直線電機氣隙與列車能耗的關(guān)系研究

韓永春

(廣州市地下鐵道總公司 運營事業(yè)總部， 廣東廣州510000)

直線電機氣隙與列車能耗的關(guān)系研究

韓永春

(廣州市地下鐵道總公司 運營事業(yè)總部， 廣東廣州510000)

以直線電機列車為研究對象，通過收集廣州地鐵5號線列車直線電機氣隙數(shù)據(jù)和列車車載能耗數(shù)據(jù)，定量分析直線電機氣隙變化與列車能耗的關(guān)系，在保障列車運營安全的前提下，探究降低列車能耗的方法。

地鐵； 直線電機； 電機氣隙； 降低列車能耗

直線電機列車以其造價低、爬坡能力強、無輪對黏著限制、通過曲線半徑小、安全性能高、能耗低等諸多優(yōu)點，成為軌道交通行業(yè)一大新看點[1]。廣州地鐵4,5,6號線均采用直線電機車輛，是國內(nèi)首批批量采用直線電機牽引技術(shù)的地鐵車輛，其中4號線已安全運營達十年，最大運營里程已超過150萬km，其運營安全性能得到一致好評。隨著節(jié)能減排精神日益深入，直線電機列車牽引能耗也受到廣泛關(guān)注，為此，在保障列車安全性能的前提下，探究降低列車牽引能耗的方法顯得尤為重要。

1 直線電機結(jié)構(gòu)特點

列車直線電機的轉(zhuǎn)子為鋼鋁金屬復(fù)合板制成的感應(yīng)板(鋪設(shè)于線路上)，定子為通電線圈、硅鋼片及支架構(gòu)成的直線感應(yīng)電機(掛裝在車輛轉(zhuǎn)向架下)，通過感應(yīng)板與直線感應(yīng)電機之間的電磁作用實現(xiàn)列車的牽引、制動功能。

在旋轉(zhuǎn)電機中，轉(zhuǎn)子因轉(zhuǎn)動必須與定子存在一定間隙，即電機氣隙，同樣，直線感應(yīng)電機吊裝于車輛轉(zhuǎn)向架下，必須與線路側(cè)感應(yīng)板存在一定間隙(ΔZ)，且處于安全考慮，為防止直線感應(yīng)電機與感應(yīng)板發(fā)生刮蹭，直線感應(yīng)電機與感應(yīng)板之間的氣隙將遠大于旋轉(zhuǎn)電機。由于感應(yīng)板與直線感應(yīng)電機均為長直形狀，且在平面內(nèi)是平行的，從而決定了直線電機不同于旋轉(zhuǎn)電機存在明顯的縱向邊緣效應(yīng)，且用于城市軌道交通的直線牽引電機屬于高速低滑差運行的電機，因此其牽引力的計算必須考慮縱向邊緣效應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)氣隙高度直接影響直線電機縱向邊緣效應(yīng)，氣隙值越小，縱向邊緣效應(yīng)越不明顯，電機效率就越高，電能消耗就越低，下文將定量分析電機氣隙與直線電機能耗的關(guān)系,圖1所示[2]。

圖1 直線電機示意圖

2 直線感應(yīng)電機工作原理

直線電機可以認為是旋轉(zhuǎn)電機在結(jié)構(gòu)上的一種演變，它可看作是將一臺旋轉(zhuǎn)電機沿徑向剖開，然后將電機沿圓周展成直線(如圖2所示)，這樣就得到了由旋轉(zhuǎn)電機演變而來的最原始的直線電機。由定子演變而來的一側(cè)即為直線感應(yīng)電機(初級)，由轉(zhuǎn)子演變而來的一側(cè)則為感應(yīng)板(次級)。

圖2 旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)化為直線電機

直線感應(yīng)電機不僅在結(jié)構(gòu)上與旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機相類似，其工作原理也是相似的，其基本工作原理是：當初級三相繞組通入三相對稱正弦交流電時，就會產(chǎn)生氣隙磁場。當只考慮正向基波磁場時，氣隙磁場沿初級呈正弦分布。當三相電流隨時間變化時，氣隙磁場將沿初級做直線平移運動，這個平移的氣隙磁場就是行波磁場。再由楞次定律可知，行波磁場將在次級導(dǎo)體板上產(chǎn)生感應(yīng)電流。又由安培定律可知，次級導(dǎo)體板中的感應(yīng)電流和氣隙磁場相互作用便產(chǎn)生連續(xù)的電磁推力，最終推動直線感應(yīng)電機相對于感應(yīng)板產(chǎn)生直線運動。

3 直線電機的邊端效應(yīng)對電機能耗的影響

3.1 縱向邊端效應(yīng)

由于直線感應(yīng)電機的鐵心開斷和繞組的不連續(xù)，造成直線感應(yīng)電機各相繞組的阻抗不對稱，因此即使在加上三相對稱電壓時，三相繞組中流過的三相電流也不可能對稱，因此，造成在產(chǎn)生正向行波磁場的同時，也會同時產(chǎn)生反向行波磁場和脈振磁場，從而引起直線感應(yīng)電機在運行過程中將產(chǎn)生阻力，增加損耗，使直線感應(yīng)電機的推力和效率降低，而且由于直線感應(yīng)電機鐵心開斷限制，是無法通過附加措施完全消除這一損失的。此種效應(yīng)在次級靜止時就存在，因此稱為直線電機的靜態(tài)縱向邊端效應(yīng)。

另外，當直線感應(yīng)電機運行時，由于次級導(dǎo)體板突然進入和離開初級區(qū)域，由電磁感應(yīng)原理可知，此時次級中會產(chǎn)生抵抗磁場變化的感應(yīng)電流，這種感應(yīng)電流稱為動態(tài)縱向邊端效應(yīng)電流，它使移動磁場發(fā)生畸變，從而引起附加損耗，降低電機的效率，此種效應(yīng)在電機運動時即會存在，稱為動態(tài)縱向邊端效應(yīng)。

3.2 橫向邊端效應(yīng)

所謂靜態(tài)橫向邊端效應(yīng)就是指電機橫向兩個邊端之間，由于磁場擴散而導(dǎo)致氣隙磁場橫向分布的不均勻現(xiàn)象。對于直線感應(yīng)電機，一般其次級導(dǎo)體板的橫向?qū)挾瘸３Ｊ谴笥诔跫夎F心疊片的寬度。所以通?？梢圆豢紤]由于橫向邊緣磁通密度分布不均勻所產(chǎn)生的主磁通總量的變化，即可以不考慮靜態(tài)橫向邊端效應(yīng)。5號線直線感應(yīng)電機鐵芯長度330 mm，正線感應(yīng)板寬度360 mm，也基本可以忽略因靜態(tài)橫向邊端效應(yīng)引起的電機損耗。

所謂的動態(tài)橫向邊端效應(yīng)是指當次級導(dǎo)體板中有感應(yīng)電流流過時，感應(yīng)電流對氣隙磁場沿橫向分布的影響。由于次級導(dǎo)體板的端部一定是有電阻存在，因此在鐵心疊厚范圍內(nèi)電流分布不再均勻，引起次級導(dǎo)體板中的電流有一部分在鐵心疊厚范圍內(nèi)就閉合了，使得此部分電流發(fā)熱損耗。由于直線電機次級導(dǎo)體板寬度常常大于初級鐵心疊片厚度，此部分損耗較小通常可以不考慮靜態(tài)橫向邊端效應(yīng)，而由于動態(tài)邊端效應(yīng)的影響也非常有限，因此橫向邊端效應(yīng)對列車能耗的影響基本不予考慮。

由上述分析可知，直線電機的邊端效應(yīng)使得其不同于旋轉(zhuǎn)電機，直接降低了直線感應(yīng)電機的工作效率，且無法通過附加措施完全消除，是直線電機的一大弊病，也是造成直線電機能耗遠高于旋轉(zhuǎn)電機的直接原因。因此本文主要通過實際能耗數(shù)據(jù)，研究通過改變直線感應(yīng)電機氣隙高度來達到降低列車能耗的目的。

4 直線感應(yīng)電機氣隙高度

5 列車牽引能耗與直線電機氣隙高度

5.1 電機高度與運行時間的變化關(guān)系

由于輪對磨耗因素的影響，列車電機高度隨列車運行時間的增長而降低，也即直線電機氣隙高度應(yīng)列車運行隨時間增長而逐漸減小，且運行時長與氣隙高度下降量應(yīng)為線性關(guān)系，為此，特收集2014年2月2日、3月2日、4月2日5號線113114車共12個直線電機高度數(shù)據(jù)，見表1～表3。

表1 2014-02-02電機高度數(shù)據(jù)

表2 2014-03-02 電機高度數(shù)據(jù)

表3 2014-04-02電機高度數(shù)據(jù)

從表1～表3數(shù)據(jù)按照對應(yīng)側(cè)求差可得每臺電機當月高度下降數(shù)值，并求平均，可得整列車每月電機高度下降量為：

(1) 2014年2月2日～3月2日，113114車整列直線電機平均下降量為0.627 9 mm，也即列車氣隙高度下降0.627 9 mm；

(2) 2014年3月2日～4月2日，113114車整列直線電機平均下沉量為0.456 7 mm，也即列車氣隙高度下降0.456 7 mm。

5.2 列車牽引能耗與運行時間的關(guān)系

5號線自主知識產(chǎn)權(quán)列車每列車裝有車載能耗裝置，該裝置可記錄列車由DC 1 500 V受電回路得到的總電能，且還可自動剔除電制動反饋電能，因此可準確得出列車凈能耗。為排除外界溫度突變引起列車空調(diào)能耗出現(xiàn)較大變動，特去除列車空調(diào)能耗；為排除客流突變引起牽引能耗的突變，特加大采樣樣本，并選擇客流相對穩(wěn)定的2月、3月份進行列車能耗數(shù)據(jù)采集，以盡量排除電機氣隙以外其他外界因素對列車能耗的影響。

根據(jù)列車車載能耗數(shù)據(jù)，可得2月2日～4月2日列車總能耗數(shù)據(jù)為：

(1) 2014年2月2日～3月2日共消耗電能77 507.63 kW·h；

(2) 2014年3月2日～4月2日共消耗電能86 421.75 kW·h。

在此基礎(chǔ)上引入列車運行公里數(shù)，可知：

(1) 2月2日，113114車公里數(shù)為29 774；

(2) 3月2日，113114車公里數(shù)為40 991，則2月2日～3月2日運行里程為11 217 km；

(3) 4月2日，113114車公里數(shù)為53 282，則3月2日～4月2日運行里程為12 291 km。

整合列車能耗數(shù)據(jù)和運行公里數(shù)，可得列車總能耗與運行里程間的關(guān)系如下：

(1) 2014年2月2日～3月2日，列車每公里總能耗為：6.909 8 kW·h/km；

(2) 2014年3月2日～4月2日，列車每公里總能耗為：7.031 3 kW·h/km。

在此基礎(chǔ)上，為排除因外界溫度變化引起空調(diào)能耗的突變，特去除空調(diào)能耗數(shù)據(jù)，縮小除列車氣隙高度以外其他因素對直線電機列車能耗的影響，為此獲取113114車2014年2～4月空調(diào)能耗數(shù)據(jù)如下：(1) 2014年2～3月空調(diào)能耗為9 432 kW·h，運行里程為10 708 km，即2月份每公里空調(diào)能耗為：0.880 8 kW·h/km；

(2) 2014年3～4月空調(diào)能耗為16 173 kW·h，運行里程為11 611 km，即3月份每公里空調(diào)能耗為：1.392 9 kW·h/km。

由空調(diào)能耗數(shù)據(jù)可以看出，隨著氣溫上升，3月份較2月份空調(diào)電能消耗明顯上升，因此勢必影響列車總能耗的上升，為此我們可以在月度總能耗的基礎(chǔ)上剔除空調(diào)能耗部分，則可以大致反映列車牽引能耗隨運行公里里程的關(guān)系如下：

(1) 2014年2～3月，列車每公里牽引能耗為：6.909 8-0.880 8=6.029 0(kW·h/km)；

(2)2014年3～4月，列車每公里牽引能耗為：7.031 3-1.392 9=5.638 4(kW·h/km)。

由上述數(shù)據(jù)可知，3月份每公里牽引能耗較2月份有所降低，降低0.390 6 kW·h/km，下降率為6.478 7%。

5.3 直線電機氣隙高度變化與牽引能耗的變化關(guān)系

列車在2～3月份，113114車12臺直線感應(yīng)電機高度平均下降量約為0.542 3 mm；3月份每公里列車牽引能耗較2月份下降0.390 6 kW·h/km，則列車每公里牽引能耗與電機氣隙高度下降量之間的關(guān)系為：0.390 6/0.542 3=0.720 3(kW·h/(km·mm))，也即列車電機高度每下降1 mm，列車每公里牽引能耗約降低0.720 3 kW·h，降幅11%。

6 結(jié)束語

直線電機車輛電機氣隙高度對列車牽引能耗的影響極其重要，隨著列車直線電機氣隙高度的減小，列車每公里牽引能耗有所降低，下降量約為0.720 3 (kW·h/(km·mm))，為此在保障列車運行安全，不發(fā)生直線感應(yīng)電機與感應(yīng)板刮蹭的前提下，盡可能降低直線電機氣隙高度將有效減少列車牽引能耗，節(jié)約能源。

[1] 龐紹煌，高 偉.廣州地鐵 4 號線直線電機車輛[J]．都市快軌交通，2006，19(1):83-85．

[2] 朱 楷，王月明，樊嘉峰.反應(yīng)板材料和結(jié)構(gòu)對直線電機車輛性能的影響[J].城市軌道交通研究，2007,(9):60-62.

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[4] 朱士友，呂勁松.車輛檢修工[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2009.

Study on the Relationship Between the Iinear Motor of Air Gap and the Energy Consumption of Train

HANYongchun

(Operation Divisions,Guangzhou Metro Corporation,Guangzhou 510000 Guangdong, China)

Based on the linear motor train as the research object, through the collection of guangzhou metro line 5 train linear motor air-gap and train on-board energy consumption data, quantitative analysis of the linear motor air-gap variation relationship with the energy consumption of train, on the premise of train operation safety, to explore the methods of reducing energy consumption of train.

metro; linear motor; motor air gap;reducing energy consumption of train

1008-7842 (2015) 06-0069-04

)男，助理工程師(

2015-05-18)

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.06.18