真空管道中高温超导磁悬浮车运行时的振动能耗特性

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西南交通大学超导与新能源研究开发中心 作者:马家庆

  当真空管道中的气压降到一定值时,其中运行的高温超导磁浮车所受到的空气阻力近似省略。那么磁浮车的运动方向上的动能会因为磁轨道上有接头或其它原因导致轨道上表面磁场的分布不平衡而转移到与运行垂直方向上的振动而损耗掉。对一个已设计好的轨道,其缺陷是不可避免的,文中讨论磁浮车在这种轨道上的动能损耗与磁浮车运行速度的关系。将一定真空环境中运行着的高温超导磁浮车的这种振动近似为弹簧的阻尼振动,然后根据高温超导体的特性及相应测量值来确定其刚度系数与阻尼系数,从而考虑其阻尼振动的动能损耗情况。模拟了三种振动产生方式的耗能情况,与实验结果相符合,表明了能耗规律及其在真空管道运输设计与应用中的参考价值。

  轮轨列车因为与地面上的轨道有接触而产生与车体质量有关的摩擦力而使车体的部分动能转变为热能损耗掉。轮轨列车无论如何也不可能避免这种摩擦力,而磁悬浮技术使得车体悬浮在轨道上,没有了与轨道的摩擦,这种接触损耗在一定意义上可以说是能避免的。真空管道磁悬浮将悬浮技术与真空技术结合起来同时克服了轮轨的摩擦力与空气阻力。真空环境因为其优点而在各行各业得到应用,如太阳能应用、电化学工艺等,而真空管道交通中运用了因真空环境空气密度小而动摩擦阻力小的特性。

  理论上说,当真空管道中达到绝对的真空时,在其中运行的物体就没有了空气阻力,然而要达到这个条件是不现实的,未来的真空管道究竟在何真空度下运行最理想,这需要足够多的理论依据与实验数据来确定。于是,有研究人员对这方面作了一定的研究。

  高温超导磁悬浮技术是磁悬浮技术中的一种,因其独特的优点而受到越来越多的重视,高温超导块在永磁轨道上场冷后因为磁通钉扎作用而悬浮在永磁轨道正上方,如果永磁轨道上沿轨道方向的磁场分布是恒定的话,给其以沿磁轨方向的初速度后磁浮车将会稳定的沿着磁轨运行而没有振动。但是因为永磁轨道不可能做到完全的在沿轨道方向的磁场分布是恒定的。当超导块运行到磁场不平的地方时,就会产生一定的振动,那么运动方向上的动能就会一部分转化为与运行方向上垂直的振动而损耗掉。本文的目的就是研究轨道的这种不平衡与动能损耗的关系,为设计磁浮系统的驱动及控制系统提供技术参数,参数包括驱动电机的功率大小,驱动力大小,最大速度和选用什么控制策略等。为了简化研究,悬浮力近似为弹簧力(车体底面与轨道上表面中存在一空气弹簧),推导出简化的数学模型,在其基础上讨论其耗能状况,最后在西南交通大学超导与新能源研究开发中心自主研发的真空管道高温超导磁悬浮实验系统(图1)上验证。该系统运行环境可以达到2000Pa,实验在气压为3000Pa时进行,在如此稀薄的大气下运行速度不大的情况下所受空气阻力可以省略,可认为高温超导磁浮车在系统中运行时其动能损耗全是由于轨道磁不平衡而引起的振动而耗掉的。

真空管道高温超导磁悬浮实验系统

图1 真空管道高温超导磁悬浮实验系统

1、轨道拼接方式与磁浮车结构

  整个轨道由18截用大接头拼接,每一节又由10小截加三块纯铁挤压而成,每一截节由2小块N30材料按N-N对顶的方式挤压,最终组装成周长10m的圆形永磁轨道。为了方便起见,将其中一部分画示意图如图2(近似为直轨道)。

永磁轨道拼接方式及磁浮车结构图

图2 永磁轨道拼接方式及磁浮车结构图

  图中x,y方向已标出,z方向为垂直向纸里(指向轨道)。当给磁浮车在x方向以驱动力时,磁浮车只在x方向向前运动。以场冷方式将磁浮车悬浮在永磁轨道上后,如果轨道的接头在y方向没对齐时,车体会因有y方向的磁场分布错位而有此方向上的摆动,为了简略在此省掉这种摆动。

  该系统为一圆形轨道系统,图1所示位置加有一驱动直线感应电机(LIM)及速度检测装置,车体每次所获能量与每周所耗量由相应的速度算得。当车体转到相应位置时,电机启动给车体加速,其它位置为车体的自由运行状态。每圈给车体加一次速,到时间约28s时不再启动电机。方框线表示速度随时间变化,带星线表示车体从电机获得的动能,带圈线表示车体每圈在轨道上的耗能。由图可知:

  (1)当有电机驱动的时候,速度在增加,关掉电机后,速度在减小,表示车体在运行过程中运行方向上的动能在减小,忽略了空气阻力,车体与轨道没有接触,所以能耗由振动引起,实验中明显能看到车体的振动。

  (2)速度越大,耗能越快。

  (3)当速度约为318m/s的时候,每圈耗能与电机提供的能接近相等,车体速度不再上升,电机继续运行时速度保持,关掉电机时,速度下降。因为技术原因,系统目前的最大速度只约为4m/s,由系统的相关参数算得直线感应电机从初级传到次级上的功率约为011kW,从而设计符合要求的驱动电机来驱动该系统。

4、结论

  由前面分析及实验,得出以下结论:

  (1)高温超导磁悬浮的悬浮力是一个非线性力,其情况可以近似为阻尼弹簧受力,刚度与阻尼系数确定是一个复杂的过程,因为其非线性,按本文中的方法计算也只是一个不准确的值。

  (2)在真空管道中的磁悬浮系统,如果轨道做的不均衡或是连接工艺粗糙,那么车体在运行过程中,其运动方向上的动能就是逐渐转化为与运行方向垂直方向上的振动能损耗掉。

  (3)轨道不平衡产生的振动机制可有不同的模拟方法,所得结果有所不同,但是无论哪种方法,它本身都是一个耗能系统,这与实验的现象与所测数据显示的结果一致。

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