学生在超级高铁设计大赛中展示仿真优化设计方案

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作者Bauke Kooger

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2016年 11月 8日

今天,我们邀请了来自荷兰代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)的特约作者——Bauke Kooger,一起讨论有关超级高铁中磁悬浮系统的建模问题。

超级高铁(Hyperloop)是一种设想中的运输方式,系统中的车辆或“胶囊”座舱以声速通过低压真空管道。在如此高的运行速度下,磁悬浮推进系统相比于空气轴承和车轮系统,展现出了巨大的优势。为了测试构想方案,代尔夫特大学的超级高铁研发团队在 COMSOL Multiphysics® 软件中模拟了他们设计的车舱磁悬浮系统。

等等,什么是超级高铁?

超级高铁的概念最早是由美国太空探索技术公司 SpaceX 的创始人——埃隆·马斯克(Elon Musk)提出的。加利福尼亚政府计划在旧金山和洛杉矶之间修建一条高速铁路,而埃隆·马斯克设想出一种更快速、清洁、廉价的运输方式:将小型车舱安装在一条真空管道中,车舱并不依靠车轮前进,而是悬浮在空气轴承上。管道中的低压环境消除了大部分空气曳力,剩余的空气被进一步压缩,使曳力大为减少,从而保证空气轴承可以正常工作。

不过马斯克并不打算自己设计超级高铁。2016 年,SpaceX 举办了一场设计竞赛,他们按照 1:2 的比例修建了一条 1.5 km 的测试轨道,并邀请来自世界各地的团队来设计管道中的车舱。

图像展示了代尔夫特大学团队在超级高铁大赛中的参赛作品。
代尔夫特大学团队在超级高铁大赛中的参赛作品。

照片展示了代尔夫特大学的超级高铁参赛车辆。
在 2016 年 7 月是展示活动上,代尔夫特大学的超级高铁参赛车辆。

代尔夫特大学的超级高铁开发团队参加了 2017 年 1 月的 SpaceX 超级高铁车舱设计决赛。近 30 名团队成员基本上都是荷兰代尔夫特大学的学生。在评估完整个系统的设计概念后我们发现,使用磁悬浮将比最初计划的空气轴承更具优势,它有利于降低系统的复杂性和成本。

借助 COMSOL Multiphysics® 设计磁悬浮系统

磁悬浮技术具有多种类型,主要可以分为主动控制的吸引力悬浮系统(即电磁悬浮)和自稳的被动排斥式电动悬浮系统。我们在参赛设计中采用了后一种系统,其实它的概念相当简单。在铝板等导体表面移动永磁体,导体表面产生感应涡流,感应涡流反过来在移动磁体上产生洛仑兹力,驱使其向上提升。既然比赛管道会安装铝轨道,这种悬浮概念就可以应用到代尔夫特大学设计的车舱中。

照片展示了电动悬浮。
电动悬浮的模拟演示。手柄用于旋转塑料盖下的铝盘,可以看到一小块装入超级高铁外壳中的钕磁体明显悬浮在铝盘上方。

制动磁体的仿真结果。
图片展示了轨道上方产生的涡流。

左:制动磁体的可视化图像,它们位于轨道上 I 型梁的两侧。右:磁体在轨道上方移动时,轨道中产生的涡流。

在直线运动中,移动磁体上的洛仑兹力可以分解为两个分量:一个作用于磁体的升力,另一个是与磁体移动方向相反的曳力。它们分别被称为升力分量和曳力分量,后者常常应用于涡流制动器。两种力的大小取决于速度、磁体尺寸、场强、轨道的导电性和间隙高度等因素。因此,在选择磁体配置之前,我们需要研究上述参数对升力和曳力的影响。

对于超级高铁系统而言,最佳条件是曳力分量小,升力分量大。这是因为空气隙越大,对轨道的加工和安装精度要求便越低,而轨道精度正是超级高铁系统的主要成本要素之一。

前转向架的可视化图像。
图像展示带悬浮转向架、制动器和悬挂系统的后转向架。

左图:轨道的前转向架渲染图,其中包括“滑雪板”和悬浮转向架,悬浮磁体和制动器分别位于轨道两侧和中间。右图:带悬浮转向架、制动器和悬挂系统的后转向架。可以看到轨道中的 I 型梁。

我们的超级高铁车舱使用了四个磁性“滑雪板”,共同组成了 Halbach 磁体阵列,在这个配置中,靠近轨道的磁场强度较大,靠近乘客的磁场强度较小。在 COMSOL Multiphysics 中,我们使用了“AC/DC 模块”下的磁场和电场接口确定了磁体参数与升力和曳力之间的关系。随后,我们进行了参数化研究,绘制了选定磁体配置中升力和曳力随速度和间隙高度变化的关系图。

基于仿真与试验测试对磁悬浮系统进行评估

下图显示了当间隙高度不变时,升力和曳力的变化曲线。随着速度增加,磁悬浮曳力先达到了峰值,然后逐渐减小,与升力形成了显著的对比,这种情况非常适合于高速行驶。增加磁体尺寸也能有效地减少曳力。

图像对比了升力和曳力。
电动悬浮系统中典型的升力和曳力曲线。

我们对制动器系统进行了类似的仿真设计,并在系统设计中采用了涡流制动器。当车舱需要停下来时,制动器会牢牢钳住轨道。这一动作需要强大的曳力分量才能奏效,因此我们使用 COMSOL Multiphysics 可以快速确定磁体配置,满足方方面面的要求。

为了验证模型,我们建立了测试装置,并对最终采用的磁体中力和速度与间隙的变化关系进行了计算,最终发现仿真和测试结果高度一致。上述的变化曲线对于整车模型和控制系统而言至关重要,所以研究人员务必仿真分析的准确性。我们在 COMSOL® 软件中针对整个汽车系统设计出了满意的磁体阵列,在低速行驶期间,汽车能够悬浮在轨道上;在正常行驶期间,间隙高度可以轻松地维持在 20 mm 以上。

有兴趣了解如何设计电磁系统吗?请查看下列资源

特约作者简介

代尔夫特理工大学的 Bauke Kooger 的照片。

Bauke Kooger 是荷兰代尔夫特理工大学的应用物理学硕士,他十分热爱将物理学转化为工业技术。Bauke Kooger 曾为电动赛车设计过电池,相关的实践经验让他十分清楚如何将自己的专业知识应用于仿真、设计和测试,这帮助他代尔夫特大学超级高铁团队的磁悬浮系统项目。

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