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維修技術(shù)
車輛電機(jī)的制造研究
內(nèi)容簡介:直線牽引電機(jī)的一個(gè)共同點(diǎn)是垂直力大于直線推力。垂直力是由初級(jí)和次級(jí)之間的電磁作用而形成吸合力,是直線電機(jī)的固有特性。
  目前,世界上只有加拿大和日本擁有直線電機(jī)車輛的核心技術(shù)和相關(guān)運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)。整體上看,加拿大車輛注重技術(shù)的先進(jìn)性和良好的景觀效應(yīng),而日本車輛性能指標(biāo)一般,更板進(jìn)行分析。
  1.1直線電機(jī)車輛的主要技術(shù)特點(diǎn)目前,加拿大龐巴迪共推出過MKⅠ和MKⅡ兩種車型的直線電機(jī)車輛。MKⅡ車型在1998年在吉隆坡PUTRA的首次應(yīng)用以來,各項(xiàng)技術(shù)不斷完善,已成為龐巴迪直線電機(jī)車輛的主流產(chǎn)品。日本各公司曾先后開發(fā)過12m、16m和20m三種車型,但僅有16m車型投入商業(yè)運(yùn)營。表1為國內(nèi)外9種直線電機(jī)車輛的主要技術(shù)參數(shù)。
  從表1可知如下幾個(gè)特點(diǎn)。
 。1)車輛容量不斷增大。最初直線電機(jī)車輛被定位在中小運(yùn)量的等級(jí),一般每輛車120~150人。MKⅡ車型載客量提高到每輛車170~220人。廣州4號(hào)、5號(hào)線的每輛車載客量可達(dá)242人,已經(jīng)達(dá)到大中型客運(yùn)量。
 。2)全動(dòng)車配置。傳統(tǒng)城軌的每輛動(dòng)車可同時(shí)配備4臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī),每臺(tái)電機(jī)容量可達(dá)200~300kW;而每輛直線電機(jī)車輛最多只能安裝2臺(tái)直線電機(jī),每臺(tái)電機(jī)容量為100~200kW,單車的牽引容量明顯低于傳統(tǒng)城軌車輛。因而為了滿足大坡道時(shí)所需的牽引力,目前的直線電機(jī)車輛均采用全動(dòng)車配置。
 。3)車輛的供電方式不同。龐巴迪最初生產(chǎn)的車輛采用雙軌道供電方式,供電系統(tǒng)復(fù)雜,后來逐漸采用傳統(tǒng)DC750V第三軌供電。日本車輛則一直延續(xù)著DC1500V上部柔性接觸供電的特點(diǎn)。第三軌供電可以減小隧道截面,降低工程造價(jià),并具有良好的景觀效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn);DC1500V電壓等級(jí)則可以減少牽引變電所的數(shù)量,降低工程成本。綜合考慮二者優(yōu)點(diǎn),廣州4號(hào)、5號(hào)線車輛在國際上首次采用DC1500V鋼鋁復(fù)合第三軌供電(車輛段采用上部受電弓受電)。
  (4)車輛相對(duì)重量減輕。從數(shù)據(jù)上看,車輛的自重是增加的,但車輛載客量也是增加的。因此引入人均車重,人均車重=車輛自重/定員數(shù)。
  由可知,日本直線電機(jī)車輛的人均車重保持在0.25t/人左右;龐巴迪車輛的人均車重0.1~0.15t/人,而且MKⅡ車型在控制車重方面優(yōu)勢明顯。
  1.2直線牽引電機(jī)直線牽引電機(jī)(LIM)的技術(shù)選型應(yīng)滿足機(jī)械、電氣、熱力學(xué)和環(huán)境等多方面的要求。列出了3種車輛上使用的直線牽引電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)。嚴(yán)格地說,這里所指的直線牽引電機(jī)只是直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的初級(jí)。
  正常工況時(shí)強(qiáng)迫冷卻和自然冷卻均能滿足溫控要求;超載條件下,采用自然冷卻的電機(jī)達(dá)到溫度上限的時(shí)間較長,電機(jī)過載余量較大,因而采用自然冷卻優(yōu)勢較大。但自然冷卻方式的應(yīng)用受到直線電機(jī)重量和功率的限制。國外廠商研究認(rèn)為,自然冷卻的電機(jī)達(dá)到小時(shí)制150kW已經(jīng)到限,如要再增加功率必須采用強(qiáng)迫風(fēng)冷,否則其重量將急劇上升。
  從龐巴迪和日本的直線電機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況來看,采用強(qiáng)迫冷卻的優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)體積小、重量輕;缺點(diǎn)是增加了冷卻風(fēng)機(jī)等設(shè)備,使維護(hù)量增大,另外對(duì)風(fēng)機(jī)電源的可靠性要求很高。而采用自然冷卻的優(yōu)點(diǎn)是故障率低、維護(hù)量;缺點(diǎn)就是自然冷卻過于依賴散熱面積,造成電機(jī)的體積和重量很大,這也是日本直線電機(jī)車輛重量偏大的原因之一。
  直線牽引電機(jī)的一個(gè)共同點(diǎn)是垂直力大于直線推力。垂直力是由初級(jí)和次級(jí)之間的電磁作用而形成吸合力,是直線電機(jī)的固有特性。垂直力自身不消耗功率,但垂直力將轉(zhuǎn)向架吸向反應(yīng)板,造成車輛軸重和阻力變大。因此對(duì)于垂直力,一方面要盡量減小,另一方面在滿足安全要求的情況下,利用垂直力減小車輛的自重。
  直線電機(jī)還存在邊端效應(yīng)。由于初級(jí)的鐵芯及安置在槽中的繞組在兩端不連續(xù),所以各相的互感不相等,造成三相阻抗不對(duì)稱。即使在三相對(duì)稱電壓下運(yùn)行,三相電流也不對(duì)稱。利用對(duì)稱分量法將它們分解為正序、負(fù)序和零序電流,對(duì)應(yīng)三種電流有三類磁場,即正序正向行波磁場、負(fù)序反向行波磁場和零序脈振磁場,而后兩類磁場在次級(jí)運(yùn)不同,體現(xiàn)在反應(yīng)板的材料、安裝方式、機(jī)械強(qiáng)度、抗疲勞度和熱荷載等方面。例如,在安裝方式上,前者采用可調(diào)節(jié)的螺栓進(jìn)行固定,其調(diào)節(jié)相對(duì)方便;而后者采用類似鋼軌扣件的方式進(jìn)行固定,其調(diào)節(jié)量相對(duì)有限。
  2對(duì)我國直線電機(jī)車輛技術(shù)選型的建議通過以上分析,對(duì)我國直線電機(jī)車輛技術(shù)選型提出以下幾點(diǎn)建議。
 。1)定員。在170~240人之間,不易追求過大載客量,這樣反而會(huì)失去直線電機(jī)車輛自身輕、小、靈的特點(diǎn)。
  (2)列車編組數(shù)。建議取2~5輛,全動(dòng)車。
  (3)供電方式。建議采用第三軌,DC1500V.在環(huán)境允許下,也稱氣隙為10mm.日本車輛的反應(yīng)板采用鋁、銅和鐵3種材料,寬360mm,線路的標(biāo)稱氣隙為12mm.直線電機(jī)初級(jí)與次級(jí)的氣隙大小直接決定了直線電機(jī)的效率,也決定了系統(tǒng)的能耗。北京機(jī)場線確定采用直線電機(jī)軌道系統(tǒng),相關(guān)論證表明,如果直線電機(jī)初級(jí)和次級(jí)之間的氣隙維持在9mm,可使系統(tǒng)的整體效率提高6%。
  龐巴迪車輛和日本車輛對(duì)反應(yīng)板的安裝接口要求也直線電機(jī)車輛技術(shù)選型分析李志遠(yuǎn)等數(shù)都很低。但是由于邊界條件不一、測試?yán)щy等原因,供貨商也很難提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。目前較為公認(rèn)的是直線牽引電機(jī)效率0.7~0.8,功率因數(shù)0.5~0.6左右。
  1.3反應(yīng)板反應(yīng)板是直線電機(jī)的次級(jí)。龐巴迪車輛的反應(yīng)板采用鋁和鐵磁材料,寬265mm,與初級(jí)的標(biāo)可采用架空線受電。
 。4)車輛自重。在22~25t之間,同時(shí)保證人均車重控制在較低水平。
  (5)直線電機(jī)。額定功率150~180kW,推力18~20kN,功率因數(shù)0.5~0.6左右,效率0.7~0.8.此外,還要有良好的散熱、輕型化的設(shè)計(jì)。
 。6)反應(yīng)板。通常采用與直線牽引電機(jī)相配套的反應(yīng)板,與初級(jí)的氣隙保持在8~12cm.
  此外,直線電機(jī)車輛的優(yōu)勢并不在于直線電機(jī)本身,而是在于其各個(gè)子系統(tǒng)之間的相互配合。如果單純以旋轉(zhuǎn)電機(jī)和直線電機(jī)的效率進(jìn)行比較,后者還不如前者。因此,只有整合系統(tǒng),將各個(gè)子系統(tǒng)的功效最大化,才能充分發(fā)揮直線電機(jī)車輛的優(yōu)勢。
  3結(jié)束語我國城市的直線電機(jī)軌道交通正處于起步階段,我們面臨各種新的設(shè)計(jì)思路和新技術(shù)。在直線電機(jī)車輛技術(shù)方面,合理地選擇適合我國國情、能夠滿足我們城市需求的車輛技術(shù),不僅有利于車輛的日常運(yùn)營和維護(hù),也有利于我們對(duì)引進(jìn)技術(shù)的消化和吸收,加快直線電機(jī)車輛相關(guān)技術(shù)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)進(jìn)程。直線電機(jī)車輛技術(shù)選型分析李志遠(yuǎn)等
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