CN109187058B - 一种线性涡流制动试验用电磁铁 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种线性涡流制动试验用电磁铁，用于线性涡流制动试验台，试验台包括：安装座及轮状轨道，该电磁铁包括：磁轭、对磁极、连接板及导磁垫；磁极包括：铁芯、线圈及接线柱；磁轭为弧形以与轮状轨道匹配；各磁极均匀螺接于磁轭的凹面；连接板分别与磁轭及安装座螺接，用于将磁轭固定于安装座；铁芯上表面为平面并设有螺纹孔，铁芯下表面为弧面，该弧面半径与轮状轨道的半径匹配；线圈均匀缠绕于铁芯外表面；各接线柱分别与线圈连接，并穿过磁轭上设置的通孔与电源线连接；导磁垫设置于磁极与磁轭间，用于气隙微调及降低磁阻。本发明具有更好模拟实际涡流制动装置的电磁结构和运行状态，安装方便，气隙及偏移量易于调整等有益效果。

Description

一种线性涡流制动试验用电磁铁

技术领域

本发明涉及轨道车辆制动技术领域，尤其涉及一种线性涡流制动试验用电磁铁，适用于高速列车线性涡流制动的试验研究。

背景技术

制动技术是高速列车的关键技术之一，由于高速列车制动能量巨大，因此在规定的制动距离内实现安全停车和减速控制具有一定的难度。世界上高速列车普遍采用多种制动方式相配合的复合制动模式，主要制动方式包括再生制动、电阻制动、摩擦制动、涡流制动、磁轨制动和空气动力制动等。我国动车组采用再生制动+摩擦制动(盘形制动)方式，这也是世界上应用最多的高速列车制动方式。这两种方式都要通过轮轨之间的黏着力发挥制动作用，但在雨、雪等恶劣天气条件下，轮轨黏着状态变差，影响制动力的发挥，制动距离难以保证；随着列车速度的提高，轮轨黏着系数也会逐渐降低，导致高速区段制动力不足，从而不得不加大制动距离，安全性和运输效率都会降低。

线性涡流制动是一种非接触式电磁制动方式，不依赖于轮轨黏着，在高速区段可发挥较大的制动力，既可用于紧急制动，又可用于常用制动，能有效缩短制动距离，提高行车安全性，并且具有无机械磨损、无噪声、无气味、制动力可控等突出优点，还可减少机械制动的磨耗，运行经济性良好，特别适用于高速列车制动系统。

线性涡流制动又称轨道涡流制动，其基本原理是将制动用条形磁铁安装在轨道车辆转向架上并位于钢轨正上方，磁铁的N、S极交替配置，极面与钢轨面保持一定的气隙，将钢轨作为磁感应体。利用磁铁和磁感应体的相对运动，在钢轨中感应出电涡流(简称涡流)，由涡流产生的磁场与磁铁产生的主磁场相互作用并使主磁场产生畸变，磁力线发生偏转，生成切向分力(即制动力)，从而使列车减速，制动能量转化为钢轨的涡流损耗。线性涡流制动装置所产生的制动力直接作用在转向架上，不受轮轨黏着限制，因此在高速区段具有显著的制动效果。

根据磁极材料，涡流制动又可分为电磁涡流制动和永磁涡流制动。电磁涡流制动的核心部件通常由铁芯、线圈和磁轭组成，由外部供电电源提供励磁，通过调节励磁电流，实现制动力的控制。永磁涡流制动采用永磁材料制成的磁铁取代电磁铁，通过对磁铁与感应体相对位置或角度的调节实现涡流制动力的控制。

自20世纪60年代末起，德、法、日等国就开展了涡流制动技术在旅客列车上的应用研究，并进行了多年试验。从2000年开始，线性涡流制动装置在德国的ICE3高速列车上得到批量应用，并且取得了良好的应用效果和经济效益。目前由于技术和成本等因素的限制，永磁式涡流制动尚未实现工程化。

在涡流制动技术研究与产品开发过程中，了解和掌握制动性能、影响因素及相互关系是其中的一项关键技术。目前，对涡流制动性能及其影响因素的研究主要有两种途径，一是采用解析法或数值法进行计算分析，二是采用试验装置进行实验或试验。由于对电磁机理的认识和描述不够深入、完整，或者对边界条件等定义不够清晰、准确，因此计算分析方法往往存在较大偏差。涡流制动的试验方法，是利用特殊的试验装置(试验台)对涡流制动的现象和过程进行模拟及测试，其基本原理是用试验台的旋转运动代替列车的直线运动，该试验台带有一定的或可调的惯性负载，模拟制动质量，通过电机的驱动控制，使涡流制动磁铁与感应体(圆形模拟轨道)产生相对运动，达到预定速度后实施制动，在涡流制动力的作用下，使惯性系统减速，测试系统同步采集制动过程中的各种数据，即可获得所需的制动性能及相关参数。

现有技术中的涡流制动性能试验装置，带有可调节的、模拟大范围制动负载的惯性系统，采用轨道轮的转动模拟列车与钢轨的相对运动，电磁铁安装在磁极座上，整体布置成弧形，可按实际制动能量进行1:1试验。原设计采用磁极座作为磁轭，电磁铁实际为多个独立的磁极，每个磁极分别通过楔形块和螺栓与磁极座固定连接并可调节气隙。但楔形块方式与实际的涡流制动装置结构不同，增加了铁芯与磁极座之间的界面数，从而增大了磁阻。受磁极座结构限制，电磁铁的极距无法改变，极对数和尺寸也受到限制，试验灵活性不强，且安装、更换不便。

因此，如何提供一种更接近实际电磁结构和工作状态、安装方便、气隙和偏移量易于调整的线性涡流制动试验电磁铁，是当前亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术中的缺陷，本发明提供了一种线性涡流制动试验用电磁铁，适用于高速列车线性涡流制动的试验研究，具有更好地模拟实际涡流制动装置的电磁结构和运行状态，安装方便，气隙及偏移量易于调整等有益效果。

为了实现上述目的，本发明提供了一种线性涡流制动试验用电磁铁，用于线性涡流制动试验台，所述试验台包括：安装座及轮状轨道，设置于所述轮状轨道上的所述线性涡流制动试验用电磁铁包括：磁轭、若干对磁极、连接板及若干导磁垫；所述磁极包括：铁芯、线圈、两根接线柱；

所述磁轭为弧形，以与所述轮状轨道匹配；

各所述磁极均匀设置于磁轭的凹面与所述轮状轨道之间，并螺接于所述磁轭的凹面；

所述连接板分别与所述磁轭及所述安装座螺接，用于将所述磁轭固定于所述安装座；

所述铁芯的上表面为平面并设有螺纹孔，所述铁芯的下表面为弧面，所述下表面的弧面半径与所述轮状轨道的半径匹配；

所述线圈均匀缠绕于所述铁芯外表面；

各所述接线柱分别与所述线圈连接，并穿过所述磁轭上设置的通孔与电源线连接；

各所述导磁垫分别设置于各所述磁极与所述磁轭之间，用于气隙微调及降低磁阻。

一实施例中，所述线性涡流制动试验用电磁铁还包括：分别螺接于所述磁轭前后两端的端板，用于降低端部效应。

一实施例中，所述连接板为L型；所述L型连接板的一边与所述磁轭的凸面螺接，另一边与所述安装座的一侧面螺接。

一实施例中，所述线性涡流制动试验用电磁铁还包括：设置于所述磁轭与所述连接板之间的隔磁板，用于隔离磁路。

一实施例中，所述线性涡流制动试验用电磁铁还包括：设置于所述安装座与所述连接板之间的调整垫片，通过调整所述调整垫片的数量对所述电磁铁与所述轮状轨道的偏移量进行调整。

一实施例中，所述线性涡流制动试验用电磁铁还包括：多个第一螺栓及多个第二螺栓；

各所述第一螺栓贯穿所述磁轭与各所述铁芯的螺纹孔连接，用于固定各所述磁极；

各所述第二螺栓贯穿所述连接板分别与所述磁轭的凸面及所述安装座的侧面连接，用于将所述磁轭固定于所述安装座的侧面。

一实施例中，所述线性涡流制动试验用电磁铁还包括：多个第三螺栓；各所述第三螺栓分别贯穿所述端板与所述磁轭的一端连接，用于固定各所述端板。

一实施例中，所述磁极还包括：设置于各所述线圈外表面的防护罩。

一实施例中，所述磁轭的凹面与各所述磁极连接处为平面；所述磁轭的宽度大于等于所述线圈的宽度。

一实施例中，所述电磁铁为两组，分别固定于所述安装座两侧并与所述轮状轨道相对。

本发明提供的一种线性涡流制动试验用电磁铁，用于线性涡流制动试验台，所述试验台包括：安装座及轮状轨道，设置于所述轮状轨道上的所述线性涡流制动试验用电磁铁包括：磁轭、若干对磁极、连接板及若干导磁垫；所述磁极包括：铁芯、线圈、两根接线柱；所述磁轭为弧形，以与所述轮状轨道匹配；各所述磁极均匀设置于所述磁轭的凹面与所述轮状轨道之间，并螺接于所述磁轭的凹面；所述连接板分别与所述磁轭及所述安装座螺接，用于将所述磁轭固定于所述安装座；所述铁芯的上表面为平面并设有螺纹孔，所述铁芯的下表面为弧面，所述下表面的弧面半径与所述轮状轨道的半径匹配；所述线圈均匀缠绕于所述铁芯外表面；各所述接线柱分别与所述线圈连接，并穿过所述磁轭上设置的通孔与电源线连接；各所述导磁垫分别设置于各所述磁极与所述磁轭之间，用于气隙微调及降低磁阻。本发明适用于高速列车线性涡流制动的试验研究，具有更好地模拟实际涡流制动装置的电磁结构和运行状态，安装方便，气隙及偏移量易于调整等有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请的一种线性涡流制动试验用电磁铁的主视图；

图2是本申请的一种线性涡流制动试验用电磁铁的45°俯视图；

图3是本申请一实施例中的磁极结构图；

图4是本申请一实施例中的磁极的剖面结构图；

图5是本申请一实施例中的磁极的俯视图；

图6是本申请一实施例中的连接板的剖面结构图；

图7是本申请一实施例中的两组线性涡流制动试验用电磁铁的安装效果图；

图8是本申请一实施例中的线性涡流制动试验用电磁铁的横截面示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

关于本文中所使用的“第一”、“第二”、……等，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种线性涡流制动试验用电磁铁，线性涡流制动试验用电磁铁1用于线性涡流制动试验台，如图1所示，试验台包括：安装座201及轮状轨道202。线性涡流制动试验用电磁铁1设置于轮状轨道202上，固定于安装座201的一侧。

线性涡流制动试验用电磁铁的结构图，如图1及图2所示，该线性涡流制动试验用电磁铁1包括：磁轭101、若干对磁极102、连接板103及若干导磁垫104。

如图1所示，磁轭101为弧形，以便与轮状轨道202相匹配，磁轭101设置于轮状轨道202外径上。各磁极102均匀设置于磁轭101凹面B与轮状轨道202的外径之间，并螺接于磁轭的凹面B内。两个连接板103分别与磁轭101及安装座201通过螺栓连接，用于将磁轭101固定于安装座201的侧面。

如图3所示，磁极102包括：铁芯1021、线圈1022及两根接线柱1023。如图3及图4所示，线圈1022均匀缠绕于铁芯1021外表面。如图4所示，铁芯1021的上表面D1为平面并设有螺纹孔1024，铁芯1021的下表面D2为弧面，下表面D2的弧面半径与轮状轨道202的半径匹配。各接线柱1023分别与线圈1022连接。各接线柱1023外表面均设置一绝缘护套1025。

图5为磁极102的俯视图，如图5所示，各铁芯1021的螺纹孔1024的个数为两个，均匀设置于各铁芯1021的中心线上，本发明不以此为限。

如图1所示，各接线柱1023穿过磁轭101上设置的通孔与电源线连接。导磁垫104设置于磁极102与磁轭101之间，用于气隙微调及降低磁阻。导磁垫104的数目为多个，具体根据实验需要进行调整。

本申请通过调节安装座201的高度和在磁极102与磁轭101之间增加或减少导磁垫104的数目，实现对电磁铁1气隙的调整，保证各磁极102气隙均匀。

一实施例中，如图1所示，该线性涡流制动试验用电磁铁1还包括：分别螺接于磁轭101前后两端的端板105，用于降低端部效应。

一实施例中，连接板103为L型连接板，本发明不以此为限。

具体实施时，如图6所示，连接板103的一边L1与磁轭101的凸面A通过螺栓连接，连接板103的另一边L2与安装座201的一侧面C1通过螺栓连接。通过连接板103将磁轭101固定于安装座201的一侧面C1。

一实施例中，如图6所示，该线性涡流制动试验用电磁铁还包括：设置于磁轭101与连接板103之间的隔磁板106，用于隔离磁路以降低漏磁影响。其中隔磁板106的材质为任意不导磁的材料。

一实施例中，如图6所示，该线性涡流制动试验用电磁铁1还包括：设置于安装座201与连接板103之间的调整垫片107，通过增加或减少调整垫片107的数量对电磁铁1与轮状轨道202的偏移量进行调整。

本申请通过在连接板103与安装座201之间增加或减少调整垫片107的方式，可以方便地调整电磁铁1与轮状轨道202的横向偏移量(模拟电磁铁相对于钢轨纵向中心线的偏离位置)。

一实施例中，如图1所示，该线性涡流制动试验用电磁铁1还包括：多个第一螺栓108及多个第二螺栓109。

如图1所示，各第一螺栓108贯穿磁轭101与各铁芯1021的螺纹孔1024连接，用于固定各磁极102。

如图6所示，各第二螺栓109贯穿连接板103分别与磁轭101的凸面A及安装座201的侧面连接，用于将磁轭101固定于安装座201的侧面。

一实施例中，如图7所示，该线性涡流制动试验用电磁铁1还包括：多个第三螺栓1010。其中各第三螺栓1010分别贯穿端板105与磁轭101的一端连接，用于固定各端板105。

一实施例中，如图4所示，磁极102还包括：设置于各线圈1022外表面的防护罩1026。

其中磁轭101的凹面B与各磁极102连接处为平面，且磁轭101与各磁极102连接处的平面面积大于等于各铁芯1021的横截面面积。如图8所示，磁轭101的宽度大于等于线圈1022的宽度。

本申请中一个磁轭101可连接多对(1～4对)磁极102，磁轭101形状可根据磁场强度、极距、极对数和线圈尺寸等进行设计，磁极102尺寸可以根据涡流制动力及其它试验参数进行设计。

一实施例中，如图2所示，电磁铁1为两组，分别固定于安装座201的C1及C2两侧。如图1所示，两组电磁铁1均与轮状轨道202相对。

具体的，在进行1:1涡流制动试验时，一般采用两组电磁铁1，分别从安装座201的两侧向安装座201靠近并固定到安装座201上，保证两组电磁铁1分别与两组轮状轨道202相对。两组电磁铁1之间只有电气连接，而磁路隔离。

本申请线性涡流制动试验用电磁铁1整体呈弧形，且可承担1:1制动试验。铁芯1021底面D2加工成弧形，底面D2的圆弧半径根据轮状轨道202半径及工作气隙进行设定。线性涡流制动试验用电磁铁1整体及每个磁极102的气隙可调，且线性涡流制动试验用电磁铁1与轮状轨道202的横向偏移量也可调；磁轭101可根据磁场强度、极距、极数和线圈尺寸设计，实现不同电磁结构的涡流制动试验，而无需改变试验台或安装座结构；更换线性涡流制动试验用电磁铁1时，只需拆除电缆线及磁轭101与安装座201之间的连接螺栓109，便可将线性涡流制动试验用电磁铁1整体移出。因此，本申请具有更好地模拟实际涡流制动装置的电磁结构和运行状态，安装方便，气隙及偏移量易于调整等有益效果。

为了使本领域的技术人员更好的了解本发明，基于上述线性涡流制动试验用电磁铁的结构，对线性涡流制动试验用电磁铁1的工作原理进行简单阐述：在实际应用条件下，线性涡流制动试验用电磁铁1安装在车辆转向架上，通过电磁感应与钢轨相互作用而产生制动力。在试验台上，采用轮状轨道(轨道轮)模拟实际的线性钢轨作为电磁感应体，为此，需要将线性涡流制动试验用电磁铁1设计为弧形，以便与轨道轮相匹配，并可按实际工作条件调整工作气隙。线性涡流制动试验用电磁铁1由磁轭和多对磁极等组成，各磁极按N、S极交替排列的顺序螺接于磁轭的凹面B内，线性涡流制动试验用电磁铁1整体安装在专门设计的磁铁安装座(简称安装座201)上。试验时，由轨道轮、多个飞轮组合与电模拟惯量共同构成惯性系统，可模拟不同的制动质量(轴重)，通过调速电机拖动该惯性系统运行，模拟制动电磁铁与钢轨的相对运动。达到预定速度后，按设定的励磁电流为电磁铁供电，则轨道轮中即可感应出相应的电涡流，从而实现制动功能。在制动过程中，同步测量多通道数据，即可获得所需的各种性能参数。由于试验台可1:1模拟制动能量，因此线性涡流制动试验用电磁铁1也具有1:1的制动能力。

本发明提供的一种线性涡流制动试验用电磁铁，用于线性涡流制动试验台，试验台包括：安装座及轮状轨道，设置于轮状轨道上的线性涡流制动试验用电磁铁包括：磁轭、若干对磁极、连接板及若干导磁垫；磁极包括：铁芯、线圈、两根接线柱；磁轭为弧形，以与轮状轨道匹配；各磁极均匀设置于磁轭的凹面与轮状轨道之间，并螺接于磁轭的凹面；连接板分别与磁轭及安装座螺接，用于将磁轭固定于安装座；铁芯的上表面为平面并设有螺纹孔，铁芯的下表面为弧面，下表面的弧面半径与轮状轨道的半径匹配；线圈均匀缠绕于铁芯外表面；各接线柱分别与线圈连接，并穿过磁轭上设置的通孔与电源线连接；各导磁垫分别设置于各磁极与磁轭之间，用于气隙微调及降低磁阻。

本申请有益效果包括：电磁参数和磁极外形可按实车涡流制动装置设计，具有实际所需的制动能力，可实现1:1线性涡流制动试验；线性涡流制动试验用电磁铁的铁芯底面加工成弧面，可与轮状轨道外圆表面(即钢轨顶面)相匹配；铁芯的上表面D1通过导磁垫(铁磁材料制成的垫片)与磁轭接触，降低了原楔形块连接方式产生的磁阻；单个磁极的气隙可通过增加或减少导磁垫进行调整，使每个磁极的工作气隙保持均匀，利于制动性能的发挥，提高试验的准确性；磁轭具有足够的横截面积，不会影响或限制磁感应强度；在磁轭与安装座之间设有隔磁板，磁路仅由电磁铁、气隙和轮状轨道三者构成，可减少漏磁和外部影响，更好地模拟实际磁路；通过增加或减少连接板与安装座之间的调整垫片数量可整体移动电磁铁，模拟电磁铁偏离钢轨中心线的情况，代替原来的单个磁极调整，不仅方便快捷，而且可保持各磁极的纵向中心线始终重合(即磁极之间的相对位置不会改变)；在电磁铁两端设置端板，可降低端部效应；电磁铁可设计为不同极距和极对数的形式，只要保持磁轭的安装接口尺寸不变，通过快速更换，即可实现不同电磁结构的涡流制动试验，而试验台不需要进行任何改造，可为涡流制动的试验研究创造更大的灵活性和方便性。

因此本申请适用于高速列车线性涡流制动的试验研究，具有更好地模拟实际涡流制动装置的电磁结构和运行状态，安装方便，气隙及偏移量易于调整等有益效果。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种线性涡流制动试验用电磁铁，用于线性涡流制动试验台，所述试验台包括：安装座及轮状轨道，其特征在于，设置于所述轮状轨道上的所述线性涡流制动试验用电磁铁包括：磁轭、若干对磁极、连接板及若干导磁垫；所述磁极包括：铁芯、线圈、两根接线柱；

所述磁轭为弧形，以与所述轮状轨道匹配；

各所述磁极均匀设置于所述磁轭的凹面与所述轮状轨道之间，并螺接于所述磁轭的凹面；

所述连接板分别与所述磁轭及所述安装座螺接，用于将所述磁轭固定于所述安装座；

所述铁芯的上表面为平面并设有螺纹孔，所述铁芯的下表面为弧面，所述下表面的弧面半径与所述轮状轨道的半径匹配；

所述线圈均匀缠绕于所述铁芯外表面；

各所述接线柱分别与所述线圈连接，并穿过所述磁轭上设置的通孔与电源线连接；

各所述导磁垫分别设置于各所述磁极与所述磁轭之间，用于气隙微调及降低磁阻。

2.根据权利要求1所述的线性涡流制动试验用电磁铁，其特征在于，还包括：分别螺接于所述磁轭前后两端的端板，用于降低端部效应。

3.根据权利要求1所述的线性涡流制动试验用电磁铁，其特征在于，所述连接板为L型；所述L型连接板的一边与所述磁轭的凸面螺接，另一边与所述安装座的一侧面螺接。

4.根据权利要求3所述的线性涡流制动试验用电磁铁，其特征在于，还包括：设置于所述磁轭与所述连接板之间的隔磁板，用于隔离磁路。

5.根据权利要求3所述的线性涡流制动试验用电磁铁，其特征在于，还包括：设置于所述安装座与所述连接板之间的调整垫片，通过调整所述调整垫片的数量对所述电磁铁与所述轮状轨道的偏移量进行调整。

6.根据权利要求1所述的线性涡流制动试验用电磁铁，其特征在于，还包括：多个第一螺栓及多个第二螺栓；

各所述第一螺栓贯穿所述磁轭与各所述铁芯的螺纹孔连接，用于固定各所述磁极；

各所述第二螺栓贯穿所述连接板分别与所述磁轭的凸面及所述安装座的侧面连接，用于将所述磁轭固定于所述安装座的侧面。

7.根据权利要求2所述的线性涡流制动试验用电磁铁，其特征在于，还包括：多个第三螺栓；各所述第三螺栓分别贯穿所述端板与所述磁轭的一端连接，用于固定各所述端板。

8.根据权利要求1所述的线性涡流制动试验用电磁铁，其特征在于，所述磁极还包括：设置于各所述线圈外表面的防护罩。

9.根据权利要求1所述的线性涡流制动试验用电磁铁，其特征在于，所述磁轭的凹面与各所述磁极连接处为平面；所述磁轭的宽度大于等于所述线圈的宽度。

10.根据权利要求1所述的线性涡流制动试验用电磁铁，其特征在于，所述电磁铁为两组，分别固定于所述安装座两侧并与所述轮状轨道相对。