学生使用仿真来优化Hyperloop进行设计竞赛

今天，我们邀请代尔夫特技术大学的客座博客鲍克·科格（Bauke Kooger）讨论建模Hyperloop的磁悬架系统。

Hyperloop是一种提出的运输方式，其中车辆或POD以低压管以声速行驶。以这种速度，磁悬架比空气轴承或车轮等系统具有多个优势。为了测试这一点，DELFT的Hyperloop团队在ComsolMultiphysics®软件中对POD的磁性悬架进行了建模。

等等，什么是Hyperloop？

Hyperloop的最初想法来自SpaceX背后的人Elon Musk，他将其推广为更快，更干净，更便宜的替代品，替代了旧金山和洛杉矶之间的拟议高速铁轨。他的想法是将一个小吊舱放在带有轻度真空的管子中，并将吊舱漂浮在空气轴承上而不是车轮上。管中的减压消除了大部分空气阻力。然后将剩余的空气被压缩，以减少阻力并实现空气轴承的使用。

虽然马斯克本人不打算建立超弹力，但SpaceX决定举办比赛加速其实现。他们建造了1.5公里的半尺度测试轨道，并邀请了来自世界各地的团队为管道设计一个吊舱。

DELFT的Hyperloop竞争车辆的渲染。

DELFT在2016年7月举行的揭露比赛中的Hyperloop比赛车辆。

这代尔夫特Hyperloop团队在2017年1月参加SpaceX Hyperloop比赛决赛的比赛，由荷兰代尔夫特理工大学的大约30名学生组成。通过仔细检查完整系统的概念，包括我在内的团队发现，使用磁悬架将比最初提出的空气轴承更有益，从而降低了复杂性和成本。

使用comsolMultiphysics®设计磁悬架系统

尽管有不同类型的磁悬浮液，但主要区别是在一个主动控制的有吸引力的系统（称为电磁悬架）和固有稳定且被动的拒绝电动力系统之间。我们在DELFT Hyperloop竞争工具中使用了后者，并且该概念非常简单。将永久磁铁移动到导电表面，例如一张铝片上，会在表面中诱导涡流，从而在磁体上移动磁铁上的洛伦兹力，将其抬起。由于比赛管将配备铝制轨道，因此可以在代尔夫特的豆荚中使用这种悬浮概念。

电动力悬浮液的演示。手柄用于旋转铝制盘（塑料盖下方），其中一个带有超环形外壳的小型新近磁铁从磁盘上明显抬起。

左：刹车磁铁的可视化，该磁铁位于轨道上的I光束两侧。右：磁铁在轨道上移动时，轨道上的涡流。

对于线性运动，移动磁铁上的Lorentz力具有两个组件：一个将磁铁抬起，另一个将磁铁沿运动方向反对。这些被称为举起并拖动组件分别以后者在涡流制动器中使用而闻名。这些力取决于速度，磁铁尺寸，磁场强度，轨道电导率和间隙高度等因素。因此，选择磁铁配置需要研究其参数如何影响升力和阻力组件。

对于Hyperloop来说，最好的阻力组件低和举重力。这是由于大气隙如何降低轨道的准确性需求，这是超环系统中的主要成本因素。

左：渲染前卫星，包括“滑雪板”或抬起转向架，侧面的升降机和中间的刹车。右：带有升降转向架，制动器和悬架的后卫。赛道上的I光束在这里可见。

我们的Hyperloop Pod使用四个充满Halbach阵列的磁性“滑雪板”，这是永久磁铁的配置，该磁体在该磁场上朝向轨道，而对乘客却弱。我们使用comsol多物理和AC/DC模块来确定磁铁参数与升力和阻力之间的关系磁场界面。然后，我们进行了参数研究，以绘制不同速度和间隙高度的力以进行特定磁铁构型。

通过模拟和实验测试评估磁悬浮液

在下图中可以看到典型的提升和阻力曲线。阻力组件达到峰值，然后减小更高速度的速度，例如与空气阻力形成鲜明对比。这使其对高速旅行有吸引力。增加单个磁铁的大小也对减少阻力有积极影响。

典型的升力和阻力曲线，用于电动力悬浮液。

我们使用类似的模拟来设计制动系统。自然，我们选择在系统设计中使用涡流制动器。当吊舱需要停止时，可以将制动器移向轨道。由于这需要大型阻力组件有效，因此我们使用Comsol多物理学快速提出满足该要求和其他要求的磁铁配置。

为了验证我们的模型，我们建立了测试设置，以评估最终磁铁的力与速度以及差距曲线，从而在模拟和实验结果之间找到良好的一致性。知道模拟是准确的，因为这些曲线对于全车模型和控制系统至关重要。模拟是在车辆的基础上，使用Comsol®软件，我们设计了磁铁阵列，该磁铁阵列将在低速行驶时抬起车辆。磁铁阵列还将能够保持超过20毫米的舒适巡航距离高度。

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关于客人作家

鲍克·科格（Bauke Kooger）是代尔夫特技术大学（Delft Technology）应用物理学的硕士学生，他的热情在于将物理学应用于技术。在以前有为电动赛车设计电池的经验，他知道如何将自己的知识应用于DELFT Hyperloop团队的磁悬架系统的模拟，设计和测试。