ZPW·XKJD空心線圈電氣參數(shù)計(jì)算分析

劉 瑞

(1．北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

ZPW·XKJD 機(jī)械絕緣節(jié)空心線圈（以下簡(jiǎn)稱(chēng)XKJD）是ZPW-2000A 軌道電路系統(tǒng)的室外設(shè)備，設(shè)置于進(jìn)出站口處。由玻璃絲包銅線繞制而成，通過(guò)其多層多匝的橢圓形結(jié)構(gòu)，使電氣參數(shù)達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

在生產(chǎn)過(guò)程中，由于線圈參數(shù)個(gè)體的差異，往往通過(guò)人工調(diào)試的方式使設(shè)備電氣參數(shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)工藝一致性待提高。有必要根據(jù)在產(chǎn)線圈的材料及形態(tài)，建立其結(jié)構(gòu)參數(shù)與電氣參數(shù)之間的可量化關(guān)系，以幫助設(shè)備參數(shù)優(yōu)化與工藝改進(jìn)。

XKJD 的電氣參數(shù)由電阻與電感構(gòu)成，本文僅針對(duì)其電感進(jìn)行計(jì)算分析。

1 電感計(jì)算分析

線圈繞制為3 層空心螺旋橢圓環(huán)結(jié)構(gòu)，電感由自感與層間互感疊加構(gòu)成。

為了便于計(jì)算，將橢圓形環(huán)狀等效為等面積的圓形環(huán)狀，簡(jiǎn)化為3 層空心平面同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 線圈等效示意圖Fig.1 Schematic diagram of equivalent coil

線圈銅線導(dǎo)線為47 mm2（19*1.78 mm）銅線，每層5 匝，結(jié)構(gòu)參數(shù)及等效后參數(shù)如表1 所示。

表1 設(shè)備計(jì)算參數(shù)Tab.1 Equipment calculation parameters

當(dāng)線圈匝寬小于外直徑時(shí)，線圈感值的計(jì)算誤差在允許范圍內(nèi)。

1.1 自感

每層線圈的等效模型為平面圓盤(pán)形電感，如圖2所示。

圖2 平面圓盤(pán)形線圈示意圖Fig.2 Schematic diagram of flat disc coil

平面圓盤(pán)形電感的自感計(jì)算公式如下：

公式（1）中，μ0：空氣磁導(dǎo)率。

W：線圈匝數(shù)。

d：線圈平均直徑。

ψ：由比值ρ=r/d 決定的數(shù)值,其計(jì)算公式如下。

將W=5，d=0.145 m，r=0.026m，μ0=0.000 001 26 H/m,代入公式（2）。

ψ=23.75，L=4.3μH，三層線圈串聯(lián)后，總自感：L自感= 3×L單層=12.9μH。

1.2 互感

線圈層間等效模型為相同形態(tài)的不同平面線圈間的互感，如圖3 所示。

圖3 兩個(gè)相同的平面線圈示意圖Fig.3 Schematic diagram of two identical planar coil

互感計(jì)算公式為：

式中，W：線圈匝數(shù)；

d：線圈平均直徑；

x：線圈間距離；

ψ：由比值ρ 與ξ 決定的數(shù)值，ρ=r/d，ξ=x/d,

將W=5，d=0.184 5 m，r=0.026 m，X相鄰線圈距離=0.004 53 m，X相隔線圈距離=0.012 26 m代入公式（4），ψ相鄰=10.39，ψ相隔=8.496，L相鄰=3.769 μH，L相隔=3.082 μH。

總互感由相鄰線圈互感與相隔線圈互感構(gòu)成

1.3 總電感

線圈總電感為平面圓盤(pán)自感疊加不同平面線圈間的互感：

2 理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)量對(duì)比

對(duì)理論計(jì)算值與線圈實(shí)際電氣參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如表2 所示。

表2 理論計(jì)算與實(shí)測(cè)對(duì)比Tab.2 Comparison between theoretical calculation and actual measurement

理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)試值基本一致，差異在3%以?xún)?nèi)，考慮到材質(zhì)本身及工藝操作上的差異，可認(rèn)為上述計(jì)算方法與表達(dá)是適用的，可以滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。

3 結(jié)束語(yǔ)

在設(shè)備生產(chǎn)與工程應(yīng)用中，往往是對(duì)性能參數(shù)提出需求，即根據(jù)性能參數(shù)的需求，逆向得到結(jié)構(gòu)參數(shù)取值，建立其函數(shù)關(guān)系，從而對(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)與工藝產(chǎn)生影響，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

對(duì)XKJD 開(kāi)展結(jié)構(gòu)參數(shù)與電氣參數(shù)相關(guān)的研究，有針對(duì)性的在材料選型、工藝規(guī)程、電氣性能方面進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提升設(shè)備品質(zhì)性能，保證軌道電路系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作，為我國(guó)鐵路事業(yè)的發(fā)展提供保障。