一种磁浮列车的E型电磁铁磁力及温升特性分析

韩伟涛，周 颖，高信迈，鞠录峰

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111）

磁浮列车作为一种新型交通工具，受到了世界各国的广泛关注，近几年世界很多国家均在研究磁浮列车技术及其应用。目前磁浮列车在很多国家已经实现了商业运营如中国、日本及韩国等[1-4]。磁浮列车上安装电磁铁，电磁铁的磁场经过轨道功能件产生电磁力，列车依靠电磁力悬浮在轨道上，实现无接触支撑[5-7]。随后悬浮的列车在直线电机的驱动下实现沿轨道运行[8]。由于无机械摩擦及直线牵引，磁浮列车具备磨损小、维护成本低、启停速度快和爬坡能力强等优点。由此可见，电磁铁是磁浮列车的核心部件，其承载能力关系到列车能否实现悬浮。此外，电磁铁持续通电会产生较高温度，长时间过热会导致电磁铁烧损，所以达到合理稳态温度至关重要。本文对一种磁浮列车用E型电磁铁特性进行分析，校核其性能的同时，为后续优化设计提供依据。

1 结构及原理

1.1 结构

E型电磁铁结构如图1所示，主要包括磁极、极板、线缆及连接器等结构。其中磁极由绕组绕制在铁芯上制成，表面灌封环氧树脂；绕组与铁芯表面作绝缘处理；绕组采用铝箔，铝箔之间作绝缘处理。磁极由两侧极板夹在中间，磁极铁芯与极板接触。极板分为上、中、下3部分，联合磁极整体呈E型。极板采用结构钢，既具备承载能力，将电磁力传递至车辆；又具备导磁性能，传递磁场至轨道功能件。线缆及连接器用于磁极供电，未在图中画出。电磁铁两端预留间隙传感器安装位置。

图1 E型电磁铁结构示意图

1.2 原理

E型电磁铁磁路如图2所示，上、下极板极性一致，均为N，与中间极板S极极性相反。2排磁极产生的磁场由铁芯出发分别经过上、下极板进入导轨，之后经过中间极板回到铁芯。极板与导轨之间的间隙磁场产生的电磁吸力用于实现悬浮功能。此外，E型电磁铁还能够提供一定的导向力，当发生横向偏移时，电磁铁与轨道间磁场发生扭曲，产生部分横向分量，从而产生被动导向力。

图2 E型电磁铁磁路示意图

2 电磁特性

E型电磁铁主要参数见表1，根据相关参数，搭建E型电磁铁及轨道有限元模型。通过电磁分析，确定E型电磁铁的悬浮力、工作点及磁场分布，为后续承载能力设计及结构优化提供依据。

表1 E型电磁铁主要参数

2.1 静态性能

通过计算不同间隙下悬浮力随电流的变化关系，获得E型电磁铁悬浮力—间隙—电流特性曲线，如图3所示。根据车辆载重要求，单个E型电磁铁垂向载荷为2.8 t，在额定间隙8 mm下，悬浮力达到2.8 t时，所需的工作电流为23 A，即E型电磁铁的额定工作电流为23 A。E型电磁铁的工作点为间隙8 mm，电流23 A，该位置存在较好的线性区15~30 A，该区域控制系统调整能力较强，同时较好的线性也有利于控制。起浮瞬间电流较大，如果起浮间隙为16 mm，起浮所需的电流为45 A，如果起浮间隙为20 mm，起浮电流需要到达60 A。尽管起浮电流较大，但是持续时间较短，不会影响温升。

图3 E型电磁铁悬浮力—间隙—电流特性

在间隙8 mm，工作电流25 A条件下，E型电磁铁的磁场分布如图4所示。磁极铁芯磁密相对比较均匀，大部分区域处于1.1~1.4 T之间，没有出现明显的磁饱和，也没有出现大面积的低磁密区域。极板位置的磁场分布相对杂散，对应极板位置的磁密相对较高，但未出现磁饱和。极板两端小区域磁密较高，接近2.0 T，但区域很小，对性能没有影响。此外，部分区域磁密非常低，对磁场传导没有较大作用，后续可考虑将该位置掏空，在保证强度的基础上进行轻量化改进。

图4 E型电磁铁磁场云图

2.2 动态性能

为避免运行过程中电磁铁产生较大涡流，E型电磁铁在运行方向上均为相同极性，未采用NS交变结构。尽管如此，电磁铁头尾端仍然会产生动态端部效应，即运行过程中，该位置存在一定涡流效应，会对电磁力产生影响。为提高计算效率，搭建了半个E型电磁铁的动态分析模型，对不同速度下动态悬浮力进行计算，计算结果如图5、图6所示。

图5 导轨涡流分布图

图6 半个E型电磁铁悬浮力随速度变化关系

E型电磁铁运动方向上的入端及出端均会出现涡流拖轨现象，2处涡流区会导致电磁铁运行时的悬浮力降低。速度为0 km/h时，半个E型电磁铁的悬浮力为17.1 kN。速度为80 km/h时，悬浮力为15.3 kN，相比静态下的悬浮力降低了10.5%。因此，在进行电磁铁承载能力设计时，需要将动态悬浮力损失考虑在内。

3 温升特性

E型电磁铁适用于不同速度等级的磁浮列车，然而，当应用于低速场景时，走行风的散热效果较差，同时由于E型电磁铁处于持续工作状态，且工作电流较大，电磁铁发热比较严重，易导致电磁铁烧损，影响运行安全。因此，对其温度场进行分析，并考虑低速下采用强迫冷却措施进行散热优化。

3.1 温度场分析

温度场模型搭建所需的材料特性，如热导率、比热容及密度，见表2。其中磁极绕组由铝箔及聚酰亚胺绝缘膜相间组成，铝箔厚度为0.19 mm，绝缘膜厚度为0.016 mm。如果按实际进行建模，绕组层数较多，且层厚较薄，模型网格无法划分，影响求解结果。因此，将铝箔及绝缘膜2种材料按照空间占比及各自材料特性等效简化为一种材料，称为等效绕组。

表2 电磁铁材料特性

电磁铁的发热源为磁极绕组，主要为铜损，E型电磁铁在工作点的发热功耗约为620 W。温度场分析不考虑走行风影响，绕组的散热方式主要为热传导及自然对流，自然对流系数取5 W/（m2·℃），环境温度取25℃。热模型如图7所示，磁极表面包裹树脂。双层绕组之间及绕组与铁芯之间存在2 mm缝隙，采用绝缘纸进行绝缘处理，浇铸时灌满树脂，因此，模型在该位置简化为树脂处理。

图7 E型电磁铁热模型

由于温升过程时间长，热传导充分，温度场分布比较均匀，温度最高点位于绕组位置。磁极采用的绝缘膜为F级绝缘，长时间工作时温度不高于155℃。在自然对流条件下，磁极绕组温度最高点的温升过程如图8所示，温升速率约为1.6 K/min。当工作时间达到67 min时，绕组内部最高温度达到155℃，即在此条件下持续工作67 min，就必须停止，并进行散热，否则会出现烧损。

图8 绕组温度最高点温升过程

3.2 强迫冷却

根据E型电磁铁温度场分布可知，磁极表面树脂及铁芯都是较好的散热位置，可在该2处位置设计强迫冷却。考虑在铁芯内部设计水冷管道，通过水冷方式降低铁芯及绕组温度，如图9所示。

图9 E型电磁铁水冷管道位置

水冷管道外径15 mm，内径12 mm，每个磁极配置3根。水冷管道材质为钢，对流系数取1 000 W/（m2·℃），水温恒为25℃。在此工作环境下，磁极温度最高点的温升过程如图10所示。在水冷散热措施下，磁极温升速率大幅降低，并能够达到热稳态，稳态温度低于85℃，该温度满足F级绝缘要求，因此，通过增加水冷能够保证E型电磁铁在额定承载下持续工作。

图10 绕组温度最高点温升过程—水冷

4 结束语

经过电磁特性分析，E型电磁铁均能够满足承载力要求，铁芯及极板磁场未达到饱和磁密，额定工作点所在区域具有较好的线性。但应用于低速场景时，走行风散热效果较差，必须采用强迫水冷散热。在水冷条件下，散热效果明显增强，E型电磁铁能够持续工作，且满足温升要求。