表面最大磁密從1.63 T 升高至1.9 T，而從圖4 鋼軌材料的B-H曲線中可知，其飽和磁密約為1.7 T。即隨著電流升高，鋼軌表面磁場從接近飽和變化至完全飽和，則磁導率μ值隨著電流升高首先逐漸減小而后幾乎保持不變。

由此可知，電流線性增大，接觸面積S不產生變化，磁導率μ先略微減小而后保持不變，故電磁鐵吸力F增大，且由于磁導率μ，吸力F增加的速率略有減小。

3 結 論

文中利用Flux 電磁仿真軟件建立某高懸掛磁軌制動器有限元模型，研究不同勵磁電流大小對磁軌制動器吸力特性的影響，通過吸力試驗驗證了仿真計算結果的準確性，并根據電流和磁導率的變化分析了吸力曲線變化的原因。主要結論如下：

（1）通過Flux 建立的該有限元模型可正確模擬磁軌制動器的吸力變化。

（2）磁軌制動器以額定電流工作時，鋼軌表面的磁密接近飽和。

（3）磁軌制動器的吸力隨勵磁電流增加而增加，但增加速率逐漸減小。