低速永磁電動(dòng)懸浮電磁力特性研究.pdf

1、永磁電動(dòng)懸浮結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，系統(tǒng)可靠，是磁浮交通的主要模式之一，但由于低速運(yùn)行時(shí)阻力過(guò)大，是制約其進(jìn)一步發(fā)展的主要原因之一。為了找到一種適用于城市軌道交通的電動(dòng)懸浮模式，本文提出了永磁電動(dòng)懸浮的通用二維和三維解析計(jì)算方法，在此基礎(chǔ)上研究了現(xiàn)有各種懸浮方案的懸浮特性，認(rèn)為雙邊電動(dòng)懸浮式最適合低速軌道交通。首次對(duì)這種方案進(jìn)行了研究和計(jì)算，提出了滿足工程運(yùn)營(yíng)需求的設(shè)計(jì)參數(shù)，最后建立了目前唯一的全尺寸雙邊電動(dòng)懸浮實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)理論計(jì)算進(jìn)行了驗(yàn)

2、證。
　　首先，分別依據(jù)兩種完全不同的假說(shuō)，研究了永磁陣列的外部磁場(chǎng)解析計(jì)算法。第一種方法是由安培分子環(huán)流假說(shuō)將永磁體表面磁場(chǎng)等效為面電流，然后由畢奧-薩伐定理推導(dǎo)出其空間磁場(chǎng)的表達(dá)式，最后通過(guò)疊加原理得到陣列的外部磁場(chǎng)。第二種方法是由磁荷理論，假設(shè)空間磁場(chǎng)是由磁荷產(chǎn)生的，從而依據(jù)對(duì)偶原理類比靜電場(chǎng)方程求解陣列磁場(chǎng)。基于這兩種方法，對(duì)直線型Halbach陣列的外磁場(chǎng)二維計(jì)算進(jìn)行了完善，所給出的解析公式能適應(yīng)端部效應(yīng)和氣隙的改變，經(jīng)

3、驗(yàn)證其準(zhǔn)確率大大優(yōu)于現(xiàn)有算法。另外本文首次實(shí)現(xiàn)了Halbach陣列外磁場(chǎng)的三維解析計(jì)算，其結(jié)果與有限元計(jì)算高度吻合。
　　其次，提出了永磁電動(dòng)懸浮的通用二維解析計(jì)算方法。通過(guò)求解時(shí)諧電磁場(chǎng)的矢量磁位方程組，得到了正弦磁場(chǎng)與導(dǎo)體板構(gòu)成的感應(yīng)渦流系統(tǒng)解析解，再由傅里葉級(jí)數(shù)，將永磁體的外部磁浮分解為各次諧波的獨(dú)立作用最后通過(guò)疊加原理提出了任意磁場(chǎng)作用下的導(dǎo)體板中渦流分布以及電磁力計(jì)算表達(dá)式。
　　再次，在二維計(jì)算的基礎(chǔ)上，提出了永

4、磁電動(dòng)懸浮的通用三維解析計(jì)算方法。建立了空間中二階矢量磁位(SOVP)的微分方程，通過(guò)合理選取坐標(biāo)系，達(dá)到減少變量的目的，由分離變量法和邊界條件，得到了SOVP的空間分布函數(shù)，從而得到了磁場(chǎng)、渦流以及電磁力的解析表達(dá)式。經(jīng)驗(yàn)證，本文提出的解析方法，無(wú)論二維還是三維計(jì)算，都能適用于任意永磁陣列與導(dǎo)體板構(gòu)成的感應(yīng)渦流模型，且永磁體運(yùn)動(dòng)方向也是任意的，同時(shí)還能計(jì)算具有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的陣列。因此該解析法有很強(qiáng)的通用性。
　　隨后，利用所提出的

5、解析方法對(duì)現(xiàn)有的各種永磁電動(dòng)懸浮方案逐一進(jìn)行了計(jì)算，并建立對(duì)應(yīng)的有限元模型對(duì)解析解進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，二維計(jì)算平均誤差率僅為1.2％，特別是將單邊直線型Halbach電動(dòng)懸浮的誤差率由現(xiàn)有方法的17.4％，降低至0.6％。更重要的是首次實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)懸浮的三維計(jì)算，經(jīng)驗(yàn)證平均誤差率僅為1％。在此基礎(chǔ)對(duì)各種電動(dòng)懸浮模式的懸浮特性進(jìn)行了分析和比較，最終認(rèn)定雙邊永磁電動(dòng)懸浮為低速磁浮交通的最佳方案。
　　接著，首次對(duì)雙邊電動(dòng)懸浮進(jìn)行了研究和

6、計(jì)算，分析了永磁體幾何參數(shù)、導(dǎo)體板厚度、懸浮氣隙等不同參數(shù)對(duì)雙邊永磁電動(dòng)懸浮浮阻比、浮重比、懸浮剛度和密度等懸浮性能的具體影響，進(jìn)而提出了一套滿足低速運(yùn)營(yíng)要求的設(shè)計(jì)參數(shù)。經(jīng)計(jì)算，在運(yùn)行速度150km/h時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的雙邊懸浮浮阻比達(dá)到了19.2，而相同參數(shù)下的現(xiàn)有單邊懸浮浮阻比僅為3.8。
　　最后，建立了目前唯一的全尺寸雙邊永磁電動(dòng)懸浮旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在不同氣隙條件下對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁力進(jìn)行了測(cè)試，并考慮溫度影響等前提下，與本文提