磁轨制动器吸力特性研究*

高立群，丁福焰,3，王立宁，王立超，王 可

（1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京100081；2 北京纵横机电科技有限公司，北京100094；3 中国铁道科学研究院集团有限公司 高速铁路与城轨交通系统技术国家工程研究中心， 北京100081）

磁轨制动在世界轨道交通领域尤其在欧洲具有较多的应用，除城市有轨电车外，干线铁路和高速列车也应用了磁轨制动，如ICE1，ICE2 动车组等［1-3］。随着列车的速度逐渐提高，对安全性也提出了更高的要求。我国轨道交通车辆上采用的制动方式主要是黏着制动，在雨雪天气及其他原因引起的低黏着条件下，紧急制动距离难以保证，而采用不依赖轮轨黏着的附加制动装置，则可有效缩短制动距离，提高运行安全性。

磁轨制动属于非黏着制动方式，制动效果显著，构造简单，工作可靠。研究表明，在相同情况下，采用磁轨制动的列车比不采用磁轨制动的列车可提速40 km/h，制动距离可缩短20%～30%。其中，高悬挂多节式磁轨制动装置主要应用于高速列车和干线铁路，低悬挂刚性磁轨制动装置主要用于低地板有轨电车［4-6］。

磁轨制动装置与钢轨之间的吸力是影响其制动力的重要因素，研究磁轨制动的吸力特性对了解其制动性能具有重要意义。德国铁路上世纪80年代已开展了磁轨制动静态吸力的试验研究［7］，克诺尔公司研制了刚性和铰接（多节）式磁轨制动装置，并测试了磁吸力随励磁电流强度的变化规律［8］。国内目前仅在低地板有轨电车上应用了刚性磁轨制动装置，尚未实现多节式磁轨制动装置的工程应用。20 世纪90 年代以来，我国一直在进行磁轨制动的研究，采用不同方法或技术手段对吸力特性进行了探索，林台平等研究了吸力的简易测量方法［5］；王立超等研究了刚性式磁轨制动器的吸力及优化问题［6］；王胜等对多节式磁轨制动器吸力进行了仿真计算［9］。文中针对某高悬挂多节式磁轨制动器，首先建立有限元模型，进行3D 电磁场仿真分析，并采用磁轨制动吸力试验台进行试验，从而验证仿真的合理性并获得吸力特性。

1 磁轨制动器的基本结构及原理

高悬挂磁轨制动器主要由线圈、极靴、极靴隔板、横向拉杆、悬挂单元及导向机构等组成。磁轨制动器安装在转向架两侧，位于钢轨上方两车轮之间并与钢轨平行，每个转向架安装2 组电磁铁。磁轨制动器安装示意图及其工作原理如图1 所示。

图1 高悬挂磁轨制动器安装示意图及磁轨制动器工作原理

制动时，悬挂单元将制动器下放到钢轨上，线圈通电产生电磁场，通过极靴、钢轨形成闭合回路，利用电磁铁对磁导体的吸力，使制动电磁铁与钢轨产生正压力，列车运行时便会产生摩擦制动力。摩擦力与电磁吸力呈正比，电磁吸力越大，摩擦制动力也越大。磁轨制动装置缓解时，切断线圈电流，吸力消失，由悬挂单元悬挂在转向架上。

2 磁轨制动器电流与吸力特性仿真与试验对比分析

2.1 计算依据

静磁场分析的有限元原理是将整个区域分割成许多很小的子区域，将求解边界问题的原理应用于这些子区域中，求解每个子区域的磁场分布结果。再采用虚功原理，即外表面剖分单元虚变，在虚位移s方向所受的力为式（1）［6］，虚功原理求吸力示意图如图2 所示。

图2 虚功原理求吸力示意图

式中：Fplate为吸力，N；W（s，i）为系统的磁场储能，J；i为恒定电流，A；s为位移，m；V为模型的体积，m3；B为磁感应强度；H为磁场强度。

目前国外产品的极靴材料主要有低碳钢、铸铁、球墨铸铁、粉末冶金或其中2 种组合形式［7］，文中选用某低碳钢，其实测B-H曲线如图3 所示，钢轨材料为U71Mn，其实测B-H曲线如图4 所示。

图3 某低碳钢的B-H 曲线

图4 钢轨材料的B-H 曲线

2.2 仿真模型

文中以正在研制的某试验车用高悬挂、多节式磁轨制动器为例，分析电流与吸力的关系。

磁轨制动器的供电方式为110 V DC 电压供电，环境温度为常温，但由于在试验过程中，长时间通电会导致线圈温度升高、电阻增大，由于供电电压不变，线圈电流会减小，从而吸力值会降低，测试过程中存在较大误差，重复性差。因此为了考察磁轨制动在常温状态下的吸力特性，将电压换算成电流供电更为合理。

参 照EN 16207 标准［10］，吸力测试时的钢轨选用60 kg/m 平钢轨，即钢轨顶面加工成平面，平顶宽度为63 mm，在电磁分析软件Flux 中建立磁轨制动器及钢轨的模型。完整的制动电磁铁模型沿长度方向对称，因此可取半模型并施加对称边界条件进行计算，如图5 所示。

图5 磁轨制动器的有限元模型

励磁电流额定值为IN，为研究电流对吸力的影响，将线圈中的励磁电流设置为变量并进行参数化 扫 描，分 别 对70%IN、80%IN、90%IN、100%IN、110%IN、120%IN、130%IN励磁电流下的吸力进行仿真分析，设置吸力误差不大于2%作为收敛条件，提取吸力数据。

2.3 试验装置

为了进行磁轨制动器吸力及电磁性能的试验验证，基于EN 16207 设计了磁轨制动吸力试验台，并在试验台上对该磁轨制动器进行吸力测试，如图6 所示。

图6 磁轨制动吸力试验台

将磁轨制动器安装在试验台上，通过软件控制试验台，进行电流与吸力关系测试，通过改变线圈 的 励 磁 电 流，分 别 测 试70%IN、80%IN、90%IN、100%IN、110%IN、120%IN、130%IN条件下的吸力。

2.4 结果

通过仿真计算和试验，可以得出不同励磁电流下的吸力值，结果见表1。

表1 不同励磁电流条件下吸力的仿真值与试验值对比

将试验结果与仿真结果分别绘制散点图并拟合进行对比，如图7 所示。从图7 可以看出，随着电流的增加，吸力逐渐增加，但吸力增加的速率略有减小。另外可以发现，试验与仿真计算的吸力值相差不大，同等条件下二者的偏差小于2%，表明该仿真模型的准确性较高，可用于磁轨制动器的设计并进一步探究其吸力特性。

图7 励磁电流与吸力关系仿真和试验曲线

2.5 分析

为了进一步了解吸力随电流变化的原因，对钢轨表面磁密进行分析。当励磁电流分别为70%IN、100%IN、130%IN时，钢轨上的磁密分布如图8～图10 所示。

图8 励磁电流为70%IN 时钢轨表面磁密分布云图

图9 励磁电流为100%IN 时钢轨表面磁密分布云图

图10 励磁电流为130%IN 时钢轨表面磁密分布云图

从磁密分布云图上可以看出，随着励磁电流的增加，钢轨表面的磁密逐渐增加，根据电磁铁吸力F为式（2）［7］：

式中：S为极靴与钢轨接触面积；μ为磁导率。

其中磁导率μ=B/H。从磁密分布云图中可以看出，当电流从70%IN变化至130%IN时，钢轨表面最大磁密从1.63 T 升高至1.9 T，而从图4 钢轨材料的B-H曲线中可知，其饱和磁密约为1.7 T。即随着电流升高，钢轨表面磁场从接近饱和变化至完全饱和，则磁导率μ值随着电流升高首先逐渐减小而后几乎保持不变。

由此可知，电流线性增大，接触面积S不产生变化，磁导率μ先略微减小而后保持不变，故电磁铁吸力F增大，且由于磁导率μ，吸力F增加的速率略有减小。

3 结 论

文中利用Flux 电磁仿真软件建立某高悬挂磁轨制动器有限元模型，研究不同励磁电流大小对磁轨制动器吸力特性的影响，通过吸力试验验证了仿真计算结果的准确性，并根据电流和磁导率的变化分析了吸力曲线变化的原因。主要结论如下：

（1）通过Flux 建立的该有限元模型可正确模拟磁轨制动器的吸力变化。

（2）磁轨制动器以额定电流工作时，钢轨表面的磁密接近饱和。

（3）磁轨制动器的吸力随励磁电流增加而增加，但增加速率逐渐减小。