真空管道HTS磁浮系統(tǒng)中振動耗能法電磁制動分析

　　為了實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)(HTS)磁浮車的無接觸的制動，本文提出一種基于振動耗能的電磁制動方法。在永磁軌道與磁浮車的懸浮氣隙中增加一層固定在車體上的電磁線圈，以線圈通電的方式改變磁場分布而得到在軌道上方的磁場分布不均衡的效果。磁浮車體的運(yùn)動方向上的動能將轉(zhuǎn)化到與其運(yùn)行垂直方向上的阻尼振動耗掉而使車體減速，其阻尼系數(shù)通過閉合線圈的方式改變。以真空管道中運(yùn)行的HTS磁懸浮車為例，用理論分析得出所加電磁線圈的自阻值與外接電阻的阻值之和與耗能的關(guān)系，最后在西南交通大學(xué)真空管道HTS磁浮系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的合理性與有效性，為將來的真空管道磁浮交通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

　　運(yùn)行的輪軌列車在相接觸的輪軌之間相對運(yùn)動時(shí)會產(chǎn)生阻礙相對運(yùn)動的摩擦力，制動就是有效地利用這種摩擦力而將車體運(yùn)動的動能轉(zhuǎn)化為熱能(或電能)損耗。這種制動方法在磁懸浮系統(tǒng)中不再適用，因?yàn)檐圀w懸浮在軌道上而與軌道沒有直接接觸。真空管道磁懸浮交通是利用了當(dāng)空氣達(dá)到一定的稀薄程度時(shí)空氣與車體的摩擦大大減小的原理，其運(yùn)行速度可以得到明顯提升，很可能是將來最有前途的一種長距離交通運(yùn)輸方式。在真空管道磁懸浮系統(tǒng)中，將真空的空氣阻力小的特點(diǎn)與無輪軌摩擦的特點(diǎn)結(jié)在一起。在優(yōu)良的真空管道磁浮系統(tǒng)中，車體獲得初速度后只需補(bǔ)償很小的損耗動能就能維持這個(gè)速度。

　　對真空管道磁浮系統(tǒng)，近幾年來國內(nèi)有一定程度的相關(guān)研究，國外只是提出一些概念，實(shí)際的系統(tǒng)及相關(guān)著述并不多見。文獻(xiàn)研究了真空管道內(nèi)車輛運(yùn)行時(shí)速度、壓強(qiáng)、阻塞比等變化時(shí)的空氣動力學(xué)問題，文獻(xiàn)主要研究了真空系統(tǒng)中列車的外形對車體運(yùn)行時(shí)的阻力影響，文獻(xiàn)對真空系統(tǒng)中車體碰撞、管道失壓等因素進(jìn)行分析，闡述了真空管道運(yùn)輸(ETT)安全問題，文獻(xiàn)從救援應(yīng)急的角度討論了用氣體增壓模式對運(yùn)行的車體進(jìn)行攔截。而對于系統(tǒng)的制動，文獻(xiàn)分析了渦流制動并設(shè)計(jì)了用制動損耗板來實(shí)現(xiàn)應(yīng)急制動的抽象方案。以上這些文獻(xiàn)中有關(guān)于系統(tǒng)內(nèi)阻力的研究，雖未提及制動，但是真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為可以將此阻力用來制動，而這些阻力因其產(chǎn)生的原因而難以控制。

　　本文討論在真空管道高溫超導(dǎo)(HTS)磁浮系統(tǒng)中運(yùn)行的車體利用振動耗能的原理實(shí)現(xiàn)制動。從物理模型出發(fā)，分析由于永磁軌道的磁分布不平衡引起的振動能耗，建立簡單的數(shù)學(xué)模型，通過改變固定在車體底部線圈的開閉來調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)。最后在西南交通大學(xué)超導(dǎo)與新能源研究開發(fā)中心的真空管道HTS磁懸浮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(圖1)上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此方法的合理性與實(shí)用性。

圖1　真空管道HTS磁懸浮系統(tǒng)

1、真空管道中HTS磁浮系統(tǒng)模型

　　HTS磁懸浮技術(shù)是磁浮技術(shù)中的一種，因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而受到越來越多重視，HTS塊在永磁軌道上場冷后因?yàn)榇磐ㄡ斣�作用而懸浮在永磁軌道正上方，如圖2所示。

圖2　YBaCuO超導(dǎo)塊在軌道上各點(diǎn)的平衡位置

　　如圖2所示，質(zhì)量為m 的高溫超導(dǎo)體磁浮車在起點(diǎn)A 處以場冷高度(zAB+Δz0)懸浮，當(dāng)去掉保持場冷高度所用的物體時(shí)，車體由于自重下降，變化為Δz0時(shí)，產(chǎn)生的反作用力恰好與車體自重相等而保持平衡。當(dāng)軌道上沿軌道延伸方向上的磁分布無變化時(shí)，車體將在軌道上方高為zAB的高度上懸浮，雖然有z方向上的運(yùn)行速度，但是不會影響其懸浮高度。根據(jù)相關(guān)理論研究，懸浮在永磁軌道上的HTS體受力懸浮可近似為有阻尼的彈簧系統(tǒng)，彈簧系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為

　　式中，m 為超導(dǎo)塊質(zhì)量，c為阻尼系數(shù)，k 為彈性系數(shù)，因?yàn)橄到y(tǒng)的非線性，這兩個(gè)系數(shù)都為z 的函數(shù)。F 為超導(dǎo)塊所受的z 方向上的外力。運(yùn)行的車體所受外力是由于磁場的變化而引起的變化合力。當(dāng)磁場變?nèi)?如B 點(diǎn))時(shí)，懸浮力降低，懸浮高度下降，但是它會自動地在一定時(shí)間內(nèi)尋求一個(gè)新的懸浮高度，其質(zhì)量沒有變化，所以新高度上產(chǎn)生的懸浮力還是沒有變化，但是它的懸浮高度變化是明顯的。在運(yùn)行的過程中，如果遇到磁場分布不均衡，懸浮高度就會發(fā)生變化，將懸浮力模擬成一個(gè)空氣彈簧支撐時(shí)，就會在懸浮力方向上產(chǎn)生振動。式(1)知，懸浮高度沿運(yùn)行方向x 方向是變化的，這樣簡化后，就將軌道上磁場變化與懸浮高度的關(guān)系省去而是直接研究懸浮高度變化的振動耗能情況。

4、結(jié)果與結(jié)論

　　由前面分析及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：

　�、傥闹兄苿臃椒ㄐ枰�有與運(yùn)行垂直方向上的振動以及耗能線圈兩個(gè)基本條件。所以真空管道HTS磁懸浮系統(tǒng)中的PMG上表面磁場分布均勻時(shí)又忽略空氣摩擦力時(shí)，運(yùn)行的車體速度無衰減，需要加線圈以得到磁軌表面磁場變化的效果。

　�、谝哉駝雍哪芊椒▽φ婀艿乐羞\(yùn)行的HTS磁浮車制動時(shí)，其效果與磁場強(qiáng)度在懸浮高度的變化率有關(guān)，當(dāng)這個(gè)變化率越大時(shí)，制動效果越明顯。

　�、畚闹械暮哪苷駝雍哪芊ㄟm合系統(tǒng)中的車體低速運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了可行性與合理性，但是在高速運(yùn)行時(shí)需加以修正。

　�、芫�圈振動耗能法也有減振效果。