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低速永磁电动悬浮电磁力特性研究

【摘要】:永磁电动悬浮结构简单,运行稳定,系统可靠,是磁浮交通的主要模式之一,但由于低速运行时阻力过大,是制约其进一步发展的主要原因之一。为了找到一种适用于城市轨道交通的电动悬浮模式,本文提出了永磁电动悬浮的通用二维和三维解析计算方法,在此基础上研究了现有各种悬浮方案的悬浮特性,认为双边电动悬浮式最适合低速轨道交通。首次对这种方案进行了研究和计算,提出了满足工程运营需求的设计参数,最后建立了目前唯一的全尺寸双边电动悬浮实验平台,对理论计算进行了验证。首先,分别依据两种完全不同的假说,研究了永磁阵列的外部磁场解析计算法。第一种方法是由安培分子环流假说将永磁体表面磁场等效为面电流,然后由毕奥-萨伐定理推导出其空间磁场的表达式,最后通过叠加原理得到阵列的外部磁场。第二种方法是由磁荷理论,假设空间磁场是由磁荷产生的,从而依据对偶原理类比静电场方程求解阵列磁场。基于这两种方法,对直线型Halbach阵列的外磁场二维计算进行了完善,所给出的解析公式能适应端部效应和气隙的改变,经验证其准确率大大优于现有算法。另外本文首次实现了Halbach阵列外磁场的三维解析计算,其结果与有限元计算高度吻合。其次,提出了永磁电动悬浮的通用二维解析计算方法。通过求解时谐电磁场的矢量磁位方程组,得到了正弦磁场与导体板构成的感应涡流系统解析解,再由傅里叶级数,将永磁体的外部磁浮分解为各次谐波的独立作用最后通过叠加原理提出了任意磁场作用下的导体板中涡流分布以及电磁力计算表达式。再次,在二维计算的基础上,提出了永磁电动悬浮的通用三维解析计算方法。建立了空间中二阶矢量磁位(SOVP)的微分方程,通过合理选取坐标系,达到减少变量的目的,由分离变量法和边界条件,得到了SOVP的空间分布函数,从而得到了磁场、涡流以及电磁力的解析表达式。经验证,本文提出的解析方法,无论二维还是三维计算,都能适用于任意永磁阵列与导体板构成的感应涡流模型,且永磁体运动方向也是任意的,同时还能计算具有转动自由度的阵列。因此该解析法有很强的通用性。随后,利用所提出的解析方法对现有的各种永磁电动悬浮方案逐一进行了计算,并建立对应的有限元模型对解析解进行验证,结果表明,二维计算平均误差率仅为1.2%,特别是将单边直线型Halbach电动悬浮的误差率由现有方法的17.4%,降低至0.6%。更重要的是首次实现了电动悬浮的三维计算,经验证平均误差率仅为1%。在此基础对各种电动悬浮模式的悬浮特性进行了分析和比较,最终认定双边永磁电动悬浮为低速磁浮交通的最佳方案。接着,首次对双边电动悬浮进行了研究和计算,分析了永磁体几何参数、导体板厚度、悬浮气隙等不同参数对双边永磁电动悬浮浮阻比、浮重比、悬浮刚度和密度等悬浮性能的具体影响,进而提出了一套满足低速运营要求的设计参数。经计算,在运行速度150km/h时,优化设计后的双边悬浮浮阻比达到了19.2,而相同参数下的现有单边悬浮浮阻比仅为3.8。最后,建立了目前唯一的全尺寸双边永磁电动悬浮旋转实验平台。在不同气隙条件下对系统产生的电磁力进行了测试,并考虑温度影响等前提下,与本文提出的解析法计算结果进行对比,两者达到了很高的吻合度。再次证明本文提出的解析算法准确有效,也证明了实验平台设计合理,对永磁电动悬浮的进一步研究有积极意义。

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