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永磁导体板电动式磁悬浮列车具有悬浮气隙大、轨道结构简单和性价比好的特点,但其较低浮阻比和永磁重量大对列车产生不利影响,所以有必要优化设计与研制车载永磁体,做到重量轻、磁场强、磁场谐波小和可靠性好,同时经实验验证能改善磁浮列车性能和提高浮阻比。
本文的工作包括四个方面。首先在磁体优化设计方面,通过改变Halbach磁体的磁块长度、宽度和磁化矢量方向,力求用最少的永磁材料得到更强的磁场,改善磁性材料利用率。通过研究得到了优化的磁块长度;定义和计算合理的磁块宽度,得到了较大的磁场水平分量;优化磁化矢量方向,进一步提高了磁场的水平分量。研制并测试了4组模型磁体,验证上述优化设计的正确性。第二,分析电动式磁悬浮特性。在合理假设的基础上,建立简化的二维模型,由电磁场方程用解析法得到悬浮力、磁阻力和浮阻比的速度特性,并同Ansoft仿真、实验实测结果进行比较。第三,设计和建造了实验装置。构造特殊机械结构实现机械解耦(直线导轨和力传感器来测试悬浮力,扭矩传感器来测试磁阻力),自动采集和处理数据。最后,进行了实验研究。更换3组磁体和2个导体板,调整气隙高度,在不同速度下测定了悬浮力和磁阻力,研究磁体优化对磁悬浮性能的影响和磁悬浮系统的规律。
研究结果表明,对8模块Halbach磁体的优化和设计,得到了优化的磁块长度解析表达式(D=8πD/41n[l/(1+D)])、磁块宽度和磁化矢量的优化结果,模型磁体的研制和测试表明优化设计正确。电动式磁悬浮系统二维模型分析和实验装置实测结果吻合。建造了旋转实验装置,实验结果证明磁体的优化设计能够改善磁悬浮系统的性能,提高浮阻比,并进行了磁悬浮性能的实验研究。