牽引電機(jī)的發(fā)展及前景展望

文/ 王小龍 南京地鐵運營有限責(zé)任公司 江蘇南京 210012

牽引電機(jī)的發(fā)展及前景展望

文/ 王小龍 南京地鐵運營有限責(zé)任公司 江蘇南京 210012

本文主要闡述了牽引電機(jī)的由來、特點，以及發(fā)展至今演變過程和不斷變化的原因，以及將來的發(fā)展趨勢。同時討論了將來發(fā)展演變的前景趨勢以及可能遇到的主要技術(shù)問題！

牽引電機(jī)；構(gòu)造；類別；發(fā)展；前景

1、軌道交通牽引力的發(fā)展

1.1 機(jī)械化牽引的軌道交通

1804年由英國人經(jīng)過多年的研究、改進(jìn)才發(fā)明了第一臺單汽缸和大飛輪的蒸汽機(jī)車，能夠牽引5輛車廂，這就是最早有蒸汽機(jī)牽引的機(jī)車。世界上第一條地鐵則于1863年1月10日在倫敦建成，由蒸汽機(jī)車牽引。但蒸汽機(jī)牽引的列車非常簡陋，乘客飽受煙熏之苦，并且有煤氣中毒的危險，但由于載客量大，充分顯示了作為城市大容量交通工具的發(fā)展前景

1.2 電機(jī)牽引的軌道交通

自1831英國物理學(xué)家、化學(xué)家邁克爾.法拉利發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并制出世界上第一臺發(fā)電機(jī)，就把人類帶到了點得世界。繼后相繼出現(xiàn)了各種發(fā)電機(jī)。于1877年發(fā)電機(jī)用于商業(yè)生產(chǎn)，至1879年德國西門子-哈爾斯克電報研究所制作出有軌電車，自此電力牽引時代真正到來，此時用得就是電機(jī)牽引。

2、牽引電機(jī)的演變過程

牽引電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和普通電動機(jī)是相似的，但由于其工作條件的特殊，一次它應(yīng)具有以下特點：

（1）牽引電機(jī)懸掛在軌道車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上或車軸上，并借助傳動裝置驅(qū)動車輛前進(jìn)，因此牽引電機(jī)在結(jié)構(gòu)上必須考慮傳動和懸掛兩方面的問題。

（2）牽引電機(jī)的安裝尺寸受到很大的限制，徑向尺寸受到輪徑直徑限制，軸向尺寸受到軌距的限制，故要求其結(jié)構(gòu)必須緊湊。

（3）車輛運行時，鋼軌對車輛的一切動力影響都會傳給牽引電機(jī)，是牽引電機(jī)承受很大的沖擊和振動。

（4）牽引電機(jī)的使用環(huán)境惡劣，它掛在車體下面容易受潮、受污，還經(jīng)常受到濕度、溫度的影響。

3、牽引電機(jī)至今的演變成果

3.1牽引電機(jī)的種類及使用的地點

目前，軌道交通的牽引電機(jī)主要有：直流牽引電機(jī)、交流牽引電機(jī)、直線牽引電機(jī)、永磁牽引同步電機(jī)等幾類：

1.直流牽引電機(jī)：目前還在北京，上海等地鐵列車上使用。

2.交流異步牽引電機(jī)：目前在上海，南京，北京等等地鐵，大鐵上使用。

3.直線電機(jī)：僅在廣州地鐵使用。

4.永磁牽引同步電機(jī)：目前在法國阿爾斯通、日本東芝、德國STARNBENG等研究公司研究中。

3.2各種牽引電機(jī)的構(gòu)造及特點

3.2.1直流牽引電機(jī)

（一）構(gòu)造

直流電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。

（1）定子

電機(jī)定子主要用來建立主磁場，并作為電機(jī)的機(jī)械支撐，包括機(jī)座、主磁極、換向極和電刷裝置等部件。

（2）轉(zhuǎn)子

電機(jī)轉(zhuǎn)子又稱電樞，用來產(chǎn)生感應(yīng)電動勢、流通電流、產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。主要包括電樞鐵芯、電樞繞組、轉(zhuǎn)軸和換向器等部件。

（二）特點

（1）直流牽引電動機(jī)擁有較好啟動、調(diào)速性能和正反轉(zhuǎn)工作特性，適應(yīng)機(jī)車牽引特性的需要.

（2）體積大、質(zhì)量大、轉(zhuǎn)動慣量大、動態(tài)性能相應(yīng)差。

（3）維護(hù)檢修工作量大、成本高、應(yīng)用環(huán)境受限。

（4）換向困難。

3.2.2交流牽引電機(jī)

(一) 構(gòu)造

交流牽引電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和氣隙三部分組成。

（1） 定子

定子由鐵芯（電工硅鋼片疊成）、定子繞組、機(jī)座等部件組成。定子鐵芯內(nèi)圓有許多形狀相同的槽，用于嵌放定子繞組，機(jī)座用于固定和支撐定子鐵芯，要求有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度。定子外部固定有端蓋。

（2）轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯（硅鋼片疊成），轉(zhuǎn)子繞組及轉(zhuǎn)軸組成。轉(zhuǎn)子鐵芯安裝在轉(zhuǎn)軸上，表面開有槽，用于放置或澆注轉(zhuǎn)子繞組。在轉(zhuǎn)子的一端安裝有風(fēng)扇，用于轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動時的降溫散熱。

（3）氣隙

氣隙大小對異步電動機(jī)性能有很大的影響。氣隙大，則磁阻大，勵磁電流（滯后的無功電流）大，功率因數(shù)降低。氣隙過小，則裝配困難，運行不可靠，高次諧波磁場增強(qiáng)，從而使附加損耗增加，啟動性能變差。

（二）特點

（1）結(jié)構(gòu)簡單、功率大、體積小、質(zhì)量輕。

（2）成本低廉、工作可靠、慣量小、維護(hù)方便。

（3）獨立的通風(fēng)模式。

（4）電路簡單，故障率低。

（5）可以在一般性能調(diào)速，也可以在高性能的交流調(diào)速和伺服系統(tǒng)。

（6）過載能力強(qiáng)、噪聲小、調(diào)速范圍廣、再生制動力大、可以防止車輪打滑。

（7）平穩(wěn)舒適，節(jié)能20%-30%！

4、牽引電機(jī)及技術(shù)難關(guān)

（1）研究永磁材料的熱穩(wěn)定性，詳細(xì)分析各種不同電磁材料的抗去磁能力，為設(shè)計制造理論依據(jù)。

（2）改進(jìn)制造裝配工藝，設(shè)計專用設(shè)備保證研究永磁同步牽引電機(jī)的工業(yè)化生產(chǎn)。

（3）一步提高永磁同步牽引電機(jī)的弱礠控制性能。

（4）研究永磁同步牽引電機(jī)無速度無位置傳感技術(shù)，進(jìn)一步減低成本，提高可靠性能。

（5）研究新型牽引電機(jī)對電網(wǎng)的穩(wěn)定性影響，以及難處相應(yīng)控制策略。

（6）研究永磁同步牽引電機(jī)的系統(tǒng)參數(shù)匹配，系統(tǒng)優(yōu)化.

結(jié)論：

由于現(xiàn)在人們對軌道交通車輛的要求有了進(jìn)一步的提升，很多知名企業(yè)已經(jīng)迅速著手研制并開發(fā)出新一代的機(jī)車牽引永磁同步電動機(jī)，目前正在各個領(lǐng)域進(jìn)行著評價試驗。這一切的一切都表明牽引電機(jī)的演變的必要性。此文根據(jù)現(xiàn)在的技術(shù)對未來牽引電機(jī)的發(fā)展方向進(jìn)行基本預(yù)測，并闡述牽引電機(jī)發(fā)展過程可能會遇到的一些技術(shù)難關(guān)。

[1]《直線電機(jī)輪軌交通牽引傳動系統(tǒng)》.北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2010.

[2]《下一代牽引電機(jī)》.松岡孝一：電力牽引快報，1999.

[3]《電力機(jī)車電機(jī)》.北京：中國鐵道出版社，2010.

[4]《永磁電機(jī)在鐵路機(jī)車牽引領(lǐng)域的應(yīng)用》.山西:永濟(jì)新時速技術(shù)研發(fā)部,2008.

[5]《城軌車輛永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景》.四川:株洲電力研究所,2009.

[6]《城市軌道交通概論》.北京:中國鐵道出版社,2008.

[7]《城市軌道交通系統(tǒng)概論》.北京:中國水利水電出版社,2007.

[8]《城市軌道交通車輛運行與維修》.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.