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      珠海有軌電車(chē)地面供電系統(tǒng)集電靴磁場(chǎng)分析*

      2020-07-13 04:29:28臧玉軍王樂(lè)民
      鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛 2020年3期
      關(guān)鍵詞:磁體鋼帶永磁體

      臧玉軍, 王樂(lè)民, 周 昌

      (中車(chē)大連機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司, 遼寧大連 116022)

      傳統(tǒng)城市軌道交通系統(tǒng)除了需要大量的土地來(lái)修建軌道外,還需要大量空間來(lái)建設(shè)架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)。這樣不僅會(huì)給城市交通帶來(lái)一定的安全隱患,還在一定程度上造成了城市景觀的“視覺(jué)污染”[1]。隨著城市的發(fā)展,為進(jìn)一步體現(xiàn)與城市景觀的融合,現(xiàn)代有軌電車(chē)的供電方式逐步由架空接觸網(wǎng)向無(wú)接觸網(wǎng)發(fā)展。無(wú)接觸網(wǎng)供電方案可以有效避免架空接觸網(wǎng)可能出現(xiàn)的電擊或者掛落等安全隱患,還能將有軌電車(chē)靚麗的外觀融入到城市道路景觀中,打造一道美麗的動(dòng)態(tài)城市風(fēng)景線。

      珠海現(xiàn)代有軌電車(chē)1號(hào)線(如圖1所示)的開(kāi)通運(yùn)行使珠海成為世界首個(gè)將使用地面供電系統(tǒng)的有軌電車(chē)投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的城市,對(duì)緩解城市交通、美化城市環(huán)境發(fā)揮了重要作用。

      珠海現(xiàn)代有軌電車(chē)1號(hào)線采用100%低地板設(shè)計(jì),方便乘客上下車(chē)。鋼輪鋼軌,平穩(wěn)舒適。5節(jié)編組,模塊化設(shè)計(jì)。車(chē)長(zhǎng)32 m,寬2.65 m,高3.6 m。車(chē)輛座位66個(gè),滿載定員276人。電動(dòng)塞拉門(mén),每側(cè)5個(gè)車(chē)門(mén),3個(gè)雙開(kāi)門(mén)及2個(gè)單開(kāi)門(mén)。車(chē)輛兩端均設(shè)有駕駛室,雙向運(yùn)行,最高運(yùn)行速度70 km/h。

      圖1 珠海有軌電車(chē)實(shí)景照片

      1 地面供電系統(tǒng)

      珠海有軌電車(chē)地面供電系統(tǒng)為750 V直流供電,設(shè)計(jì)速度75 km/h,實(shí)際最高運(yùn)營(yíng)速度70 km/h。

      1.1 地面供電系統(tǒng)主要電氣參數(shù)

      額定電壓: DC 750 V

      電壓波動(dòng)范圍: DC 500~900 V

      最大瞬態(tài)電壓: DC 3 500 V

      線路阻抗: 90 mΩ/km

      線路額定電流: 2 000 A (持續(xù))

      5 000 A (1 h)

      地面受流器額定電流 1 000 A (5 km/h 持續(xù))

      (單個(gè)集電靴): 200 A (靜止,持續(xù))

      800 A (30 s,靜止)

      作為與地面供電相對(duì)應(yīng)的車(chē)載受流系統(tǒng),其主要包括集電靴,液壓控制箱,超級(jí)電容,保護(hù)裝置等部分,來(lái)完成有地面供電系統(tǒng)提供的電傳輸?shù)秸?chē)的功能。車(chē)載受流器前端配備有排障器,能夠清除大部分障礙物。同時(shí)配備有護(hù)蓋(遮蓋板),當(dāng)受流器收起不用時(shí),護(hù)蓋閉合,能夠起到保護(hù)作用。

      1.2 地面供電系統(tǒng)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

      地面供電系統(tǒng)與架空接觸網(wǎng)供電方式相比,地面供電系統(tǒng)不用高空作業(yè),且采用了模塊化設(shè)計(jì)和生產(chǎn),安裝和維護(hù)快捷方便。對(duì)于有故障的供電模塊,4個(gè)工人在0.5 h內(nèi)即可更換完畢。

      地面供電系統(tǒng)避免了架空接觸網(wǎng)建設(shè),從而不受空間限制,車(chē)輛可在隧道或既有橋梁下通過(guò);避免破壞城市景觀環(huán)境、樹(shù)木建筑等的破壞,創(chuàng)造了和諧美好的城市環(huán)境,同時(shí)有利于城市規(guī)劃和布局。

      2 集電靴

      2.1 集電靴相關(guān)參數(shù)

      (1)集電靴的主要電氣參數(shù)

      額定電壓:DC 750 V

      電壓范圍: DC 500~900 V

      額定電流(裝配一個(gè)受流靴) :

      800 A,連續(xù),最低5 km/h

      200 A,連續(xù),靜止

      集電靴的設(shè)計(jì)容量為1 000 A。

      (2)集電靴的主要機(jī)械參數(shù)

      集電靴支架長(zhǎng)度 585 mm

      集電靴支架寬度 500 mm

      底座長(zhǎng)度 850 mm

      底座寬度 370 mm

      集電靴支架質(zhì)量 50 kg

      底座質(zhì)量 34 kg

      垂直磁吸力 350~400 N

      抬靴 <3 s

      降靴 <3 s

      降靴(含開(kāi)蓋時(shí)間) <11 s

      打開(kāi)護(hù)蓋時(shí)間 <8 s

      關(guān)閉護(hù)蓋時(shí)間 <8 s

      升排障器時(shí)間 <3 s

      降排障器時(shí)間 <3 s

      (3)車(chē)輛空載、新輪時(shí),護(hù)蓋關(guān)閉狀態(tài)下距離軌面高度為80 mm;車(chē)輛懸掛損壞、舊輪情況下,護(hù)蓋關(guān)閉狀態(tài)下距離軌面的最小高度為30 mm。

      (4)集電靴電刷給地面接觸鋼板的壓力為450 N,壓強(qiáng)為3 333 Pa。

      2.2 主要功能

      集電靴安裝于車(chē)輛兩端轉(zhuǎn)向架,與地面供電模塊正負(fù)極鋼板接觸導(dǎo)入電源供車(chē)輛運(yùn)作。集電靴由支架、排障器、護(hù)蓋與底座組成; 底座由正負(fù)極電刷、強(qiáng)力磁鐵、導(dǎo)電桿與底座容器組成(見(jiàn)圖2)。蓋板、排障器與支架分別以液壓缸操作,設(shè)計(jì)理念采用無(wú)故障設(shè)計(jì)(Fail-Safe-Design)即無(wú)法動(dòng)作或故障就恢復(fù)原狀(收起狀態(tài))。

      2.3 集電靴的結(jié)構(gòu)原理

      磁性集電靴底座是地面供電模塊和有軌電車(chē)受流器之間物理接觸的地方,置于車(chē)輛轉(zhuǎn)向架下,位于受流器最底部,通過(guò)其中永磁體的應(yīng)用將地面供電模塊當(dāng)中的柔性接觸帶吸引上來(lái),使柔性接觸帶連接電源正極,同時(shí)連接正極鋼板通過(guò)C型板將電流傳輸?shù)郊娧ド厦?,從而達(dá)到為整車(chē)提供電能的作用。

      其功能是:永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng),向上吸起柔性接觸帶使地面供電模塊的正極板通電,同時(shí)集電靴與地面供電相應(yīng)模塊區(qū)段接觸,負(fù)極電刷連接地面供電模塊兩邊的負(fù)極,形成回路,為車(chē)輛供電。磁性集電靴底座采用銅合金材料,與地面供電系統(tǒng)接觸時(shí)需要足夠的壓力,因此存在一定的磨損問(wèn)題,需要定期更換新的電刷。集電靴如圖3(a)、3(b)所示。

      圖2 集電靴示意圖及安裝位置

      圖3 集電靴示意圖及實(shí)物圖

      3 集電靴磁場(chǎng)分析

      珠海1號(hào)線有軌電車(chē)采用的TramWave[2]是由無(wú)架空線供電系統(tǒng)技術(shù)的領(lǐng)先者意大利AnsaldoSTS研發(fā)的有軌電車(chē)地面供電系統(tǒng)。TramWave技術(shù)的核心在于轉(zhuǎn)向架集電靴的設(shè)計(jì)(集電靴如圖4(A)所示)。集電靴上安裝了多個(gè)矩形永磁體,如圖4(B)所示。當(dāng)轉(zhuǎn)向架進(jìn)入?yún)^(qū)段上方位置時(shí),擋板打開(kāi),集電靴落下,其中位于兩側(cè)的磁體起到矯正位置的作用,使集電靴正好落到區(qū)段的正上方,中心區(qū)域磁體的磁場(chǎng)使區(qū)段內(nèi)的彈性磁性鋼帶(與柔性供電帶相連)吸起,使其與正極觸點(diǎn)接觸,給有軌電車(chē)供電,稱之為激活狀態(tài)。當(dāng)有軌電車(chē)駛離區(qū)段區(qū)域,彈性磁條失去吸力的作用,在重力作用下落回初始狀態(tài),與安全負(fù)極觸點(diǎn)連接,供電系統(tǒng)處于未激活狀態(tài),此時(shí)汽車(chē)、行人均可安全通過(guò)該區(qū)域[3]。

      圖4 集電靴及永磁體

      3.1 現(xiàn)有集電靴永磁系統(tǒng)的仿真、模擬研究

      根據(jù)現(xiàn)有磁體分布和性能,做了初步的仿真模擬計(jì)算,建立了仿真模型,編制了模擬計(jì)算程序[4],主要結(jié)果如下:

      (1)磁體空間磁場(chǎng)分析

      由于多個(gè)磁體的磁場(chǎng)交互作用,在磁體周?chē)植记闆r比較復(fù)雜,因此我們首先對(duì)磁體靜態(tài)存在時(shí)的磁場(chǎng)的空間分布進(jìn)行了仿真模擬,結(jié)果如圖5所示。由圖5可以明顯看到磁場(chǎng)在磁體周邊分布的情況。按現(xiàn)有設(shè)計(jì),磁體在其周邊產(chǎn)生了較均勻的磁場(chǎng),在紅色橢圓標(biāo)記位置形成了一個(gè)長(zhǎng)方體磁場(chǎng)云,磁場(chǎng)云的強(qiáng)度由磁體表面向外迅速衰減,在磁體表面磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到5~6 kGs,而在距表面75 mm后磁場(chǎng)為零。

      圖5 磁體在非磁性板上的磁場(chǎng)分析

      (2)磁體進(jìn)入供電區(qū)段后的磁場(chǎng)分析

      集電靴進(jìn)入供電區(qū)段,在其正下方的磁性鋼帶會(huì)導(dǎo)致整個(gè)磁場(chǎng)的空間分布產(chǎn)生變化。磁性鋼帶是良好的導(dǎo)磁體,會(huì)把磁力線拽到鋼帶上,因此在鋼帶和磁體之間的磁場(chǎng)會(huì)明顯加強(qiáng)。根據(jù)永磁體區(qū)域尺寸建立一個(gè)鋼帶模型(360×120×5) mm,將該模型加入磁場(chǎng)中,重新對(duì)磁體磁場(chǎng)分布做仿真模擬。集電靴將鋼帶吸起后處于工作狀態(tài)(距離磁體表面30 mm處)的結(jié)果如圖6所示。此時(shí)磁體對(duì)磁性鋼帶的吸引力達(dá)到了240 N(鋼帶尺寸為仿真值)。

      對(duì)磁體處于不同位置的鋼帶吸引力進(jìn)行了計(jì)算得到結(jié)果如圖7所示。磁體到達(dá)供電區(qū)段初始狀態(tài),磁性鋼帶距離磁體表面約60 mm,鋼帶吸引上來(lái)進(jìn)入工作狀態(tài)后距磁體表面約30 mm。這兩個(gè)狀態(tài)鋼帶受到磁體的吸引力有很大差別,在60 mm時(shí)吸引力大約70 N,而30 mm時(shí)吸引力大幅度增加,約240 N。

      圖6 磁性鋼帶距離磁體表面30 mm處后永磁系統(tǒng)的磁場(chǎng)分布

      圖7 磁性鋼帶受到的吸引力和與磁體表面距離的關(guān)系

      通過(guò)分析得出,現(xiàn)有永磁系統(tǒng)只需要70 N的力就可以將鋼帶保持在工作狀態(tài),而多出來(lái)的170 N是為了在60 mm的遠(yuǎn)距離將鋼帶吸引起來(lái)。

      由此可以發(fā)現(xiàn)既有永磁結(jié)構(gòu)存在的弊端:①為了使磁性鋼帶在較遠(yuǎn)的距離被吸引上來(lái),必須使用磁性較強(qiáng)、體積較大的磁體;當(dāng)鋼帶被吸引上來(lái)后,磁體與鋼帶之間距離變小,在正常工作狀態(tài),吸引力過(guò)大,容易造成不必要的磨損;②永磁體在工作過(guò)程中,會(huì)吸引大量的地面磁性雜物,這些雜物吸附在磁體下面的包覆層上很難清理。如果有較大雜物吸附,會(huì)導(dǎo)致?lián)醢蹇ㄗ?,無(wú)法回復(fù)。

      3.2 磁場(chǎng)優(yōu)化方案

      針對(duì)上述運(yùn)用中存在的問(wèn)題,擬對(duì)既有集電靴的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

      (1)在永磁體外加上電磁線圈,通入正向電流時(shí),線圈產(chǎn)生與磁體相同方向磁場(chǎng),可以增加吸引力,將距離較遠(yuǎn)的鋼帶從初始位置吸起[5];當(dāng)通入反向電流時(shí),線圈產(chǎn)生相反方向磁場(chǎng),在磁體表面產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)相抵消的弱磁區(qū),在磁體包覆層表面磁場(chǎng)降為零,這樣可以把工作過(guò)程吸附的雜物清理掉;

      (2)減小磁體尺寸和更改磁體磁性參數(shù)和布置。集電靴在進(jìn)入工作區(qū)段時(shí),由于增加了電磁輔助,在永磁體和電磁體的雙重磁場(chǎng)作用下,鋼帶從距離較遠(yuǎn)的初始位置被吸引上來(lái),進(jìn)入工作狀態(tài)。此時(shí)不再需要這么大的吸引力,斷開(kāi)電磁輔助,僅使用永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)工作,在工作狀態(tài)下對(duì)鋼帶的吸力會(huì)減少,從而減少磨損。

      4 總 結(jié)

      采用地面供電方式取代通過(guò)架設(shè)接觸網(wǎng)供電的有軌電車(chē)更好的滿足了城市對(duì)節(jié)能環(huán)保和改善城市景觀的需求,珠海1號(hào)線有軌電車(chē)成為珠海一道靚麗的風(fēng)景線。目前經(jīng)過(guò)優(yōu)化改造的地面供電系統(tǒng)已經(jīng)在安全性、可靠性、適用性等方面得到了廣泛驗(yàn)證與提升,針對(duì)集電靴運(yùn)用中出現(xiàn)的問(wèn)題也將得到優(yōu)化解決。相信地面供電將成為越來(lái)越多城市有軌電車(chē)供電方案的新選擇。

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