低速永磁電動懸浮電磁力特性研究.pdf

1、永磁電動懸浮結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定，系統(tǒng)可靠，是磁浮交通的主要模式之一，但由于低速運行時阻力過大，是制約其進一步發(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懸浮模式，本文提出了永磁電動懸浮的通用二維和三維解析計算方法，在此基礎(chǔ)上研究了現(xiàn)有各種懸浮方案的懸浮特性，認為雙邊電動懸浮式最適合低速軌道交通。首次對這種方案進行了研究和計算，提出了滿足工程運營需求的設(shè)計參數(shù)，最后建立了目前唯一的全尺寸雙邊電動懸浮實驗平臺，對理論計算進行了驗

2、證。
　　首先，分別依據(jù)兩種完全不同的假說，研究了永磁陣列的外部磁場解析計算法。第一種方法是由安培分子環(huán)流假說將永磁體表面磁場等效為面電流，然后由畢奧-薩伐定理推導(dǎo)出其空間磁場的表達式，最后通過疊加原理得到陣列的外部磁場。第二種方法是由磁荷理論，假設(shè)空間磁場是由磁荷產(chǎn)生的，從而依據(jù)對偶原理類比靜電場方程求解陣列磁場?；谶@兩種方法，對直線型Halbach陣列的外磁場二維計算進行了完善，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、驗證其準確率大大優(yōu)于現(xiàn)有算法。另外本文首次實現(xiàn)了Halbach陣列外磁場的三維解析計算，其結(jié)果與有限元計算高度吻合。
　　其次，提出了永磁電動懸浮的通用二維解析計算方法。通過求解時諧電磁場的矢量磁位方程組，得到了正弦磁場與導(dǎo)體板構(gòu)成的感應(yīng)渦流系統(tǒng)解析解，再由傅里葉級數(shù)，將永磁體的外部磁浮分解為各次諧波的獨立作用最后通過疊加原理提出了任意磁場作用下的導(dǎo)體板中渦流分布以及電磁力計算表達式。
　　再次，在二維計算的基礎(chǔ)上，提出了永

4、磁電動懸浮的通用三維解析計算方法。建立了空間中二階矢量磁位(SOVP)的微分方程，通過合理選取坐標系，達到減少變量的目的，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、渦流以及電磁力的解析表達式。經(jīng)驗證，本文提出的解析方法，無論二維還是三維計算，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，且永磁體運動方向也是任意的，同時還能計算具有轉(zhuǎn)動自由度的陣列。因此該解析法有很強的通用性。
　　隨后，利用所提出的

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

6、計算，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)對雙邊永磁電動懸浮浮阻比、浮重比、懸浮剛度和密度等懸浮性能的具體影響，進而提出了一套滿足低速運營要求的設(shè)計參數(shù)。經(jīng)計算，在運行速度150km/h時，優(yōu)化設(shè)計后的雙邊懸浮浮阻比達到了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懸浮旋轉(zhuǎn)實驗平臺。在不同氣隙條件下對系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁力進行了測試，并考慮溫度影響等前提下，與本文提