超导电动磁悬浮动态电路模型与等效实验研究

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2017年度国家发改委发布的《轨道交通装备技术产业化实施方案》中明确要求研制新一代时速600公里级高速磁浮列车。磁浮列车具有运行无接触摩擦磨损、速度高、环境友好、安全可靠等优点,是先进轨道交通技术的典型代表。磁悬浮列车一般分为常导型和超导型两大类。其中零磁通式超导电动悬浮式磁悬浮列车以其大悬浮间隙、系统具有自稳定性、高浮阻比等磁悬浮系统关键参数的优势被应用于以日本为代表的山梨高速磁浮实验线,并且于2015年创造了603 km/h的地面轨道交通载人最高速度记录,这充分验证了该技术在高速及超高速领域应用的巨大潜力与优势。电磁力求解是电动悬浮系统设计的关键步骤之一,目前多以有限元求解为主,但计算耗时较长,而在解析计算方面缺乏相关研究。为提升超导电动磁悬浮系统求解效率,促进其在未来高速磁浮交通的应用,本文基于动态电路理论以建立场-路-运动耦合模型为核心,采取解析计算、仿真分析与试验测试相结合的路线,对超导电动磁悬浮电磁力求解、悬浮导向系统动态特性、感应电流变化规律展开研究。首先,基于动态电路理论从电动悬浮列车车-轨线圈电磁耦合关系入手,建立了超导电动磁悬浮轨道线圈无交叉连接和有交叉连接两种结构下的等效动态电路模型,通过将连续线圈离散化的方式求解车-轨线圈互感、及磁场分布。该方法可用于解决任意形状线圈间互感求解的问题,以及永磁体磁场分布及电磁力求解。以连续时间步长法作为电流控制方程求解途径,利用矩阵向量法建立电磁力求解方程,并基于MATLAB建立超导电动磁悬浮的软件计算界面,可方便快捷地对超导电动磁悬浮关键参数进行求解。其次,从阐述材料特性的角度出发建立了高温超导材料的E-J非线性特性关系数学模型,从而推导出幂指数模型的数学表达式,由此建立能有效描述超导体特性的有限元仿真模型。由于我国目前尚无可供实验测试的超导电动磁悬浮列车试验线,故本文基于日本MLX01超导电动磁悬浮列车相关参数,分别建立了交叉连接和无交叉连接两种结构下列车的三维有限元仿真模型,从而实现超导电动磁悬浮列车的运动仿真。并利用日本山梨试验线测试数据验证了有限元模型和场-路-运动耦合计算模型的有效性。由于场-路-运动耦合模型具有求解速度快的优势,因此利用场-路-运动耦合模型分析了超导电动磁悬浮列车悬浮力、磁阻力、导向力随速度变化的规律,同时基于超导电动磁悬浮单元结构进一步分析了感应电流、电磁力变化规律的成因。探寻了“8”字形轨道线圈电参数对悬浮力、导向力、磁阻力的影响,为改善电动悬浮列车悬浮导向系统性能提供参考依据。最后,本文提出了一种新的超导电动磁悬浮实验测试方法,该方法不同于传统旋转运动模拟方式,实现对超导电动磁悬浮列车运行性能的预测。基于该方法搭建了超导电动磁悬浮实验测试系统样机,从原理、结构、及搭建过程三个方面对超导电动磁悬浮实验测试系统进行了详细介绍,后期工作可基于此平台开展不同工况下电动悬列车动态性能的实验测试研究。
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