动力制动和电磁制动

1、第三章 动力制动和电磁制动主讲：陈金鑫1.1.掌握电制动的基本原理及混合制动分配的原则掌握电制动的基本原理及混合制动分配的原则2.2.了解动力制动的控制模式和直流牵引传动控制的电了解动力制动的控制模式和直流牵引传动控制的电制动原理制动原理 3.3.掌握城轨车辆的防滑控制原理和交流牵引传动电制掌握城轨车辆的防滑控制原理和交流牵引传动电制动的基本作用原理动的基本作用原理 一、制动系统一、制动系统 制动是指人为地使列车减速或阻止其加速的过程。使列车减速或阻止其加速的力称为制动力，而产生并控制这个制动力的装置叫做制动机，也称制动装置。包含三层含义：包含三层含义：1、人为地使列车减速或停止；2、防止在长

2、大下坡道运行时自动加速；3、为防止自动溜放而实行的停放制动。 二、制动方式 摩擦制动： 闸瓦制动、盘形制动和磁轨制动 二、制动方式按列车动能转移方式分类 动力制动：再生制动、电阻制动 三、制动力的获取1粘着制动制动时，车轮与钢轨之间有三种可能的状态。(1) 纯滚动状态 车轮与钢轨的接触点无相对滑动，车轮在钢轨上作纯滚动。这时车轮与钢轨之间为静摩擦，车轮与钢轨之间可能实现的最大制动力是轮轨之间的最大静摩擦力。这是一种难以实现的理想状态。 (2) 滑行状态 车轮在钢轨上滑行，这时车轮与钢轨之间的制动力为二者的动摩擦力。由于动摩擦系数远小于静摩擦系数，因此一旦发生这种工况，制动力将大大减小，制动距离

3、就会延长；同时，车轮在钢轨上长距离滑行，将导致车轮踏面的擦伤，危及行车安全。这是一种必须避免的事故状态。 (3)粘着状态 列车制动时车轮在钢轨上滚动，由于车辆重力的作用，车辆与钢轨的接触处为一椭圆形的小面积，此时轮轨接触处既不是静止状态也不是滑动状态，在铁路术语中称这种状态为粘着状态。由于正压力而保持动轮与钢轨接触处相对静止的现象称为“粘着”。粘着状态下的静摩力又称为粘着力。依靠粘着滚动的车轮与钢轨粘着点之间的粘着力来实现车辆的制动，称为粘着制动。列车采用粘着制动时，能够获得的最大制动力不会大于粘着力。粘着系数的影响因素 1、影响因素有两个：一个是车轮和钢轨的表面状况；另一个是列车运行速度。

4、轮轨间表面状况包括：干湿情况、脏污程度、是否有锈、是否撒砂以及砂的数量和品质等等。轮轨的湿度、脏污程度又与天气、环境污染状况和制动装置形式(有无踏面或轨面清扫设备)等因素有关。四、制动力的分类举例闸瓦制动（一种摩擦制动方式） 闸瓦制动（每个动车和拖车转向架闸瓦制动（每个动车和拖车转向架上）各有上）各有4 4块闸瓦组成，其中两个闸瓦块闸瓦组成，其中两个闸瓦块装有附加的弹簧制动器，起停车制动块装有附加的弹簧制动器，起停车制动的作用。的作用。一、动力制动的必要性机械摩擦制动的缺点 目前，最多采用的机械摩擦制动方式是闸瓦制动。但是热能散发的速度与动能转化热能的速度相比要慢得多，因而热量在闸瓦和车轮踏面

5、间积聚，温度急剧升高，严重时高温可熔化闸瓦或烧灼踏面。 采用踏面摩擦制动功率是有一定限制的。 闸瓦与车轮踏面摩擦后产生的粉尘和热量对环境是有严重污染的。特别粉尘和热量在通风条件不好的隧道内集聚，将对乘客和设备产生严重影响。 二、动力制动（电制动）原理将发电机发出的电能加于电阻器中，使电阻器发热，即电能转变为热能。电阻器上的热能靠风扇强迫通风而散于大气中。电阻制动一般能提供较稳定的制动力，但车辆底架下需要安装体积较大的电阻箱。城市轨道交通的牵引供电系统主要由牵引降压变电所和牵引网组成其中牵引网包括反馈电线、接触网或接触轨、钢轨、回流线。电能从 10kV35kV 交流电压母线经牵引降压变电所降压整

6、流输出 750/1500 直流电，经反馈电线、接触网，流入车辆，为车辆提供动力以及为车辆的辅助电源供电，而产生的电流从钢轨，回流线流回到变电所，形成了完整的供电回路。直流牵引变电所的主要功能是降压和整流，即将交流电线降压在整流成直流电供机车使用。目前，城市轨道交通主要采用 VVVF （三相调频调压逆变器）动车组列车，其制动一般为电制动和空气制动相结合。在制动过程初期，列车速度较快，采用电制动（电阻制动和再生制动），而当速度减小到电制动不起作用时，则利用空气闸瓦制动方式，将剩余的机械能通过机械摩擦转化为热能。 目前最好的方法就是使用动力制动。 除了拖车没有电动机只能使用摩擦制动外，所有动车都可以

7、进行动力制动(电气制动)，并且还可以承担部分拖车的制动力。 动力制动，就是在列车制动时，将所有牵引电机的电动机工况转变为发电机工况 动力制动优先于优先于机械制动理论上，高速列车在实施常用制动时，从动力制动开始，直至车速降为零完全停车实际上，动力制动在列车最高速度时（80km/h）很难实现。有时为了在满载的情况下获得最大的轮轨粘着力，列车也需要使用部分拖车上的摩擦制动力。当列车速度降到很低时（约10km/h以下），动力制动作用迅速减弱，也需要摩擦制动逐渐予以补充将车完全停止。三、 动力制动系统的基本要求具有机械的稳定性，即电气制动时，如果列车速度增加，制动力也应随之增加。具有电气上的稳定性。各台

8、电机的制动力应相等。制动过程中无论外界条件有什么瞬时变化，都不应产生大电流的冲击和制动力的冲击。电路应力求简单。一一. .电制动的基本原理电制动的基本原理 电制动是车辆在常用制动下的优先选择，电制动是车辆在常用制动下的优先选择，仅带驱动系统的动车具有电制动，电制动又仅带驱动系统的动车具有电制动，电制动又有再生制动和电阻制动两种形式。电制动具有再生制动和电阻制动两种形式。电制动具有独立的滑行保护和载荷校正功能。为此，有独立的滑行保护和载荷校正功能。为此，每节动车装备有：一个三相调频调压逆变器每节动车装备有：一个三相调频调压逆变器（VVVFVVVF）；一个牵引控制单元（）；一个牵引控制单元（DCU

9、DCU）；一个）；一个制动电阻；四个自冷式三相交流电机制动电阻；四个自冷式三相交流电机M1M1、M2M2、M3M3、M4M4（每轴一个，相互并联）。（每轴一个，相互并联）。直流再生制动电路牵引工况时，电动机从接触网吸收电能，将电能转换为机械能，产生牵引力，使列车加速或在上坡的线路上以一定的速度运行；制动工况时，列车停止从接触网受电，电动机改为发电机工况，将列车运行的机械能转换为电能，产生制动力，使列车减速或在下坡线路上以一定的限速度运行。思考：先实施再生制动还是先实施电阻制动？车辆进行电气制动时，首先应该是再生制动，即向供电网反馈电能。如果触网电压过高或同一供电区段无其他车辆吸收反馈电能，则电

10、路转为电阻制动，把能量消耗在电阻器上。电制动方式虽然现在被普遍使用，但其存在明显的弊端：1、再生制动产生的能量直接馈到直流母线上，当电能无法被相邻列车吸收时，会导致母线电压升高，会对牵引变压设备造成冲击；2、电阻制动其实质是将制动过程中吸收的电能通过电阻负载转化为热能释放，会造成隧道环境温度升高，甚至需要外加的散热设备，进一步增加了能耗。当前，城轨制动能量再生吸收方案主要耗散型、储能性、逆变能馈型。再生制动工作原理产生制动工况时，当一个直流斩波器控制的“两串两并”四个电机的主电路由牵引工况转换成电制动工况时，原先的各自电枢和励磁绕组串联的两个支路，现在转换成交叉励磁，也就是电机自己的励磁绕组去

11、激励另一支路的电机电枢，而另一支路电机的励磁绕组来激励本机电枢。再生制动电路工作时，斩波器导通，制动电流流过各个电机电枢、励磁线圈、平波电抗器（1L3）和制动电阻，使电机建立起电枢电势，从而使平波电抗器也建立起感应电势当斩波器关闭，电路通过二极管（V5）续流，电枢电势与平波电抗器上的感应电势（此时感应电势的方向改变）叠加，向电网馈电。如果这时网上有负载（如本列车的辅助电源）或其他列车在附近，则可以作为负载吸收电能，再生制动成功；如果电网不吸收电能，网压太高，则再生制动失败，由制动电阻吸收电能，转为电阻制动。实施再生制动须满足两个条件：1.再生（反馈）电压必须大于电网电压。2.再生电能可由本列车

12、的辅助电源吸收，也可以由同一电网的其他列车吸收，这一条不能由再生制动车辆自己创造，而取决于外界运行条件。 再生制动 当发生常用制动时，电动机M变成发电机状态运行，将车辆的动能变成电能，经VVVF逆变器整流成直流电反馈于接触网，供列车所在接触网供电区段上的其它车辆牵引用和供给本车的其它系统（如辅助系统等），此即再生制动。 （一）再生制动 再生制动取决于第三轨(或接触网)的接收能力，亦即取决于网压高低和负载利用能力。 当发生常用制动时，当发生常用制动时，电动机电动机M变成发电机状变成发电机状态运行，将车辆的动能态运行，将车辆的动能变成电能，经变成电能，经VVVF逆逆变器中六个二极管组成变器中六个二

13、极管组成的桥式整流电路整流成的桥式整流电路整流成直流电反馈于接触网，直流电反馈于接触网，供列车所在接触网供电供列车所在接触网供电区段上的其它车辆牵引区段上的其它车辆牵引用和供给本车的其它系用和供给本车的其它系统（如辅助系统等），统（如辅助系统等），此即再生制动。再生制此即再生制动。再生制动的基本原理如图动的基本原理如图3-1所所示。示。图图3-1 再生制动原理图再生制动原理图 再生制动取决于接触网的接收能力，亦即取决于网压高低和负再生制动取决于接触网的接收能力，亦即取决于网压高低和负载利用能力。以上海轨道交通载利用能力。以上海轨道交通2号线为例，接触网额定电压为号线为例，接触网额定电压为150

14、0V，车辆最大运行速度为，车辆最大运行速度为80Km/h，实际运行过程中制动初速，实际运行过程中制动初速度约为度约为70km/h。当列车进站前开始制动时，列车停止从接触网受。当列车进站前开始制动时，列车停止从接触网受电，电动机改为发电机工况，将列车运行的动能转换为电能，产生电，电动机改为发电机工况，将列车运行的动能转换为电能，产生制动力，使列车减速。设接触网额定电压为制动力，使列车减速。设接触网额定电压为U，当满足以下两个条，当满足以下两个条件时列车可以实行再生制动并向接触网反馈电能：一是接触网电压件时列车可以实行再生制动并向接触网反馈电能：一是接触网电压在在11.2U（理论值，对应于上海轨道

15、交通（理论值，对应于上海轨道交通2号线为号线为1500V1800V）范围内；二是再生电能必须要由一定距离内的其他列车吸收。如图范围内；二是再生电能必须要由一定距离内的其他列车吸收。如图3-2所示，当车辆所示，当车辆2距离车辆距离车辆1足够近且接触网电压在足够近且接触网电压在1500V1800V之间时，车辆之间时，车辆2可以吸收车辆可以吸收车辆1所产生的反馈电能，从而使车辆所产生的反馈电能，从而使车辆1产产生再生制动。当接触网电压过压、欠压或一定距离内无其他车辆吸生再生制动。当接触网电压过压、欠压或一定距离内无其他车辆吸收反馈能量时，通过车辆牵引控制单元切断向接触网反馈的电能，收反馈能量时，通过

16、车辆牵引控制单元切断向接触网反馈的电能，再生制动不能实现，此时列车会自动切断反馈电路，实施电阻制动。再生制动不能实现，此时列车会自动切断反馈电路，实施电阻制动。当列车速度小于当列车速度小于10km/h时，利用压缩空气作为动力源，对车辆实时，利用压缩空气作为动力源，对车辆实施机械制动，直至列车停止。施机械制动，直至列车停止。图图3-2 城市轨道交能车辆制动原理示意图城市轨道交能车辆制动原理示意图 如果在电制动的情况下，能量不能被电网完全吸收，多余的能量必如果在电制动的情况下，能量不能被电网完全吸收，多余的能量必须转换为热能消耗在制动电阻上，否则电网电压将抬高到不能承受的水须转换为热能消耗在制动电

17、阻上，否则电网电压将抬高到不能承受的水平。制动斩波器的存在确保大部分的能量能反馈回电网，同时又保护了平。制动斩波器的存在确保大部分的能量能反馈回电网，同时又保护了电网上其他设备。电网上其他设备。 如果制动列车所在的接触网供电区段内无其他列车吸收该制动能量，如果制动列车所在的接触网供电区段内无其他列车吸收该制动能量，VVVF则将能量反馈在线路电容上，使电容电压则将能量反馈在线路电容上，使电容电压XUD迅速上升，当迅速上升，当XUD达到最大设定值达到最大设定值1800V时，时，DCU启动能耗斩波器模块启动能耗斩波器模块A14上的门极可关上的门极可关断晶闸管断晶闸管GTO：V1，GTO打开制动电阻打

18、开制动电阻RB，制动电阻，制动电阻RB与电容并联，与电容并联，将电机上的制动能量转变成电阻的热能消耗掉，即电阻制动（亦称能耗将电机上的制动能量转变成电阻的热能消耗掉，即电阻制动（亦称能耗制动），电阻制动能单独满足常用制动的要求。电阻制动原理如图制动），电阻制动能单独满足常用制动的要求。电阻制动原理如图3-3所示。所示。图图3-3 电阻制动原理图电阻制动原理图 电阻制动是承担电机电流中不能再生的那部分制电阻制动是承担电机电流中不能再生的那部分制动电流。再生制动电流加电阻制动电流等于制动控制动电流。再生制动电流加电阻制动电流等于制动控制要求的总电流，此电流受电机电压的限制。再生制动要求的总电流，此

19、电流受电机电压的限制。再生制动与电阻制动之间的转换由与电阻制动之间的转换由DCU控制，能保证它们连续控制，能保证它们连续交替使用，转换平滑，变化率不能为人所感受到。当交替使用，转换平滑，变化率不能为人所感受到。当列车处于高速时，动车采用再生制动，将列车动能转列车处于高速时，动车采用再生制动，将列车动能转换成电能；当再生制动无法再回收时（如当网压上升换成电能；当再生制动无法再回收时（如当网压上升到到1800V时），再生制动能够平滑地过渡到电阻制动。时），再生制动能够平滑地过渡到电阻制动。电磁制动：磁轨、涡流电磁制动：磁轨、涡流n一、一、磁轨制动磁轨制动 (摩擦式轨道电磁制动摩擦式轨道电磁制动)

20、优点：制动力不受粘着的限制。优点：制动力不受粘着的限制。不足：不足：对钢轨磨损太大，对钢轨磨损太大，滑动摩擦力小。滑动摩擦力小。二、电磁涡流制动涡流制动涡流制动(1)(1)轨道涡流制动轨道涡流制动( (又称又称线性涡流制动线性涡流制动或或涡流式轨道磁制动涡流式轨道磁制动）。把）。把电磁铁悬挂在转向架侧架下面同侧的两个车轮之间。制动时利用电磁铁悬挂在转向架侧架下面同侧的两个车轮之间。制动时利用电磁铁与钢轨相对运动使钢轨感应出涡流，产生电磁吸力作为制电磁铁与钢轨相对运动使钢轨感应出涡流，产生电磁吸力作为制动力，把列车动能转化为热能，消散于大气。动力，把列车动能转化为热能，消散于大气。优点：不受粘着

21、限制优点：不受粘着限制, , 没有磨耗问题。缺点：消耗电能多，约为没有磨耗问题。缺点：消耗电能多，约为磁轨制动的磁轨制动的1010倍，电磁铁发热量大，只能作为高速列车紧急制动倍，电磁铁发热量大，只能作为高速列车紧急制动时的一种辅助制动方式。时的一种辅助制动方式。 (2)(2)旋转涡流制动旋转涡流制动( (又称又称涡流式圆盘制动涡流式圆盘制动) )。在牵引电动机轴上装。在牵引电动机轴上装金属盘，制动时金属盘在电磁铁形成的磁场中旋转，盘的表面被金属盘，制动时金属盘在电磁铁形成的磁场中旋转，盘的表面被感应出涡流，产生电磁吸力并发热消散于大气，从而起制动作用感应出涡流，产生电磁吸力并发热消散于大气，从

22、而起制动作用。特点：受粘着限制；消耗的电能多。特点：受粘着限制；消耗的电能多。 电磁制动电磁制动：磁轨制动、轨道涡流制动作为动车组及新型城市轨道车辆非粘着制动，辅助紧急制动系统、停车制动储能制动储能制动：机械飞轮式、超级电容式、液压式作为节能运行的主要手段之一新型制动技术新型制动技术电磁制动、储能制动电磁制动、储能制动磁轨制动的原理磁轨制动的原理 高速列车制动系统应具备的条件高速列车制动系统应具备的条件为了确定列车的运行安全，当速度达到300km/h时，制动系统必须具备下列条件：- 制动系统的作用灵敏、可靠，并且无冲动；- 制动力的控制要灵活自如；- 反复制动作用有效；- 列车分离时，全列车要

23、自动的产生制动作用；- 电气设备和电源要可靠；- 操作更加简单。 所以，在研制准高速、高速铁路及新型城市轨道车辆时，自然会考虑到采用非粘着制动(例如：磁轨制动、轨道涡流制动等)来作为辅助紧急制动系统。 国外高速列车制动模式的选择国外高速列车制动模式的选择 国别日本法国德国列车型号0系100系300系TGV-STGV-ATGV-NICE-VICE16M12M4T10M6T2M8T2M8T2M10T2M3T2M14T速度210230300270300350300280列车制动控制方式电磁直通，空-液电气指令、直通、电-液微机控制电气指令电空自动式电空微机控制电气指令电空微机控制电气指令电空微机控制

24、电气指令电空微机控制电气指令电空备用制动直通电空直通电空直通电空空气制动空气制动空气制动空气制动空气制动 动车制动 闸瓦 采用采用 盘形采用采用采用 采用采用采用电阻采用采用 采用采用 再生 采用 采用采用采用涡流 采用 采用 国别日本法国德国列车型号0系100系300系TGV-STGV-ATGV-NICE-VICE16M12M4T10M6T2M8T2M8T2M10T2M3T2M14T速度210230300270300350300280 拖制动闸瓦 采用 盘形 采用采用采用采用采用采用采用磁轨 采用采用 涡流 采用采用 采用 国别日本法国德国列车型号0系100系300系TGV-STGV-ATG

25、V-NICE-VICE16M12M4T10M6T2M8T2M8T2M10T2M3T2M14T速度210230300270300350300280 可以看出磁轨制动被用于拖车的制动中。在动车中装备了再生制动，每个轴还有2个制动盘；在拖车中每根轴安装4个制动盘及磁轨制动机以满足高速的制动要求。 主要是因为：- 只靠轮轨粘着制动达不到要求的制动减速度；- 在下雨下雪等恶劣天气下，紧急制动时，磁轨制动可以改善粘着；- 可以缓解制动盘的负荷，可以防止制动盘的热裂。 各种制动方式的优缺点各种制动方式的优缺点 1. 踏面制动和盘形制动这两种制动是最直观的轮轨粘着制动，属于摩擦制动。盘形制动是有数字式电控制动

26、系统或电子模拟式无级制动系统控制压缩空气，对盘形制动器实施制动或缓解。2.电阻制动和再生制动 上述四种制动方式，其最终的作用对象是轮轨，制动力是通过轮轨滚动接触起作用的。都属于粘着制动。 3. 磁轨制动和涡流制动磁轨制动是通过将车辆转向架上的磁铁吸附在轨道上并使车辆在轨道上滑行产生的制动。由于磁轨制动时，电磁铁与钢轨间的摩擦远远大于滚动摩擦表面，因此，其摩擦力数倍于滚动摩擦力，其制动效率也远大于闸瓦和闸盘的。涡流制动则是将电磁铁落至距轨面710 mm处，电磁铁与钢轨间的相对运动引起电涡流作用形成制动力。这两种方式称为电磁制动，其最大的优点是产生的制动力不受轮轨间的粘着条件限制。磁轨制动的不足之

27、处是,其制动力的产生和消失都很突然,这种制动和缓解作用的突发性使其更适合作为辅助性紧急制动装置。 磁轨制动的原理磁轨制动的原理 磁轨制动是通过将车辆转向架上的磁铁吸附在轨道上并使车辆在轨道上滑行产生的制动。前面已经说过，磁轨制动属于非粘着制动，制动力不受轮轨间粘着因数的限制。由于磁轨制动时，电磁铁与钢轨间的摩擦表面远远大于滚动摩擦表面，因此，其摩擦力数倍于滚动摩擦力，其制动效率也远大于闸瓦和闸盘的。 磁轨制动主要作为一种辅助的制动方式，用于粘着力不够的高速旅客列车的紧急制动中。如国外的长途旅客列车,设计速度在120km/h以下时，一般不采用磁轨制动；设计速度在140km/h及其以上时，应采用磁

28、轨制动；设计速度在200km/h以上时，则必须采用磁轨制动。 磁轨制动时，由于磁铁对钢轨的打磨作用，使得轮轨间的粘着因数明显增加，这一方面促进了盘形(或闸瓦)制动，另一方面减少了制动过程中轮对的滑行和擦伤,改善了轮轨间的粘着状态。在相同情况下，采用磁轨制动的列车比不采用磁轨制动的列车可提速40km/h以上。另外，采用磁轨制动可缩短制动距离。试验表明，当初速度为210km/h时，若仅用盘形制动，则制动距离为2500m；而增加了磁轨制动后，制动距离可缩短20%25%。磁轨制动还起到安全运行的作用。当列车因操作失误闯入闭塞区间时，安装在信号灯前方轨道上的感应电磁铁带电，该感应电磁铁与列车上的电磁铁相

29、互吸引（仅在电磁磁轨中应用），产生制动作用，阻止列车继续驶入闭塞区间。 电磁型磁轨制动电磁型磁轨制动 磁轨制动分为电磁型磁轨制动和永磁型磁轨制动。其主要区别在于选用磁铁的不同。前者采用的是电磁铁，后者为永久性磁铁电磁磁轨制动的基本结构电磁磁轨制动的基本结构磁轨制动装置主要由励磁电路、构架、制动梁、升降风缸、电磁铁等构成(见图)。励磁电路的阴、阳极引出端子与提供电能的电池箱或集中供电电路相联接；构架焊接在转向架上，以传递制动力；制动梁的作用是保证两侧的电磁铁与轨道等距离，使其有相同的制动力；升降风缸用于提升或降落电磁铁，非制动时，升降风缸抬起电磁铁，距轨道120160mm，制动时，升降风缸落下电

30、磁铁，距轨道约10mm，此时励磁电路通电，电磁铁吸合钢轨产生摩擦力。电磁磁轨制动的基本结构电磁磁轨制动的基本结构磁轨制动装置每侧通常装有10块左右的电磁铁，其间的铝隔板是起阻隔磁通作用的。电磁铁结构见图。制动时,励磁线圈通电,硬度低于钢轨的铸铁极靴与钢轨吸合并产生摩擦。极头隔板为铝材,以阻隔漏磁。 电磁磁轨制动的基本结构电磁磁轨制动的基本结构 1-极头隔板2-极靴 3-极靴连接螺栓4-线圈架5-励磁线圈 6-引出端子磁轨制动器的种类磁轨制动器的种类 按磁铁悬挂方式：高悬挂磁轨制动低悬挂磁轨制动。高悬挂磁轨制动高悬挂磁轨制动：一般用于高速列车（如最高时速为280km/h的城际快车和最高时速为20

31、0km/h的长途客车），在列车高速运行中，如果磁铁悬挂过低易被异物打断，具有一定的危险性，故磁铁距轨道平面一般为120160mm；低悬挂磁轨制动：低悬挂磁轨制动：用于城市有轨电车、地铁列车和轻轨列车，时速在120km/h以下，运行区间在50100km。高悬挂磁轨制动又分上作用和下作用两种。上作用是指升降风缸活塞上部充气，活塞下移，电磁铁下落制动；下作用是指升降风缸下部充气，活塞上移，通过传动机构，电磁铁下落制动。 按励磁供电方式：蓄电池供电、内燃机车集中供电、接触网供电3种。蓄电池供电磁轨制动蓄电池供电磁轨制动：其电气回路简单，安全可靠，分24V和48V两种，但蓄电池功耗大，制动力小；内燃机车

32、集中供电磁轨制动内燃机车集中供电磁轨制动：其回路复杂，但制动力大，经济可靠，应用范围较广，可用于内燃动车上；接触网供电磁轨制动接触网供电磁轨制动：其结构复杂，费用高，电压较高，但制动力大，一般用于电气化铁路区段，在西方国家被普遍应用于各种铁道客车上。 永磁型磁轨制动永磁型磁轨制动电磁型磁轨制动在制动作用时需要提供大量的电能，而永磁型磁轨制动既可实现非粘着制动，又无须为维持制动力而提供任何能量，甚至可替代手制动机作为停车时的防溜制动装置。故特别适用于安全要求较高的系统。永磁型磁轨制动装置构造永磁型磁轨制动装置构造永磁型磁轨制动的外观组成情况如图所示，由闸体、闸靴、旋转机构和悬挂装置等组成。闸体结

33、构现阶段主要有两种方式，我们根据缓解位和制动位之间的转换的方式的不同，把这两种方式分别称为旋转式和移动式。A-旋转机构B-闸靴 C-闸体D-传力导柱 E-升降气缸 旋转式旋转式 磁轴由两瓣硬磁（永磁）材料和磁绝缘夹层制成。作为磁场源两永磁体磁极呈同一径向排列，所以通过旋转磁轴即可改变磁极方向。闸体由两侧的软磁材料侧壁和上下的磁绝缘顶盖、底隔组成。闸体既是中间导磁体，又是磁轴和闸靴的固定体。 闸靴由两侧的软磁材料和中间的磁绝缘材料夹层制成，位于闸体底部与它相联，作为导磁和摩擦体。闸靴底的表面两端有斜面过渡。旋转机构是根据制动指令驱动磁轴旋转的动力机构，可以选择液力驱动或电力、压力空气驱动。不过，

34、在具备液压系统的车辆中应首选液力驱动， 因为液力驱动具有输出扭矩大、动作迅速可靠的优点。悬挂装置由传力导柱和升降气缸组成。升降气缸用于改变闸体的高度形成较高的“停用位”或较低的“待用位”。移动式移动式 磁体由一块硬磁(永磁)材料和两面的软磁层，上端磁绝缘层制成。通过上下提升磁体以达到改变磁路的作用。闸体由两侧的软磁材料侧壁（中间有一段永磁材料，这是磁路改变的需要），顶盖及磁绝缘底隔组成。闸靴由两侧的软磁材料和中间的磁绝缘材料夹层制成,位于闸体底部与它相联,作为导磁和摩擦体。磁体的提升机构可选用液力驱动。悬挂装置由传力导柱和升降气缸组成。升降气缸用于改变闸体的高度形成较高的“停用位”或较低的“待

35、用位”。 永磁型磁轨制动工作原理永磁型磁轨制动工作原理 永磁型磁轨制动装置包含制动位（作用位）、缓解位（待用位）和停用位三种状态。 缓解位： 当升降气缸注有压力空气时，闸体处于较低的待用位，闸靴底面距轨面57，但此时旋转式结构中磁轴处于横位（图），磁轴的磁极被闸体侧壁短路。竖直式处于上位（图），磁体与匣体上部的软磁体形成通路。两种方式均未能在闸靴和钢轨之间形成磁性引力。 制动位：旋转式中，若在待用位时驱动磁轴旋转90，此时在闸靴两侧将形成不同的磁极，并与钢轨之间产生磁性引力，且此引力足以使闸靴吸合于钢轨之上，所以最终以摩擦的方式直接在闸靴与钢轨之间产生制动力（图）。而竖直式中磁体处于下位（图）

36、，磁体与匣体上部的软磁体，匣靴和钢轨形成磁通路，产生吸合力。 根据磁力与间隙的关系(见图)可知,吸合之后的闸靴与钢轨之间的磁力将剧增并达到最大。 停用位：如果在待用位时排除升降气缸中的压力空气，闸体将在气缸弹簧的作用下上升至停用位。此时因闸体位置较高，所以不管磁轴处何种位置，都不能使闸靴与钢轨吸合，即装置呈“失效”状态。制动机的选用、目前应用及发展前景制动机的选用、目前应用及发展前景 选用永磁型制动机还是电磁型制动机，主要是根据车型和运营情况决定的。其根本区别在于永久性磁铁在“接通”后不需要外部继续输送能量，在紧急情况下不用由蓄电池供电。具有一定的节能意义。另外,其制动力的维持也不依赖动力源。

37、当进入制动状态后,即使撤除所有动力源,闸轨间仍能长期保持有效的吸合状态。因而可以取代手制动机作为长时间停车的防溜制动装置。正是因为此优点，现阶段国外大多采用永磁磁轨制动。没有见到采用电磁磁轨制动器的报道。 瑞士联邦铁路的Re460型机车和瑞士BLS铁路公司的Re465型机车装配了永磁磁轨制动器。图示为Re460型机车转向架。除了瑞士联邦铁路以外，法国国家铁路也在山区线路的车辆上采用了永磁磁轨制动器，这些线路的坡度高达90。为了保证车辆能在这种坡道线路上可靠地运行，还需采用一种于粘着系数无关地停车制动器。 永磁磁轨制动器可用于各种车型。无论是近郊机车车辆，还是干线机车车辆，都可以应用。它也可以在

38、有轨电车上应用，其安装方式和机车上的安装一样。它特别适用于动车，为了安全起见，这些动车还必须装有可靠的与粘着系数无关的紧急制动器。对于地铁或城问近郊铁路来说，在陡峭的隧道区段上必须保证安全地停车，因此，最好采用磁轨制动器 我国的快速旅客列车速度也已接近200km/h。高速列车的制动功率非常大，仅靠闸瓦或盘形制动，不但制动距离长，而且闸件磨耗大，热损坏现象增加。受轮轨间粘着因数的限制，使用闸瓦或盘形制动的列车，其制动极限速度为160km/h。 由于我国货运列车基本上采用低速重载运行方式，故货车一般不采用磁轨制动，而旅客列车的速度正在逐步提高，采用磁轨制动势在必行。目前,京津线上的快速列车，尽管采

39、用了3个制动盘，但因没有磁轨制动，在时速为180km/h时，制动距离超过了1800m。针对时速为200km，制动方式采用再生动力制动和盘形制动的列车的研究结果表明,这样的列车制动时要达到2000m的制动距离非常困难。 采用磁轨制动,每个转向架的质量约增加700kg，因此，转向架的设计必须相应轻量化。 机械飞轮式：用金属或非金属飞轮的转动惯量，在车辆动轮驱 动下高速（几万十几万转）旋转所吸收（储存） 列车制动阶段的动能，用于列车下次起动、加速 过程超级电容式：用超大容量的电容器储存牵引电机在电制动工况 的电能，用于列车下次起动、加速过程（液压式：用液压油泵把动能存于高压液压储能器，在车辆下 次起

40、动、加速过程通过液压马达输出能量） 储能制动原理储能制动原理 目前储能电源主要是化学电源，如铅酸电池、镍氢电池、锂电池等。这些电池或是体积重量大、或是价格昂贵、或是寿命短、或是引起二次污染，总之无法真正实用。飞轮储能飞轮储能系统是一种具有当今世界先进水平的光机电一体化高新技术产品，它能在瞬间发出强大的电能以满足车辆起步加速时的需要，大大提高了车辆的动力性能 。 飞轮储能飞轮储能系统，具有体积小、重量轻、寿命长、成本低的优点 机械飞轮式机械飞轮式储能制动原理储能制动原理 机械能储能器机械能包括势能和动能。势能能库早就被人们所采用：夜晚利用发电厂多余的电力把水抽入水库，待白天用电高峰时放水发电。我

41、们知道势能Epmgh，即势能与水的质量及落差h成正比。这种储能方式的比能很小，因此不具优势。如果利用的机械能形式是动能，情况就不一样了。由于Ekmv2，可以看出，当m不变，v增至10倍时，Ek将增至100倍。如果是直线运动形式，要这样做几乎是不可能的。而如果把直线运动变成圆周运动，那就能在很小的空间里达到提高速度的目的。能帮助人们做到这一点的，正是古老却又先进的飞轮。机械飞轮式机械飞轮式储能制动原理储能制动原理 机械能储能器在古老的纺机上，在瓦特的蒸汽机在现代的汽车和冲床上，人们都利用飞轮来暂时存储能量，以顺利通过传动装置中的“死点”（连杆和活塞杆成一直线，不能将平动转变为转动的那两个点）并且

42、使得转动均匀而便于工作。但是，传统飞轮的作用几乎都是“现存现用”。要使飞轮成为高效、大容量的能库，就必须采用更加先进的技术。 机械飞轮式机械飞轮式储能制动原理储能制动原理 飞轮储能电池实际上是一种机电能量转换和储存装置。它具有能量密度高、体积小、重量轻、充电快、寿命长和无任何废气污染等特点。先进的飞轮电池其能量比镍氢电池大23倍，功率高于一般化学蓄电池和内燃机，其快速充电可在18分钟内完成且能量储存时间长，电池的使用寿命远长于各种化学蓄电池。更重要的是，飞轮电池不会像内燃机那样产生排气污染，不存在废料的处理回收问题。一辆用20节直径为230毫米、质量为1364公斤的飞轮电池的汽车，快速充电只需

43、15分钟，一次充电行驶里程可达560公里。最早的UPS是带有一个大飞轮飞轮的电动机-发电组，在发电机上带有一个数吨重的飞轮飞轮；机械飞轮式机械飞轮式储能制动原理储能制动原理 飞轮储能飞轮储能(Flywheel Energy Storage) 是具有广泛应用前景的新型机械储能方式，它的基本原理是由电能驱动飞轮到高速旋转，电能转变为机械能储存，当需要电能时，飞轮减速，电动机作发电机运行，将飞轮动能转换成电能，飞轮的升速和降速，实现了电能的存入和释放。飞轮储能飞轮储能有储能高、功率大、效率高、寿命长、无污染等优点。目前飞轮储能飞轮储能技术得到世界各国的高度重视，成为研究热点，美国、英国、德国、日本、

44、瑞士等国都有很多大学进行飞轮储能飞轮储能技术的研究。飞轮储能飞轮储能技术在电力系统调峰、风力发电、汽车供能、不间断电源、卫星储能控姿、通讯系统信号传输、大功率机车、电磁炮、鱼雷等方面的应用在国外已得到广泛的研究。 机械飞轮式机械飞轮式储能制动原理储能制动原理 1994年，美国阿贡（ANL）国家实验室用碳纤维试制一个储能飞轮：直径38厘米，质量为11千克，采用超导磁悬浮，飞轮线速度达1000米秒。它储的能量可将10个100瓦灯泡点燃25小时。该实验室目前正在开发储能为50千瓦小时的储能轮，最终目标是使其储能达5000千瓦小时的储能飞轮。一个发电功率电功率为100万千瓦的电厂，约需这样的储能轮20

45、0个。 机械飞轮式机械飞轮式储能制动原理储能制动原理 1992年美国飞轮系统公司（AFS）开发了一种用于汽车上的机-电电池（EMB），每个“电池”长18厘米，直径23厘米，质量为23千克。电池的核心是一个以20万转分旋转的碳纤飞轮，每个电池储能为1千瓦小时，它们将12个“电池”放在IMPACT轿车上，能使该车以100千米小时的速度行驶480千米。机-电电池共重273千克，若采用铅酸电池，则共重396千克。机-电电池所储的能量为铅酸电池的2.5倍，使用寿命是铅酸电池的8倍，且它的“比功率功率”（即爆发力）极高，是铅酸电池的25倍，是汽油发动机的10倍，它可将该车在8秒钟内由静止加速至100千米小

46、时。 机械飞轮式机械飞轮式储能制动原理储能制动原理 日本曾利用飞轮“比功率”高的特性设计了一个引发可控热核聚变的装置，如图2所示。该装置的飞轮直径达6.45米，高1米，重255吨。它所储存的能量与挂有150个车厢的列车以100千米小时的速度行驶时所具有的能量相当。故将这些能量在极短时间释放出来足以引发核聚变聚变。 德国西门子公司在铁路动车上采用也采用飞轮储能系统德国西门子公司在铁路动车上采用也采用飞轮储能系统.机械飞轮式机械飞轮式储能制动原理储能制动原理 我国对飞轮的研究，始于1993年，国内最早研究储能飞轮的实验室建于1995年。在理论分析及模型试验方面也已取得不小的进展。以飞轮作储能装置，

47、其可行性目前已无人怀疑。大规模的工业应用虽然还存在不少技术问题需要解决，但这只是时间问题。1997年国内研制出第一套复合材料飞轮系统，转子重8kg，直径23cm，1998年成功运转到48000RPM，线速度580m/s，实现充放电。1999年研制出第二代飞轮，重15kg，直径30cm，于2001年4月成功运转到70000转/分，线速度650m/s，储能量500Whr。在第二代飞轮的基础上，用作飞轮电池的THEF1000飞轮储能系统概念设计已完成。机械飞轮式机械飞轮式储能制动原理储能制动原理 机械飞轮式机械飞轮式储能制动原理储能制动原理 机械飞轮式机械飞轮式储能制动原理储能制动原理飞轮储能飞轮储

48、能大小除与飞轮的质量（重量）有关外，还与飞轮上各点的速度有关，而且是平方的关系。因此提高飞轮的速度（转速）比增加质量更有效。但飞轮的转速受飞轮本身材料限制。转速过高，飞轮可能被强大的离心力撕裂。故采用高强度、低密度的高强复合纤维飞轮，能储存更多的能量。目前选用的碳纤维复合材料，其轮缘线速度线速度可达1000米秒，比子弹速度还要高。正是由于高强复合材料的问世，飞飞轮储能轮储能才进入实用阶段。 涉及到材料、机械、电工、热工、计算机等多学科的交叉，研究的课题方向有： 复合材料缠绕设计和工艺 复合材料转子结构设计和优化 高速转动飞轮系统动力学分析 高速转动飞轮阻尼器结构设计和参数优化 低损耗磁轴承控制

49、理论和结构设计 无铁损永磁电动发电机理论分析、设计和关键工艺 高频率电能转换理论分析和双向逆变技术 储能飞轮系统仿真 飞轮储能飞轮储能装置实验和高真空技术 机械飞轮式机械飞轮式储能制动原理储能制动原理 飞轮的选材是个首要问题。飞轮的动能，是构成飞轮的所有质点的动能之和；越是远离中心的质点，速度越大。这样就有了问题。例如，钢的密度大，强度也不小，但钢质飞轮在转速很快时，外层质点速度极高，需要极大的向心力，可能超出钢的拉伸强度而使飞轮裂成碎片。上一世纪60年代出现的纤维复合材料飞轮性能极佳，这种飞轮在发生意外而破裂时，不会发生碎片飞溅的危险。事实上，它甚至不会完全破裂，因为其外圈通过跟机体的摩擦会

50、使整体的旋转停止下来。由于绳带纤维非常牢固，这种超级飞轮超级飞轮几乎是牢不可破的。尽管它在密度上稍差了一些，但却从高转速上得到了更大的补偿。从比能上看，超级飞轮超级飞轮绝不低于任何其他型式的能库机械飞轮式机械飞轮式储能制动原理储能制动原理 飞轮整体结构飞轮整体结构l 飞轮转子由玻璃纤维、碳纤维采用一定的缠绕方式绕在铝合金作的骨架上。飞轮的整体呈空心圆盘状；2 电动/发电机采用永久磁铁作为定子固定在飞轮的下端，电磁铁作为定子，转子相位通过三个红外传感器确定，同时通过相位的变化得到转子的转速；3 采用螺旋线滑动轴承，当转子转到一定的转速既形成封闭的油膜，可在很大程度上减少摩擦，降低损耗； 4 上阻

51、尼为悬吊式阻尼器，采用永久磁铁以卸去飞轮转子的重量，以减少对下断轴承的压力，从而减少摩擦损耗； 机械飞轮式机械飞轮式储能制动原理储能制动原理 5 下阻尼为弹性鼠笼式挤压油膜、橡皮挤压油膜、弹簧挤压油膜三种；6 通过机械泵和分子泵对真空室抽真空，进一步减少风损和空气动力学引起的不稳定； 7 通过循环水系统对转子下端的滑动轴承等进行冷却，确保轴承能正常的工作运行；8 采用电涡流传感器对下阻尼和转子的径向振动，以及转子的轴向位置进行监视；采用热偶真空计对飞轮的真空度进行监视；通过放大器对飞轮的各种声音信号放大，对飞轮的运行产生的声音进行监听；以了解飞轮的运行情况。 机械飞轮式机械飞轮式储能制动原理储

52、能制动原理 机械飞轮式机械飞轮式储能制动原理储能制动原理 机械飞轮式机械飞轮式储能制动原理储能制动原理 机械飞轮式机械飞轮式储能制动原理储能制动原理国内已经研制的飞轮储能飞轮储能装置，完成了飞轮储能飞轮储能原理性论证实验，飞轮转子采用复合材料制作，转速已达到转分，实现了飞轮的充电和放电，目前正在进行飞轮储能飞轮储能技术的理论和实验研究 超级飞轮超级飞轮跟磁悬浮技术结合起来，再把飞轮腔抽成高真空，就能取得每天仅消耗储能2的好效果了。人们已经利用超级飞轮超级飞轮制造成机电电池。这种长18厘米、直径23厘米、质量为23千克的机电电池，其核心是一个能以20万转/分旋转的碳纤飞轮，不难算出，飞轮边缘的速

53、度可达1500米/秒，比出膛的子弹还快。每只电池的储能量为1度电。在试验中，使用12只这种电池，能让试验轿车以100千米/小时的速度行驶480千米。如果改用铅酸蓄电池，则电池容量将增至2.5倍，而且铅酸蓄电池的寿命仅为机电电池的1/8。 超级电容式超级电容式储能制动原理储能制动原理一超级电容超级电容器特性：a. 体积小，容量大，电容量比同体积电解电容容量大3040倍； b. 充电速度快，10秒内达到额定容量的95%；c. 充放电能力强，充放电次数可达105次以上；d. 失效开路，过电压不击穿，安全可靠；e. 超长寿命，可长达40万小时以上； f. 充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，真

54、正免维护；g. 电压类型：2.7v-12.0v 容量范围：0.1F-5000F 超级电容式超级电容式储能制动原理储能制动原理一我国首辆超级电容超级电容电动车在哈尔滨实验成功一辆不带“辫子”的无轨电车在哈尔滨市黄河路以每小时60公里的速度行驶，引起市民的关注。这是我国首辆超级电容超级电容电动车实验并获得了成功。上海从去年开始这一项目的研究，上海市科委和市交通局已组织有关专家在今年1月15日通过了这一项目的阶段性评审。电车在甩掉辫子的情况下，超级电容器不仅完成了可供运行距离5公里的目标，实际离线运行距离超过79公里，最高时速425公里。 超级电容式超级电容式储能制动原理储能制动原理一从目前可以采用

55、的能量来看，超级电容优越性明显。与传统蓄电池相比，它具有充电时间短（79分钟），使用寿命长（时速30公里可连续跑35公里）的优点，而蓄电池充电时间需8个小时。 这实验系统分为电容蓄能变频驱动和快速充电车站两个部分，电容公交车利用超级电容器储能，路过充电候车站时按照200安培的电流强度进行3至5分钟的快速充电，在车内冷暖空调开启的条件下，可以持续行驶3至5千米，最高速度达到每小时44千米。 二二. .空气制动空气制动 空气（摩擦）制动是用来补充制动指令所要求和电空气（摩擦）制动是用来补充制动指令所要求和电制动已达到最大的电制动力之间的差额以及没有电制动时完制动已达到最大的电制动力之间的差额以及没

56、有电制动时完全由空气制动来承担的列车制动要求。电制动和空气制动之全由空气制动来承担的列车制动要求。电制动和空气制动之间的混合制动是平滑的，并满足正常运行的冲击极限。间的混合制动是平滑的，并满足正常运行的冲击极限。 每节车设计有独自的空气制动控制及部件，每根轴每节车设计有独自的空气制动控制及部件，每根轴设计有独立的防滑装置，由设计有独立的防滑装置，由ECUECU实时监控每根轴的转速，一实时监控每根轴的转速，一旦任一轮对发生滑行，能迅速向该轴的防滑电磁阀旦任一轮对发生滑行，能迅速向该轴的防滑电磁阀G01G01发出发出指令，沟通制动缸与大气的通路，使制动缸排气，从而解除指令，沟通制动缸与大气的通路，

57、使制动缸排气，从而解除该轮对的滑行现象。制动执行部件采用单元制动缸，有该轮对的滑行现象。制动执行部件采用单元制动缸，有PC7YPC7Y型和带停放制动器（也称弹簧制动器）的型和带停放制动器（也称弹簧制动器）的PC7YFPC7YF型两种。型两种。 空气制动运用情况如表空气制动运用情况如表-1-1（“”表示该车有空气表示该车有空气制动施加，制动施加，“”表示该车无空气制动力）表示该车无空气制动力）表表 3 3-1 -1 空气制动运用情况空气制动运用情况注：广州地铁一号线车辆载荷工况定义如下：注：广州地铁一号线车辆载荷工况定义如下：AWAW0 0- -空载（拖车自重空载（拖车自重33t33t、动车自重

58、、动车自重38t38t）；）； AWAW1 1- -客座载荷（客座载荷（5656位坐客，位坐客，60Kg/60Kg/人）；人）；AWAW2 2- - 定员载荷（除坐客外，站客定员载荷（除坐客外，站客6 6人人/m/m2 2）；）；AWAW3 3- -超员载荷（除坐客外，超员载荷（除坐客外，站客站客9 9人人/m/m2 2）。）。 三三. .常用制动优先和混合原则常用制动优先和混合原则 第一优先再生制动。再生制动与接触网线路吸收能力，第一优先再生制动。再生制动与接触网线路吸收能力，即网压高低有关。即网压高低有关。 第二优先电阻制动。承担不能再生的那部分制动电流，第二优先电阻制动。承担不能再生的那

59、部分制动电流，再生制动电流加电阻制动电流等于电制动所要求的总电流。再生制动电流加电阻制动电流等于电制动所要求的总电流。 第三优先踏面摩擦制动（空气制动）。常用制动时补第三优先踏面摩擦制动（空气制动）。常用制动时补充电制动的不足；当没有再生制动或电阻制动时，所需要充电制动的不足；当没有再生制动或电阻制动时，所需要的总制动力必须由摩擦制动来提供。的总制动力必须由摩擦制动来提供。（1）电制动无故障状态下的制动原则）电制动无故障状态下的制动原则（2）电制动与空气制动混合的控制原则）电制动与空气制动混合的控制原则（3）制动力的分配）制动力的分配（4）DCU与与ECU之间有信号交换，以供之间有信号交换，以

60、供ECU计算计算DCU是是否提供所必需的否提供所必需的300%的制动力，并确定是否需要进行空的制动力，并确定是否需要进行空气制动补充或完全代替。气制动补充或完全代替。 （5）为了清洁轮对踏面，同时使空气制动的响应时间最）为了清洁轮对踏面，同时使空气制动的响应时间最小，制动指令发出后，制动缸获得约为小，制动指令发出后，制动缸获得约为3050Kpa的压力，的压力，制动闸瓦即向车轮踏面施加一个制动力。制动闸瓦即向车轮踏面施加一个制动力。 （6）紧急制动距离）紧急制动距离（7）停车制动）停车制动三三. .常用制动优先和混合原则常用制动优先和混合原则 四四. .地铁车辆制动防滑系统地铁车辆制动防滑系统