CN111645531A - 基于涡流制动器的电磁干扰抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于涡流制动器的电磁干扰抑制方法，涡流制动器包括多个励磁组件，励磁组件的磁极依次交替布置，磁极包括铁芯和填充块，铁芯的底面为两边高、中间低的圆弧状，填充块的形状与两边高、中间低的圆弧状相配合，铁芯和填充块上设置有励磁线圈，方法包括：获取轨道列车制动时，励磁线圈通入电流后产生的源磁场；获取源磁场在气隙中的磁场强度波形；对磁场强度波形进行傅里叶变换，得到谐波信号；根据谐波信号的频率、当前车速和当前车速对应的频率，确定述涡流制动器对轨道电路的电磁干扰。由此，消除了部分高次谐波及谐波幅值，即强度，从而减少了与轨道电路工作频率相重合的谐波数量，进而降低或者抑制了对轨道电路的电磁干扰。

Description

基于涡流制动器的电磁干扰抑制方法

技术领域

本发明涉及电磁技术领域，尤其涉及一种基于涡流制动器的电磁干扰抑制方法。

背景技术

涡流制动是一种无需接触摩擦即可产生制动力的非粘着制动方式，具备无磨耗、无噪声、可靠性高、特性平坦、制动力大等优点，尤其适合于列车的高速制动工况。目前，涡流制动已在轨道交通领域进行了应用推广，最为典型的代表为德国的ICE3高速列车，然而在实际运营中却出现了诸多问题，其中之一为涡流制动器对线路上的轨道电路造成了电磁干扰，目前的解决方法普遍为采用抗电磁干扰能力更强的轨道电路，即加强轨道电路的抗电磁干扰能力。

基于该思路，德国通过更换全新的轨道电路，较好地解决了上述问题，但这却是一种“治标不治本”的方法，并未从根本上消除或减弱涡流制动器所引起的电磁干扰强度，因此其结果是安装有涡流制动器的ICE3列车只能运行于安装了最新轨道电路的线路，对于未更换最新轨道电路的老旧线路则禁止运行ICE3列车。

目前时速400公里的高速列车，为了弥补制动盘热容量不足及制动力不足的问题，最优的方案是增加涡流制动，参见中国专利201710827069.5，但涡流制动器会对既有的轨道电路造成电磁干扰进而引发设备故障。针对该问题，可以采用或更换抗电磁干扰能力更强的轨道电路，但对于拥有着近3万公里高铁线路的我国而言，该方案的实施成本巨大。

因此，如何在保证成本的基础上，又降低涡流制动器对既有轨道电路的电磁干扰，成为急需解决的问题。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种基于涡流制动器的电磁干扰抑制方法，其特征在于，所述涡流制动器包括多个励磁组件，所述励磁组件的磁极依次交替布置，所述磁极包括铁芯和填充块，所述铁芯的底面为两边高、中间低的圆弧状，所述填充块的形状与所述两边高、中间低的圆弧状相配合，所述铁芯和所述填充块上设置有励磁线圈，所述方法包括：

获取轨道列车制动时，所述励磁线圈通入电流后产生的源磁场；

获取所述源磁场在气隙中的磁场强度波形；

对所述磁场强度波形进行傅里叶变换，得到谐波信号；

根据所述谐波信号的频率、当前车速和所述当前车速对应的频率，确定所述述涡流制动器对轨道电路的电磁干扰。

在一种可能的实现方式中，所述根据所述谐波信号的频率、当前车速和所述当前车速对应的频率，确定所述述涡流制动器对轨道电路的电磁干扰具体包括：

确定所述谐波信号的次数，当所述谐波信号的次数小于根据当前车速确定的次数阈值时，如果所述谐波信号的频率与所述当前车速对应的频率差值在预设范围外时，则判定涡流制动器对轨道电路的电磁干扰小。

在一种可能的实现方式中，对所述磁场强度波形进行傅里叶变换，得到谐波信号具体包括：

所述磁场强度波形为正余弦波形，对所述正余弦波形进行傅里叶变换后，得到的谐波信号为0。

在一种可能的实现方式中，所述铁芯的材料为低碳钢。

在一种可能的实现方式中，所述填充块的材料为非导磁材料。

在一种可能的实现方式中，所述非导磁材料包括环氧树脂和铝中的任一种。

在一种可能的实现方式中，所述铁芯和所述填充块螺接或者粘贴相接。

通过应用本发明实施例提供的基于涡流制动器的电磁干扰抑制方法，将涡流制动器磁极中的铁芯沿运动方向设置为中间低两边高的圆弧状，并与填充块对中间低两边高的圆弧状进行填充，使得铁芯和填充块相配合成为六面体结构，从而减少了涡流制动器磁极所产生的磁场强度波形中的谐波成分，消除了部分高次谐波及谐波幅值，即谐波强度，从而减少了与轨道电路工作频率相重合的谐波数量，同时，对于可能进入干扰频率范围的高次谐波，也能降低其幅值，进而降低或者抑制了对轨道电路的电磁干扰。

附图说明

图1为现有技术中的单边8个涡流磁极示意图；

图2A为现有技术中的磁极示意图；

图2B为现有技术中的磁极示意图；

图3为现有技术中的磁场强度示意图；

图4为图3的等效放大图；

图5为本发明实施例提供的基于涡流制动器的抑制电磁干扰方法的流程示意图；

图6为本发明实施例提供的铁芯示意图；

图7为本发明实施例提供的铁芯和填充块示意图；

图8为本发明实施例提供的磁场强度示意图；

图9为图8的等效放大图；

图10A为现有技术中的磁场函数示意图；

图10B为本发明实施例的磁场函数示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

在对本申请进行说明之前，先对轨道电路中的电磁干扰产生的原因进行分析。

具体的，轨道列车用涡流制动器安装于轨道列车的转向架上并利用电磁涡流效应产生背离轨道列车行驶方向的制动力从而制动轨道列车。

涡流制动器包括多个励磁组件，参见图1，所述励磁组件的磁极依次交替布置，参见图2A和2B，所述磁极包括铁芯，涡流制动是基于涡流感应原理，即磁极与金属板，比如轨道，相对运动时，会在金属板内感应出电流，因为电流是呈涡旋闭合环状，故通常称之为涡电流。由于存在磁生电、电生磁的物理现象，所以涡电流也会产生磁场，该磁场的一个最重要的物理特性就是会阻碍金属板内的磁场状态变化，即如果施加在金属板上的磁场越来越大，那感应出的涡流磁场的方向就与施加的外界磁场的方向相反，其作用是阻碍金属板内的磁场继续变大；如果施加在金属板上的磁场越来越小，那感应出的涡流磁场的方向就与施加的外界磁场的方向相同，其作用是阻碍金属板内的磁场继续变小。该现象于1834年被俄国物理学家海因里希·楞次进行了概况总结，并形成了一条物理定律，称为楞次定律。

基于上述描述，将次生磁场称之为“涡流磁场”，将磁极产生的磁场称为“源磁场”。涡流磁场肯定会影响或者改变源磁场的分布，使源磁场发生磁场畸变。但由上述楞次定律可知，当施加的源磁场变化越剧烈，则轨道必须产生同样剧烈的涡流磁场予以抑制。如果以轨道上一个固定点作为观察点，当涡流制动器经过时，N极、S极、N极……的磁极产生的交替变化的源磁场依次经过该点，则在该点就会先后感应出方向交替变化的涡电流，涡电流对应着极性交替变化的涡流磁场。因此该观察点相当于一个电流源，能产生一定频率、一定幅值的交变电流，即相当于一个对外的磁场辐射源、干扰源，其频率由源磁场频率决定，即由磁极极距和列车速度决定，其幅值由源磁场的磁感应强度决定。根据以上分析可知，可以通过改变源磁场变化的剧烈程度，以降低涡流磁场变化的剧烈程度，即降低谐波成分含量及高次谐波电流的幅值，从而避开轨道电路的工作频率范围。

进一步的，将上述过程从磁场角度进行分析，在涡流制动器的运动方向上设置有若干对北(N)极、南(S)极交替排布的磁极，磁极的铁芯上绕有励磁线圈，线圈在图3和图4中未示出，在轨道列车制动中，励磁线圈通电，产生一定方向的磁场，磁场方向根据右手定则确定，对于轨道而言，相当于N、S极交替通过轨道的某处，如轨道电路处。从磁场角度分析，即等效为一个如图3所示的正负交替的方波状的磁场周期信号作用于轨道某处，如轨道电路处。参见图4，图4中，从上至下依次为磁轭、铁芯、气隙、轨道。轨道为硬度较高的钢材，磁轭及铁芯均为低碳钢，此三者的磁阻均较小，但对于气隙而言，其磁阻远大于磁轭、铁芯、轨道。进一步分析图4，磁极的铁芯底面与轨面平行，即铁芯底面与轨面距离处处相等，即气隙处处相等，亦即磁阻处处相等。因此N、S极产生的磁场(磁力线)在磁路中流通时，因为磁阻处处相等，因此会平均分布于铁芯中，对应的磁场强度也就呈现等值均匀分布的规律，对应的磁场强度波形即可用图4中最下方的方波近似表示。基于傅里叶变换原理，任何周期信号均可分解为若干不同幅值、不同频率，即基频的若干倍，的正余弦信号的叠加，因此在对方波状的磁场周期信号做傅里叶变换时，会分解出0、1、2、3、4等无数次谐波，且谐波次数越大，其幅值越小，即对轨道电路的电磁干扰越小。若幅值较大的基波磁场或若干次谐波磁场的频率与轨道电路的频率相同或相近，则会对轨道电路造成电磁干扰。

目前时速400公里高速列车用涡流制动器对应磁场的基频范围约为0-300Hz，而既有的轨道电路的工作频率为1700Hz、2000Hz、2300Hz、2600Hz。对于高速列车而言，涡流制动器磁极的极距根据不同项目可能会微调，但改变很小，即极距基本确定，因此在轨道列车实际运行过程中，其实际的等效交变磁场频率就由列车运行速度决定，根据极距及列车速度，在0-400km/h范围内，对应的磁场频率大约为0-300Hz。因此在轨道列车的最高速度为400km/h时，对应的频率为300Hz，其7次谐波与轨道电路工作频率相近；但速度较低时，则更高次谐波也会进入轨道电路的频率范围，具体可参见表1，表1为轨道列车的速度的工况表。

表1

表1只列出了部分速度对应的工况，但规律是明显的，即速度越高，与轨道电路工作频率重合的谐波次数越低，又由于谐波次数越低，其幅值越大，因此对轨道电路的干扰主要出现在高速段，且以7次谐波为代表的低次谐波为主。

下面就电磁干扰中是否存在偶次谐波的问题进行说明。

首先，根据傅里变换原理可知，对于周期性函数f(x)，其周期为2l，则可以展开成以下傅里叶级数：

其中

通过傅里叶级数可知，谐波次数越高，其幅值越小，即对外电磁干扰越弱，涡流制动器产生的7次谐波磁场将与轨道电路的工作频率重合，若7次谐波磁场的幅值较大的话，即会引起对轨道电路的电磁干扰。因此结合表1可知，涡流制动器对轨道电路的主要电磁干扰出现在高速段，且以7次谐波的影响最为显著。

对于上述傅里叶函数，存在以下规律：

设信号f(x)的周期为2l，若f(x+l)＝-f(x)，即在一个周期内，前半个周期和后半个周期关于时间轴对称，称为半波对称，此时偶次项为0。

若f(x+l)＝f(x)，则奇次项为0。根据图4中的方波状的磁场周期信号可知，方波状的波形为半波对称，则偶次项为0，即偶次谐波为0。因此，在本申请中的电磁干扰中，因为为半波对称，因此，仅考虑奇次谐波，不考虑偶次谐波。

因此，涡流磁场肯定会影响以及改变源磁场分布，但这种改变属于一种源磁场产生的“结果”，正是这种“结果”才导致了对轨道电路的电磁干扰。因此，只要改变源磁场的空间分布函数，就会改变涡流磁场的时间分布函数，也就会改变对外的电磁干扰性能。

图5为本发明实施例提供的基于涡流制动器的电磁干扰抑制方法流程示意图。如图5所示，本申请包括以下步骤。

步骤510，获取轨道列车制动时，励磁线圈通入电流后产生的源磁场。

其中，本申请中，涡流制动器包括多个励磁组件，所述励磁组件的磁极依次交替布置，所述磁极包括铁芯和填充块，参见图6，所述铁芯的底面为两边高、中间低的圆弧状，参见图7，所述填充块的形状与所述两边高、中间低的圆弧状相配合，一起构成与原铁芯形状相同的结构。圆弧状的具体弧度，可以根据多次实验后的实验值所确定。同时，由于磁场是由绕在铁芯上的励磁线圈激发的，因此为了有效固定线圈，将填充块以螺栓连接或者粘贴的方式连接至铁芯上，填充块的作用仅起到支撑外部所绕的励磁线圈的作用。填充块的材料为非导磁材料，包括但不限于环氧树脂、铝等。从而保证铁芯底部的磁场强度呈中间高两边低的分布方式。

铁芯与轨道顶面间隙即为气隙，由于将铁芯底部设置为具有一定弧度的中间低、两边高的圆弧状，从而增加了铁芯左右两端与轨道顶面的气隙，即增加了铁芯左右两端部位的磁阻，由于磁场或者说磁力线总是趋向于磁阻最小的路径进行闭合，因此，源磁场或者说磁力线向铁芯中部集中。

步骤520，获取所述源磁场在气隙中的磁场强度波形。

具体的，参见图8和图9，由于源磁场向铁芯中部集中，在气隙中的磁场强度波形与磁场强度一致，也显现中间高，两端低的正余弦波形。

步骤530，对所述磁场强度波形进行傅里叶变换，得到谐波信号。

具体的，平缓的正余弦波形对应的傅里叶级数中的高次谐波成分很少，且幅值较小。

在一个示例中，为了便于傅里叶级数展开，假设N、S极彼此紧挨，中间没有间隙，因此可以将原铁芯的磁场强度波形等效于图10A，将改变铁芯的形状之后的磁场强度波形等效于图10B，对于原铁芯产生的磁场强度波形，傅里叶级数如下：

对于本申请中的铁芯，由于其自身已是正弦函数，即f(x)＝sinx，因此，只有基波，不存在谐波信号。此时，不能对轨道电路造成电磁干扰。

步骤540，根据所述谐波信号的频率、当前车速和所述当前车速对应的频率，确定所述述涡流制动器对轨道电路的电磁干扰。

具体的，可以根据上一步计算出的谐波信号的次数，计算谐波信号的次数对应的频率，再将谐波次数对应的频率与当前车速对应的频率进行比较，当差值在预设范围外时，即可判定对轨道电路的电磁干扰小。

比如，当前车速为400km/h，对应的谐波信号有1、3、5、7、9次,对应的谐波信号的次数阈值为7，当存在7次谐波时，计算7次谐波的频率，再将计算得到的7次谐波的频率与当前车速对应的频率进行比较，计算两个频率的差值，如果得到两个频率的差值较大，则说明两个频率相差甚远，谐波信号的频率不会对轨道电路造成电磁干扰。此处的次数阈值是多次实验得到的经验值，预设范围也是多次实验得到的经验值。

比如，如果是上述理想状态下，本申请的正弦函数的只有基波，不存在谐波信号，即谐波信号为0，此时，不能对轨道电路造成电磁干扰。

通过应用本发明实施例提供的基于涡流制动器的电磁干扰抑制方法，将涡流制动器磁极中的铁芯沿运动方向设置为中间低两边高的圆弧状，并与填充块对中间低两边高的圆弧状进行填充，使得铁芯和填充块相配合成为六面体结构，从而减少了涡流制动器磁极所产生的磁场强度波形中的谐波成分，消除了部分高次谐波，从而减少了与轨道电路工作频率相重合的谐波数量，同时，对于可能进入干扰频率范围的高次谐波，也能降低其幅值，进而降低或者抑制了对轨道电路的电磁干扰。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于涡流制动器的电磁干扰抑制方法，其特征在于，所述涡流制动器包括多个励磁组件，所述励磁组件的磁极依次交替布置，所述磁极包括铁芯和填充块，所述铁芯的底面为两边高、中间低的圆弧状，所述填充块的形状与所述两边高、中间低的圆弧状相配合，所述铁芯和所述填充块上设置有励磁线圈，所述方法包括：

获取轨道列车制动时，所述励磁线圈通入电流后产生的源磁场；

获取所述源磁场在气隙中的磁场强度波形；

对所述磁场强度波形进行傅里叶变换，得到谐波信号；

根据所述谐波信号的频率、当前车速和所述当前车速对应的频率，确定所述述涡流制动器对轨道电路的电磁干扰。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述谐波信号的频率、当前车速和所述当前车速对应的频率，确定所述述涡流制动器对轨道电路的电磁干扰具体包括：

确定所述谐波信号的次数，当所述谐波信号的次数小于根据当前车速确定的次数阈值时，如果所述谐波信号的频率与所述当前车速对应的频率差值在预设范围外时，则判定涡流制动器对轨道电路的电磁干扰小。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述磁场强度波形进行傅里叶变换，得到谐波信号具体包括：

所述磁场强度波形为正余弦波形，对所述正余弦波形进行傅里叶变换后，得到的谐波信号为0。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铁芯的材料为低碳钢。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述填充块的材料为非导磁材料。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非导磁材料包括环氧树脂和铝中的任一种。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铁芯和所述填充块螺接或者粘贴相接。

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