中低速磁浮列车悬浮系统仿真研究

摘要

悬浮系统是中低速磁浮列车的核心部件，是保障列车正常运行的基础，研究悬浮系统对提高列车运行稳定性具有重要意义。实际当中，磁悬浮列车在运行中遇到的外部扰动较多，如负载变化、空气阻力、加/减速、转弯、坡道和轨道加工误差等因素都会对悬浮造成的扰动力。因此，在设计悬浮系统时，首先必须建立准确的电磁铁悬浮力非线性模型，同时还必须考虑各种干扰力的作用大小，设计出大范围内可稳定的控制策略，以期提高整个系统的抗干扰能力。
　　本论文主要采用软件仿真技术对悬浮系统进行研究，包括电磁场有限元分析和控制系统建模与仿真两大部分。首先进行电磁场有限元分析，以一个电磁铁模块为模型，通过ANSOFT二维和三维有限元分析，对电磁力随电流和悬浮气隙的变化情况进行仿真，得出悬浮力随悬浮电流和悬浮气隙的变化规律;同时也仿真了列车在静态时出现横向偏移、侧滚时电磁铁的电磁场分布以及动态时的电磁铁的电磁场分布，根据仿真结果对电磁铁和F轨进行结构优化设计，并将仿真结果与解析结果进行了对比;另外，还对控制系统进行了建模与仿真，将两组刚性连接的电磁铁模块视为一个整体，推导刚性动力学方程，并结合三维电磁场有限元分析结果，建立电磁铁悬浮特性仿真模型，通过对不同控制策略的仿真分析，进一步指导控制系统的设计，提高系统抗干扰能力，使悬浮控制系统能够在整个悬浮间隙范围内实现稳定控制。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 磁浮列车的发展概况

1．1．1 德国磁浮列车TR

1．1．2 日本超导磁浮列车MAGLEV

1．1．3 日本中低速磁浮列车HSST

1．1．4 韩国中低速磁浮列车UTM

1．1．5 国内中低速磁浮列车

1．2 中低速磁浮列车的悬浮系统研究现状

1．2．1 悬浮电磁铁

1．2．2 悬浮控制系统

1．3 本论文的主要研究内容

1．4 本章小结

第2章 导轨与悬浮电磁铁的截面优化设计

2．1 导轨与悬浮电磁铁结构

2．2 初始设计结构的分析结果

2．2．1 二维分析模型

2．2．2 额定工作点处的分析结果

2．2．3 电流与悬浮间隙对悬浮力的影响

2．2．4 侧向偏移对悬浮力与导向力的影响

2．3 电磁铁截面结构的优化

2．3．1 额定气隙下电流对磁场分布与悬浮力的影响

2．3．2 极板厚度对磁场分布与悬浮力的影响

2．3．3 绕组通风槽对磁场分布与悬浮力的影响

2．3．4 极板结构的改进

2．4 导轨截面结构的优化

2．4．1 θ1对磁场分布与悬浮力的影响

2．4．2 θ2对磁场分布与悬浮力的影响

2．4．3 H1对磁场分布与悬浮力的影响

2．4．4 H2对磁场分布与悬浮力的影响

2．4．5 优化后的导轨截面

2．5 导轨与电磁铁优化后分析结果

2．6 本章小结

第3章 电磁铁运动姿态对悬浮力的影响

3．1 导轨与悬浮电磁铁三维结构

3．2 理想工况下的分析结果

3．2．1 三维磁场分布

3．2．2 悬浮力分析结果

3．2．3 电磁铁绕组电感计算

3．3 电磁铁运动姿态对悬浮力的影响

3．3．1 电磁铁横向偏移时

3．3．2 电磁铁侧滚时

3．3．3 电磁铁纵向偏转时

3．3．4 综合运动姿态的影响

3．4 过曲线导轨对悬浮力的影响

3．4．1 过横曲线

3．4．2 过竖曲线

3．5 导轨与电磁铁优化后分析结果

3．6 本章小结

第4章 悬浮控制系统仿真与实验

4．1 单电磁铁数学模型

4．1．1 系统动态方程

4．1．2 平衡点处的线性化模型

4．2 电磁铁模块刚性动力学方程

4．3 悬浮控制仿真与实验

4．3．1 两点悬浮耦合效应仿真

4．3．2 单点悬浮仿真与实验对比

4．3．3 不同控制策略的仿真比较

4．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士研究生学位期间发表的论文及科研成果