摘要:利用超导材料的零电阻，大载流特性，可解决常导电磁悬浮(EMS，ElectromagneticSuspension)系统中存在的线圈耗能严重，磁体易发热等问题。提出了一种“高温超导+常导”结构的混合EMS系统，其中，超导线圈置于U型铁芯中间，提供列车所需主要悬浮力，常导线圈置于U型铁芯两端，起调节控制作用。通过对该系统进行建模，并利用ANSYSMaxwell2D仿真模块对其悬浮力进行分析，验证系统的性能与可靠性。结果表明，所提出的混合模型相较常导EMS模型悬浮性能具有较大提升，且常导线圈具有很好的调节控制效果，能够满足磁浮系统的高稳定性要求。
关键词:电磁力仿真;混合EMS磁悬浮;悬浮力分析;性能评估
1引言
磁浮列车是一种新型的轨道交通工具，其利用电磁力实现列车与轨道的无接触悬浮和导向[1-3]，利用直线电机牵引列车运行，具有速度快、噪声低、安全舒适、爬坡能力强、选线自由灵活、维修工作量小等优势，为解决城市内部交通、近距离城际交通以及旅游景点交通问题提供了一种理想交通工具，具有巨大的市场潜在价值，发展前景乐观。
常导电磁悬浮EMS是一种成熟的悬浮技术[4-6]，将置于导轨下方的电磁铁通电励磁产生磁场，与轨道上的铁磁性构件相互吸引，列车向上浮起，但不与轨道接触，悬浮于轨道上。电磁铁和轨道的悬浮气隙很小，一般在10mm左右，这是因为电磁吸力与悬浮气隙的平方成反比的关系，气隙增大会使电磁力迅速减小，要维持车载重量会加大电磁铁的供电电流，这一方面会造成线圈能耗的急剧增加;另一方面会使电磁铁更易发热，不利于悬浮系统的持久运行。
得益于超导技术的发展，高温超导材料逐渐应用于磁浮列车的悬浮结构设计上[7，8]，但超导带材内部通流的变化速度不宜过快，否则便有失超的风险。针对纯超导EMS系统存在不够稳定的问题，本文提出一种“高温超导+常导”混合EMS结构，即在U型铁芯中段采用封装在杜瓦中的超导线圈提供悬浮力，极大减小系统损耗，同时减轻系统重量。U型铁芯的两端采用较少匝数的常导线圈进行调节与控制，提高系统的稳定性。
2EMS系统结构分析
混合EMS系统的电路控制结构示意图如图1所示。缠绕在电磁铁中段上的超导线圈用来提供主要悬浮力，而两端缠绕的常导线圈用来快速调节与控制悬浮间隙的变化。三处线圈分别通过电流传感器采集信号，传递至控制电路进行分析，再通过斩波器对线圈分别进行控制。由于磁悬浮系统是以电磁力实现悬浮功能，因此提供电磁力的线圈以及电源系统的可靠性极为重要。
相对于铝线，超导线材具有很大的载流能力，故将常导线圈换成超导线圈后可以大幅地降低线圈匝数及重量。而且线圈由于通直流电流，超导线圈不存在损耗发热问题，可以有效地降低损耗。本设计所用超导带材为上海超导科技有限公司生产的二代超导带材YBCO，产品型号为ST-4.8-L，带材宽度为4.8mm，厚度为0.23mm。产品出厂检测报告中的临界电流为180A，实测数据为220A左右。本设计中设定超导线圈额定通流100A。
2.1超导线圈与常导线圈参数对比
将常导线圈换成超导线圈后，由于超导线圈体积的大幅减小，导致磁体长度相较之前略有减小，此外由于超导线圈与铁芯之间存在线圈骨架及杜瓦的间隔，导致超导线圈的漏磁比常导线圈的漏磁要严重一些，因此在相同安匝数的情况下，超导磁体的悬浮力不及常导磁体，可通过增加线圈匝数以及增大线圈通流的方法进一步提升安匝数从而提升悬浮力。经过多次仿真计算比较，得知匝数为141匝时超导电磁铁与常导电磁铁产生的悬浮力大致相当，进一步增加超导线圈匝数对车体重量影响很小，但可有效提升列车的载重能力，在确保悬浮力且节省带材的前提下，确定线圈匝数为150匝。具体各个参数的变化如表1所示:
2.2电磁力分析
根据表1的参数，在有限元软件ANSYSMaxwell内建立仿真计算模型，根据超导线圈的临界电流，考虑了超导线材的实际尺寸，分别仿真计算了悬浮结构磁场分布趋势，比较了铝线圈换成超导线圈后悬浮系统重量的减少和悬浮力的增大。常导磁悬浮和超导磁悬浮电磁结构磁场分布云图分别如图3和4所示。对比两图可以发现，随着安匝数的提升，铁芯内的最大磁场密度也相应地有所提升。
表2给出了超导电磁铁代替常导电磁铁后悬浮性能的变化情况，从表中可以看出，由超导电磁铁构成的磁浮列车整车的悬浮力为1141480.8N，与常导电磁铁相比，可额外增加101512.80N的悬浮力，假设一个成人的重量为70kg，则整车可额外容纳148名乘客。此外，由常导电磁铁换成超导电磁铁导致线圈重量的降低可达3731.76kg，因此与常导电磁铁悬浮系统载重量相比，整车又可额外容纳约53人的重量，即在不考虑杜瓦重量的情况下，整车可增加约201人的承载重量。
3常导线圈对悬浮力的影响分析
为了确保悬浮系统的稳定性，在U型铁芯两端加装常导线圈，与超导线圈提供主要悬浮力的作用不同，常导线圈的作用是通过快速调整内部通流从而调节、控制悬浮间隙。U型铁芯两端所绕线圈为截面积24mm2的扁平铝导线，额定通流35A。下面将利用ANSYSMaxwell软件的2D模块，采用参数扫描的形式，探究不同匝数(10、15匝)下，常导线圈不同通流条件(-35～35A，间隔5A)对悬浮力的影响作用。
3.1常导线圈单独通流悬浮力分析
图5为超导线圈不加激励，常导线圈缠绕不同匝数(10匝、15匝)情况下，悬浮力随电流变化(-35～35A)的对比情况。
从图5中可以看出，悬浮力与所通电流大体呈二次函数关系。超导置0，常导匝数为10匝，通流范围为-35～35A时，即每端线圈安匝数变化范围为-350～350A·N时所产生的悬浮力范围为0～21.68N。同样的，常导匝数为15匝时所产生的悬浮力范围为0～48.39N。由数据看出，单独由常导线圈激励产生悬浮力的调整范围是极为有限的。
3.2超导与常导线圈同时通流悬浮力分析
图6为超导线圈施加15000A·N激励，常导线圈缠绕不同匝数(10匝、15匝)情况下，悬浮力随电流变化(-35～35A)的对比情况。
从图6中可以看出，当常导线圈不加激励，仅对超导线圈施加15000A·N激励时，所产生的悬浮力为9512.34N。在超导激励不改变，常导线圈缠绕匝数为10匝且通流范围为-35～35A时，产生悬浮力的范围为8782.99～10399.13N，即常导线圈可产生的悬浮力调整范围为-729.27～886.87N，相较于超导线圈所产生的悬浮力，常导线圈的调整范围为-7.67%～9.32%。在超导激励不改变，常导线圈缠绕匝数为15匝且通流范围为-35～35A时，产生悬浮力的范围为8387.26～10785.81N，即常导线圈可产生的悬浮力调整范围为-1125.08～1273.47N，相较于超导线圈所产生的悬浮力，常导线圈的调整范围为-11.83%～13.39%。
3.3“线性叠加”与“同时通流”悬浮力分析
超导线圈的激励为15000A·N时所产生的悬浮力为9507.3N，将此值与超导置零、常导线圈单独激励产生的悬浮力进行线性叠加，将其结果与超导和常导线圈同时通流的悬浮力对比，结果如图7、图8所示，其中，两图的横坐标均为常导线圈的通流数值。
通过图7、图8可以看出“线性叠加”比“同时通流”产生的悬浮力要小得多。以常导线圈匝数15时为例，如图8所示，仅对常导线圈通流时，额定通流35A以内产生的悬浮力变化范围仅为0～48.39N;而当对超导线圈及常导线圈同时施加激励时，常导线圈额定通流35A以内产生的悬浮力变化范围为-1125.08～1273.47N，悬浮力调整效果显著。
分析上述现象背后的电磁机理为，单纯常导作用时，所加激励本身较小，加之存在一定的漏磁通，使其能够产生的悬浮力极其有限。此时铁芯远未达到饱和状态，悬浮力与所通电流呈二次函数关系(见图5)。而常导和超导线圈同时作用时，存在超导与常导线圈间的电磁作用，常导线圈激励的加入对超导线圈激励所产生的磁场分布产生了影响，由于其基值较大，故其变化相对于单独施加常导激励所产生的悬浮力变化范围要大很多。因此，混合悬浮装置产生的悬浮力变化范围较单独对常导线圈施加激励要大得多。
超导线圈所加激励为15000A·N，其电磁分布情况如图4所示，此时最大磁密度已达1.74T，主磁通和漏磁通都比较大。图9为常导线圈10匝、通流35A时电磁铁的磁场分布情况，此时其最大磁感应密度已达1.779T。图10为常导线圈15匝、通流35A时电磁铁的磁场分布情况，此时其最大磁感应密度已达1.7936T，验证了前面关于其电磁机理的分析。
相对于线性叠加悬浮力的变化情况，超导线圈和常导线圈同时激励作用时的悬浮力变化情况更与实际情况相符，因此更具参考意义。在超导激励不改变，U型铁芯每端常导线圈匝数为10匝且通流范围为-35～35A时，相较于超导线圈所产生的悬浮力，常导线圈的调整范围为-7.67%～9.32%。常导线圈匝数增至15匝时，悬浮力的调整范围便增大为-11.83%～13.39%。可根据实际情况酌情选择常导线圈匝数，以达到对电磁铁进行悬浮控制的目的。
4总结
本文在常导EMS悬浮结构的基础上，分析了超导线圈替代常导线圈后系统悬浮性能的提升情况。为提高超导EMS系统的稳定性，提出一种混合EMS结构的磁悬浮系统设计方案。该方案在U型铁芯中间缠绕超导线圈，起悬浮作用，两端缠绕常导线圈，起调节作用。通过有限元仿真分析得出了常导线圈在不同工况下悬浮力的调整范围。
本文所提出的“高温超导+常导”混合EMS结构，不仅可以充分发挥超导线圈的零电阻、大载流特性，也因为采用常导线圈可实现快速地悬浮控制，大大提高了系统的稳定性，为超导磁悬浮结构设计提供了参考依据。——论文作者：罗华军1，李文龙2，方心宇2，方进2，周文武3，张兴华3
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