考虑剩磁作用的中低速磁浮电磁力分析.pdf
《考虑剩磁作用的中低速磁浮电磁力分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《考虑剩磁作用的中低速磁浮电磁力分析.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、文章编号:0258-2724(2023)04-0863-08DOI:10.3969/j.issn.0258-2724.20220281磁力应用装备与智能控制考虑剩磁作用的中低速磁浮电磁力分析刘清辉1,单磊2,马卫华1,卢相宇1,罗世辉1(1.西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室,四川成都610031;2.山东和顺电气有限公司,山东肥城271600)摘要:为了探究悬浮电磁铁剩磁对 EMS(electro-magneticsuspension)中低速磁浮列车垂向电磁力的影响,首先,分析了悬浮电磁铁相对磁导率变化规律,并基于等效磁路法建立单电磁铁悬浮模型;其次,根据 Jiles-Atherto
2、n 磁滞理论研究了悬浮电磁铁的极限磁滞回线状态,分析了悬浮电磁铁剩磁的动态作用;最后,通过电磁力台架试验开展垂向电磁力对比验证,并提出了最大化利用电磁效率的措施.研究结果表明:在线圈电流处于020A 时,悬浮电磁铁剩磁近似等于常量,垂向电磁力的主要影响因素是线圈电流;在线圈电流处于 2040A时,悬浮电磁铁达到磁饱和状态,且由于处于极限磁滞状态使得悬浮电磁铁具有最大剩磁作用,最大差值约为1kN,随着线圈电流进一步增加,悬浮电磁铁相对磁导率的降低使得剩磁作用逐渐减弱.关键词:磁浮列车;电磁铁;Jiles-Atherton 磁滞理论;剩磁中图分类号:U266.4文献标志码:AElectromagn
3、etic Force Analysis of MediumLow-SpeedMaglev Considering RemanenceLIU Qinghui1,SHAN Lei2,MA Weihua1,LU Xiangyu1,LUO Shihui1(1.StateKeyLaboratoryofRailTransitVehicleSystem,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China;2.Shan-dongHeshunElectricLimitedCompany,Feicheng271600,China)Abstract:Inordertoex
4、ploretheinfluenceoftheelectromagnetremanenceontheverticalelectromagneticforceofEMSmediumlow-speedmaglevtrain,firstly,thechangeruleoftherelativepermeabilityofelectromagnetisanalyzed,andthelevitationmodelofasingleelectromagnetisestablishedbasedontheequivalentmagneticcircuitmethod.Secondly,thelimithyst
5、eresisloopstateofthelevitationelectromagnetisstudiedaccordingtotheJiles-AthertonHysteresisTheory,andthedynamiceffectoftheelectromagnetremanenceisanalyzed.Finally,theverticalelectromagneticforceisverifiedbytheelectromagneticforcebenchtest,andmeasurestomaximizetheuse of electromagnetic efficiency are
6、proposed.The results show that when the coil current is 020 A,thelevitationelectromagnetremanenceisapproximatelyequaltoaconstant,andthemaininfluencefactorofverticalelectromagneticforceisthecoilcurrent.Whenthecoilcurrentis2040A,thelevitationelectromagnetreachesthemagneticsaturationstate,andthelevitat
7、ionelectromagnethasthemaximumresidualmagnetismduetothelimithysteresisstate,andthemaximumdifferenceisabout1kN.Withthefurtherincreaseofthecoilcurrent,thereductionoftherelativepermeabilityoflevitationelectromagnetgraduallyweakenstheremanenceeffect.Key words:maglevvehicles;electromagnets;Jiles-Athertonh
8、ysteresistheory;remanence收稿日期:2022-04-19修回日期:2022-07-12网络首发日期:2022-08-29基金项目:国家自然科学基金面上项目(51875483)第一作者:刘清辉(1993),男,博士研究生,研究方向为磁浮列车磁轨关系及控制,E-mail:通信作者:马卫华(1979),男,研究员,博士,研究方向为磁浮列车系统动力学,E-mail:引文格式:刘清辉,单磊,马卫华,等.考虑剩磁作用的中低速磁浮电磁力分析J.西南交通大学学报,2023,58(4):863-869,895LIU Qinghui,SHAN Lei,MA Weihua,et al.Ele
9、ctromagnetic force analysis of mediumlow-speed maglev consideringremanenceJ.JournalofSouthwestJiaotongUniversity,2023,58(4):863-869,895第58卷第4期西南交通大学学报Vol.58No.42023年8月JOURNALOFSOUTHWESTJIAOTONGUNIVERSITYAug.2023随着社会经济的飞速发展,轨道交通在解决人们出行方面体现出了巨大的优势,是解决城市交通拥堵的最佳方案.而中低速磁浮具有安全舒适、环保、快速便捷、易于维护等多方面的优势,已成为目前城
10、市轨道交通的热门发展方向之一.其中电磁悬浮系统,即 EMS(electromagneticsuspension)型中低速磁浮交通目前已经实现了商业化运营,诸如日本爱知县东部丘陵线、韩国仁川机场线、北京市中低速磁浮交通示范线(S1 线)、长沙机场磁浮快线1等,但在商业化的同时也暴露了部分问题,比如相比其他城市轨道制式交通,中低速磁浮的承载能力不足,其悬浮性能有待提升2.EMS 型中低速磁浮采用电磁吸力悬浮模式控制线圈电流并通过电磁相互作用产生悬浮磁场,进而产生垂向电磁力实现列车悬浮,其稳定悬浮间隙一般为 810mm.其独特的电磁悬浮的模式使得系统由单一的机械系统转变为复杂的电磁系统,其电磁场特性
11、也使得 EMS 型中低速磁浮具有强非线性,仅依靠弹簧-阻尼模型很难对其中的电磁特性进行描述,而其垂向电磁力作用对于中低速磁浮列车悬浮性能、动态特性等均有着直接的影响.目前大多都采用式(1)3对 EMS 型中低速磁浮垂向电磁力 Fm进行计算.Fm=0N2A4i(t)s(t)2,(1)式中:0为真空磁导率;N 为线圈匝数;A 为磁极面积;s(t)为磁浮间隙;i(t)为线圈电流.式(1)基于 Mawxell 的电磁场理论,忽略电磁场存在的部分非线性因素(剩磁、漏磁等)将电磁铁垂向电磁力表达为电流和间隙的函数.为进一步探究 EMS 型中低速磁浮的垂向电磁力变化规律,电磁场的非线性特点和多因素耦合影响作
12、用,基于式(1)对垂向电磁力的描述,国内外的许多学者在此基础上进行了相关的研究,如:贺光4利用保角变换对单铁悬浮系统的磁轨关系进行了研究,得到了理想磁导体下的垂向电磁力表达式;张耿等5针对低速下磁浮列车通过竖曲线路段时,考虑竖曲线角度造成的计算误差,基于磁通管法对电磁力公式进行了推导,并利用最小二乘法拟合简化了计算公式;Zhai等6通过仿真和理论对中低速磁浮列车的悬浮架垂向电磁力进行分析,并对其负载的动态性能进行相关研究;Liu等7以 EMS 型中低速磁浮列车为对象,通过有限元仿真分析了电磁铁垂向电磁力的影响因素,并对 F 轨与电磁铁的极宽比进行了优化设计,确定了最佳极宽比;Cho等8则是在分
13、析了中低速磁浮悬浮电磁铁的电磁机理的基础上,对电磁铁结构进行优化设计;Han等9以中低速磁浮列车为对象,综合了电机法向力对电磁铁电磁力的影响,并结合悬浮电磁铁垂向电磁力试验对电磁铁的电磁特性进行分析;刘少克等10利用有限元方法对悬浮电磁铁的电磁场进行仿真研究,分析了其磁饱和的变化区域.总的来说,在中低速磁浮列车悬浮电磁铁的电磁场特性方面,特别是在考虑磁饱和效应时的电磁场非线性特性以及线圈电流、磁铁材料、磁极尺寸等多方面因素的影响方面,许多学者都取得了相应的成果11-13.但随着人们对 EMS 型中低速磁浮提速的需求以及控制精度的高要求,将铁磁材料的磁滞回线简化为磁化曲线,单一地考虑磁饱和效应(
14、忽略剩磁、磁滞等)很难准确地描述电磁场的非线性特性,满足工程应用的需求.因此,本文从电磁铁磁化特性的角度出发,利用等效磁路法建立考虑铁芯剩磁作用的垂向电磁力表达式,并利用 Jiles-Atherton 磁滞理论分析剩磁对于悬浮电磁铁的作用.通过电磁力的台架试验,对比试验和理论分析下的垂向电磁力-电流关系,明确剩磁对电磁铁悬浮特性的影响因素,探究悬浮电磁铁的电磁作用机理.1 悬浮电磁铁电磁场分析 1.1 相对磁导率为了准确描述悬浮电磁铁的磁场性质,需要充分考虑铁磁材料的非线性因素.通过电磁铁的相对磁导率 r描述其磁化特性14,相对磁导率的变化与材料的 B-H(B 为磁感应强度;H 为磁场强度)曲
15、线有关,因此可将 r表示为 B 的函数,如式(2).r=f(B).(2)基于电磁场基本理论,B 表示为15B=0(H+M),(3)M式中:为磁化强度;为域间耦合参数.M 可描述为 H 的函数16,如式(4).M=Mscoth(H+Ma)+aH+M,M=(H,M),(4)a式中:Ms为饱和磁化强度;为磁滞回线的形参数.结合式(3)、(4)可得 B 和 H 的关系为B=0H+(H,B),(5)864西南交通大学学报第58卷综合式(5)和式(2)可得r=0BB0(H,B).(6)由于实际磁浮列车采用的悬浮电磁铁材料通常为 Q235 碳素钢.采用的是含碳量 0.2%的碳素钢的相关参数17,通过式(6)
16、可计算相对磁导率,如图 1.000.51.01.52.00.51.01.52.02.53.03.5 r/104B/T图1电磁铁相对磁导率与磁感应强度关系Fig.1Relationshipbetweenrelativepermeabilityofelectromagnetandmagneticinductionintensity计算参数取 Ms=1.574106A/m,=7.1104,a=522A/m.由图 1 可知:初始时电磁铁相对磁导率随着磁感应强度增大而迅速增大,峰值为 3.42104,而后随着磁感应强度继续增加而减小.1.2 单电磁铁电磁场建模对于 EMS 型中低速磁浮,其悬浮系统结构主
17、要包括悬浮电磁铁(铁芯和线圈)、悬浮模块以及 F 轨等,建立磁浮列车单电磁铁悬浮系统原理如图 2 所示,其磁密线仿真如图 3 所示.s(t)U 型悬浮电磁铁F 型轨道i(t)图2悬浮原理Fig.2Schematicdiagramoflevitationfundamental由图 3 可知:磁场在 F 轨和悬浮电磁铁之间构成电磁回路,利用磁路的欧姆定律建立中低速磁浮列车单电磁铁系统的等效磁路图,如图 4 所示(图中:F1为线圈电流磁动势;F2为电磁铁剩磁产生的磁动势;RF为电磁铁铁芯磁阻;Rs为电磁铁气隙磁阻;Rl为气隙漏磁的等效磁阻;为磁路磁通),并作如下假设:1)将气隙漏磁等效为并联磁阻;2
18、)忽略起浮时的瞬时工况,仅考虑稳定悬浮工况;3)将材料视为各向同性,磁路为均匀磁路,磁场为均匀磁场,边界条件已知.图3单电磁铁磁密仿真Fig.3MagneticdensitysimulationofsingleelectromagnetF1F2RlRsRsRlRF图4考虑铁芯剩磁作用的等效磁路图Fig.4Equivalentmagneticcircuitdiagramconsideringresidualmagneticeffectofironcore根据磁路欧姆定律可知=FRm,(7)式中:F 为磁动势;Rm为磁路中的等效磁阻.气隙磁阻为Rs=wldl10S1=l10S1,(8)式中:S1为
19、气隙中磁荷通过的截面积;l1为气隙中的有效磁路长度.考虑漏磁时的气隙磁阻如式(9),Rl由仿真确定.Rs1=RlRsRs+Rl.(9)铁芯磁阻为RF=wldl20rS2=l20rS2,(10)式中:S2为铁芯中磁荷通过的截面积;l2为铁芯的有效磁路长度;l 为线圈长度.感应线圈电流磁动势为F1=Ni,(11)式中:N 为线圈匝数.由于电磁铁的剩磁与磁滞回线有关,随着电流的变化剩磁会对电磁力产生非线性影响,因此将剩磁产生的磁动势表示为18F2=wlH dl F2=Brr1l,(12)第4期刘清辉,等:考虑剩磁作用的中低速磁浮电磁力分析865r1式中:Br为电磁铁剩磁;为考虑剩磁的相对磁导率.综合
20、式(7)(13)推导可得=F1+F22Rs1+RF.(13)1.3 电磁铁剩磁计算对于铁磁材料而言,剩磁是磁滞回线中重要的参数之一,实际中很难直接对其进行测定,因此可通过对磁滞回线的分析确定剩磁的初始数值大小.Jiles-Atherton 磁滞理论(J-A 磁滞理论)最早由 Jiles和 Atherton 提出19,基于微观磁化理论将磁性材料的微观结构参数与宏观表征相结合,将微观矢量简化为宏观的标量计算,揭示了材料磁化过程的微观运动,该理论即 J-A 磁滞理论,相对其他描述方式具有一定明确的物理意义.因此采用 J-A 磁滞理论描述带入剩磁后 H 和 B 的关系.基于磁畴理论,J-A 磁滞理论将
21、磁化强度分解为可逆分量和不可逆分量19,如式(14).M=Mrev+Mirr,(14)式中:Mrev为可逆磁化分量,由畴壁移动引起;Mirr为不可逆磁化分量,由畴壁弯曲引起.令 Man为无磁滞的磁化曲线,代入式(4)即得Man的表达式.根据能量守恒定律和 J-A 磁滞理论,推导得dMirrdH=ManMirrk(ManMirr),(15)k=signdHdt式中:为钉扎系数,描述因钉扎效应导致的能量损耗;,为与外磁场强度变化有关的方向系数.同时根据 J-A 磁滞理论可推导得dM=dMrev+dMirr=(1c)dMirr+dMan dMrev=c(dMandMirr),(16)c式中:为可逆磁
22、化系数,描述可逆分量所占比重.结合式(14)(16),可得 M 和 H 的微分关系为dMdH=(1c)(ManM)+kcdMandHk(1c)(ManM).(17)式(17)即描述材料的磁滞特性.通过 J-A 磁滞理论可得极限磁滞回线,如图 5 所示,中低速磁浮悬浮电磁铁工作区间主要在第一象限,因此其中主要参数是材料的剩磁 Br和矫顽力 Hc.相对矫顽力,悬浮电磁铁剩磁对磁化过程中的磁感应强度变化有着直接的影响20-22.20 00010 000010 00020 0002.01.51.00.500.51.01.52.0B/TH/(Am1)图5电磁铁极限磁滞回线Fig.5Limithyster
23、esisloopofelectromagnet为考虑剩磁对磁化过程的影响,以 J-A 磁滞理论结合图 5 中电磁铁极限磁滞回线在第一象限的部分,模拟剩磁在整个磁化过程中的动态变化,分析电磁铁剩磁对悬浮电磁铁垂向电磁力的影响.对其作如下假设:1)由于实际悬浮电磁铁在短时间内即达到磁饱和状态,因此仅考虑极限磁滞状态下剩磁的作用,即最大剩磁的作用;2)忽略电流波动导致的在极限磁滞回线中产生的退磁曲线;3)忽略反向电流作用的情况,仅考虑电流的衰减.由电磁铁电磁力试验确定电磁铁达到磁饱和时的电流范围.取方向系数 为1,表示从磁饱和状态开始电流逐渐降为 0,H 范围为0,20000),最终可得 B、H、M
24、 的关系为B=0(H+M),Man=(H,M),dM=(1c)(ManM)dHkcdMank(1c)(ManM).通过 MATLAB 对上述方程组进行数值求解,解得数值曲线如图 6.00.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.01.41.31.51.61.71.81.92.0BrB/TH/(104 Am1)图6剩磁作用下的电磁铁 B-H 关系Fig.6B-Hrelationshipofelectromagnetunderremanence866西南交通大学学报第58卷 2 数值分析以图 2 的单铁悬浮系统为对象,设定悬浮间隙为 8mm,额定线圈电流 30A,利
25、用不考虑剩磁下的磁路欧姆定律计算得电磁力和线圈电流的关系,结果如图 7 所示.01020304050607080024681012F/kNi/A图78mm 间隙下电磁力-电流关系Fig.7Relationshipbetweenlevitationforceandcurrentunder8mmgap从图 7 中可知:随着线圈电流的增大,电磁场磁感应强度增大,垂向电磁力不断上升;当电流为030A 时,电磁力提升较为明显,电流到 30A 以后,由于悬浮电磁铁存在磁饱和,使得此时电磁力提升较为平缓;当电流为 30A 的额定电流时,对应垂向电磁力约为 8.5kN.对考虑剩磁影响的单电磁铁模型进行数值求解
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 考虑 剩磁 作用 低速 磁浮电 磁力 分析
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,个别因单元格分列造成显示页码不一将协商解决,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。