双磁系永磁磁轨制动器的设计分析

何 仁，王 亮，王 晶

(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)



双磁系永磁磁轨制动器的设计分析

何 仁，王 亮，王 晶

(江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江 212013)

介绍了永磁磁轨制动器在轨道车辆领域的应用情况与工作原理；分析了现有永磁磁轨制动器的特点，提出一种双磁系永磁磁轨制动器的结构；针对所提出的双磁系制动器结构，阐述了主要结构参数的设计方法并进行设计；对所设计的双磁系制动器的吸力特性进行仿真测试。结果表明：提出的双磁系制动器解决了单磁系制动器的不足，同时基于磁路原理的参数设计满足了磁轨制动器的性能要求。

车辆工程；双磁系永磁磁轨制动；设计；仿真

0 引 言

黏着制动是轨道车辆的常规制动方式，制动力从钢轨经车轮传给车辆。随着车辆速度的提高，轮轨间黏着系数急剧下降，导致紧急制动时黏着制动力不足，为保持所要求的制动距离，需其他制动方式作为辅助或制动力的补充[1-3]。磁轨制动作为非黏着制动很好地满足上述要求，在轨道车辆上得到广泛应用。目前，德国ICE系列动车组、日本新干线、法国TGV动车组都应用了磁轨制动器，取得很好的效果[4-5]。磁轨制动器安装于轨道车辆转向架两个侧架下面，通过电磁铁或永磁铁提供磁吸力将制动器吸附于钢轨上，制动器与钢轨间滑动摩擦力即为制动力[6-7]。永磁磁轨制动器以其不消耗能量、免维护、高速制动性能好等优点得到了广泛重视[8]。目前，永磁磁轨制动器大多是单磁系结构，其横截面如图1[9]。

A—顶盖(非导磁)；B—永磁体；C—磁轴(非导磁)；D—磁轭(导磁)；E—制动靴(导磁)；F—钢轨(导磁)

图1 单磁系永磁磁轨制动器截面

Fig.1 Cross-section of PMB

图1(a)为非制动状态，永磁铁产生的磁场在磁轭内部形成磁回路，制动器对钢轨没有磁吸力。当需要制动时，磁轴绕其自身轴线旋转90°，永磁铁产生的磁场通过磁轭、制动靴和钢轨形成磁回路，磁吸力将制动器吸附于钢轨之上，制动靴与钢轨间滑动摩擦力即为制动力，如图1(b)。但该结构存在很大不足：非制动时，有漏磁通过制动靴、钢轨，制动器对钢轨仍有磁吸力，制动解除不彻底；制动时，永磁体与磁轭间存在大量漏磁现象，制动力小，不能满足轨道车辆紧急制动的要求。针对上述问题，笔者提出一种双磁系结构，同时讨论了主要结构参数的设计方法。

1 双磁系制动器结构及工作原理

笔者所设计的双磁系永磁磁轨制动器沿轨道纵向的横截面不变，如图2。永磁铁B1，B2沿x方向充磁，隔板(t=3 mm)嵌于磁轭中，固定永磁铁B1，永磁铁B2固定于磁轴中间，可随磁轴绕其自身轴线旋转(δ1=0.5 mm)，磁轴两端部通过滚动轴承与非导磁端盖(图中略)相连接。图2为制动状态，永磁铁B1，B2产生的磁场在制动靴与钢轨处相互叠加，使制动器对钢轨磁吸力足够大，满足紧急制动要求；当需解除制动时，磁轴绕自身轴线旋转180°，此时永磁铁B1，B2产生的磁场在制动靴与钢轨处相互抵消，使制动器对钢轨磁吸力为0,制动解除彻底。

A—隔板(非导磁)；B1，B2—永磁铁；C—磁轴(导磁)D—磁轭(导磁)；E—制动靴(导磁)；F—钢轨(导磁)

图2 双磁系永磁磁轨制动器截面

Fig.2 Cross-section of D-PMB

2 双磁系制动器理论分析

研究表明，由于表面粗糙度等原因，制动靴与钢轨面间总有气隙，这部分气隙称为等效工作气隙，常取δ=0.1 mm[10]。为了简化模型的建立，做出如下假设：①忽略制动器端部磁效应，沿轨道纵向磁分布相同；②忽略钢轨上表面弧度，钢轨上表面水平；③忽略隔板对磁场的影响。图2所示制动器的等效磁路如图3，图中RⅠ,RⅡ,RⅢ,RⅣ表示与图2相对应的Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ部分磁阻；RZ表示左半磁轴磁阻；Rδ1表示磁轴与左半磁轭间隙磁阻；Rδ表示左制动靴与钢轨间隙磁阻；RG表示钢轨磁阻。

图3 双磁系永磁磁轨制动器等效磁路

制动力大小与制动器对钢轨垂直磁吸力FN成正比，故制动力fb可以表示为：

(1)

式中：μ为制动靴与钢轨间摩擦系数；Bδ为等效工作气隙处磁感应强度；Sx为单个制动靴与钢轨接触面积；μ0为真空中磁导率。

制动器制动时，根据磁路基本方程有：

(2)

式中：Kr1，Kr2为磁阻系数，其与磁轭、制动靴结构尺寸有关；Hδ为等效工作气隙处磁场强度；Hm1，Hm2为永磁铁B1，B2工作点处磁场强度。

在忽略漏磁情况下有：

BδSδ=Bm1Sm1+Bm2Sm2

(3)

式中：Sδ为等效工作气隙处磁通面积；Bm1，Bm2为永磁铁B1，B2工作点处磁感应强度；Sm1，Sm2为永磁铁B1，B2磁通面积。

(4)

由式(2)～式(4)可得：

(5)

(6)

式中：Vm1，Vm2表示永磁铁B1，B2的体积；Vδ表示单个制动靴处等效工作气隙体积。

由式(5)、式(6)得：

(7)

代入式(5)得：

(8)

代入式(1)得：

(9)

同理，制动器解除制动时：

(10)

由式(9)、式(10)可得，制动力大小与制动靴钢轨间摩擦系数、永磁体1、2工作点磁能积、永磁铁体积、磁阻系数(磁轭、制动靴有关)、等效工作气隙长度有关。

3 双磁系制动器参数设计

笔者针对CRH2动车组进行设计，考虑到设计空间限制，对制动器基本参数进行选定：制动器沿轨道纵向长度c=1 000mm；磁轭、制动靴需良好导磁性，选工业纯铁，磁饱和强度Bs1=1.8T；钢轨部分材料为高锰钢，磁饱和强度Bs2=1.2T；永磁铁B1，B2选钕铁硼，剩磁Br=1.0T,矫顽力HC=-955 200A/m。

3.1 制动靴设计

为简便计算,根据GB2585—2007 《铁路用热轧钢轨》，钢轨截面以矩形计算：宽度aG=73mm，高度bG=30mm。为保证连接强度与足够磨损量，制动靴与磁轭相接触部分高度bx1=15mm；制动靴磨损部分高度bx2=10mm。

研究表明，当两制动靴间距离lg过大或过小时，制动力都会很小[10]，因此确定合适lg值很重要。根据式(1)可得，制动力大小与制动靴钢轨接触面积成正比，选定制动靴横向尺寸为73mm，即：

2ax+lg=73(mm)

(11)

制动器工作时，制动靴与钢轨间的磁场分布如图4。

图4 制动靴、钢轨磁场分布

图4中各部分磁阻如式(12):

(12)

式中：Rx表示单个制动靴的磁阻；Rl表示两制动靴间漏磁的磁阻；μr表示相应部分相对磁导率。

因此等效工作气隙处磁感应强度如式(13)：

(13)

Bx为制动靴上端处磁感应强度，此时制动靴、钢轨基本达到磁饱和，μrx≈400，μrG≈300。将式(11)～式(13)代入式(1)，可得:

(14)

式中：μ，μ0为常数;lg为两制动靴间距离，0

采用MATLAB软件编程优化得出，当Bx确定后lg=7.1mm时fb取得最大值，为方便计算取lg=7mm。

3.2 永磁体、磁轭设计

根据式(9)可知，制动力大小与永磁铁B1，B2工作点磁能积成正比，故制动时永磁铁B1，B2工作点应处于最大磁能积点附近，即：

(15)

由式(15)可得：

(16)

由式(3)、式(16)得：

(17)

此时钢轨处近似饱和，Bδ≈Bs2=1.2 T。

非制动时，永磁铁1、2产生的磁场在等效气隙处为0，永磁体1,2的工作点近似相同，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)

磁轭设计需满足以下条件：①磁轭部分不饱和；②在满足①的条件下磁轭体积尽可能小。图3中II部分最易饱和，故：

0.5a-r1-δ1≥ax

(21)

b≥bm1+t+2r1+2δ1+bx1=104.2 (mm)

(22)

考虑到制动器体积尽可能小，a=112.6 mm，b=104.2 mm,代入式(20)，计算得Kr1≈Kr2≈50，代入式(19)得lm1=lm2=20 mm。

4 仿真及结果分析

采用ANSOFT二维瞬时模块仿真验证所设计双磁系制动器性能。磁轴以15 rpm转速旋转，图1(b)、图2分别表示t=0 s时单、双磁系制动器磁轴位置。

图5为外尺寸相同的单、双磁系制动器磁轴旋转1周对钢轨磁吸力变化情况。从图5中可以看出：双磁系制动器制动时对钢轨吸力FN=78 kN，非制动时对钢轨吸力FN=0，符合双磁系永磁磁轨制动器的设计要求；单磁系制动器制动时对钢轨吸力FN=31 kN,非制动时对钢轨吸力FN=10 kN；对比可发现，双磁系制动器的制动性能远远好于单磁系，更适合作为列车辅助或紧急制动。

图5 制动器对钢轨吸力变化

图6、图7分别为t=0 s时双磁系制动器内磁场分布和磁力线分布。

图6 t=0时制动器磁场分布云图

图7 t=0时制动器磁力线分布

图6中可看出：制动靴、钢轨处基本达到磁饱和；磁轭处未达到磁饱和。图7中可看出：永磁铁1、2产生的磁场全部通过等效工作气隙，漏磁现象很少，符合双磁系制动器的设计要求。

图8、图9分别表示t=2 s时双磁系制动器内磁场分布和磁力线分布。从图8、图9中可看出：制动靴、钢轨处未达到磁饱和，永磁铁B1，B2产生的磁场没有通过制动靴与钢轨，此时制动靴对钢轨磁吸力为0，符合双磁系磁轨制动器的设计要求。

图8 t=2时制动器磁场分布云图

图9 t=2时制动器磁力线分布

5 结 论

1)首先分析了现有单磁系永磁磁轨制动器的结构形式和存在的缺点。在此基础上，提出了一种双磁系永磁磁轨制动器结构，介绍了其工作原理。根据分析，该结构方案可以避免原来制动器制动时的漏磁以及非制动时解除制动不彻底等现象，提高了制动器制动性能。

2)针对CRH2动车组，介绍了所设计双磁系磁轨制动装置的结构参数设计方法，进行具体设计。并通过ANSOFT对所设计的双磁系磁轨制动器进行了吸力性能仿真，结果表明，设计的双磁系磁轨制动器满足设计要求。

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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

国家自然科学基金项目(51275212)

何 仁(1962—)，男，江苏南京人，教授，主要从事车辆机电一体化技术研究。E-mail：heren@mail.ujs.edu.cn。

U260.356

A

1674-0696(2015)06-181-05