直線西瑪電機在軌道JR電機車輛運用中的三維分析

時間：2019-12-25 10:00

　研究開發(fā)直線電機在軌道車輛運用中的三維分析龐紹煌，耿明（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州510380）的設(shè)計概念帶來重大的變化。通過對目前世界上直線電機車輛使用的實際業(yè)績的分析，提出車輛質(zhì)量可減輕的觀點。

　　廣州市地下鐵道總公司建設(shè)事業(yè)總部車輛項目經(jīng)理，從事廣州地鐵新線車輛的引進(jìn)和技術(shù)、項目管理工作。

　　直線電機是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動，而不需通過任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)的電機。城市軌道交通系統(tǒng)采用直線電機傳動的優(yōu)越性已被越來越多的人所認(rèn)識，目前世界上已有7個城市相繼建成了采用直線電機車輛的城市軌道交通系統(tǒng)。

　　直線電機的車輛較普通旋轉(zhuǎn)電機車輛的優(yōu)勢就盡顯出來了。直線電機的優(yōu)點如目前所有書籍中介紹的，列車的牽引不再依靠輪軌的黏著作用，而是直接由轉(zhuǎn)向架（一般作為定子）與線路（一般作為轉(zhuǎn)子）的相互作用而產(chǎn)生，轉(zhuǎn)穹半徑小，可減少支撐輪半徑，從而減小地鐵隧道的斷面面積，降低地鐵造價等等，但這些都僅僅是從直線電機的牽引方向的一維概念中引伸出來的，筆者認(rèn)為還必須重視直線電機的其他兩維概念在直線電機車輛設(shè)計中的運用。

　　下面將從三維方向分析直線電機與旋轉(zhuǎn)電機在有輪的車輛上的不同之處（見），然后再談其對直線電機車輛設(shè)計方面以及軌枕上的影響。

　　1W方向（即牽引方向）對于鼠籠式異步電動機而言，電磁轉(zhuǎn)矩可由下式表示：子折合電阻；r1一定子電阻X1?定子漏抗X2Y?轉(zhuǎn)子折合漏抗S1=（n1-n）/，其中n1為同步轉(zhuǎn)速，n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速"f?定子繞組頻率。

　　相對應(yīng)的車輛制動為再生制動、電阻制動并配合轉(zhuǎn)電機的車輛其空車軸重為）而直線電機若忽略縱向端部效應(yīng)，采用其穩(wěn)態(tài)方程，則可推算出電磁推力：級電阻和漏電感；T一極距；S2=（vs-V）/vs，其中vs為同步速度，4為實際速度；f2?次級頻率；《1?初級角頻率；Ci！1+LS/Lm，其中L'為初級漏電感，Lm為激磁電感。

　　電動機可在3個階段中使用?，F(xiàn)在有一種技術(shù)是在再生制動與機械制動之間插入移相制動（電磁制動狀態(tài)），將動能消耗在感應(yīng)板上（當(dāng)Si，S2>1時），由于隨著車輛的移動，這種熱能能留在軌道上的感應(yīng)板上而取代電阻制動，而普通旋轉(zhuǎn)的電機難以承受這種散不去的熱量。

　　+牽引方向概念已有一些書籍討論，并引伸分析了目前眾所周知的直線電機的優(yōu)缺點，在此筆者就不進(jìn)一步展開討論。下面僅就另外兩維概念（目前尚未有書籍在有輪車輛的實際運用中討論）來展開討論。

　　2y方向在普通旋轉(zhuǎn)電機中由于電磁吸力對轉(zhuǎn)子的對稱性，互相平衡，電磁吸引力僅為轉(zhuǎn)子的內(nèi)力，在電機外表而言除了重力，電磁力外合力為零。而直線電機就大不相同，三維的電磁力都盡現(xiàn)在外面，初級對次級的電磁吸引力是相當(dāng)大的（見表1）。但如何利用這種電磁吸引力，這就是筆者重點要闡述的問題。

　　為了確保脫軌系數(shù)，似乎只要將普通旋轉(zhuǎn)電機車輛換上直線電機就行了，但從y方向來看，使用普通旋表1各公司實際運用中的直線電機三維力實測數(shù)據(jù)（kN（x軸向牽引力y軸向電磁吸引力j軸向橫向剪切力A公司B公司C公司由于城市軌道交通在繁華市區(qū)穿行，站間距一般較短，約1km左右，因此站間運行時間必須要短才能實現(xiàn)其他地面交通工具無法實現(xiàn)的優(yōu)勢。初始加速度一般采用a加=1.0m/s2，而制動時一般采用a減=因此列車基本上是加速到最高速度后，勻速很短時間馬上轉(zhuǎn)入制動工況，直線電機的定子線圈始終都有很大的電流通過，也就是說y方向的吸引力的作用貫穿列車的整個運行過程。

　　F吸為初級對次級的電磁吸引力，F(xiàn)吸m+甚至?xí)笥谥本€電機的牽引力，也就是說每輛車兩臺直線電機（160~180kW/臺）的F吸ma+達(dá)10t，占了普通旋轉(zhuǎn)電機車輛空車重的1/4.因此電磁吸引力給出了兩刃的問題，如果僅沿用老的普通旋轉(zhuǎn)電機車輛的思維設(shè)計，必然不能將車輪的輪徑減小，因為輪徑跟軸重有直接的關(guān)系。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計（見），在軸重不變的情況下，車輪踏面的剝離發(fā)生率，隨車輪踏面受力處壓強的增加而增加。

　　也就是說失去了減小車輛高度及減小隧道挖掘面積的優(yōu)勢。從另一方面來看，則芫全不同。首先從脫軌系數(shù)分析入手，來分析這兩種類型電機的不同之處。

　　0.6（直線電機車輛）F吸的存在為直線電機車輛的減重提供了重要的依據(jù)，而F吸所做的功W功可以用下式來表示角，由于F吸在直線軌道上是垂直于車輛的運動方向的，通常情況下0因此F吸是不需消耗功率的力，而是一種將轉(zhuǎn)向架吸向感應(yīng)板的力。如果在直線電機車輛的設(shè)計中能運用這種新的概念，就能在保證脫軌系數(shù)小于0.6的情況下，盡可能的減少車輛的質(zhì)量，以減少運營能耗，降低噪聲，減小輪徑以及使轉(zhuǎn)向架一系簧下的質(zhì)量減少，結(jié)構(gòu)緊湊，從而最終達(dá)到減少車輛質(zhì)量，降低車輛設(shè)計高度，減小隧道斷面尺寸，節(jié)省建設(shè)投資的目的。所以在與軌道的接口中，軌枕的受力不同（見）。故對于直線電機車輛來說不能只考慮車輛質(zhì)量P.作為對在3方向分析的輔證，從各直線電機車輛制造公司公布的業(yè)績中可以看出，對于不同公司生產(chǎn)的幾乎相同尺寸和功率的直線電機車輛，其空車質(zhì)量最大竟相差近10t/輛。筆者假設(shè)按照一輛車定員載客180人，平均每人體重為60kg來計算，則負(fù)載質(zhì)量為00：200：10800kg，即10.8 5重?？梢钥闯觯绻麑⒅本€電機3方向吸引力考慮在車輛設(shè)計中，其使每輛空車減輕101質(zhì)量后再加上180人的定員載荷，幾乎與原來沒有考慮吸引力的每輛空車的質(zhì)量相等。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　3z方向?qū)τ?方向，筆者在此提出一個轉(zhuǎn)向架“磁迫導(dǎo)”的新概念，這是直線電機帶來的另一優(yōu)點。由于車輛設(shè)計時，機械中心線在靜止停放在平直軌道的狀態(tài)下與磁中心線是重合的；而在運動狀態(tài)下，電磁場的作用使得直線電機定子（初級）的機械中心線有磁吸引自動對中感應(yīng)板（次級）機械中心線的作用（見）。

　　
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