【摘 要】
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随着高速铁路的发展,乘客的出行变得更为便捷,其出行时间极大程度地缩短。然而,受黏着极限与气动阻力的影响,传统轮轨式列车最高运营速度一般限制在350 km/h左右。2015年,日本超导电动悬浮列车实现时速603 km载人运行,证明了超导电动悬浮系统高速运行的可行性。此外,真空管道+超导电动悬浮系统相结合的方式可进一步减小气动阻力的制约,有望实现高速、超高速的运行目标。因此,本文将以超导电动悬浮系统+
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随着高速铁路的发展,乘客的出行变得更为便捷,其出行时间极大程度地缩短。然而,受黏着极限与气动阻力的影响,传统轮轨式列车最高运营速度一般限制在350 km/h左右。2015年,日本超导电动悬浮列车实现时速603 km载人运行,证明了超导电动悬浮系统高速运行的可行性。此外,真空管道+超导电动悬浮系统相结合的方式可进一步减小气动阻力的制约,有望实现高速、超高速的运行目标。因此,本文将以超导电动悬浮系统+真空管道为对象,针对超导电动悬浮系统的悬浮、导向性能以及加入金属真空管道后的磁-力特性展开研究,以期为未来金属真空管道超导电动悬浮系统应用提供一定的参考价值。首先,本文建立了超导电动悬浮系统的三维有限元电磁耦合分析模型,理论推导了动态电路解析法计算表达式。相同运行条件下,对比了有限元法、解析法和日本公布的实验数据结果,对有限元仿真模型进行了修正。基于有限元法和解析法比较了超导磁体在0～500 km/h运行速度域时悬浮力、导向力和磁阻力变化趋势以及500 km/h恒速运行时超导磁体的动态运行特性。结果表明:有限元法和解析法计算数据吻合度较好,验证了有限元法的可靠性。采用单个超导磁体和两个对极磁性超导磁体分析了在不同运行条件时超导磁体的力特性变化趋势。结果表明:在1000 km/h运行速度下,可以将单个超导磁体代替两个对极磁性超导磁体进行有限元分析计算。其次,从材料的气密性和经济性等因素考虑,对比了适用于超导电动悬浮系统的真空管道材料类型,初步建立了适用于超导电动悬浮系统的金属真空管道电磁分析模型。分别针对金属真空管道的相对磁导率、电导率、半径和厚度参数,研究了超导磁体以1000 km/h运行速度下,金属真空管道中的感应磁场对超导磁体的导向力和磁阻力特性。得到金属真空管道的建议参数:相对磁导率μr=1、电导率σ=1.1×10~6 S/m和半径r=3.5 m,厚度δ>40 mm时,满足真空管道的抗压性和气密性即可。同时分析了该运行速度下,零磁通线圈中的磁场对金属真空管道的磁-力特性几乎没有影响。最后,针对多种运行方式,分析了超导磁体、零磁通线圈和金属真空管道间的磁-力特性。主要运行方式包含:超导磁体在0～1000 km/h运行速度域、金属真空管道的通道宽度和零磁通线圈在金属真空管道内的安置高度。结果表明:零磁通线圈对金属真空管道的影响十分有限。综上所述,本文以金属真空管道与超导电动悬浮系统为研究对象,基于建立的三维有限元电磁耦合模型,分析了超导磁体、零磁通线圈和金属真空管道间的磁-力特性,相关结论为工程化应用提供了一定的理论参考。
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