王相波 王晓东

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司，266111，青岛∥第一作者，工程师)

有轨电车低地板车辆和部分地铁车辆的紧急制动减速度要求高于普通轨道交通车辆，其减速度可达2.8 m/s2[1]。为了实现该目标减速度，需采用非黏着制动方式。目前日本、德国及法国等国家研发并应用了空气翼板制动、涡流轨道制动、磁轨制动及涡流盘式等非黏着制动方式[2]。作为非黏着制动方式的一种，磁轨制动不依赖轮轨黏着，制动效果显著，可提高安全性；磁轨制动器质量轻，对转向架结构和车辆走行影响小；其构造简单，工作可靠，少维修；制动时对轨面具有清扫作用，可改善轮轨黏着[3]。 目前，对于磁轨制动的研究集中于提高磁能利用率的新型合成材料的开发、磁轨制动器的结构优化、磁场分析、转矩特性分析及制动过程的热平衡分布情况研究等[4-5]。

本文主要研究磁轨制动器各子部件的结构和安装方式对其性能的影响，通过分析磁轨制动器的结构组成，通过仿真计算找到铁心和磁轭、磨耗板、减重倒角及线圈等子部件的参数最优值，进而研发出一种完全满足应用要求，且质量较轻、结构简单、安全可靠的磁轨制动器。

1 磁轨制动器的结构

磁轨制动器由磁体装置、传力装置和悬挂装置组成，如图1 a)所示。 其中，磁体是核心部件，主要由线圈绕组、铁心、滑靴、隔板、隔热材料、密封钢板和相关连接件等组成，如图1 b)所示。

图1 磁轨制动器结构

2 磁轨制动器关键部件的最优尺寸

本文忽略螺纹孔及螺栓等细节结构和断面效应，仿真分析滑靴长度为1 200 mm的电磁体与轨道间的吸力。滑靴、铁心和磁轭均为DT4C电工纯铁。仿真时，磁体采用普通材料，隔板材料为铝。磁轨制动器的设计吸力F应为75.6 kN。影响F的电磁体部件主要尺寸参数如图2所示，初步设计尺寸及参数如表1所示。

图2 影响吸力的电磁体主要部件

表1 电磁体初始设计参数

2.1 铁芯与磁轭的最优尺寸

在H1和L2给定的条件下(见图2)，铁心与磁轭的尺寸参数主要为磁轭宽度L1和铁心厚度H2。按L1取值区间为30～50 mm，取值间隔为2 mm，对电磁体吸力F进行仿真计算，结果如图3所示。

由图3可知：H2越大，L1越大，F越大；当L1和H2取不同值时，F的最小值增至最大值仅相差3.757 kN；当L1≥28 mm时，F都能满足设计要求。为减轻制动器的整体质量，应使L1和H2尽可能小。经综合考虑，铁心与磁轭的最优尺寸为H2=36 mm、L1=28 mm。

图3 L1和H2对F的影响曲线

2.2 磨耗板最优尺寸

磨耗板尺寸参数包括间隙L4、总宽度L5、磨耗板高度H5和倒角C。仿真计算中，L4取值区间为3～13 mm、取值间隔为2 mm;L5取值区间为56～66 mm，取值间隔为2 mm。仿真计算结果如图4所示。按H5取值区间为12～20 mm、取值间隔2 mm进行仿真计算，结果如表2所示。按C取值区间为3°～13°、取值间隔2°进行仿真计算，结果如表3所示。

表3 不同C对应的F仿真数据

图4 L4及L5对F的影响曲线

由图4可知：制动器与钢轨吸合时，L5越大，F越大；当L4过大或过小时，F较小；当制动器与钢轨未吸合时，如L4过小，则会产生很大漏磁。因此，综合考虑图4、表 1及表 2的数据，在满足磁轨制动器与钢轨吸合时设计吸力的基础上，C和L4应尽量取大，L5和H5应尽量取小。综上所述，磨耗板最优尺寸取L4=9 mm，L5=56 mm，H5=16 mm，C=14°。

表2 不同H5对应的F仿真数据

2.3 减重倒角的最优尺寸

减重倒角参数为纵向尺寸H3和垂向尺寸L3。仿真计算中，H3取值区间为3～27 mm、取值间隔为3 mm,L3取值区间为3～27 mm，取值间隔为3 mm。仿真结果如表4所示。

根据表4可知：减重倒角越小，F越大；H3在取值范围内时的磁化饱和度非常低，故H3变化对F影响不大；当L3≥15 mm时，随着L3的增加，F下降速度加快。为起到减重作用，在F满足要求时应使H3与L3尽量大。综上所述，减重倒角最优尺寸取H3=27 mm，L3=15 mm。

表4 不同H3和L3对应的F仿真数据

2.4 制动器与轨面间隙不同时的F

根据上文，磁轨制动器关键部件的最优尺寸为：L1=28 mm，L3=15 mm，L4=9 mm，L5=56 mm，H2=36 mm，H3=27 mm，H5=16 mm。经仿真，在最优尺寸下，F=75.71 kN，满足70.0～75.6 kN的要求。此时，制动器与轨面间隙s不同时的F仿真结如表5及图5所示。

表5 不同s对应的F仿真数据

图5 磁通分布和磁通密度云图

2.5 线圈参数最优值

在完全理想的情况下，有[6]：

(1)

式中：

Φ——气隙磁通；

S——气隙面积；

B——气隙磁感应强度；

μ0——空气磁导率，μ0=4π×10-7Wb/(A·m)。

在实际运行环境中，由于磁路漏磁不可避免，故仅有部分线圈磁势在工作气隙中起作用，即

(2)

式中：

Kf——漏磁系数，由磁路组成确定；根据磁路设计的差异，Kf可取1.0～10.0，在电磁设计中通常按经验取1.2～5.0。

此外，由于

(3)

故

(4)

式中：

Rm——磁阻；

N——线圈匝数；

I——导线额定电流。

由式(4)可知，确定F的主要参数为N。根据设计目标，电流额定、线圈总截面按照表1所示参数，因此，需要确定N和每根导线的截面积A。在Ansoft电磁仿真软件中通过直接加载电流密度J来调整F：当其它参数一定时，J越大，则F越大。假设：导线额定电流为I，每根导线截面积为A，电阻率为ρ，导线平均长度为L，每匝线圈电阻为R，总电阻为R总，则有：

(5)

进而可知，在最优情况下，有：

(6)

其中，I、R总及ρ为确定值，每匝线圈平均长度L根据线圈总截面积确定。所以，只需先确定J的最优值，然后根据式(6)得出R的最优值，即可由式(5)确定N的最优值。

3 结语

本文仿真分析了磁轨制动器的铁心、磁轭、磨耗板、减重倒角及线圈等子部件的参数对磁轨制动器制动吸力影响规律，以减重和制动吸力为目标，通过计算分析，得到了磁轨制动器主要尺寸参数的最优值。在此基础上分析了S不同时的F值，进而得到了最优尺寸磁轨制动器的S最优值。