（机械制造及其自动化专业论文）直线电机车辆动力学仿真研究.pdf

摘要 直线电机运载系统由于具有很多传统粘着驱动系统所不具备的特 点而逐渐受到越来越多的重视。我国的广州市、北京市e 在实施和规 划直线电机系统方案，直线电机运载系统技术在我国正处于初级发展 阶段。对直线电机车辆开展系统动力学研究是很有必要的。 论文根据车载直线电机的构造特点，简化了单边直线感应电机的 磁场模型，整理、推导了适合于车辆动力学仿真计算的垂向电磁力公 式，在a d a m s r a i l 软件中建立了完整的直线电机一车辆一轨道系统动力 学模型。 论文结合实际，以广州轨道交通4 、5 号线车辆为原型，对直线电 机车辆的随机振动响应特性和车辆的曲线通过性能进行了仿真计算。 计算结果表明：直线电机转向架车辆的运行平稳性优良，与常规转向 架车辆相比，直线电机转向架降低了车辆运行平稳性指标，提高了乘 坐舒适度。直线电机转向架的曲线通过性能良好。各项指标均符合 g b 5 5 9 9 8 5 和广州4 、5 号线的设计要求。与常规转向架相比，直线电 机转向架的轮轨横向力、轮轴横向力、整车磨耗指数较大；轮重减载 率较小；脱轨系数较常规转向架稳定。 关键词：直线电机车辆；运行平稳性；曲线通过 a b s t r a c t m o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni sp a i dt ot h el i n e a ri n d u c t i o nm o t o r ( l i m ) p r o p u l s i o ns y s t e mf o r i t s d i s t i n g u i s h i n gf e a t u r e s t h a tt r a d i t i o na d h e s i o n s y s t e m sc a nn o ta c h i e v e t h eu mp r o g r a mi si m p l e m e n t i n go ri n t h e s c h e m es t a t ei ng u a n g z h o ua n db e i j i n gw h i c hi sj u s ti nt h ei n i t i a ls t a g ei n c h i n a i ti sv e r yi n d i s p e n s a b l et ol a u n c ht h es y s t e m a t i cd y n a m i c sr e s e a r c h t ot h eu mv e h i c l e s i nt h i s t h e s i s ，a c c o r d i n g t ot h eu ms t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h e m a g n e t i c f i e l di n s i n g l e s i d eu mi s s i m p l i f i e d t h e v e r t i c a l e l e c t r o m a g n e t i s m f o r c ef o r m u l a st ov e h i c l e d y n a m i c s s i m u l a t i o n c a l c u l a t i o ni sc o o r d i n a t e da n dd e r i v e d t h ei n t e g r a t e du m v e h i c l e - r a i l w a y s y s t e m a t i cd y n a m i c sm o d e l i se s t a b l i s h e di na d a m s r a i ls o f t w a r e b a s e do nt h eu mv e h i c l e sf o rg u a n g z h o ul i n e4 & 5 t h ea n a l y s i so f t h er a n d o mv i b r a t i o nr e s p o n s ep r o p e r t ya n dt h ep e r f o r m a n c eo fc u r v i n g n e g o t i a t i o n o fu mv e h i c l eh a sb e e n p e r f o r m e d i nt h i st h e s i s t h e s i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i o ni n d i c a t e s ：l i mb o g i ep a s s e n g e rc a rh a sg o o d r i d i n gq u a l i t y u mb o g i e c a rh a sl o w e r s p e r l i n g v a l u r et h a nt h e c o n v e n t i o n a lp a s s e n g e rc a r s u mb o g i ec a rh a sg o o dc u r v en e g o t i a t i o n p r o p e r t y ，a n dc o n f o r mw i t hg b 5 5 9 5 8 5a n dg u a n g z h o u4 & 5 l i n e sd e s i g n r e q u i r e m e n t c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lc a r , l i mb o g i ec a rh a sh i g h e r v a l u e o f w h e e l r a i l l a t e r a l f o r c e 、f r a m e w h e e l s e t f o r c e 、w e a r n u m b e r ；l o w e r v a l u eo fw h e e l u n l o a d i n g ；m o r es t e a d yd e r a i l m e n tq u o t i e n t 。 k e yw o r d s ：u m v e h i c l e ；r i d i n gq u a l i t y ；c u r v i n gn e g o t i a t i o n 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 城市轨道交通运载系统技术的发展 从英困伦敦1 8 6 3 年第一条地下铁道投入运营，到现在已有1 0 0 多 年的历史了。开始时是以地下线形式出现，所采用的运载系统一直以 来都是采用传统铁路车辆运载方式，也就是传统的钢轮与钢轨的粘着 驱动方式。上世纪初地下铁道线路敷设形式由单一地下形式，逐步发 展成地下、地面和高架联运形式。到今天为止，对于大运量、较大轴 重的城市轨道交通系统主要还是这种运载方式。 1 1 1 传统的粘着驱动系统 采用传统钢轮与钢轨粘着驱动 方式的城市轨道交通系统，其运行 机理是：由旋转电机产生动力，通 过相应的机械传动装置( 齿轮和传 动连杆) 传到轮轴上，再通过轮轨 间蠕滑的作用形成牵引制动力，推 图1 1 粘着驱动原理示意图 动或制动车辆( 见图1 1 ) 。一旦轮轨间的传递力超过轮轨允许的最大 粘着力( f k t p ，岸为摩擦系数，p y ：j 轮重) ，则会造成轮对空转和滑行， 引起轮周力迅速丧失，此时车辆就不能实现牵引或制动运行。所以， 传统的旋转电机驱动是一种受到轮轨黏着限制的驱动方式。车辆能够 运行的必要条件是由于外力( 粘着力) f 的存在。这种机理带来了地下铁 道线路纵断面设计最大纵坡度值( 3 0 ) 以及连续坡长的限制。线路从 地下接至地面、高架坡长较大，占用城市道路平、竖向空间较大，影 北京交通大学硕士学位论文 响城市景观等- 1 系列问题。这种粘着驱动方式用于地面或高架线路， 还会给线路周围环境带来较为严重的噪声、振动影响：难以实现安全 可靠的无人驾驶，英国伦敦的d o c k l a a d 轻轨系统只能实现有乘务员的 无人驾驶，新加坡的东北地下铁道线花费大量投资，采用先进技术， 才能实现无人驾驶。 传统技术模式的地铁车辆是依靠轮轨作用来发挥牵9 i 制动力， 由于物理粘着的存在限制了其加减速度性能和爬坡能力的提高，还存 在全天候运行特性较差，运行的机械振动和噪声较大，车辆结构轻量 化和小型化相对困难等缺点，长期以来科技界、工业界一直在追求研 发一种新的非粘着驱动技术模式。 1 1 2 非传统的胶轮驱动系统 为了克服传统的钢轨与钢轮的粘着驱动方式存在的缺点，法国巴 黎地下铁道第一条线于1 9 0 0 年建成通车，1 9 5 4 年之后开始采用非传统 的胶轮、混凝土( 水平导向、垂直支撑) 的粘着驱动方式，在巴黎地下 铁道2 0 多条线路中有多条线采用。以后推广应用到法国多个城市( 马 赛、里尔等) 、加拿大蒙特利市、墨西哥墨西哥城、中国台北( 栅木线) 等城市轨道交通系统中。在日本东京、美国奥兰多、澳大利亚悉尼、 马来西亚吉隆坡、中国重庆所采用的单轨系统( m o n o r a i ls y s t e m ) 也都 属于这种驱动方式。 胶轮运载系统的缺点： l 、工程造价较高，运能小。 2 、系统复杂( 胶轮气压控制、驱动一差动桥方式等) 。 3 、能耗高，胶轮磨耗大、需要经常更换，造成运营成本高。 4 、胶轮大量磨损产生胶粒粉尘，污染系统的轨行区。 一2 第1 章绪论 1 1 3 索轨交通系统 2 0 世纪6 0 年代，国外为了提高城市轨道交通运载系统的爬坡能 力，亦相继开发了索轨交通系统。索轨交通车辆的转向架置于车体顶 部，车辆悬挂于索轨下方行使，其导向轮和走行轮均为橡胶轮。但是 这种运载系统由于受多种条件限制，未能得到广泛应用。 1 1 4 非粘着驱动方式运载系统 到了2 0 世纪7 0 年代，一些城市探索能否在城市轨道交通运载系统 中，采用其它形式的非粘着驱动方式代替粘着驱动方式的运载系统， 出现以下几种非粘着驱动方式的运载系统。 1 、西c o e s t e s 公司专利的a e r o m o v e l 系统( 即所谓风动运载系统) ， 该系统是一种被动式系统，也就是列车上无任何牵引动力，其机理是 通过风机把电能转变为风流的能量，在密封的风道内，使连接着列车 的风帆板前后产生压差，从而推动列车前进。由于能量的二次转换， 能耗高、系统复杂，仅在巴西瓦格雷拉港建了一条6 5 0 米长的试验线。 可以讲这是一项不成熟的技术，未能在工程上实际运用。 2 、把钢轮与钢轨缆车运载系统技术应用在城市轨道交通。 西班牙巴塞罗那市奥林匹克运动中心的地下缆车运载系统，成功 建成，并为巴塞罗那奥运会提供交通服务。采用这种系统的还有法国 里昂市登山地下缆车运载系统等。上述这种运载系统技术由于受运量 等级及车站设置条件限制，亦未能广泛应用。 3 、把直线电机运载系统技术运用在城市轨道交通。 直线电机可以视为一台旋转电机沿半径方向切开丽展平的感应 电机，定子( 磁铁和线圈) 和转子( 感应板) 分别安装在车辆转向架 一3 北京交通大学硕士学位论文 上和轨道中问的感应轨上，与普通旋转感应式电机的原理一样，只不 过其运动方式由旋转变为直线运动，但仍构成了感应电动机的作用机 能。这种驱动方式的最大特点是驱动力不再受到轮轨粘着的限制，而 取决于该定子一转子系统的电磁性能，因而是一种非粘着驱动方式， 能在车辆与感应轨无接触情况下传递牵引、制动力( 见图1 2 ) 。 图1 2 直线电机与直线电机车辆 直线电机运载系统是应用于城市轨道交通的典型非粘着驱动方 式的系统。其机理是固定在转向架的一次线圈通过交流电流，产生移 动磁场( 行波磁场) ，通过相互作用，使固定在整体道床上的二次感应 板( 展开的转子) 产生磁场，通过磁力( 吸引、排斥) ，实现车辆的运行 和制动( 图l _ 2 ) 。 直线电机运载系统在国外多个城市已有近2 0 年的安全可靠运用 成功经验。可以说，在国外是技术成熟、安全可靠的非粘着驱动方式 的轨道交通运载系统，详见表1 1 。 表1 ，1 直线电机运载系统在世界城市轨道交通应用情况统计 加拿丈温哥华马来西亚吉隆坡加拿大温哥华延伸 峨i 型m k i l 型线m k i i 型 开t 一运营1 9 8 2 5 1 9 8 6 11 9 9 6 5 1 9 9 8 ，92 0 0 1 线路长度( k m ) 2 8 92 92 0 3 超员轴重( t ) 5 5 49 0 48 7 9 4 一 第1 章绪论 i ) c 6 0 0 ：d c 7 5 0 ： d c 6 0 0 ： 牵引电压( v ) 第四轨 第四轨第删轨 屯机功率( k w ) 1 2 0 k * 2 1 2 0 k 僻21 2 0 k w 2 最大坡度( ) 6 2 55 06 最大设计速度 1 0 0 9 09 0 ( k m h ) 培大运营速度 9 08 0 8 0 ( k r a h ) 加速度( m s 2 ) 1 2 11 0 1 0 制动减速度( m s 2 )1 0 1 010 紧急制动减速度 2 8 5 2 42 4 ( m s 2 ) 高峰小时单向最大 2 5 万3 0 万 客流 续表1 ，l 美国细约肯尼迪机日本大阪7 号线东京都营1 2 号线 场m k i i 型7 0 系列 1 2 0 0 0 系列 开工一运营1 9 9 8 9 2 0 0 21 9 9 72 0 0 0 线路长度( k m ) 1 31 54 0 7 超员轴重( t ) 9 0 88 1 37 8 8 d c 7 5 0 ： 0 c 1 5 0 0 ：d ( ；1 5 0 0 牵引电压( v ) 第三轨架空柔性接触嘲架空刚性接触网 电机功率( k w )1 2 0 k 僻21 0 0 k 聃21 2 0 k w * 2 撮大坡度( ) 5 4 最大、计速度 1 1 0 ( k m h ) 最大运营速度 1 0 07 07 0 ( k m h ) 加速度( 口s 2 ) 1 3 40 6 90 8 3 制动减速度( m s 2 ) 1 10 0 ，9 70 、9 7 5 北京交通大学硕士学位论文 紧急制动减速度 1 4 31 21 2 ( m s 2 ) 高峰小时单向最大 2 3 万 客流 1 2 直线电机车辆及转向架概述 1 2 1 直线电机车辆综述 目前掌握直线电机车辆成熟技术的国家有加拿大和日本等。加拿 大温哥华市的s k y t r a i n 系统是运用直线电机车辆的典范，到2 0 0 2 年 底，庞巴迪公司为该系统制造的m k 系列车辆已成功、可靠的运行了 1 0 亿k m 。开发直线电机车辆的国家还有日本，日本在引进s k y t r a i n 技术的同时，开发了例如东京1 2 0 0 0 、大阪7 0 等系列车辆。 直线电机车辆不需要中问传动装置，车辆下部限界不构成对结构 的约束，因此可以采用小的车轮。再者，由于不需要旋转电机的悬挂 安装空间，车辆地板面的高度同传统地铁车辆相比可大幅度降低。该 型车辆的横断面面积较小，与传统地铁车辆相比大约减少4 0 ，这样 对地铁隧道横断面的选择极为有利。直线电机车辆所用的轨道和高架 线路车辆前段示意图如图1 3 所示。 1 3 直线电机车辆所1 l f j 轨道和高架线路车辆前视图 6 一 第1 章绪论 车辆小型化、采用小半径车轮、编组灵活等是直线电机车辆的突 出特点。国外主要直线电机车辆参数对比见表1 2 。 表1 2国外直线电机车辆参数表 项目眦i m kj 1 日本7 0 系列【】奉1 2 0 0 0 系列 长( m )1 2 71 6 8 51 5 81 6 5 车辆尺 宽( m )2 52 6 52 4 9 62 5 高( m ) 3 1 2 53 4 43 1 2 31 5 轨面至底板高度( )0 7 90 8 2 5 车重( t ) 1 4 3 72 2 2 4 5 2 6 52 5 5 编组( 辆)2 、4 、8 2 4 46 轮径( 1 i 蛐)4 7 1 )5 8 56 6 0 6 1 9 1 2 2 直线电机转向架综述 直线电机车辆转向架按照直线电机在转向架的悬挂方式总体可分为 两类： 1 以加拿大s k y t r a i n 系统m k 系列车辆为代表的采用三大件式 结构型式的追导向径向转向架。转向架的前后轮对通过副构 架铰接在一起，直线电机悬挂于副构架上，在铰接点通过吊 杆悬挂于摇枕上，在副构架的铰接点两侧有水平拉杆将副构 架与摇枕连接，两片侧架安装于轴箱上，在摇枕和轮对之间 设置了迫导向拉杆机构。转向架由高级铝合会铸造，车轮直 径为5 8 5 n u a ，另外，装备横向、纵向液压减振器。m k l i 转向架 如图1 _ 4 所示。 7 北京交通大学硕士学位论文 图1 4v a n c o u v e rm ki i 车辆转向架示意图 2 整体构架式转向架。日本制造的直线电机车辆，包括1 2 0 0 0 型、7 0 型等车辆通常采用整体构架而非三大件式的自导向径 向转向架。直线电机悬挂于转向架构架的横梁上，属于簧上 质量，二横梁之间安装有水平牵引杆，转向架构架通过一一系 悬挂弹性定位于轴箱。直线电机的驰动力、制动力通过设在 直线电机的牵引杆传递到枕梁，再由摇枕拉杆传递到车体。 车轮直径为6 6 0 m m ，该系列转向架没有安装迫导向机构，而是 采取降低轴箱纵向、横向支撑刚度的办法来实现车轴沿铁轨 方向的自然定位。大阪7 0 系列转向架如图1 5 所示。 幽1 5 大阪o s a k as e r i e7 0 车辆转向架示意图 一8 第1 章绪论 1 2 3 直线电机运载系统技术特性 由_ 丁是非粘着的驱动方式，所以直线电机运载系统具有如下的特 点： 1 、优良的动力性能 车俩的运动是依靠直线电机所产生的电磁力来推进，车轮仅起支 撑作用，不传递动力，不再受到轮轨黏着因素的制约，车辆可以获得 很强的启动、加速、减速、动力性能，尤其具有突出的爬坡能力，线 路最大坡度可以允许在8 0 以上( 图1 6 ) 。 二二：7 艇 图1 6 传统驱动与直线电机驱动系统的爬坡能力比较 2 、实现径向转向架 由于车轮不再传递牵引、制动力，所以轴箱定位结构可以大大简 化，尤其是纵向定位刚度不再因需传递力而要求设计的很大，可以容 易的实现较小的轴箱定位纵、横向刚度，达到柔性定位。再加上轴间 无传动装置和电机安装，所以转向架的轴距最小可以做至u 1 8 0 0 m m ( 传 统2 1 0 0 ) ，这样就很容易实现结构简单的径向转向架( 图1 7 1 ，提高了车 辆的曲线通过性能和运行平稳行。最小曲线半径可达8 0 m ，有利于线 路平面选线，可避开已建或规划待建的建筑，以及建筑基础、地下管 线和其它地下构筑物，降低工程造价( 图1 8 ) 。有利于线路由地下至 地面、高架过渡，从而减少过渡段的用地面积，便于道路交通疏解， 降低用地费用，减少对城市景观的影响。由于车辆平面转弯半径小， 大大缩减车辆段及综合维修基地的用地面积，降低工程投资 9 一 一 北京交通大学硕士学位论文 ，秘一蚪。 常规转向槊径向转向架 图1 7 常规与径向转向架比较 三! o m = 二j 广_ = 二= = _ _ = 工= r 三三= ? = 三 图1 8 与传统的粘着驱动方式运载系统转弯半径比较 3 、横断面结构的小型化 由于可采用较小的车轮，不需要旋转电机的悬挂安装空间，车辆 地板面可降至距轨面7 0 0 r a m ( 传统的地铁车辆为l l o o m m 以上) 。如 果再综合各项小型化措施，就可以使该型地铁车辆的横断面面积大大 减小，与传统地铁车辆相比大约减少4 0 ，这样对地铁隧道横断面的 选择是极为有利的。线路工程断面小型化后，可大大降低土建工程的 造价，据测算地下工程大约可降低2 0 左右，高架工程大约可降低3 0 左右”。 4 、良好的编组灵活性和运营适应性 l o 第1 章绪论 由于直线电机驱动的地铁车辆具有比传统车辆更强的加减速性 能，有更高的停车位置控制精度，与移动闭塞信号系统相结合，较易 实现安全可靠小编组、高密度、无人驾驶运行模式。它可以以2 6 辆 灵活编组，适应不同的客运量需要。按6 辆编组，每小时4 0 对列车密度 计算，最大单向输送能力可达4 万人小时“1 。由于直线电机驱动车辆 仍采用钢车轮和钢轨来支撑和引导车辆运行，所以仍可采用长期运用 成熟的、安全可靠的轨道电路信号系统来实行对列车的信号传输，运 行监控和集中调度，运营适应性较好。 5 、降低振动和噪声 由于没有齿轮机构的啮合振动和噪声，没有动力轮对与钢轨蠕滑 滚动产生的振动和噪声再加上径向转向架的良好的曲线通过性能避免 了过曲线时轮轨冲角带来的振动和噪声，所以该型车辆具有振动小， 噪声低的优点，有利于环保。 另外，由于直线电机驱动车辆是典型的非黏着驱动方式，牵引、 制动不倚赖于环境，电磁分力使轮轨问产生了一定的附加压力，有利 于运行的稳定性，可靠性高，维修量小，维护成本低【2 1 。 直线电机运载系统应用在城市轨道交通中应注意的几个问题： l 、直线电机的效率比传统的旋转电机的效率低，一般只有7 0 左 右，而传统的旋转电机的效率高于9 0 ，因此，只有在系统集成上采用 多项综合技术，充分发挥直线电机运载系统的技术特点，才能达到整 体系统节能的目的，弥补直线电机效率低的缺点。 2 、为了达到直线电机的商效率，必须保持短定子( 固定在车辆转 向架上) 与长转子( 铺设在轨道中间) 亦称为感应板之间的磁极问隙 高度值的衡定，这是直线电机运载系统与土建工程之问的重要接口， 因此，对线路上部建筑及轨道技术要求更严格，增加了土建工程难度。 一1 1 北京交通大学硕士学位论文 3 、直线电机运载系统是一专用系统，不能与传统的钢轮与钢轨粘 着驱动方式的系统过轨通用，因此，是否在城市轨道交通中应用，必 须以每个城市的线网规划为依据，取决于线网规划中有多少条线需要 发挥直线电机运载系统的特点来实现其功能定位。一条线先进性不能 代表线网先进性，采用直线电机运载系统后必须形成线网几个主要层 次，从而实现低耗、高效的先进线网。 1 3 本文研究目的和主要工作 直线电机车辆是一种新型的轨道交通车辆，目前世界上只有加拿 大和日本两个国家掌握此项技术，在我国尚处于初级发展阶段。 本文试图在直线电机垂向电磁力和车辆、轨道系统相结合的情况 下，研究车辆在机电耦合场下的动力学性能。本文以b m 3 0 0 0 型转向架 为研究原型，b i “3 0 0 0 型动力转向架的原型设计经历了1 9 9 8 年在荷兰鹿 特丹市的运行验证，将其改造为广州地铁4 、5 号线直线电机转向架的 工作仍在进行，且并未试制出实际样品来实验，本文有关该型转向架 的参数也是参考数据，所以，在此形势下对直线电机转向架的动力学 性能进行研究是必要的。此项工作的长远目标是为开发我国独立自主 的直线电机车辆作准备，以期缩小我国直线电机车辆技术与国外的差 距。 综合可行性和必要性两个方面，本文的工作主要包括以下几个方 面： 1 、整理、推导出适合车辆系统建模的直线电机垂向电磁力公式， 建立直线电机垂向动力学模型。 2 、以广州市轨道交通4 、5 号线引进的直线电机b m 3 0 0 0 型车辆为原 型，在a d a m s r a i l x 件中建立完整的电机一车辆一轨道动力学模 一1 2 第1 章绪论 型。 3 、对直线电机转向架车辆的随机振动响应特性、运行平稳性，以 及直线电机驱动系统对其的影响进行分析。 4 、对直线电机转向架车辆的曲线通过性能，以及直线电机驱动系 统对车辆的曲线通过性能造成的影响进行分析。 1 3 第2 章直线电机的垂向力学特性 第2 章直线电机的垂向力学特性 2 1 直线电机概述 2 1 1 直线电机原理 宜线电机可以视为一台旋转电机沿半径方向切开而展平的感应电 机，定子( 磁铁和线圈) 和转子( 感应板) 分别安装在车辆转向架上 和轨道中间的导轨上，与普通旋转感应式电机的原理一样，如图2 1 所示，只不过其运动方式由选装变为直线运动，但仍构成了感应电动 机的作用机能。 图2 1 由旋转电机到直线电机的演变 直线电动机中与旋转电机的定子侧对应的一侧称为初级，与转子 侧对应的一侧称为次级。直线电机既可以次级运动，也可以固定次级， 让初级运动，但都必须将固定的- n 做得足够长，以保证在整个运动 范围内初次级间保持不变的耦合关系。次级反应板在速度为v s 的行波 磁场中产生感应电流，进而与磁场相互作用，主次极之间便会产生纵 向电磁力和垂向电磁力。这样，电机的未固定一侧就将以一定的速度 v 进行直线运动。一般来说，短定子直线感应电机l i m 的定子安装在 车辆上，转子安装在轨道上，常把转子称为感应轨( 或称反力板 r e a c tio n p l a t e ) 。l i m 初级由薄铁芯和三相六级绕组绕制而成。沿电 一1 5 北京交通大学硕士学位论文 机方向布置了温度传感器和冷却风扇，电机两端通过三点铰接机构悬 挂在转向架上，安装位置应保证定子与感应轨之间的间隙控制在l o m m 左右“1 。次级一般多为平板式感应板，主要由铝制顶板梁与下部的护 铁组成，护铁有块状、薄板等形状。常用的一种钢制空心支撑枕感应 板结构如图2 2 所示。 c i 矗魁， 一u 晰 图2 2 钢制空心支撑枕感应板结构图 2 1 2 直线电机的分类 直线电机有多种分类标准。例如：可以根据磁场是否同步、定子 长度及驱动方式等因素进行分类。导轨磁场与车辆磁场可以同步运行， 也可以是不同步运行，据此可以将目前应用于车辆驱动系统的直线电 机划分为直线同步电机、直线感应电机和直线磁阻电动机三种类型。 1 直线同步电机( l s m ) l s m ( l i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r ) 直线电机一般采用长定子技术， 转子磁场与定子磁场同步运行，控制定子( 初级线圈，导轨侧) 磁场 的移动速度就可以准确控制列车的运行速度。高速、超高速磁悬浮铁 路一般使用该种长定予直线同步电机。该种电机双边激磁，但采用长 定子后可以只向地面定子供电，转子需要的能量小，由车载蓄电池和 一1 6 第2 章直线电机的垂向力学特性 直线发电机供电，这样就避免了通过接触网或第四轨供电，因此可以 用于高速列车如长大干线铁路或城际轨道交通系统之中。德国的 运捷t r 和日本的m l 系统均使用这种直线同步电机。 2 直线磁阻电动机( l r m ) 直线磁阻电动机( l i n e a rr e l u c t a n c em o t o r ) 与旋转磁阻电动机 是对应的。这正像直线同步电动机与旋转同步电动机相对应一样。直 线磁阻电动机也是同步电动机，但它的次级上没有激磁绕组。它的次级 与旋转同步电动机的初级相似，即初级铁心上绕有一多相( 或单相) 绕 组。 直线磁阻电动机的特点： ( 1 ) 次级一侧无激磁绕组，因而其结构较为简单，建造费用较低。 ( 2 ) 功率因数很低，效率比直线感应电动机要高，但比直线同步电 动机要低。 ( 3 ) 直线磁阻电动机本身即可产生推力又能产生垂直力，因此其 推力系统和悬浮系统可以合为一体。 ( 4 ) 直线磁阻电动机起动转矩很小，因此其起动能力较差。 3 直线感应电机( l i m ) l i m ( l i n e a ri n d u c t i o nm o t o r ) 直线电机的转子磁场与定子磁场 不同步运行，故也称为直线异步电机。次级线圈( 导轨侧) 的磁场移 动速度低于初级线圈磁场的移动速度，由于这种直线电机是单边励磁， 转子结构简单，采用短定子可以使系统成本大大低于长定子，但须向 随车一起运动的短定子供电，一般用于中低速城市轨道交通。中低速 磁悬浮铁路及直线电机地铁既是使用该种短定子异步电机。 本文既是以直线感应电机( l i m ) 为研究对象。直线电机车载初级的 北京交通大学硕士学位论文 结构效果图如图2 3 所示。 图2 3 车载直线电机( l i m ) 初级 2 2 直线电机的电磁场 2 2 1 磁场模型的假定及简化 直线电机在结构上可分为双边和单边直线电机两种，在次级感应 板两侧分别布置有电机初级的称为双边直线电机，车载直线电机只有 在感应板上方的车辆转向架上装备有电机初级，所以本文是以单边直 线感应电机为研究对象。单边直线感应电机的简示图如图2 4 所示。 初级开槽的铁心支持着绕组，当电机由多相的平衡电流系统供电时， 这些绕组在气隙内建立了一个原边滑动磁场。 图2 4 u m 电机的正视图和左视图。( 正视图未表示出绕组) 气隙磁场中某点的位置及其场量由固定在原边的系统坐标系来确 一1 8 第2 章商线电机的垂向力学特性 定，如图2 5 所示。 图2 5 系统坐标系( 双边、原边一对极) 直线电机的主要理论可以分类如下： i 一维理论，假定各电场或磁场的值只为x 坐标的函数。 i i 二维理论，假定各种场量的值只为一对坐标的函数：x 和y 坐标对( 如果在导体平面内进行分析) ，或z 和x 坐标对。 i i i 三维理论，认为各种场量的值是x ，y 和z 三个坐标的函数。 直线电机车辆所采用的是短定子长转子，单边异步直线感应电动 机。严格来讲，直线电机两极之间的电磁力作用在初级极面和对应次 级导轨的感应板平面上，是一个三维分布力，初级与感应板之间三个 方向六个自由度的相对运动对电磁作用力的影响是相互关联的，因此， 考虑直线电机三维运动情况下的电磁力是十分复杂的。在工程计算中 可以给定理想的边界条件，考虑影响电磁作用力的主要因素，将三维 电磁力简化为几个不同平面上的二维电磁力来加以分析、求解，是切 实可行的做法。为了简化数学运算，突出物理本质，本文将对直线电 机模型定性定量分析将其简化，推导出直线电机垂向电磁力的实用计 算公式，为动力学分析做准备。 目前，直线电机车辆均采用v v v f 逆变器向车载直线电机初级供 电，在车辆运行期间，根据行车速度的变化，由v v v f 逆变器向电机输 1 9 一 北京交通大学硕士学位论文 入的电源的频率、电压是不断变化的，因此，建立与实际情况完全相 同的电机模型是非常复杂的，在研究直线电机车辆的动力学性能时也 是没必要的。本文分析当直线电机车辆恒速稳态运行时，对短定子单 边异步直线感应电动机当由三相对称正弦交流电源供电、电机稳态运 行时的气隙磁场，考虑到l i m 车辆实际运行时的线路状态，对其进行 分析的前提假设条件为： a ) 副边的长度为无穷大。长度为g 。的有齿槽的实际气隙，用一 个假想的、长度为g 的无齿槽气隙来代替，即将刁i 连续的槽 电流看作移至铁心表面连续分布的片电流，二者产生的基波 磁势相同“1 。 g = k 。g 。，k 。为卡特系数 k 。按一般旋转电机理论公式计算( 对半闭口槽) ： 耻纤一丽b g 瓦) 式中，t 为初级铁心齿距：b 。为槽口宽度。 b ) 由于绕组铁心是叠片压装的，它的电导率、磁阻可以忽略。 c ) 由于直线电动机的铁心存在纵向和横向两个边端，产生所谓 边端效应，这是直线电动机与旋转电动机的主要差别之一。 1 、对横向边端效应的处理 横向端部效应是由于边缘磁通端部、连接磁通和次级纵 向电流分量相互作用产生的。沿着坐标y 向气隙磁密分布由 中央向两端逐渐减弱的现象称为第一类横向边端效应。当存 在次极的反作用时，横向磁场的分布还受到次极宽度及其电 导率的影响，此时的横向磁场分布的不均匀称为第二类横向 边缘效应”1 初级和次级同样宽度的直线感应电机的横向边 第2 章直线电机的垂向力学特性 缘效应比次级较初级宽的直线感应电机横向边缘效应大。一 般可通过调整次级宽度超过初级宽度来得到改善。横向边缘 效应的主要影响可以近似认为： ( 1 ) 、使次级电阻率有所增加； ( 2 ) 、产生侧向不稳定的偏心力作用在次级上“1 。 对于次级电阻率要用r n 系数来进行修正，来消除横向边 端效应对法向力定量计算的影响，用一维二阶理论校正的电 阻率为： p c 毒。 k w t l 一面i t h 再( k l 而2 ) 2 、对纵向边端效应的处理 纵向端部效应是由有限长初级铁心引起的特殊现象。它又 可细分为静态端部效应和动态端部效应。由于直线电机磁路 的开断，纵向端部的半用槽以及铁心端部、背部的磁分路所 引起的沿着纵向( x 轴向) 的气隙磁密不均匀及端部减弱的 现象，以及形成的纵向脉振磁密致使气隙纵向行波磁场减弱 的形象称为第一类纵向边端效应。直线电机次级沿纵向进入 或离开磁场有效端所产生的感应对气隙磁场所产生的减弱或 加强的影响，称为第二类纵向边端效应。由于在实际中可以 采用多相绕组换位、增加极数、电机纵向连续排列、在纵向 端部安装补偿件等方法来消除第一类纵向边缘效应的影响， 所以模型中忽略了第一类纵向边缘效应。第二类纵向边端效 应分入端效应和出端效应两种，本文分析直线电机车辆在稳 态、恒速运行状态下的电磁场，所以只考虑入端效应时的气 一2 l 一 北京交通大学硕士学位论文 隙磁场。 2 2 2 直线电机气隙电磁场模型 为求解出直线电机的法向电磁力，本文在上述简化条件的基础上 对气隙磁场在x z 平面内进行二维分析。气隙磁场的x z 平面二维场 如图2 6 所示。 电流密度只有一个y 分量，它是x 、z 和t 的函数，即j ( x ，z ，t ) ； 磁通密度垂直于y 轴，并有两个分量b 。( x ，z ，t ) 和b ：( x ，z ，t ) 。 则在b 。，b 。和j 之间的关系为： 安培定律 鲁一鲁= z z 。， ( 2 1 ) 法拉第定律p 。鲁一了d b z ；0 ( 2 2 ) p 。鲁一百d b z ；0 ( 2 3 ) 磁通守恒定律 鲁+ 鲁一0 ( 2 4 ) 在稳态情况下，所有的场量均与原边电流密度一样，以 c o s ( 耐一k x ) 的方式随x 和t 而变化，则b ，b ：和j 可用如下的函数代 替： b ，o ，z ) = b ，( z ) e x p i ( t o t 一 b ：o ，z ) 一b ：( z ) e x p i ( “一h ) y ( x ，z ) ；j o ( z ) e x p i ( t a t 一b ) 第2 章直线电机的垂向力学特性 边界条件为： ( 1 ) 由于问题的对称性，曰，( 0 ) = 0 ； ( 2 ) h 。在z = c 2 处是连续的； ( 3 ) b ：在z = c 2 处是连续的； ( 4 ) b ，( g 2 ) = 一0 5 p o j 。 将边界条件表达成方程与( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 联立解得： 在气隙中： 否。一警 k o s h 孕s i n h 七( z j ) + 吾s i n h 孕c o s h k ( z 一号) j ( 2 5 ) 百：f 学i - c o s hz t c o s h k ( z 一号) + 吾s i i l l l 譬s i n h 七( z 一9 j ( 2 6 ) 其中 a = c o s h 警s i n h k ( 孚) + s i n h c o s h k ( 譬) ( 2 7 ) 2 3 直线电机的法向电磁力 2 3 1 麦克斯韦张力张量理论 求解直线电机电磁力的方法有直接理论解法、数值积分法、有限 元法等。张忠”1 等人在对磁浮列车直线电机建模分析的研究中对气隙 磁场进行了合适的简化，采用直接理论解法求解电磁力，在对直线电 机的设计参数进行复核后表明，模型是正确、实用可行的。本文采用 类似的思路，本文的目的是研究直线电机车辆的动力学性能，在突出 直线电机物理特性的前提下，对于直线电机的电磁力未采用精确的数 值解法，在求解直线电机的电磁力时，采用的是基于简化模型的直接 理论解法。 本文借助于麦克斯韦张力张量t 。来求解电磁力，此张量等于： 一2 3 北京交通大学硕_ = 学位论文 l o 5 ( 日；一h ；一h ；)爿，h ， h 。h ： l z 纛= o lh ，h 。o 5 ( 日；一日；一日；)h ，h ：l l h 。h ， h ：日，o 5 ( 日；一h ：一h ；) l ，应用l 后，如果一个体积为v 的区域( 图2 7a ) ，由闭合曲面所 界定，若在m 点处的法向n 具有n ，n ，n ：三个分量，则作用于v 上的总力有f 。，f ：三个分量。 ( a ) 墨、上部原边块 亩土宅茹盘盘妄址夕 。7 ” 一 口 ( b ) 图2 7 由麦克斯韦张力张量求解电磁力的示意图 三个分量f 。，f ，f ：的值由下式给出 耋l = 正k 医l 砸 c 牛顿， 图2 7 ( b ) 表示应用上述原理来求解作用于一个原边上的力。z 由平行于x o y 的两个平面p 。和p 。以及很小的侧表面组成( 蕊为无限 小) ，则垂直于p 的分量为( 0 ，0 ，一1 ) 。本文应用z x 平面的二维理 论求解电磁力，所以h ，为0 ，所以作用在p ，上的力为： 防( h 。2 一日；) 0h ；h ：i | o i 岸。正1 0 一o 5 ( h ；+ h ：) 0 h 0 i 程( 2 8 ) 日：日， o o 5 ( 日：一h ；) li - i 一2 4 第2 章直线电机的乖向力学特性 作用于p 2 上的力为0 ，因为当磁导率为无穷大时，磁场强度h 为0 ， 因抽为无穷小，所以作用于侧面上的力也为0 。所以，作用于p ，上的 力只有( 2 8 ) 所表示的力，此力只包含两个分量。x 分量为 正口。h 。h ：娩，与拉普拉斯力相同，因 k 等于沿定子表面的电流密度， 而, u o h ：为磁通密度的法向分量。则力的z 分量等于： 一0 5 z 。丘( h ；一圩：垮 ( 2 9 ) 2 3 2 直线电机的法向电磁力 本文对直线电机的气隙磁场采用在x z 平面内的二维理论分析方 法进行求解。在单边直线感应电动机中法向吸引力发生在磁化的原边 和副边铁心之间，可借助于麦克斯韦张力张量理论来计算。 百。和面：由方程( 2 5 ) 和( 2 6 ) 给出，且令b x 和b ：为它们的绝 对值，则在直线感应电动机的每对极上，和在y 方向上长度为l 的铁 心段上，e h 麦克斯韦张力理论可求出其受到的法向力为： e 兰；一) ( 2 1 0 ) 同步速时磁通密度z 分量的最大值为：民= j i k g 法向力对应于定子和转子间的吸引力为： t o ；一哥i + 【口；一( 卢。，。) 2 】+ f a 在滑差s 时磁通密度z 分量的最大值为： b 一风c o s g , ； t a n 驴；s # o c g k 2 p c 当滑差为s 时的法向力由麦克斯韦张力理论可求出为： ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 北京交通大学硕士学位论文 t 。亡【。c o s 妒) 2 一( 肛，。) 2 1 f 。九 ( 2 。t 4 ) 模型所用参数见表1 。 表1 模型所用参数 参数名称符号单位参数名称符号单位 原边叠片长度副边宽度 r 波妖 m气隙长度 g 电源频率 fh z 岳边电阻率 p o m 副边厚度 cm电动机长度lm 最大原边电流密度j ma m波数 k h ，波长 真空中的磁导率i t o h m 电机长度 l 副边相对磁导率 p l t m电机运行速度 v m s 滑差 s 同步速度 v s m s 校正后副边电阻率p cq 雕电源角频率 2 3 本章小结 本章分析了车载单边直线电机的气隙磁场，根据直线电机车辆的 运行特点对电机的气隙磁场模型作了简化，得出了车载直线电机稳态 运行时电机法向电磁力的解析解，确定了电机法向电磁力的计算公式。 一2 6 第3 章系统仿真模鹫的建立 第3 章系统仿真模型的建立 3 1 前言 系统模型的建立包括车辆系统、线路系统和机电控制系统三大部 分。其中转向架系统建模参数参考b 1 3 0 0 0 型转向架的参数，车辆建模 参考广州地铁4 、5 q 线车辆的设计参数，线路设置参考广州地铁4 、5 号线的线路参数。 3 1 1 广州地铁4 、5 q 线线路简介【8 l 四号线一期工程琶洲塔至黄阁在2 0 0 7 年底开通运营，运营里程 3 5 5 k m 。四号线初期高峰小时列车开行对数1 5 对胁时，单向输送能力 1 3 7 万人，j 、时，运用车2 5 列，配属车3 0 列，共计1 2 0 辆。 五号线呈东西走向，线路全长约4 1 4 k m ，+ 一期工程活口至文园计 划在2 0 0 9 年开通，线路长约3 1 o k m 。五号线初期四辆编组，高峰小时 开行对数2 6 对小时，单向输送能力2 3 5 万人4 , 时，运用车3 8 列，配属 车4 5 列，共计1 8 0 辆。四号线、五号线车辆捆绑设计招标，所有车辆都 应具有在四、五号线两条线路运营的条件，具有互换性。表3 1 为广 州地铁四五号线的线路参数。 表3 1 广州地铁四五号线线路参数 轨距1 4 3 5 m 正线3 0 0 0 m 最小竖曲线半径 辅助线2 0 0 0 m 正线1 5 0 m 最小平面曲线半径辅助线1 0 0 m 车场线6 0 m 最大坡度正线6 0 辅助线、车辆段7 0 2 7 北京交通大学硕士学位论文 车站线路最大坡度 3 0 外轨最大超高1 2 0 m m 正线连接9 # 道岔最小曲线半径 2 0 0 m 车辆段线路连接5 # 道岔最小曲线半径 6 5 m 正线 6 0 k g m 轨道类型 车辆段5 0 k g m 轨头垂向