技术与市场创新与实践２０２１年第２８卷第１期
黄海涛，李志国
（湖南磁浮交通发展股份有限公司，湖南长沙４１００００）
摘 要：电磁铁是磁浮列车悬浮的执行部件，在悬浮磁铁线圈中通入电流后，悬浮电磁铁与Ｆ轨间产生电磁吸力，实现车辆的悬浮和导向功能。长沙磁浮列车在前期试验阶段出现过电磁铁发热、裂纹、流胶等现象。主要对悬浮电磁铁运用过程中出现的发热、裂纹、流胶等问题的原因进行分析及预防措施展开探讨。
关键词：磁浮列车；电磁铁；裂纹；流胶；原因；预放措施
LED路灯外壳ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－８５５４．２０２１．０１．０１２
引言
磁悬浮列车是一种现代高科技轨道交通工具，它通过电磁力实现列车与轨道之间无接触的悬浮和导向，
再利用直线电机产生的电磁力牵引列车运行。我国从２０世纪８０年代开始了常导磁浮列车的研究。作为高端的轨道交通技术，国家将磁浮列车关键技术研究列入“八五”攻关计划，并在“十一五”“十二五”中将磁浮交通系统作为国家科技支撑计划之一。目前全球仅中国、日本、韩国３个国家掌握中低速磁浮交通的运用技术。
电磁铁悬浮原理及结构
长沙磁浮列车采用的是常导吸引型中低速磁浮技术。轨道下方的电磁铁通电后和Ｆ轨下表面之间产生异性相吸的电磁力，电磁铁通过托臂与车体相连，从而将整个车体向上托起，使车体与轨面之间形成一个８ｍｍ左右的间隙，最终达到列车悬浮起来的目的。
电磁铁由内侧极板、铁芯、线圈、外侧极板、托臂连接件座等几大部件组成，电磁铁外观及断面如图１和图２所示。
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图１ 悬浮电磁铁三维结构示意图
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图２ 悬浮电磁铁截面示意图 电磁铁应用问题
长沙磁浮线在前期试验阶段，悬浮电磁铁线圈出现了表面裂纹、流胶甚至过热等故障现象。通过对电磁铁裂纹特征分析发现，裂纹走势表现为单一的棱边裂纹，且裂纹较长，几乎占据整个棱边，主要集中于线圈浇注体的弧形外表面，如图３所示。根据电磁铁裂纹表征，初步怀疑为电磁铁浇注体棱边形成热膨
胀应力裂纹。
图３ 电磁铁热膨胀裂纹
电磁铁实验分析
针对电磁铁线圈裂纹及过热故障所怀疑的原因，长沙磁浮公司组织各参研单位进行了一系列的电磁铁过载能力实验、电磁铁线圈高温耐受能力实验及过载破坏性实验。具体实验方案如下：将电磁铁接通不同大小电流，模拟不同的外部环境（温度、风速等），观察其绕组不同部位的温度变化情况及线圈有无裂纹、冒烟、流胶等现象，部分实验数据如表１所示。
以上试验结果充分说明电磁铁线圈工作或试验电流越大，线圈的温升越高，且内外温差也越大，线圈内部的热膨胀应力导致浇注层受到的应力越大，当输入电流超出许用范围之后，会出现线圈整体过热受力，形成热膨胀应力裂纹。
原因分析
根据磁浮列车当时试验阶段故障的实际情况及实验数据分析，电磁铁线圈高温导致发热、裂纹及流胶故障主要存在如下原因。
１）磁浮列车正在做超载运行实验，悬浮载荷较大，且当时列车载荷不均形成偏载，导致个别悬浮点电流超高，造成电磁铁线圈温度持续上升。
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２）磁浮列车当时因试验需要，需要长时间停靠站台进行
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创新与实践ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＡＮＤＭＡＲＫＥＴ
Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．１，２０２１
表１ 电磁铁载荷能力试验
模拟状态时间／ｍｉｎ试验状况环境温度／℃绕组平均温度／℃绕组平均温升／℃空载１２０模拟空载状态，电流为３０．３Ａ２４．５１０９．５８５满载１２０模拟满载状态，电流为３２．１Ａ２５．１１１３．２８８．１超载１２０模拟超载状态，电流为３５．６Ａ２６．２１２０．３９４．１
异常状态电流３００
电流４７Ａ，通风４５ｋｍ／ｈ，温升达到稳定，线
圈无开裂，无焦糊味
２７．５１３５．９１０８．４６０电流调整６０Ａ，线圈无异常２８．２１４１．５１１３．３６０发现裂纹２８．１２０９．４１８１．３９０闻到焦糊味，有轻微的白烟２７．７２７１．２２４３．５３０焦糊味明显，白烟明显增大２７．６２９２．８２６５．２４线圈底部流出黑胶状物质２７．５２９３．１２６５．６４
将电流加大至７０Ａ，线圈开始流出大量的
黑胶状物质，白烟持续增大
２７．３２９４．６２６７．３１
大量喷出黑的胶状物质，同时伴有大量
的白烟，试验结束
２７．２３００．４２７３．２
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数据采集，期间电磁铁线圈一直处于通电悬浮状态，且站台悬浮架底部通风不良，导致电磁铁温度过高。
３）长沙磁浮列车试验阶段，长沙正处于夏季，气温已高达４０℃，更加剧电磁铁温度上升。
４）由于当时长沙磁浮列车电磁铁无温度检测和保护功能，无法对电磁铁状态进行预判，导致电磁铁过热、裂纹和流胶故障发生前未能及时采取相应保护措施。
& 预防措施
经上述分析，电磁铁线圈过热、裂纹和流胶故障均为电磁铁内部高温导致，所以必须从监控保护方面增加电流预警与保护功能，避免电磁铁长时间承受大电流和高温。通过相关试验验证，当电磁铁线圈电流工作在４５Ａ以下，电磁铁不会出现发热、裂纹、流胶等异常情况，当电流调整到６０Ａ，通电１ｈ后电磁铁出现裂纹现象。根据上述各项试验数据、结论及原因分析制定了以下方案。
５ １ 方案一
在磁浮列车电磁铁内部进行预埋温度传感器，实时对电磁铁温度进行监控、预警并进行记录，以便更直观地掌控电磁铁温度变化规律，并及时采取应对措施。由于现有磁浮列车电磁铁处于完全封装状态，已无法对其开展温度传感器预埋工作，所以该方案暂时无法在现有列车进行实施。
５ ２ 方案二
５ ２ １ 保护方案
１）当电磁铁电流线圈大于６０Ａ，小于１１０Ａ，持续３０ｓ启动保护，关闭悬浮控制器输出，该点落下。
２）当电磁铁线圈电流大于１１０Ａ，持续１０ｓ启动保护，关闭悬浮控制器输出，该点落下。５ ２ ２ 预警方案
１）磁浮列车静态悬浮超过８ｍｉｎ，列车将提示静浮报警，要求启动车辆或落下车辆，如果条件持续存在，每隔５ｍｉｎ提示一次。
２）当磁浮列车悬浮电磁铁电流大于４５Ａ且超过５ｍｉｎ则提示过流报警，接收到过流预警后信息后，将会要求列车回库进行检查，如果过流报警条件持续存在，每隔５ｍｉｎ提示一次。/ 效果验证
长沙磁浮快线通过对电磁铁采取预警及保护方案后，经过４年多的实际运营应用验证，未再出现过电磁铁线圈因大电流及高温产生裂纹等现象。
7 结语
电磁铁作为磁浮列车悬浮的重要部件，其稳定性能必须得以重视。根据本文的研究，通过对电磁铁电流进行监控，间接掌控电磁铁内部温度变化并及时作出应对措施，有效地预防了电磁铁的发热、裂纹及流胶等故障。在电磁铁内部预埋温度传感器方案也为新一代磁浮列车提供了积极的借鉴意义。
基金项目：
“十三五”国家重点研发计划“中速磁浮交通系统关键技术研究－磁浮车辆运用组织技术研究”（２０１６ＹＦＢ１２００６０１－Ａ２０）
作者简介：
葡萄酒电动开瓶器黄海涛（１９８３－），男，湖南邵阳人，硕士，高级工程师，从事磁浮交通技术研究和运营管理工作。
李志国（１９８８－），男，湖南常德人，本科，工程师，从事磁浮交通技术管理工作。
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