- 頭條西南交大科研團隊發布零磁通式電動懸浮等效模擬系統的研究成果2021-12-02 作者：王一宇 蔡堯 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語牽引動力國家重點實驗室（西南交通大學）、西南交通大學電氣工程學院的研究人員王一宇、蔡堯、宋旭亮、李剛、馬光同，在2021年第8期《電工技術學報》上撰文，提出一種等效模擬零磁通式電動懸浮的系統，闡述系統的工作原理和結構組成，并結合有限元仿真與實驗測試對系統的電磁力特性進行分析。實驗樣機實現了磁體的起浮，為零磁通式電動懸浮在軌道交通的應用與設計提供了理論依據。
目前一般認為傳統輪軌列車的最高營運速度約為350km/h，輪軌黏著力及弓網關系等因素限制其速度進一步提升，為達到更高效的運輸要求，非接觸運行的磁浮列車受到越來越多的關注。2019年9月，國家印發《交通強國建設綱要》提出研發“時速600km級的高速磁懸浮系統”。磁懸浮列車已成為未來高速軌道交通發展的一種趨勢。
根據懸浮原理的不同，磁懸浮技術目前可大致分為常導電磁懸浮（Electromagnetic Suspension, EMS）和超導電動懸浮（Electrodynamic Suspension, EDS）。
電磁懸浮是依靠車載常導電磁鐵與鐵磁軌道相互吸引而實現列車懸浮，雖然德國將該技術開發得較為成熟，但其閉環控制系統復雜，且懸浮氣隙較小（8～10mm），隨著列車速度的提高，控制難度相應提高，且直線電機電樞繞組的電阻較大，在列車高速大推力運行時，銅耗和鐵耗均較大，導致電機繞組發熱嚴重，運行效率低。
而超導電動懸浮技術是利用車載超導磁體與地面軌道線圈之間感應耦合而產生的排斥性懸浮力使列車懸浮，雖然該種懸浮方式在靜止或低速下無法實現懸浮，但在高速下具有高浮阻比、懸浮間隙大（約100mm）、自穩定等優勢。因此，就未來軌道交通發展需要的高速運行工況而言，超導電動懸浮技術更具優勢。
電動磁懸浮列車由美國的J. R. Powell和G. T. Danby于1966年提出。隨后，世界多國紛紛投入到這種新穎懸浮方式的研究中。而日本自電動磁懸浮列車概念提出至今，一直堅持對超導電動懸浮技術進行研究。日本鐵科院不僅建立了電動磁懸浮列車電磁力解析計算模型，還在此基礎上，結合動力學方程，引入阻尼線圈對列車振動進行優化設計，研究表明，半主動控制的阻尼線圈在減小供電量的同時，可有效抑制電動磁懸浮列車的振動。
在工業應用上，日本不斷對電動磁懸浮列車進行更新換代，至今已研發了ML、MLU、MLX系列及基于MLX的L0車型。2015年，日本研發的L0系列電動磁懸浮列車達到了603km/h的地面軌道交通最高速度，引起了媒體和國際鐵路行業的高度關注。另外，列車最高設計速度為500km/h的日本磁懸浮中央新干線（東京至名古屋區間，共286km）預計于2027年開通運營。
而中國對電動磁懸浮列車的研究目前只處于起步階段，尚停留于理論階段，實驗論證較少，這難以實現電動磁懸浮列車在國內的應用化與運營化。而對電動磁懸浮列車進行實驗研究，最直接、最理想的方式是建立全尺寸或縮比實驗線對列車工況進行模擬，但由于電動磁懸浮列車需要一定的速度才能起浮，其實驗線存在占用空間大、建設時間長、投資成本高等問題。
因此，西南交通大學的研究人員提出了一種等效模擬零磁通式電動懸浮系統，將車載磁體的直線運動等效為零磁通線圈的旋轉運動，可在室內完成對電動懸浮列車的等效模擬實驗。
圖1 電動懸浮等效模擬系統結構
研究人員結合有限元仿真與實驗測試對系統的電磁力特性進行研究分析。建立三維有限元仿真模型，分析了懸浮力、導向力、磁阻力隨線圈轉速、懸浮高度、橫向偏移、線圈極距的變化規律。研制樣機并搭建實驗平臺，通過對懸浮力的測試與對比分析，驗證了有限元模型的準確性。
圖2 電動懸浮等效模擬系統
圖3 永磁體懸浮
研究結果表明，零磁通電動懸浮系統在高速領域具有高的浮阻比，在一定偏移范圍內具有較好的穩定性，線圈極距的減小可有效地提高懸浮力并減小其波動幅值。最終，通過該等效模擬系統實現了永磁體的懸浮。該研究成果將為電動懸浮實驗研究提供參考，同時為電動懸浮的應用與設計提供理論依據。
以上研究成果發表在2021年第8期《電工技術學報》，論文標題為“零磁通式電動懸浮等效模擬系統的特性分析與實驗”，作者為王一宇、蔡堯、宋旭亮、李剛、馬光同。
