（机械电子工程专业论文）旋转型永磁涡流制动装置的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 轨道交通运输由于具有绿色环保、节能的优势越来越受到重视。根据国 家铁路交通中长期发展纲要，列车运行速度将达到3 5 0 k m h 甚至更高。随着 列车速度的不断提高，其动能随速度的平方成正比增长，这就要求制动系统 必须提供足够大的制动力才能满足要求。而目前大多数列车使用的闸瓦或盘 形制动，其摩擦系数随速度增高而减小，即随着列车速度的增高，制动力不 断减小，因此传统的摩擦制动系统面临着越来越严峻的挑战。非摩擦制动技 术作为解决该问题的一种关键技术得到了广泛运用，如目前在装有电机的机 车或动车上广泛应用了再生制动和电阻制动。本文着力于研究适用于非动力 车辆的另外一种非摩擦制动技术一一旋转型永磁涡流制动技术。 论文首先全面比较了各种非摩擦制动技术的形式，分析了旋转型永磁涡 流制动装置在轨道交通制动系统中的优势。在综合国内外涡流制动研究应用 现状的基础上，根据涡流制动原理，提出了旋转型永磁涡流制动装置的结构 方案。 根据c r h 2 拖车转向架的结构和特点，完成了旋转型永磁涡流制动装置 的整体设计，并对装置各组成部分的相关参数进行了确定。在此基础之上， 运用p r o e 软件进行了三维模型建立。 论文对磁场和边界条件的相关理论进行了简要的介绍，分析了有限元计 算方法的基本思路以及a n s y s 软件的发展和应用，探究了a n s y s 软件当 中磁场有限元的计算方法。并对三种电磁有限元计算方法标量法、矢量法、 棱边法的应用范围和优缺点进行了比较。最终确定选择三维节点法和三维棱 边法进行静态磁场分析和添加了运动效应的瞬态分析。 论文运用a n s y s 软件对旋转型永磁涡流制动装置的工作原理进行验证。 在此基础上，首先进行旋转型永磁涡流制动装置三维静态磁场分析，得出随 着旋转角度的增加，5 块空气隙上磁场强度的变化规律。然后，完成了瞬态 分析，得到制动装置在不同转速下，感应盘所能提供的制动功率。并分别分 析了磁极对数、磁极周向距离、极片厚度、空气隙宽度等参数对制动功率的 影响。同时针对在非工作状态下旋转型永磁涡流制动装置对列车运行的影响 进行了分析，研究了磁极对数、磁极周向距离、极片厚度、空气隙宽度等因 素对此的影响，并提出解决方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 最后，从永磁涡流制动装置设计的关键因素出发，设计一套实验方案， 为旋转型永磁涡流制动装置的后续研究提供了一定的参考。 关键词：旋转型涡流制动；永磁；a n s y s ；三维磁场分析；制动功率 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 a bs t r a c t r e l yo ni t ss u p e r i o r i t yo fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de n e r g ys a v i n g ，t h e r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n i sg i v e nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n a c c o r d i n gt ot h e l o n g t e r md e v e l o p m e n tp r o g r a mo fc h i n ar a i l w a yt r a n s p o r t ，t h et r a i ns p e e dw i l l r e a c h350 k m ho re v e nh i g h e r w i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to ft r a i ns p e e d i t sk i n e t i ce n e r g yi sp r o p o r t i o n a lt ot h es q u a r eo fs p e e d ，t h i sr e q u i r e st h eb r a k i n g s y s t e mm u s tp r o v i d ee n o u g hb r a k i n gf o r c et om e e tt h er e q u i r e m e n t s a tp r e s e n t b r a k es h o eo rd i s cb r a k ea r ew i d e l yu s e di nt h et r a i n ，b u ti t sb r a k ef r i c t i o n c o e f f i c i e n td e c r e a s e sw i t hi n c r e a s e ds p e e d t h a tm e a n sw i t ht h es p e e dg e t sh i g h e r ， t h eb r a k i n gf o r c ei sr e d u c i n g t h e r e f o r e ，t h ef r i c t i o nb r a k es y s t e mi sf a c i n ga n i n c r e a s i n g l yt o u g hc h a l l e n g e n o n - f r i c t i o nb r a k i n gt e c h n o l o g ya sak e ys o l u t i o n t ot h ep r o b l e mh a sb e e nw i d e l yu s e d ，s u c ha st h er e g e n e r a t i v eb r a k i n ga n d r e s i s t o rb r a k i n ga r ew i l d l yu s e di np o w e rt r u c k sr e c e n t l y t h i sp a p e rf o c u so n r e s e a r c ha n o t h e rn o n - f r i c t i o n b r a k i n gt e c h n o l o g y ：r o t a t i n gp e r m a n e n t - - m a g n e t e d d yc u r r e n tb r a k i n gt e c h n o l o g y , w h i c hi sa p p l i e dt ot h en o n p o w e rv e h i c l e s f i r s t l y , c o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s o n o ft h ev a r i o u sn o n f r i c t i o nb r a k i n g t e c h n o l o g ya n dt h ea d v a n t a g e so fr o t a t i n gp e r m a n e n tm a g n e te d d yc u r r e n ta r e a n a l y z e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h es y n t h e s i z e di n t e r n a t i o n a ls t a t u so fr e s e a r c h a n da p p l i c a t i o nt oe d d yc u r r e n tb r a k ea n dt h ep r i n c i p l eo fe d d yc u r r e n tb r a k e ，t h e p a p e rp u t sf o r w a r dt h ep r o p o s a lo fr o t a t i n gp e r m a n e n tm a g n e te d d yc u r r e n tb r a k e a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fc r h 2t r a i l e rb o g i e ，o v e r a l l d e s i g no fr o t a t i n gp e r m a n e n tm a g n e te d d yc u r r e n tb r a k eh a sb e e nc o m p l e t e d ，a s w e l la sd e v i c e - r e l a t e dp a r a m e t e r so ft h ev a r i o u sc o m p o n e n t sh a sb e e nd e t e r m i n e d o nt h i sb a s i s ，at h r e e d i m e n s i o n a lm o d e li sa c c o m p l i s h e di np r o e a f t e r w a r d ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h et h e o r yo fm a g n e t i cf i e l da n db o u n d a r y c o n d i t i o n sb r i e f l y , a n da n a l y z e st h eb a s i ci d e a so ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a sw e l l a st h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fa n s y ss o f t w a r e t h ec a l c u l a t i o no ft h e m a g n e t i cf i e l di nf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s i se x p l o r e d a n dt h e nt h ep a p e r c o m p a r e st h ea p p l i c a t i o ns c o p e ，a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h r e ek i n d so f f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ：s c a l a rm a g n e t i c n o d a lm e t h o d ，v e c t o rm a g n e t i c - n o d a l m e t h o da n dm a g n e t i c e d g em e t h o d f i n a l l yt h ea u t h o rd e c i d e st oc h o o s et h e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 m a g n e t i c - n o d a lm e t h o dt oc a r r yt h r o u g ht h r e e d i m e n s i o n a ls t a t i cm a g n e t i cf i e l d a n a l y s i sa n dc h o o s et h em a g n e t i c - e d g em e t h o dt oc a r r yo u tt h et r a n s i e n ta n a l y s i s o ft h em o t i o ne f f e c t t h e p r i n c i p l eo fr o t a t i n gp e r m a n e n tm a g n e te d d yc u r r e n tb r a k ei sv e r i f i e di n a n s y s o nt h i s b a s i s ，f i r s t l yb yt h ea n a l y s i so ft h r e e d i m e n s i o n a l s t a t i c m a g n e t i cf i e l d ，t h ep a p e rr e a c hac o n c l u s i o nw h i c hi st h a tw i t ht h er o t a t i o na n g l e i n c r e a s e s ，f i v ea i r - g a pm a g n e t i cf i e l ds t r e n g t ho nt h et r a n s f o r m a t i o nr u l e s t h e n ， t r a n s i e n ta n a l y s i si sc o m p l e t e dt og e tt h ep o w e ro ft h ei n d u c t i o np l a t ea td i f f e r e n t s p e e d s t h ep a p e ra sw e l la sa n a l y z e sh o wm a g n e t i cp o l ep a i r s ，t h en u m b e ro f p o l e ，c i r c u m f e r e n t i a ld i s t a n c eo ft h ep o l ea n da i rg a pw i d t hi m p a c to nt h eb r a k i n g p o w e r t h e nt h ei m p a c to fr o t a t i n gp e r m a n e n t m a g n e te d d yc u r r e n tb r a k et a r g e t e d a tn o n w o r ks t a t eo ft h et r a i nh a sb e e na n a l y z e d t h ea u t h o r i n q u i r i e sh o w m a g n e t i cp o l ep a i r s ，t h en u m b e ro fp o l e ，c i r c u m f e r e n t i a ld i s t a n c eo ft h ep o l ea n d a i rg a pw i d t hi m p a c to nt h i ss t a t u s a tl a s t ，a c c o r d i n gt ok e yf a c t o r si nt h ed e s i g no fm a g n e t i ce d d yc u r r e n t b r a k e ，a ne x p e r i m e n t a lp r o g r a mi sp r o p o s e d ，w h i c hp r o v i d e ss o m er e f e r e n c ef o r t h ed e p t hs t u d yo fr o t a t i n gp e r m a n e n tm a g n e te d d yc u r r e n tb r a k e k e yw o r d s ：r o t a t i n ge d d yc u r r e n tb r a k i n g ；p e r m a n e n t m a g n e t ；a n s y s ； t h r e e d i m e n s i o n a ls t a t i cm a g n e t i cf i e l da n a l y s i s ；b r a k i n gp o w e r 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密哦使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：裤冬；寺 指导老师签名： 日期：嘶川c 日期： 俾吏恨 i 例7 协7 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 论文中基于c r h ：型动车组拖车转向架设计了旋转型永磁涡流制动装置的 结构，应用a n s y s 软件对所设计的装置进行了三维静态磁场分析，并运用棱 边法进行瞬态分析，得到列车速度与旋转型永磁涡流制动装置制动功率之间 的关系，探究了相关设计参数对制动功率的影响。 学位论文作者签名：舀萄兵i 奇 日期：入加c i 工彳 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 近年来，由于国民经济的发展和高速公路路网的不断扩大，使汽车数量 大量增加，城市交通堵塞和大气污染的问题日益严重，该状况已得到了广泛 的关注。具有绿色环保、节能等特点的轨道交通运输对改善这种状况能起到 非常的作用，因此轨道交通近几年得到了迅速的发展。根据国家铁路交通中 长期发展纲要，列车运行速度将达到3 5 0 k m h 甚至更高。为了适应高速铁路 的快速发展要求，目前我国已开始大规模修建4 纵4 横的高速客运专线铁路。 以成都为例，成渝、成兰、成昆等快速铁路工程己陆续启动。此外，为了缓 解城市内部交通压力，成都、昆明等十几个大型城市都在着手或是准备建造 地铁【1 1 。 随着轨道交通不断向高速发展，列车制动系统将面临着越来越严峻的挑 战。这是由于列车的动能随着速度的平方成正比增加，故高速动车组在运行 过程中其动能很大。要在较短的制动时间和距离内将如此巨大的动能转化、 消散或移走，没有足够大的制动功率和更灵敏的制动系统是不行的。因此随 着列车速度的不断提高，就要求制动系统提供足够大的制动功率。而现在大 多数列车使用的闸瓦或盘形制动，其闸瓦摩擦系数随速度增高而不断减小， 即随列车速度的增高，制动力不断减小【2 j 。因此，对于速度超过2 0 0 k m h 的 列车，必须寻求另外一种更为可靠有效的制动方式。从另外一个方面考虑， 采用机械摩擦制动时制动装置吸收的能量过大，将会造成制动盘及闸片因磨 耗及摩擦热的影响而产生变形甚至产生裂纹，从而产生大量的有害粉尘污染， 导致制动盘的维修周期较短。如北京地铁每年产生数以吨计的粉尘对人体及 环境造成的污染。据瑞典医学教授哈恩卡尔森在瑞典科学日报上发表 的研究论文指出，地铁空气中含有大量的对人体健康十分有害的微粒，比汽 车尾气可能造成的健康伤害还要大。哈恩卡尔森通过研究得出结论，地铁 空气中含有铁微粒，这种铁微粒破坏人体器官的细胞组织，从而增加乘客患 癌症的几率。同时有数据显示，纽约地铁里的金属微尘主要是是铬、锰、铁， 墨西哥城室内污染物检测结果表明，地铁里可吸入颗粒p m ( 2 5 ) 浓度最高， 达到1 0 6 2 m g m 3 。这些金属微粒和可吸入颗粒均来源于列车制动时闸片与制 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 动盘的摩擦所产生的粉尘 10 1 。从根本上解决粉尘的产生是保证旅客健康、舒 适出行的所必须要考虑和加以解决的问题。特别在日益重视环保的今天，对 于在封闭空间内频繁起停运行的地铁车辆而言，采用非摩擦的制动技术不仅 可以减少制动盘及闸片的维修，减少闸片的更换，可节省大量维护费用，同 时可消除闸片与制动盘磨耗产生的粉尘。因此，对非摩擦制动技术进行研究 具有十分重要的意义。 所谓非摩擦制动主要指能耗制动，主要三种形式，它们分别是：电阻制 动、再生制动和涡流制动。由于制动机理的约束，再生制动和电阻制动无法 在没有电机的拖车车辆上使用，而涡流制动打破了这种限制，因此，可以采 取涡流制动和再生( 或电阻) 制动结合的方式来实现高速动车组的制动。 1 2 几种非摩擦制动方式的比较 1 2 1 电阻制动 电阻制动是指列车在制动过程中，将原来驱动轮对的白励牵引电动机转 变为他励发电机，并将产生的电流通往专门设置的消耗电阻器，采用强迫通 风的方式，使电阻产生的热量消散于大气，从而产生制动作用。这种制动方 式广泛运用于电力机车、动车组和电传动内燃机车【z j 。 电阻制动在制动过程中把动能转换为电阻产生的热能，完全克服了摩擦 制动的缺点，但它有以下两个不足之处： 1 不能实现停车制动； 2 必须运用在装有牵引电机的机车或动车，对于没有安装电机的拖车无法 使用，因此应用范围有所限制。 1 2 2 再生制动 与电阻制动的工作原理相似，再生制动在制动过程也是将牵引电动机转 变为发电机。不同的是，它将电能反馈到电网，使原本由电能或位能变成的 列车动能获得再生，而不是变成热能消耗于大气中。 这种制动方式，无论是从节能，还是从环保上来说，都无疑具有压倒性 的优势，但是它也有以下几点限制： 1 、不能实现停车制动； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 2 、与电阻制动一样，必须运用在装有牵引电机的机车或动车，对于没有 安装电机的拖车无法使用，因此应用范围有所限制； 3 、必须使用于电网健全的线路，并且反馈于电网的电能要马上由正在牵 引运行的电力机车或电动车组接收和利用，否则部分多余电能会引起直流牵 引网电压的升高，而牵引网电压升高到一定程度，其结果可能是灾难性的【3 1 。 1 2 3 涡流制动 目前运行的高速动车组，在制动形式上，动车采用再生制动，拖车则较 多使用机械盘形制动。计算表明高速时列车制动功率很大，现有机械制动盘 难以承受，且闸片磨耗也很大【7 1 。拖车如果能在高速区使用涡流制动，在低 速或即将停车时再采用机械盘形制动，则可大大降低闸瓦和盘片的磨耗，最 大程度地节省列车整备、检修的时间，充分提高高速动车组的运营效率。 涡流制动的提出是基于1 9 0 6 年吕登贝格在其博士论文中提出的涡流效应 理论【4 1 。涡流制动有两种型式：一种是线性型( 轨道) 涡流制动( l i n e re d d y c u r r e n tb r a k i n g ，简称l e c b ) ，另一种就是旋转型电磁涡流制动( r o t a t i n g e d d yc u r r e n tb r a k i n g ，简称r e c b ) 。 线性涡流制动又称轨道涡流制动，它与磁轨制动构造很相似，都是把电 磁铁悬挂在转向架构架下面同侧的两个车轮之间。不同之处在于，线性涡流 制动的电磁铁只放下到离轨面几毫米处而不与钢轨接触。其利用电磁铁和钢 轨的相对运动使钢轨感应出涡流，由此产生强大的制动力，把列车的动能转 换为热能通过钢轨消散于大气中。线性涡流制动的工作原理如图1 1 所示。 运动方向 _ i 。一 转向架 彳韵 矽盆：- ：i t ：- ：6 j 汐 l 一，一一 _ l i 涡流产生的镧动力 图1 1 线性涡流制动工作原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 轨道涡流制动不通过轮轨粘着( 不受其限制) ，因此不存在磨耗问题。同 时，由于线性涡流制动的结构比较简单，在高速动车组中有一定的运用，但 是，在运用和研究中发现了以下几点重大的缺陷： ( 1 ) 低速时钢轨与制动靴间的吸力很大； ( 2 ) 钢轨温升对运行安全直接影响； ( 3 ) 影响既有轨道信号的传输。 旋转型涡流制动是在车轴与转向架构架上分别安装金属感应盘和磁场生 成装置，制动时感应盘在磁场中旋转，此时，感应盘的表面感应出强大的涡 流，产生强大的制动力，将动能转化为热量消散于大气，从而产生制动作用。 相对而言，安装旋转型涡流制动装置有如下几点好处j ： ( 1 ) 可减少机械制动机的磨耗。根据日本新干线实际使用情况，可将机 械制动机衬垫的更换周期从2 3 万k m 提高到4 5 6 0 万k m ( 约一年) ； ( 2 ) 与机械制动相比，对制动指令响应快； ( 3 ) 良好的乘车舒适性。旋转涡流制动装置的制动功率与动车动力制动 功率的良好配合，可使列车运行平稳，撞拉钩现象减少； ( 4 ) 保养费用少。除了可使机械制动机的保养费用大大下降外，设计合 理、制作工艺考究的旋转涡流制动装置基本上可免维护运行； ( 5 ) 提高列车运行的安全系数。 旋转型涡流制动有两种形式：旋转型电磁涡流制动和旋转型永磁涡流制 动。 旋转型电磁涡流制动，使用电磁铁励磁，磁场大小可以通过线圈电流的 大小来调节，控制方便，结构设计也就相应简单，因此应用比较广泛。但是， 在实际研究和应用过程中发现采用电磁涡流制动有个严重的问题，那就是极 大的励磁线圈，需要提供极大电流，因此制动装置的质量较大。例如日本3 0 0 系应用的一组涡流盘形制动装置的质量就有lt 左右，而德国i c e 3 高速动车 组的拖车每台转向架上所采用的两组涡流轨道制动器，使每辆车增加了2 4t 的簧下质量，其1m 长的轨道涡流制动靴需要耗电3 7k w u 4 j 。 旋转型永磁涡流制动( r o t a t i n gp e r m a n e n tm a g n e te d d yc u r r e n tb r a k i n g ， 简称r p m e c b ) 的制动原理和电磁涡流制动原理基本一致，但相比而言， 旋转型永磁涡流制动有以下几个优势： ( 1 ) 结构紧凑，可大幅度地实现轻量化、小型化；连续使用，能持续不 断地保持制动力的稳定性和持久性；在高速范围内制动力也不会降低，减小 制动距离，进一步优化制动对象的运行质量； 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 2 ) 维护成本低、寿命长和可靠性高。由于永磁涡流制动是通过电磁感 应原理产生的反向制动力矩来制动，与相对运动表面之间没有接触，不存在 摩擦、磨损和接触疲劳产生的寿命问题；由于不需要电流励磁，避免了电磁 制动过高过快的温升问题，且又不存在断电时制动失效的危险，所以永磁涡 流制动的寿命和可靠性均远高于传统制动； ( 3 ) 节能与环保。由于永磁涡流制动不需要外加励磁电源和励磁绕组， 大大节省了制动用电和用铜；另外，永磁涡流是非接触制动，不会产生制动 粉尘和噪声污染； ( 4 ) 永磁涡流制动过程柔和、平稳，操作更容易、更舒适，可减少操作 人员的工作疲劳。 基于以上原因，论文主要内容确定为节能环保的旋转型永磁涡流制动装 置的研究。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 随着铁路运输速度的不断提高，为适应列车运行的安全性和可靠性要求， 列车制动系统也成多元化发展。表l l 列出了国外几种高速电动车组的形式及 其制动系统的组成。 由于涡流制动可避免列车高速运行时车轮与闸瓦或盘形制动装置中闸片 与制动盘之间的剧烈摩擦，大幅减少车轮或制动盘等部件的机械磨损、噪声、 摩擦热应力和维修工作量，并且涡流制动在列车高速时能获得较大的制动力， 减4 , n 动距离，进一步优化运行质量，改善乘车的舒适性，同时，涡流制动 技术可以适用于没有牵引电机的拖车当中，可与再生制动、电阻制动等非摩 擦制动形式组成较为合理、环保的联合制动形式，因此，世界各国都在着力 研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 表1 1 国外高速电动车组的形式及其制动系统 国别日本德国意大利 1 0 0 系3 0 0 系5 0 0 系e l e 2 i c e 3e r t 4 5 0e r t 4 6 0 列车型号与编组 1 2 m 4 t 1 2 m 4 t1 6 m6 m 6 t 6 m 2 t4 m 4 t1 0 m 1 t6 m 3 t 最高运行速度 2 6 02 7 03 0 02 4 5 2 7 53 5 02 5 0 ( k i n h ) 模拟式电 列车制动控制 数字模拟式电气指令直通电空制动 气指令自模拟式电气指令 装置动电空制直通电空制动 动 备用制动简单直通式电空制动空气制动 动 再生制动oooo 奎 电阻制动ooo 制 盘形制动2 组轴2 组，轴 2 组轴 动 踏面清扫器oooo 盘形制动2 组轴2 组轴2 组轴2 组轴 ? 穆 拖+ 轨道涡流 2 组台 一； 多 垄，盘形涡流 2 组轴2 组轴 ，。纛 制 磁轨制动2 组台 2 组台 动 路面清扫器ooo 防滑器电子 微机 微机 微机微机 电子微机 注：( 1 ) o 为采用；( 2 ) m 为动车；t 为拖车 2 0 世纪7 0 年代，法国国营铁路在z 7 0 0 1 型试验性高速动车上进行了大 量涡流制动开发工作。试验结果表明：在3 0 0k m h 2 0 0k m h 制动初速度下 保持制动距离不变，可获得0 1 9 m s 2 的减速度：低速下则联合使用传统制动。 但试验也突出了许多问题，因而前几代t g v 列车都没有加装涡流制动装置。 随着列车速度的不断提高，法国又进行了许多涡流制动的研究开发。阿尔斯 通公司与法国国营铁路( s n c f ) 开发了称为a g v 的高速列车新产品。a g v 列车的第一台和最后一台转向架上均装有涡流制动装置【7 j 。其速度在 3 5 0 2 0 0 k m h 之间时，每台转向架的涡流制动可以产生2 0 k n 的紧急制动力。 常用制动的情况下，制动力可降低到1 0 k n 。相信未来几代t g v 列车有可能 加装涡流制动装置。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 德国铁路公司的第三代高速动车组i c e 3 已采用线性涡流制动装( w b ) ， 试验表明：由于w b 的制动力在加速时保持着相对稳定，其制动功率与速度 近似成正比地增加对摩擦制动的热负荷要求明显降低。例如，i c e 3 列车 ( 4 0 3 型) 的所有拖车轮对上制动盘的数量就从3 个减至2 个。高速动车组 在常用制动控制速度时采用无磨损方式。在科隆一莱茵高速行车区段，设计 在4 0 的下坡道上保持稳定的3 0 0 k “h 的行车速度，列车自动控制系统 ( l z b ) 通过控制减速度延滞时间。制动系统单靠动力制动提供的制动力是 不够的，拥有w b 的组合制动系统就解决了上述问题。图1 2 和图1 3 分别 是德国i c e 3 联合制动模式原理图和安装在德国i c e 高速动车组上的直线型 永磁涡流制动器( k o r r 公司生产的 9 1 ) 的实物图。该型列车投入运营以来一 直运行良好，为涡流制动的使用提供了一个很好的榜样口”。 再生倒动+ 盘形髑动祸流封琦+ 盘形制曲 图卜2i c e 3 型高速动车组联合制动模式 图1 - 3 直线型永磁涡流制动器实物 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 日本对涡流制动装置的研究也是比较有建树的。1 9 9 4 年，日本五十铃汽 车公司和住友会社采用了磁力极强钕铁硼永磁体，制作了永磁式减速器p j 。 目前国际上，生产永磁式缓速器的厂商主要是五十铃住友 ( 1 s u z u s u m i t o m o ) 等公司。如图1 - 4 所示的是该公司生产的永磁涡流缓 速器，其定子安装在变速器后端壳体上，转子鼓通过法兰盘与主减速器前端 的驱动轴联接。 圈1 - 4 住友公司的r 4 0 5 型7 x 磁式涡沉缓速器 日本不仅进行了旋转型永磁涡流制动技术应用于公路车辆的研究，也致 力于涡流制动在轨道列车上应用的研究。二十世纪九十年代初期由日本率先 开始研究的一项新型的辅助制动技术永磁涡流制动，并最早应用在铁路 机车车辆制动装置上。永磁涡流制动( p m e c b ) 装置是集机械学、力学、 控制学、电磁学、精密加工技术和材料科学于一体的最具代表性的机电体 亿产品。永磁涡流制动与传统的摩擦制动相比，成功地摆脱了环境变化对制 动性能的影响，使得操作和维护非常简单。在当今能源和环境问题日益突出 的背景下，随着稀土永磁材料研究不断深入，永磁涡流制动具有极大的优势， 并已逐成为应用研究的主流”j 。 日本高速电动车组制动时列车动能的8 0 9 7 由电制动负担，东海道一 山阳新干线列车1 0 0 系、3 0 0 系和7 0 0 系均采用了电气制动与机械制动相配 合的方式，其中拖车的电气制动采用了旋转涡流制动器盯】。根据日本高速电 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 动车组发展适合不同区域、线路、速度的情况，采用动、拖车编组就可以符 合运营功率需要。为了减少全动车编组功率而重新研制小功率的牵引电动机， 则整列车造价太高，也不适合各动车联挂运营、检修等。而在拖车上应用涡 流制动，即在转向架上安装旋转型涡流制动是比较合理的制动方案。 在永磁涡流制动试验方面的研究，日本处于比较领先的位置。在2 0 0 0 年， 内田清五就设计了一种旋转型永磁涡流制动装置，并在日本铁道综合技术研 究所的制动性能试验台上对该制动装置的速度与转矩特性、温度特性、减速 时间以及制动力控制进行了试验。试验表明这种旋转型永磁涡流制动装置可 以用于铁路机车车辆【1 3 j 。2 0 0 1 年小原孝则利用试制装置研究了旋转型永磁涡 流制动装置的基本性能，该装置安装到试验转向架上，在车辆试验台上进行 了转向架试验，并在铁道综合技术研究所试验线上进行了运行试验，通过一 系列的试验表明，这种旋转型永磁涡流制动装置实用化是可行的4 | 。 1 3 2 国内研究现状 由于高速列车的发展对制动系统的要求日益提高以及涡流制动的先进 性，虽然我国对于永磁涡流制动的研究尚处于起步阶段，但还是吸引了大批 研究人员对此进行研究。 l 、结构及设计理论研究 永磁涡流装置设计的关键是结构参数的选择。传统的设计方法是建立目 标函数，考察设计参数与目标函数之间的关系，由于没有考虑实际工况的影 响，其精确性较差。江苏大学的何仁等人于2 0 0 5 年研制了一种磁铁周向转动 式分级控制永磁式缓速器，主要针对定子的结构进行了改进，预计制动力矩 将比改进前提高1 2 【6 。2 0 0 6 年，牛润新博士等研究人员基于稳健性原则设 计的永磁式缓速器较好地改善了制动力矩波动率，取得了满意的效果2 | 。 2 、设计参数、物理参数以及制动性能分析研究 国内在设计参数、物理参数以及制动性能分析研究等方面也有一定的研 究。浙江大学电气学院张圣楠于2 0 0 5 年指出了线性永磁涡流制动装置的气隙 长度、极对数、次级板厚度和宽度等设计参数对制动性能的影响6 i 。2 0 0 6 年， 浙江大学的唐永春等用有限元方法建立2 d 模型得到线性永磁涡流制动装置 制动力一速度之间的曲线关系，设计了一套试验系统，以此证明用有限元法分 析永磁涡流制动的可行性和准确性【l 引。 3 、制动力矩的计算 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 制动力矩是衡量永磁涡流制动装置的主要指标，但是精确计算制动力矩 目前是比较困难的，制动力矩的大小受到很多因素的影响，所以制动力矩计 算是当前研究的热点，同时也是难点。江苏大学的何仁教授等人在介绍永磁 磁轨制动器制动机理、结构形式的基础上，于2 0 0 6 年应用复矢量磁位方法， 分析了缓速器内部的磁位分布，计算了转子鼓中的涡流损耗，推导了永磁式 缓速器的制动力矩计算公式，以反映永磁式缓速器制动力矩与各设计参数之 间的相互关系并运用m a x w e l l 法计算制动力，进而分析其影响因素【l 引。 4 、温度场的计算 在温度场分析方面，江苏大学赵万忠等在2 0 0 6 年左右，建立了转子鼓温 度场的计算模型，运用l a p l a c e 变换法、虚拟边界法和传热学理论推导了转子 鼓稳态温度场的计算公式；利用g a l e r k i n 法推导温度场的有限元方程，分析 了转子鼓的瞬态温度场和径向、轴向方向的温度与时间的分布规律。何仁等 建立了转子鼓温度和应力场的计算模型，运用b e s s e l 方程推导了永磁式缓速 器转子鼓温度场和应力场的计算公式【3 4 。3 5 1 。 5 、试验分析研究 为了配合涡流制动技术在理论和应用中的研究，必须要进行试验分析， 这是技术进步必须经历的过程，国内也有相关人士对此进行了研究。 同济大学的应之丁教授等人于本世纪初开始对应用于轨道交通的涡流制 动进行研究，为考察涡流制动的特性需研制模拟有关条件下涡流电磁铁与轨 道相互运动关系，联合株洲电力机车厂于2 0 0 3 年建立了线性涡流制动的试验 台【1 1 | 。涡流制动试验可得出不同速度阶段、不同励磁电流及电磁铁气隙等条 件下各关系曲线，为线性涡流制动在我国高速铁路的应用提供了很好的实验 依据。 华中科技大学电气与电子工程学院王彬、杨凤开等人认识到涡流制动可 用于高速动车组、汽车的缓速、制动以及起重机无级调速等场合，具有很强 的应用背景，是目前国内外研究的热点。为了加深学生对电磁场知识的深入 理解，提高学生的学习兴趣，增强学生理论联系实际的能力，并帮助他们了 解本学科前沿的一些发展动态【l ，于2 0 0 8 年建立了盘形涡流制动实验台，如 图1 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 图1 - 5 盘形制动试验台 6 、涡流制动技术在国内磁悬浮列车上的发展 磁悬浮列车作为一种地面运输系统具有运行速度快，行车平稳，对环境 污染小，噪声低等优点，在国内受到了广泛的重视。由于磁悬浮列车的运行 速度快，它的安全制动问题和普通列车相比就显得更为复杂而且重要。高速 磁悬浮列车制动时初始速度大，具有很大的动能，在规定的制动距离内要转 化并耗散这样大的能量，任何一种单独的机械或电气制动系统都难以完成， 因此，新型有效的涡流制动技术与再生制动、踏板摩擦制动所组成的联合制 动形式将成为未来发展趋势p j 。 7 、涡流制动技术在国内汽车方面的应用 随着汽车技术的发展和道路条件的改善，车载质量和行驶速度的增加使 得制动负荷过大的问题日渐突出，若这些制动全部由主制动器来承担，将导 致制动效能下降甚至失效，给车辆运行带来极大的安全隐患，因此在公路车 辆上安装缓速器已成为交通安全的迫切需要。目前国内外车辆上装用的缓速 器主要是液力缓速器、涡流缓速器。电涡流缓速器作为车辆辅助制动系统的 应用是成功的。传统的盘式、鼓式摩擦制动系统加上电涡流缓速器已经被很 多世界著名的客车所采用，目前电涡流缓速器在国内已经被广泛用于大中型 车辆上。 图1 6 为洛阳凯迈公司生产的南峰牌电涡流缓速器。该电涡流缓速器在吸 收国外同类产品先进技术的基础上，采用了多项新技术、新材料、新工艺， 并己取得两项国家实用新型专利，产品技术、性能处于国内领先地位，并广 泛运用于各型汽车制动系统当中。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 图i 6 洛阳凯迈电涡流缓速器 电涡流缓速器虽然应用广泛，但存在以下几个重大的缺点：尺寸庞大、 机体沉重、消耗电能且受周围环境温度影响较大，目前只适用于大型商用车 辆。基于此原因，各国又开始致力于永磁式涡流缓速器在客车上运用的研究。 永磁式涡流缓速器具有体积小、质量轻、结构紧凑，几乎不耗电( 仅电磁阀 耗电) 、制动稳定以及持久等优点，近年来在国内外的部分客车上已得到了应 用。目前国内还没有厂商生产永磁式缓速器产品，只有广州五十铃客车有限 公司生产的g a l a 客车上装用永磁式缓速器，它安装的是日本五十铃住友公 司的进口件。 根据国内外研究现状分析得出，涡流制动作为一种新型制动方式受到越 来越多的关注。尽管目前我国有部分相关单位在进行这方面的研究，也取得 了一定的成就，但是，对于应用于轨道车辆的旋转型永磁涡流制动装置的研 究尚处于起步阶段，且国内目前对涡流制动装置磁场分布的研究都只进行了 2 d 磁场分析，并不能完全表征旋转型永磁涡流制动装置的磁场分布状态。因 此，本论文对旋转型永磁涡流制动装置三维磁场分布及其性能等各方面的研 究都具有极大的理论意义和工程应用价值。 1 4 本论文的主要工作 通过上述对旋转型永磁涡流制动的应用分析及国内外研究现状，确定本 论文的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 根据旋转型永磁涡流制动原理及应用场合的分析，设计旋转型永磁 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 涡流制动装置的结构方案，以便满足在列车正常运行的过程中永磁涡流制动 系统处于休眠状态的要求，避免影响列车的正常运行；而在减速或停车过程 中又可以通过控制该结构来控制制动力的大小。 ( 2 ) 根据结构方案，分析计算得出制动装置在运动过程中所必需的外在 驱动力，为日后深入研究过程中动力装置的选择提供依据。 ( 3 ) 了解永磁铁磁场设计理论，在此基础上进行三维磁场特性研究。主 要内容包括：利用a n s y s 软件进行旋转型永磁涡流制动装置三维静态磁场的 仿真分析，验证机构的设计方案并获得磁场的分布规律；对涡流制动功率进 行仿真分析，得出转速与制动功率的关系。 ( 4 ) 分析设计实验方案的必要性，从永磁涡流制动装置设计的关键因素 出发，设计一套可行的实验方案，为后续研究提供一定的依据。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 第二章旋转型永磁涡流制动装置方案设计 为更好地进行旋转型永磁涡流制动装置结构设计，首先对旋转型永磁涡 流制动的工作原理进行分析，并根据该原理及制动装置应用的对象确定各部 件的参数。 2 1 工作原理 2 1 1 涡流效应 涡流( e d d yc u r r e n t ) ，即电磁感应作用在导体内部所产生的电流瞄o | 。又 称为“傅科电流”。当导体在磁场中运动，或者导体静止但存在于随时间变化 的磁场，或者两种情况同时出现，都可以造成磁力线与导体的相对切割。按 照电磁感应定律，切割磁感线就能在导体中产生感应电动势，从而在导体内 产生电流。这样引起的电流在导体中的