城轨车辆直线牵引电机垂向力随气隙变化的分析

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1、设计研究铁道机车车辆工人第6期2009年6月文章编号：1007—6042(2009)06—0008—04城轨车辆直线牵引电机垂向力随气隙变化的分析高伟朱楷(1．广州地铁车辆中心广东广州510380；2．西南交通大学机械工程系四川峨眉614202)摘要：对因线路条件和速度变化等因素造成的城轨车辆牵引电机气隙的变化进而引起牵引电机垂向力的变化进行了初步研究，为该类车辆的垂向振动研究和结构设计提供了理论依据。关键词：单边直线感应电机；垂向力；气隙中图分类号：TM301．4文献标识码：B1概述由于采用直线电机牵引的车辆具有非粘着驱动，爬坡能力强，线路断面小，曲线通过能力强以及维护

2、量小等特点而在城市轨道交通中得到了一定的应用。但在车辆的运行过程中，由于线路和振动等因素的影响，使其气隙不断变化。当气隙增大时，电机的功率因数和效率均有所降低，对供电系统而言这是不经济的；而当气隙减小时，垂向力增大，在严重的情况下，有可能使牵引电机的初级和感应饭发生机械碰撞，这在车辆的运营过程中是绝对不允许发生的。因此研究车辆运行时牵引电机的垂向力就显得非常必要丫。一般文献中基本上都是针对双边直线电机进行的特性研究，由于该类电机每边产生的电磁拉力相互平衡，故不用对其进行特别的考虑。而直线电机车辆所采用的牵引电机为单边直线感应电机，故不论在其设计阶段还是运行阶段其垂向力均为

3、一个较为重要的技术指标。因此，本文根据直线电机稳态运行时的电磁场理论，建立了垂向力随气隙和速度变化的模型，并用它分析了车辆直线电机垂向力随气隙的变化，以期为进一步研究该类车辆的垂向振动和结构设计(如感应板连接螺栓的强度计算、直线电机转向架的结构设计等)提供依据。2模型的建立目前对直线电机模型的分析方法比较好的有解析法和有限元法两种。一R一设计研究铁道机车车辆工人第6期2009年6月有限元法的计算结果较为精确，但难于同其他如控制和动力学分析软件结合；解析法虽然是建立在大量的假设基础上，其计算结果存在一定的误差，但对具体的电机，可以采用试验的方法获取其修正系数，而使计算结果在

4、要求的精度之内，并且可以根据研究目的的不同，建立不同的模型，具有较大的灵活性。考虑到建模和后续研究的方便性，本文采用解析法。由于对直线电机解析模型的研究已较多，这里不再重复，可以根据具体的情况选用不同的假设条件以及计算方法。需要注意的是由于采用的假设条件不同，其计算结果会有少许出入，这是允许的。图1至图4是根据广州地铁4号线直线电机计算出的性能曲线，计算时选用的稳态运行的频率为22Hz，同步速度为44．5km／h。可以看出，该曲线的趋势同国内外相关文献给出的结果类似。从曲线中可以读出在滑差为0．1时，其推力约为l0kN，功率约为130kW，功率因数约为0．6，效率约为0．

5、85，同实际情况接近，故该模型是有效的。／、＼l。＼堇＼豫＼寄＼、、～滑差率图1推力随滑差率的变化图2功率随滑差率的变化3垂向力随气隙变化的分析在对直线电机垂向力随气隙和时间变化的计算过程中考虑的是速度小范围的波动，故其对电机造成的阻抗变化可以忽略，并且地铁用的直线电机极数一般大于6(广州地铁4号线的为8极)，因此可以认为其电流是平衡的。从图3中可以看出，直线电机在牵引车辆的过程中，垂向力与气隙长度和车辆的速度有关，故在计算中需将这两个因素考虑在内。其计算原理示意图如图5所示。由图可见，在计算的过程中，由于直线电机的结构参数和电机稳态运．——9．——设计研究铁道机车车辆工

6、人第6期2009年6月一一一图3垂向力随滑差率的变化图4功率因数和效率随滑差率的变化’2Z，篷尽8B瞄8‘a4时间，s图5直线电机垂向力随气隙、图6l0s内直线电机垂向力随气隙变化速度变化计算原理示意图行时的供电参数是一定的，故现在暂时不予考虑，随着研究的深入，可以对其进行更改，以从车辆运行的角度对电机的设计参数提供指导。而对于随时问变化的速度和气隙则是目前比较关心的问题。以下对10s内直线电机运行滑差在0．1左右波动垂向力随气隙的波动进行了计算，计算时假设其气隙在8．5～9．5mm之间做无规律变化，计算的结果如图6所示，其中虚线表示垂向力随时间的变化。从图中可以看出，在

7、电机运行的过程中，虽然气隙仅有小幅波动，但却造成了垂向力的剧烈变化，该力介于32kN一37kN之间，差值达5kN。这样对车辆的运行时的垂向力必然产生较大的影响，从而对该类车的结构设计和运行条件均提出了新的要求，故在这两个阶段均应对其进行一定的考虑，以达到地铁行车的要求。4结束语～10一现场检修铁道机车车辆工人第6期2009年6月文章编号：1007—6042(2009)06—0011—03空心车轴的加工工艺及其工装夹具冯晓东(长春轨道客车装备有限责任公司宽城分公司车轮分厂吉林长春130052)摘要：分析确定了空心车轴的加工工艺和