西南交大科研团队发布零磁通式电动悬浮等效模拟系统的研究成果

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牵引动力国家重点实验室（西南交通大学）、西南交通大学电气工程学院的研究人员王一宇、蔡尧、宋旭亮、李刚、马光同，在2021年第8期《电工技术学报》上撰文，提出一种等效模拟零磁通式电动悬浮的系统，阐述系统的工作原理和结构组成，并结合有限元仿真与实验测试对系统的电磁力特性进行分析。实验样机实现了磁体的起浮，为零磁通式电动悬浮在轨道交通的应用与设计提供了理论依据。

目前一般认为传统轮轨列车的最高营运速度约为350km/h，轮轨黏着力及弓网关系等因素限制其速度进一步提升，为达到更高效的运输要求，非接触运行的磁浮列车受到越来越多的关注。2019年9月，国家印发《交通强国建设纲要》提出研发“时速600km级的高速磁悬浮系统”。磁悬浮列车已成为未来高速轨道交通发展的一种趋势。

根据悬浮原理的不同，磁悬浮技术目前可大致分为常导电磁悬浮（Electromagnetic Suspension, EMS）和超导电动悬浮（Electrodynamic Suspension, EDS）。

电磁悬浮是依靠车载常导电磁铁与铁磁轨道相互吸引而实现列车悬浮，虽然德国将该技术开发得较为成熟，但其闭环控制系统复杂，且悬浮气隙较小（8～10mm），随着列车速度的提高，控制难度相应提高，且直线电机电枢绕组的电阻较大，在列车高速大推力运行时，铜耗和铁耗均较大，导致电机绕组发热严重，运行效率低。

而超导电动悬浮技术是利用车载超导磁体与地面轨道线圈之间感应耦合而产生的排斥性悬浮力使列车悬浮，虽然该种悬浮方式在静止或低速下无法实现悬浮，但在高速下具有高浮阻比、悬浮间隙大（约100mm）、自稳定等优势。因此，就未来轨道交通发展需要的高速运行工况而言，超导电动悬浮技术更具优势。

电动磁悬浮列车由美国的J. R. Powell和G. T. Danby于1966年提出。随后，世界多国纷纷投入到这种新颖悬浮方式的研究中。而日本自电动磁悬浮列车概念提出至今，一直坚持对超导电动悬浮技术进行研究。日本铁科院不仅建立了电动磁悬浮列车电磁力解析计算模型，还在此基础上，结合动力学方程，引入阻尼线圈对列车振动进行优化设计，研究表明，半主动控制的阻尼线圈在减小供电量的同时，可有效抑制电动磁悬浮列车的振动。

在工业应用上，日本不断对电动磁悬浮列车进行更新换代，至今已研发了ML、MLU、MLX系列及基于MLX的L0车型。2015年，日本研发的L0系列电动磁悬浮列车达到了603km/h的地面轨道交通最高速度，引起了媒体和国际铁路行业的高度关注。另外，列车最高设计速度为500km/h的日本磁悬浮中央新干线（东京至名古屋区间，共286km）预计于2027年开通运营。

而中国对电动磁悬浮列车的研究目前只处于起步阶段，尚停留于理论阶段，实验论证较少，这难以实现电动磁悬浮列车在国内的应用化与运营化。而对电动磁悬浮列车进行实验研究，最直接、最理想的方式是建立全尺寸或缩比实验线对列车工况进行模拟，但由于电动磁悬浮列车需要一定的速度才能起浮，其实验线存在占用空间大、建设时间长、投资成本高等问题。

因此，西南交通大学的研究人员提出了一种等效模拟零磁通式电动悬浮系统，将车载磁体的直线运动等效为零磁通线圈的旋转运动，可在室内完成对电动悬浮列车的等效模拟实验。

图1 电动悬浮等效模拟系统结构

研究人员结合有限元仿真与实验测试对系统的电磁力特性进行研究分析。建立三维有限元仿真模型，分析了悬浮力、导向力、磁阻力随线圈转速、悬浮高度、横向偏移、线圈极距的变化规律。研制样机并搭建实验平台，通过对悬浮力的测试与对比分析，验证了有限元模型的准确性。

图2 电动悬浮等效模拟系统

图3 永磁体悬浮

研究结果表明，零磁通电动悬浮系统在高速领域具有高的浮阻比，在一定偏移范围内具有较好的稳定性，线圈极距的减小可有效地提高悬浮力并减小其波动幅值。最终，通过该等效模拟系统实现了永磁体的悬浮。该研究成果将为电动悬浮实验研究提供参考，同时为电动悬浮的应用与设计提供理论依据。

以上研究成果发表在2021年第8期《电工技术学报》，论文标题为“零磁通式电动悬浮等效模拟系统的特性分析与实验”，作者为王一宇、蔡尧、宋旭亮、李刚、马光同。