基于电磁感应的电力机车储能辅助制动系统

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1、基于电磁感应的电力机车储能辅助制动系统王晓天南京市第一中学（高中）摘要：随着机动车数量的增加，温室效应等环境问题口益严重，节能减排势在必行。本课题基于电磁感应定律设计了一个回收储存机车制动能量的装置。通过计算得岀,最终功率与磁场强度成正比，当磁场强度达到0.0008T时，最终功率正好为零。因此装置设计时所釆用的磁场强度应大于0.0008To最终功率与横截面积是二次函数关系，冋收成本所需的刹车次数与线圈面积是指数关系。关键词：刹车储能;电磁感应;辅助制动;1概述1.1节能制动技术的重要性燃料燃烧后放出大量的二氧化碳气体进入大气使温室效应加剧，厄尔尼诺和拉尼娜

2、现象的影响明显增强，伴随着海平面上升，中国多年海平面上升平均速度为4.3mm/a[l],部分滨海城市将被淹没。因此，节能减排工作势在必行。在众多的排放污染源中，机动车制动耗能不可忽略。并且随着现在高速机车的普及和广泛使用，制动装置的磨损和制动过程的能量转换更是日益增加。因此如何回收制动过程转换耗散的能量、降低制动耗能和减少制动装置的磨损及制造难度显得至关重要。1.2当前研究现状在降低制造难度方面，王志刚对鎳基高温合金高速切削进行了比较系统的理论、实验与应用研究，并对银基高温合金进行切削过程优化⑵。在此基础上，丁刚利用热处理方法改善车轮的切削加工性能[3]。

3、在减少磨损方而，HChen设计了液压油泵无磨损刹车系统旦1，它用来消耗车辆惯性带来的动能，通过变速箱、传动轴、后桥、半轴或火车轮轴来车轮转动，从而使车辆快速停下，具有免维护、无磨损的优点。尤其在利用新材料减少磨损方面，吴佩芳、冯学理发明一种用于高速列车刹车制动盘合金钢固，具有机械力学性能好、耐热疲劳性能优越、耐磨性良好等优点。刘建秀、李蔚、韩长生研究新型铜基粉末冶金干摩擦材料[6]o在能量转换方面，王青元、冯晓云、朱金陵、梁志成求解电空复合制动的节能最优控制方案推导得出了牵引恒速、电力再生制动恒速和综合制动恒速工况下最优保持速度与电力再生制动能量利用率、牵

4、引传动系统效率之间的定量关系。在设计方面，贺德强、王合良、谭文举、苗剑建立运行时刻表设计的多车节能优化模型总1，通过引入浓度免疫算法，调整列车吋刻表中发车间隔、停站吋间、运行时间等要素并优化列车操纵工况，求解出实际线路下的节能运行时刻表及多车节能驾驶策略。但是目前针对制动过程的能量回收的相关研究并不充分，因此本文设计一套基于电磁感应的用于制动能量冋收的辅助制动装置。1.3本产品的创新点该装置将机车的动能转换成电能储存起來，相比于采用电磁铁的电磁制动系统而言，具有回收、储存制动能量的效果，并且对于原有制动系统的运行不造成影响，拥有一定的辅助制动能力。木文总共

5、有五章内容，第一章对刹车能源消耗情况的背景及课题来源进行阐述,对我国当前刹车能源废弃情况进行综述。第二章分析车轮结构，详细说明本装置的设计。第三章用控制变量法计算最终功率及回收成本速度分别和磁场强度、线圈横截面直径、线圈匝数、线圈材料的关系，得出初步改进结论，并用excel拟合各关系的函数，进一步得出改进方案。第五章总结结论。2电磁辅助制动装置介绍2.1工作原理本装置基于法拉第电磁感应定律回设计而成，由火车车轮、磁体、线圈、整流器、蓄电池组成。在制动过程中，线圈作圆周运动切割磁感线，通过电磁阻尼和来储存能量。图1(Q为进入磁场，AE切割磁感线，增加线圈内磁

6、通量，产生方向为逆时针的感应电流。图1(b)为离开磁场AE切割磁感线，减小线圈内磁通量，产生方向为顺吋针的感应电流。考虑到进出磁场时电流方向相反，因此釆用整流器来把交流电转换成直流电。电流通过整流器进入蓄电池，利用充电的方式使内部活性物质再生把电能储存。2.2实际组成部件图2装置正视图下载原图图2是本装置的正视图。在车轮固定轴1的两端安装安装车轮2,车轮2的横截面安装永磁体3和线圈4,线圈外侧加绝缘漆，并同时安装步进电机5,步进电机外围安装隔磁材料，线圈通电时接出电枢至整流器6,经调压器连接到蓄电池7充电。3设计计算机理3.1电学性质线圈电阻R可由电阻定律

7、计算得出，具体方程如下:其屮，P是线圈所用物质的电阻率，D是机车车轮内直径，C是线圈圉成圆弧的周长，E是线圈横截面积。考虑到单组线圈为动力机车内部圆的1/&C和E的计算公式如下：其屮，d是线圈横截面直径，兀的数值为3.1416o3.2电荷量计算通过线圈的电荷量q可由磁通量和电阻计算得出：其屮，Si是线圈围成的面积，B是通过线圈的平均磁场强度。由于单组线圈为动力机车内部圆的1/&因此：3.3磁感应电能计算线圈产牛的电能E可由电能公式计算得出:其中，U屮是有效电压。根据中国电压输岀的有效值，U曲等于220Vo3.4电阻耗能计算考虑到线圈自身带有电阻，因此在磁感

8、应生电的过程中，不能够忽略电阻耗能所导致的的电能损耗。由于线圈电阻