快捷貨運列車軸端發(fā)電機(jī)電磁和熱特性分析

張勁　陸正剛　孫效杰

摘要：對快捷貨運列車車載監(jiān)控系統(tǒng)運行需求進(jìn)行分析，提出車載軸端發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)要求，并通過對樣機(jī)的試驗為后續(xù)分析提供參數(shù)支持.根據(jù)試驗所得數(shù)據(jù)，利用經(jīng)典理論以及Ansoft和ANSYS等軟件計算發(fā)電機(jī)在不同狀態(tài)和工況下的磁感應(yīng)強(qiáng)度、鐵損和溫升等試驗難以精確測定的物理量.電氣電磁特性分析的計算結(jié)果與之前對樣機(jī)進(jìn)行試驗所獲得的數(shù)據(jù)吻合得很好，對溫升的模擬則精確計算出該電機(jī)的熱平衡溫度.結(jié)果表明該軸端發(fā)電機(jī)可安全應(yīng)用于快捷貨運列車上.

關(guān)鍵詞：快捷貨運列車； 軸端發(fā)電機(jī)； 磁感應(yīng)； 鐵損； 溫升； 安全評估

中圖分類號： U264.11； TB115.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0 引 言

鐵路貨運列車運行速度不斷提高，車軸不斷加重，這對其運行安全性的要求也越來越高.與此同時，國內(nèi)外鐵路事故發(fā)生率呈上升趨勢，安全形勢嚴(yán)峻.較常遇到的事故類型包括貨運列車熱軸切軸、制動系統(tǒng)故障、脫軌、超載偏載以及傾覆等.現(xiàn)有的鐵路貨車軌旁監(jiān)測設(shè)備已經(jīng)無法滿足新型快速貨車的故障檢測要求，急需一套新的車載監(jiān)控系統(tǒng).

目前，阻礙貨運列車車載監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)的一大原因便是電源問題.由于貨運列車自身編組靈活，隨解隨掛，因此無法使用傳統(tǒng)應(yīng)用于客運列車的集中供電方式；采用更先進(jìn)的接觸網(wǎng)供電會使得整體系統(tǒng)異常復(fù)雜，完全不能適應(yīng)貨運列車的需求.為解決該問題，我國鐵路貨運列車曾產(chǎn)生過利用車軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行發(fā)電的方案.[1]這種發(fā)電裝置通過車軸的旋轉(zhuǎn)帶動一端的帶輪，再利用帶輪帶動懸掛于轉(zhuǎn)向架上的發(fā)電機(jī)發(fā)電，但因體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且受限于轉(zhuǎn)向架自身結(jié)構(gòu)，不適合用在新型快捷貨運列車上.在國外，F(xiàn)AG公司生產(chǎn)的軸箱集成發(fā)電機(jī)利用隨車軸旋轉(zhuǎn)的磁鐵作為轉(zhuǎn)子，而將定子固定于軸箱端蓋上產(chǎn)生電能，其集成化程度高、體積小，輸出電源電壓為6～14 V，功率為5～100 W，但其電氣特性數(shù)值遠(yuǎn)小于監(jiān)控系統(tǒng)所需，仍不能滿足要求.

4 結(jié) 論

基于快捷貨運列車對車載監(jiān)控系統(tǒng)的需求以及軸端發(fā)電機(jī)基本參數(shù)，結(jié)合樣機(jī)試驗對發(fā)電機(jī)多項物理特性進(jìn)行計算和分析.得出以下結(jié)論：

（1）發(fā)電機(jī)在整體系統(tǒng)所要求的速度范圍（200 r/min～930 r/min）內(nèi)，均能提供高于系統(tǒng)所需的48 V的穩(wěn)定交流電，可為車載監(jiān)控系統(tǒng)提供穩(wěn)定輸入.

（2）在假定長時間連續(xù)工作的前提下，發(fā)電機(jī)在本文所分析的兩個極端工況中，其溫升最大值分別為19.076 ℃和5.104 ℃，遠(yuǎn)低于鐵路標(biāo)準(zhǔn)中要求的溫升限制40 ℃，因此可以保證軸承運行環(huán)境的安全性.

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國鐵道部. TB/T 2436—1993 鐵道機(jī)車動車用旋轉(zhuǎn)電機(jī)通用技術(shù)條件[S]. 北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 1993.

[2] 曹晟晨. 高速貨車轉(zhuǎn)向架智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D]. 上海： 同濟(jì)大學(xué)， 2012.

[3] 梁燦彬. 電磁學(xué)[M]. 2版. 北京： 高等教育出版社， 2004： 114.

[4] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢查檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. GB/T 25770—2010 滾動軸承：鐵路貨車軸承[S]. 北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2010.

[5] 崔楊， 胡虔生， 黃允凱. 任意頻率正弦波條件下鐵磁材料損耗計算[J]. 微電機(jī)， 2007， 40（8）： 1-3.

CUI Yang， HU Qiansheng， HUANG Yunkai. Iron loss prediction in ferromagnetic materials with sinusoidal supply [J]. Micromotors Servo Technique， 2007， 40（8）： 1-3.

[6] 章熙名， 任澤霈， 梅飛鳴. 傳熱學(xué)[M]. 5版. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2007： 164.

（編輯 于杰）

摘要：對快捷貨運列車車載監(jiān)控系統(tǒng)運行需求進(jìn)行分析，提出車載軸端發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)要求，并通過對樣機(jī)的試驗為后續(xù)分析提供參數(shù)支持.根據(jù)試驗所得數(shù)據(jù)，利用經(jīng)典理論以及Ansoft和ANSYS等軟件計算發(fā)電機(jī)在不同狀態(tài)和工況下的磁感應(yīng)強(qiáng)度、鐵損和溫升等試驗難以精確測定的物理量.電氣電磁特性分析的計算結(jié)果與之前對樣機(jī)進(jìn)行試驗所獲得的數(shù)據(jù)吻合得很好，對溫升的模擬則精確計算出該電機(jī)的熱平衡溫度.結(jié)果表明該軸端發(fā)電機(jī)可安全應(yīng)用于快捷貨運列車上.

關(guān)鍵詞：快捷貨運列車； 軸端發(fā)電機(jī)； 磁感應(yīng)； 鐵損； 溫升； 安全評估

中圖分類號： U264.11； TB115.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0 引 言

鐵路貨運列車運行速度不斷提高，車軸不斷加重，這對其運行安全性的要求也越來越高.與此同時，國內(nèi)外鐵路事故發(fā)生率呈上升趨勢，安全形勢嚴(yán)峻.較常遇到的事故類型包括貨運列車熱軸切軸、制動系統(tǒng)故障、脫軌、超載偏載以及傾覆等.現(xiàn)有的鐵路貨車軌旁監(jiān)測設(shè)備已經(jīng)無法滿足新型快速貨車的故障檢測要求，急需一套新的車載監(jiān)控系統(tǒng).

目前，阻礙貨運列車車載監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)的一大原因便是電源問題.由于貨運列車自身編組靈活，隨解隨掛，因此無法使用傳統(tǒng)應(yīng)用于客運列車的集中供電方式；采用更先進(jìn)的接觸網(wǎng)供電會使得整體系統(tǒng)異常復(fù)雜，完全不能適應(yīng)貨運列車的需求.為解決該問題，我國鐵路貨運列車曾產(chǎn)生過利用車軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行發(fā)電的方案.[1]這種發(fā)電裝置通過車軸的旋轉(zhuǎn)帶動一端的帶輪，再利用帶輪帶動懸掛于轉(zhuǎn)向架上的發(fā)電機(jī)發(fā)電，但因體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且受限于轉(zhuǎn)向架自身結(jié)構(gòu)，不適合用在新型快捷貨運列車上.在國外，F(xiàn)AG公司生產(chǎn)的軸箱集成發(fā)電機(jī)利用隨車軸旋轉(zhuǎn)的磁鐵作為轉(zhuǎn)子，而將定子固定于軸箱端蓋上產(chǎn)生電能，其集成化程度高、體積小，輸出電源電壓為6～14 V，功率為5～100 W，但其電氣特性數(shù)值遠(yuǎn)小于監(jiān)控系統(tǒng)所需，仍不能滿足要求.

4 結(jié) 論

基于快捷貨運列車對車載監(jiān)控系統(tǒng)的需求以及軸端發(fā)電機(jī)基本參數(shù)，結(jié)合樣機(jī)試驗對發(fā)電機(jī)多項物理特性進(jìn)行計算和分析.得出以下結(jié)論：

（1）發(fā)電機(jī)在整體系統(tǒng)所要求的速度范圍（200 r/min～930 r/min）內(nèi)，均能提供高于系統(tǒng)所需的48 V的穩(wěn)定交流電，可為車載監(jiān)控系統(tǒng)提供穩(wěn)定輸入.

（2）在假定長時間連續(xù)工作的前提下，發(fā)電機(jī)在本文所分析的兩個極端工況中，其溫升最大值分別為19.076 ℃和5.104 ℃，遠(yuǎn)低于鐵路標(biāo)準(zhǔn)中要求的溫升限制40 ℃，因此可以保證軸承運行環(huán)境的安全性.

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國鐵道部. TB/T 2436—1993 鐵道機(jī)車動車用旋轉(zhuǎn)電機(jī)通用技術(shù)條件[S]. 北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 1993.

[2] 曹晟晨. 高速貨車轉(zhuǎn)向架智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D]. 上海： 同濟(jì)大學(xué)， 2012.

[3] 梁燦彬. 電磁學(xué)[M]. 2版. 北京： 高等教育出版社， 2004： 114.

[4] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢查檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. GB/T 25770—2010 滾動軸承：鐵路貨車軸承[S]. 北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2010.

[5] 崔楊， 胡虔生， 黃允凱. 任意頻率正弦波條件下鐵磁材料損耗計算[J]. 微電機(jī)， 2007， 40（8）： 1-3.

CUI Yang， HU Qiansheng， HUANG Yunkai. Iron loss prediction in ferromagnetic materials with sinusoidal supply [J]. Micromotors Servo Technique， 2007， 40（8）： 1-3.

[6] 章熙名， 任澤霈， 梅飛鳴. 傳熱學(xué)[M]. 5版. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2007： 164.

（編輯 于杰）

摘要：對快捷貨運列車車載監(jiān)控系統(tǒng)運行需求進(jìn)行分析，提出車載軸端發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)要求，并通過對樣機(jī)的試驗為后續(xù)分析提供參數(shù)支持.根據(jù)試驗所得數(shù)據(jù)，利用經(jīng)典理論以及Ansoft和ANSYS等軟件計算發(fā)電機(jī)在不同狀態(tài)和工況下的磁感應(yīng)強(qiáng)度、鐵損和溫升等試驗難以精確測定的物理量.電氣電磁特性分析的計算結(jié)果與之前對樣機(jī)進(jìn)行試驗所獲得的數(shù)據(jù)吻合得很好，對溫升的模擬則精確計算出該電機(jī)的熱平衡溫度.結(jié)果表明該軸端發(fā)電機(jī)可安全應(yīng)用于快捷貨運列車上.

關(guān)鍵詞：快捷貨運列車； 軸端發(fā)電機(jī)； 磁感應(yīng)； 鐵損； 溫升； 安全評估

中圖分類號： U264.11； TB115.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0 引 言

鐵路貨運列車運行速度不斷提高，車軸不斷加重，這對其運行安全性的要求也越來越高.與此同時，國內(nèi)外鐵路事故發(fā)生率呈上升趨勢，安全形勢嚴(yán)峻.較常遇到的事故類型包括貨運列車熱軸切軸、制動系統(tǒng)故障、脫軌、超載偏載以及傾覆等.現(xiàn)有的鐵路貨車軌旁監(jiān)測設(shè)備已經(jīng)無法滿足新型快速貨車的故障檢測要求，急需一套新的車載監(jiān)控系統(tǒng).

目前，阻礙貨運列車車載監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)的一大原因便是電源問題.由于貨運列車自身編組靈活，隨解隨掛，因此無法使用傳統(tǒng)應(yīng)用于客運列車的集中供電方式；采用更先進(jìn)的接觸網(wǎng)供電會使得整體系統(tǒng)異常復(fù)雜，完全不能適應(yīng)貨運列車的需求.為解決該問題，我國鐵路貨運列車曾產(chǎn)生過利用車軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行發(fā)電的方案.[1]這種發(fā)電裝置通過車軸的旋轉(zhuǎn)帶動一端的帶輪，再利用帶輪帶動懸掛于轉(zhuǎn)向架上的發(fā)電機(jī)發(fā)電，但因體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且受限于轉(zhuǎn)向架自身結(jié)構(gòu)，不適合用在新型快捷貨運列車上.在國外，F(xiàn)AG公司生產(chǎn)的軸箱集成發(fā)電機(jī)利用隨車軸旋轉(zhuǎn)的磁鐵作為轉(zhuǎn)子，而將定子固定于軸箱端蓋上產(chǎn)生電能，其集成化程度高、體積小，輸出電源電壓為6～14 V，功率為5～100 W，但其電氣特性數(shù)值遠(yuǎn)小于監(jiān)控系統(tǒng)所需，仍不能滿足要求.

4 結(jié) 論

基于快捷貨運列車對車載監(jiān)控系統(tǒng)的需求以及軸端發(fā)電機(jī)基本參數(shù)，結(jié)合樣機(jī)試驗對發(fā)電機(jī)多項物理特性進(jìn)行計算和分析.得出以下結(jié)論：

（1）發(fā)電機(jī)在整體系統(tǒng)所要求的速度范圍（200 r/min～930 r/min）內(nèi)，均能提供高于系統(tǒng)所需的48 V的穩(wěn)定交流電，可為車載監(jiān)控系統(tǒng)提供穩(wěn)定輸入.

（2）在假定長時間連續(xù)工作的前提下，發(fā)電機(jī)在本文所分析的兩個極端工況中，其溫升最大值分別為19.076 ℃和5.104 ℃，遠(yuǎn)低于鐵路標(biāo)準(zhǔn)中要求的溫升限制40 ℃，因此可以保證軸承運行環(huán)境的安全性.

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國鐵道部. TB/T 2436—1993 鐵道機(jī)車動車用旋轉(zhuǎn)電機(jī)通用技術(shù)條件[S]. 北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 1993.

[2] 曹晟晨. 高速貨車轉(zhuǎn)向架智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D]. 上海： 同濟(jì)大學(xué)， 2012.

[3] 梁燦彬. 電磁學(xué)[M]. 2版. 北京： 高等教育出版社， 2004： 114.

[4] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢查檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. GB/T 25770—2010 滾動軸承：鐵路貨車軸承[S]. 北京： 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2010.

[5] 崔楊， 胡虔生， 黃允凱. 任意頻率正弦波條件下鐵磁材料損耗計算[J]. 微電機(jī)， 2007， 40（8）： 1-3.

CUI Yang， HU Qiansheng， HUANG Yunkai. Iron loss prediction in ferromagnetic materials with sinusoidal supply [J]. Micromotors Servo Technique， 2007， 40（8）： 1-3.

[6] 章熙名， 任澤霈， 梅飛鳴. 傳熱學(xué)[M]. 5版. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2007： 164.

（編輯 于杰）