Búsqueda característica de la fuerza electromagnética para mezclar suspensión electromagnética usada en trenes de levitación magnética de baja velocidad Resumen: suspensión electromagnética son un componente esencial del tren de levitación magnética de baja velocidad. Su actuación tiene una relación directa con el rendimiento técnico y económico, así como la seguridad, la de todo el tren. Este reporte describe una nueva forma de electroimán, cuya estructura combina imanes permanentes y bobinas electromagnéticas. Esta informe a continuación, utiliza una de dos dimensiones (2D)/3D método de elementos finitos con el fin de analizar las características electromagnéticas de esta nueva forma de electroimán híbrido. Una simulación se llevó a cabo de acuerdo con cuatro condiciones típicas de operación: una plena carga con una brecha de suspensión fijo de 8 mm; una carga completa con un espacio de la suspensión inicial de 18 mm; una carga completa con un brecha suspensión de 10 mm; y una carga vacía con una brecha de 3 mm, así como un guardia que impedía el imán de quedar atrapado en las vías. El informe analiza igualmente la medida en que la brecha de la suspensión y la corriente de la bobina electromagnética afectan la fuerza del electroimán. Los cálculos y experimentos revelan que esta nueva forma, híbrido de electroimán es factible y contribuye significativamente al ahorro de energía.
1. Introducción Trenes de levitación magnética de baja velocidad son un nuevo tipo de transporte de la tecnología [1]. La levitación del tren se basa en bobinas de excitación en forma de U que, cuando se estimula con electricidad, producen un campo electromagnético para las pistas en forma de F. Tradicionalmente, los electroimanes se componen exclusivamente de bobinas de excitación. A través de este método, estas bobinas, una vez estimulados con la electricidad, inevitablemente crear una cierta cantidad de pérdida de resistencia. Esta pérdida de resistencia está presente siempre y cuando el tren está levitando, independientemente de si el tren está en movimiento. En los últimos años, con el fin de ahorrar energía, ciertos ciert os estudiosos han tratado de utilizar una nueva forma de electroimán, cuya estructura híbrida consta de dos bobinas y los imanes permanentes. El campo electromagnético producido se crea por este electroimán a través de estas bobinas e imanes permanentes. Cuando el tren está levitando bajo condiciones normales, la energía del electroimán
híbrido el consumo está cerca de ninguno. Dicha por lo tanto, un imán indiscutiblemente contribuye a reducción del consumo de energía de los trenes de levitación magnética, y como tal constituye una opción viable en el futuro desarrollando el tren de levitación magnética. Algunos estudiosos estudiosos han analizado analizado el campo electromagnético generado por los electroimanes que se utilizan actualmente en trenes de levitación magnética de baja velocidad. La comunidad científica tiene ya realizado análisis razonablemente detallado en electroimanes basada en bobinas tradicionales utilizadas en la actualidad de trenes de levitación magnética de baja velocidad - de dos dimensiones (2D) y análisis en 3D, a cálculos teóricos, a consideraciones prácticas con respecto a ciertos elementos de ingeniería de electroimán (como desviación lateral y rodadura). Además, los resultados de estos análisis han sido validados por su aplicación en la vida real [2-5]. Sin embargo, electroimanes híbridos que se
basan tanto en imanes permanentes y bobinas son relativamente un nuevo fenómeno que apareció después de la evolución de la composición de NdFeB (tipo de imán) imanes permanentes, así como en las capacidades de ahorro de energía de los trenes de levitación magnética. Algunos estudiosos han discutido la posibilidad de incorporar permanente imanes en los sistemas electromagnéticos de trenes de levitación magnética como un medio de reducir el consumo de energía. Por ejemplo, Kehrer y Mc Kenna [6] han intentado aplicar imanes permanentes a la suspensión electro dinámica (es decir, EDS) sistema de levitación magnética. Fuentes [7, 8], se refieren al uso de un sistema de tracción sincrónica que combina tanto la suspensión y la tracción para uso en trenes de levitación magnética de alta velocidad; estas fuentes incluyen planos estructurales y diseños paramétricos para un híbrido electromagnético que se basa en un circuito magnético. Geoffrey A. Long et al. [9] extendió el concepto de vehículo de levitación magnética que se basa en imanes permanentes, y por lo tanto, difiere de EDS convencionales y suspensión electro magnética en vehículos de levitación magnética. Sin embargo, como para el tren de levitación magnética de baja velocidad, que adopta la asíncrona tracción motor lineal, así como la estructura de suspensión electroimán, compuesto por la forma de U imán permanente y electromagnético, su rendimiento electromagnético y campo electromagnético están aún por estar más lejos analizado y estudiado. En contraste con trenes de levitación magnética de alta velocidad, la suspensión y la tracción de los trenes de levitación magnética de baja velocidad se llevan a cabo por separado: suspensión del tren se consigue a través de la fuerza de atracción generado por los imanes y la
suspensión magnética en forma de U y las pistas en forma de F. Dentro del contexto de baja velocidad en trenes de levitación magnética que utiliza un electroimán híbrido, lo permanente del campo magnético del imán genera la mayor parte de la fuerza requerida con el fin de suspender el tren cuando está en un punto muerto, mientras que el campo magnético generado por las bobinas proporciona estabilidad para el tren, ya que está en movimiento, por lo tanto reducir el consumo de energía inherente en el tren de suspensión y que constituye una importante mejora en métodos de suspensión tradicionales. Dado que la distribución de campo de una suspensión electromagnética es complicada comparativamente, es difícil lograr un alto nivel de precisión en el análisis de este campo electromagnético utilizando los métodos de cálculo tradicionales utilizados para circuitos magnéticos. Por lo tanto, en interés de la obtención precisa de resultados, este estudio adoptó un método numérico finito cuando el análisis de la nueva forma de electroimán del híbrido propuesto en campo electromagnético.
2. Creación de modelos utilizando análisis numérico En contraste con electroimanes de suspensión tradicionales, la propuesta nueva forma de electroimán híbrido genera un campo electromagnético a través de una combinación de imanes permanente y bobinas de excitación. NdFeB De alto rendimiento es incrustado en el yugo en forma de U del imán permanente. Fig 1 representa las estructuras de dos diferentes tipos de electroimanes, así como las pistas en forma de F. Al llevar a cabo cálculos 2D utilizando Ansoft, es asumido que los núcleos de hierro de tanto el electroimán y la pista de
tipo F son ilimitadas de longitud. Aunque los cálculos 2D no pueden dar cuenta de la longitud del núcleo de hierro, la sección transversal del núcleo de hierro de magnetización se lleva en cuenta toda a otros factores. La construcción de un modelo 2D es sencillo; son conveniente cálculos, además de ser relativamente precisa. Sin embargo, un modelo 3D es necesario los cálculos de alta precisión de la fuerza de un electroimán, así como una aguda comprensión de los componentes internos del imán y distribución del campo, son obligatorios. Al llevar a cabo cálculos 3D utilizando Ansoft, se supone que las dos placas polares de núcleo de hierro en forma de U del electroimán híbrido, y el núcleo de hierro en forma de F, son más largos que los dos extremos del yugo por 30 mm. Dado que el núcleo de hierro tiene un alto nivel de permeabilidad, el efecto de un metal longitudinal adicional del núcleo para la distribución de campo electromagnético puede ser ignorado. Fig. 2 muestra el modelo obtenido utilizando cálculos 3D. 3. Análisis del campo electromagnético bajo cuatro condiciones típicas de trabajo 3.1 Condiciones típicas de trabajo Hemos llevado a cabo un análisis numérico del prototipo de suspensión del electroimán híbrido; los parámetros para la estructura del prototipo son las siguientes: el área de superficie lateral del imán permanente es 0,055 m 2; su profundidad es 28 mm; la anchura de las dos placas polares para el núcleo de hierro del electroimán en forma de U es 28 mm; la bobina de excitación tiene 240 bucles.
Los cálculos se llevaron a cabo de acuerdo con las cuatro siguientes condiciones típicas de trabajo: (i) una carga completa con una brecha de suspensión fijo de 8 mm, mediante el cual el imán permanente es responsable de proporcionar la mayoría de la fuerza de suspensión, y donde la bobina de excitación proporciona la muy pequeña cantidad suplementaria de fuerza requerida; (ii) una carga completa con una separación inicial de suspensión de 18 mm, por lo que tanto el imán permanente y la bobina trabajan juntos con el fin de proporcionar la fuerza de suspensión requerida por el vehículo a intervalos donde la brecha de suspensión es en su mayor; (iii) una carga completa con una brecha de suspensión de 10 mm (debido a las fluctuaciones en la brecha de la suspensión, esta condición de trabajo será razonablemente común cuando el vehículo está en movimiento); y (iv) una carga vacía con una brecha de suspensión de 3 mm, donde los guardias adicionales se ha instalado con el fin de evitar que el imán de recortes en las vías. En contraste con los vehículos convencionales de levitación magnética (que se basan exclusivamente en bobinas de excitación), el principal problema que debe tenerse en cuenta cuando se utiliza método de suspensión híbrida es la posibilidad de que el electroimán se 'pinza' en contra de las pistas, lo que plantea una amenaza para la operación segura del vehículo. Por lo tanto, con el fin de asegurar que el vehículo pueda operar con seguridad a una distancia mínima de suspensión de placas de cobre de 3 mm, que hemos instalado en las dos placas superficie del núcleo de hierro que evitará contra el recorte en forma de U. Estas placas están a ser incorporados en la final diseño de fabricación para el electroimán híbrido. El vehículo es más susceptible de cortar contra las pistas cuando se tiene sin
carga y se encuentra en su más ligero. En este punto, cuando la brecha de suspensión ha alcanzado su límite mínimo (tal como se define por las placas de cobre), el campo electromagnético producido por la corriente inversa de la bobina, en parte, contrarresta el campo del imán permanente; correspondientemente, la fuerza de suspensión cae, con lo que la brecha de suspensión trasera al estado normal de 8 mm. Los análisis y cálculos llevados a cabo con respecto a las mencionadas cuatro condiciones de trabajo pueden ser utilizado con el fin de discutir las diferencias en el rendimiento de un electroimán en contra de un electroimán híbrido bobina de excitación convencional, así como para juzgar si los parámetros de diseño para el imán de estructura son razonables y satisfactoria. 3.2 Análisis del electromagnético
campo
La Fig. 3 muestra, a través de cálculos 3D, la densidad del flujo magnético de tanto el núcleo de hierro de las pistas en forma de F y el núcleo de hierro del imán suspensión híbrida durante el trabajo condición (i) (brecha de suspensión de 8 mm y una corriente de bobina de 2.5 A). Como la Fig. 3 demuestra, la densidad de flujo magnético es mayor en el núcleo de hierro de las pistas en forma de F, así como en los componentes enfrentados del electroimán en forma de U. El área en las dos placas polares del electroimán en forma de U donde la densidad de flujo es más grande es el área adyacente a la bobina y los dos extremos longitudinales del imán permanente. Del mismo modo, la zona de la horquilla en forma de U con la mayor densidad de flujo magnético es del yugo de dos longitudinal. Dentro del imán permanente, el lado que está más cerca a la placa de núcleo de hierro tiene una
densidad de flujo magnético mayor que el otro lado. Mientras tanto, el análisis demuestra que el campo magnético de las diferentes partes del núcleo de hierro se distribuye de manera similar en todas las cuatro condiciones típicas de trabajo; Sin embargo, bajo condiciones de trabajo (ii) (a plena carga con una brecha suspensión inicial), porque la brecha suspensión es mayor, las diferentes partes del núcleo de hierro en forma de U tienen una mayor densidad de flujo magnético que en condiciones de trabajo (i). La fuga de flujo es más grave en la condición (IV) de trabajo, porque aunque tanto el campo magnético y la brecha de suspensión son pequeñas, los campos magnéticos de la bobina excitante y el imán permanente son de direcciones opuestas. 3.3 Cálculos para suspensión
la
fuerza
de
Tabla 1 a continuación enumera los resultados obtenidos tanto para el 2D y 3D el análisis de la fuerza de suspensión en virtud de los cuatro diferentes condiciones típicas de trabajo. Dado que el análisis tiene en cuenta en 3D la longitud del núcleo de hierro, sus cálculos de la fuerza de suspensión son más precisos. Dado que las condiciones de masa y de carga híbrida del electroimán alimentado por vehículo son los mismos que con un vehículo de levitación magnética convencional, la cantidad de fuerza de suspensión requerida para diferentes vacíos de suspensión es la misma. Por otra parte, la cantidad de fuerza que guía vehículo producido entre el electroimán y la suspensión en forma de U y Pistas en forma de F es también la misma. Bajo una brecha de suspensión de 8 mm, cuando la bobina de excitación de corriente es igual a 0, la fuerza de suspensión para un electroimán individuo
es 7120,1 N: sólo un poco menos que la fuerza de suspensión producida por la bobina cuando su actual es 2,5 A. Esto demuestra que en el contexto de trabajar condición (i), el imán permanente es el principal responsable para la suspensión del vehículo; por lo tanto, poca energía es perdida durante la suspensión del vehículo. Del mismo modo, podemos observar a través de la Tabla 1 que los cálculos 3D para trabajar condición (i) fuera un poco menos que los cálculos 2D, con una diferencia de 7,6% entre los dos.
4. Influencia de la corriente de bobina y la brecha de suspensión en la fuerza electromagnética 4.1 Relación entre la fuerza electromagnética y la brecha de suspensión bajo funcionamiento en condiciones normales La Fig. 4 muestra los cambios en la fuerza de suspensión de los siguientes incrementos electromagnéticos en la brecha de suspensión bajo las cuatro condiciones típicos de trabajo (con su correspondiente bobina de valores actuales). A partir de la figura 4, podemos obtener la siguiente conclusión: cuando la corriente eléctrica es estable, la fuerza disminuye a medida que la suspensión se aumenta brecha de suspensión. Cuando la brecha suspensión es 11 mm y la corriente eléctrica es inferior a 22.1 A, hay una relación casi lineal entre la fuerza de suspensión y la brecha de suspensión, donde la fuerza se expresa en suspensión curvas suaves que se corresponden directamente con las fluctuaciones en la brecha de suspensión. Cuando la brecha de la suspensión es inferior a 6 mm, la relación entre la fuerza y la suspensión de la brecha de suspensión es evidentemente no lineal; esto es
principalmente debido a la saturación magnética. 4.2 Influencia de la corriente de la bobina de excitación en la fuerza electromagnética La Fig. 5 muestra los cambios en la fuerza de suspensión producido por los siguientes híbridos electromagnéticos incrementando en la corriente de la bobina bajo las cuatro condiciones típicas de trabajo (con sus valores de ranura de suspensión correspondientes). A partir de la Fig. 5, se puede observar que, cuando la brecha de suspensión es estable, mayor será la corriente hacia adelante de la bobina de excitación, mayor será la fuerza de suspensión que produce. Sin embargo, Una vez que la corriente directa ha aumentado más allá de un cierto valor (por ejemplo, 15 A cuando la brecha suspensión es 3 mm), la influencia que tiene en la fuerza de suspensión disminuye gradualmente y su línea en el gráfico correspondientemente a mesetas. Esto demuestra que el núcleo de hierro está cerca de alcanzar saturación magnética. Para comparar mejor las diferencias entre el electroimán híbrido y su homólogo convencional, Fig. 6 demuestra la relación entre la corriente de la bobina y fuerza de suspensión en un electroimán que se basa únicamente en una bobina de excitación con una brecha de suspensión de 8 mm. Para los efectos de la presente investigación, la suspensión tradicional de la bobina de excitación del electroimán tiene 360 bucles; Por otra parte, el yugo del núcleo de hierro no tiene un imán permanente. Aparte de estas dos grandes diferencias, el diseño de parámetros del electroimán tradicional son los mismos que las del electroimán híbrido. Al comparar. Figuras 5 y 6, se puede observar que la suspensión híbrida del
electroimán todavía produce la fuerza de suspensión incluso cuando la corriente de su bobina de excitación es igual a cero; Por otra parte, cuanto menor es la brecha de suspensión, mayor es la cantidad de fuerza que se genera de forma independiente por el imán permanente. Además, la fuerza de suspensión producida por suspensión de electroimanes basada bobina es puramente el mismo independientemente de la dirección de la corriente de la bobina, mientras que en electroimanes híbridos, la fuerza de suspensión producida por una corriente de bobina hacia adelante es diferente de la producida por una corriente de bobina inversa.
5. Medidas experimentales
En primer lugar, la fuerza de la suspensión del electroimán híbrido era medida cuando el vehículo estaba en un punto muerto. Estas mediciones se compararon con los resultados del análisis numérico finito 3D. La desviación entre los dos cálculos es inferior al 6%, como se muestra en la Fig. 9. El rendimiento dinámico del electroimán híbrido (es decir, su rendimiento cuando el vehículo está en movimiento) se puso a prueba usando una pista de prueba de medición de 1,5 kilómetros. Esta prueba reveló que el electroimán lleva a cabo con éxito en diferentes cargas de la suspensión. El electroimán híbrido alcanzó una temperatura máxima de 35°; considerablemente más frío que la temperatura máxima de 110° producida por su contraparte no-híbrida.
La Fig. 7 es una fotografía de un prototipo para un electroimán híbrido. Cada coche de un tren de levitación magnética tiene cinco bogies (conjunto de dos o tres pares de ruedas), donde se ha instalado un electroimán híbrido en ambos lados de cada bogie. Cada electroimán híbrido se compone de cuatro electroimanes individuales que comparten las dos placas polares del núcleo de hierro.
Además, las mediciones llevaron a cabo (cuando el vehículo estaba en un punto muerto y en el entrelazado de movimiento modelo) trabajando con condiciones de trabajo (i) revelar que el consumo de energía de un electroimán híbrido es sólo una cuarta de la de un electroimán tradicional; el híbrido por lo tanto electroimán constituye una innovación importante en el ahorro de energía.
Como se demuestra en la Fig. 8, se realizó pruebas en la fuerza electromagnética estática de la suspensión híbrida de electroimanes después de que fueron instalados en los bogies del prototipo de vehículo. Pesos estándar se aplicaron a los bogies de manera que la carga suspensión se pudo determinar en antelación. Mientras tanto, se midió la brecha suspensión utilizando un sensor de corriente parásita. Mediante el ajuste de la corriente de la apasionante bobina de acuerdo a las diferentes lagunas de la suspensión, la fuerza de suspensión podría hacerse igual a la carga de la suspensión.
Aunque la inversión inicial necesaria con el fin de adoptar electroimanes híbridos pueden ser más caros que el costo de adoptar electroimanes tradicionales, basados bobina pura, esta inversión se verá compensado por la cantidad de dinero salvo causa de la eficiencia energética del electroimán. A utilizar S1 de baja velocidad en Línea Maglev de Pekín como un ejemplo, estudios han revelado que un coche toma 1743.2 s para completar un viaje redondo de toda la línea. Durante este tiempo, un coche maglev utilizando electroimanes consume tradicionalmente 1667.2 kWh. Si fuera el electroimán tradicional sea adoptado en
favor de un electroimán híbrido, el coche lo haría utilizando sólo 416,8 kWh. De acuerdo con los costos actuales, la inversión inicial podría ser compensado en aproximadamente 3.5 años.
7. Referencias 1.
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6. Conclusión En esta nueva forma de suspensión de electroimán híbrido, el campo electromagnético producido por imanes permanentes es responsable de la suspensión del vehículo, mientras que la fuerza adicional proporcionada por la bobina de excitación sirve para mantener estable el vehículo. En este estudio se adoptó un número finito de enfoque con el fin de analizar el rendimiento de suspensión híbrido de un electroimán para su uso en un tren de levitación magnética de baja velocidad. En este estudio se desarrolló igualmente una ingeniería prototipo, que se instaló posteriormente en un coche real de levitación magnética y se somete a una serie de experimentos. Ambos de los experimentos y sus cálculos anteriores revelan que la adopción de suspensión híbrida de un electroimán es factible, y que un electroimán de este tipo es capaz de proporcionar la fuerza requerida para la suspensión del vehículo. Este estudio igualmente revela que, cuando el límite mínimo para la suspensión que la brecha se ha alcanzado, la fuerza electromagnética puede ser regulada a través de una corriente inversa adicional proporcionada por la bobina de excitación. Tras el abandono de un electroimán tradicional en favor de una estructura híbrida, la energía consumida del vehículo de levitación magnética se redujo en un 400% y la temperatura del el electroimán se redujo drásticamente, por lo tanto el logro de los objetivos de eficiencia energética.
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