快捷貨運列車軸端發電機電磁和熱特性分析

張勁　陸正剛　孫效杰

摘要：對快捷貨運列車車載監控系統運行需求進行分析，提出車載軸端發電機的基本參數要求，并通過對樣機的試驗為后續分析提供參數支持.根據試驗所得數據，利用經典理論以及Ansoft和ANSYS等軟件計算發電機在不同狀態和工況下的磁感應強度、鐵損和溫升等試驗難以精確測定的物理量.電氣電磁特性分析的計算結果與之前對樣機進行試驗所獲得的數據吻合得很好，對溫升的模擬則精確計算出該電機的熱平衡溫度.結果表明該軸端發電機可安全應用于快捷貨運列車上.

關鍵詞：快捷貨運列車； 軸端發電機； 磁感應； 鐵損； 溫升； 安全評估

中圖分類號： U264.11； TB115.1

文獻標志碼：B

0 引 言

鐵路貨運列車運行速度不斷提高，車軸不斷加重，這對其運行安全性的要求也越來越高.與此同時，國內外鐵路事故發生率呈上升趨勢，安全形勢嚴峻.較常遇到的事故類型包括貨運列車熱軸切軸、制動系統故障、脫軌、超載偏載以及傾覆等.現有的鐵路貨車軌旁監測設備已經無法滿足新型快速貨車的故障檢測要求，急需一套新的車載監控系統.

目前，阻礙貨運列車車載監控系統研發的一大原因便是電源問題.由于貨運列車自身編組靈活，隨解隨掛，因此無法使用傳統應用于客運列車的集中供電方式；采用更先進的接觸網供電會使得整體系統異常復雜，完全不能適應貨運列車的需求.為解決該問題，我國鐵路貨運列車曾產生過利用車軸旋轉進行發電的方案.[1]這種發電裝置通過車軸的旋轉帶動一端的帶輪，再利用帶輪帶動懸掛于轉向架上的發電機發電，但因體積大、結構復雜且受限于轉向架自身結構，不適合用在新型快捷貨運列車上.在國外，FAG公司生產的軸箱集成發電機利用隨車軸旋轉的磁鐵作為轉子，而將定子固定于軸箱端蓋上產生電能，其集成化程度高、體積小，輸出電源電壓為6～14 V，功率為5～100 W，但其電氣特性數值遠小于監控系統所需，仍不能滿足要求.

4 結 論

基于快捷貨運列車對車載監控系統的需求以及軸端發電機基本參數，結合樣機試驗對發電機多項物理特性進行計算和分析.得出以下結論：

（1）發電機在整體系統所要求的速度范圍（200 r/min～930 r/min）內，均能提供高于系統所需的48 V的穩定交流電，可為車載監控系統提供穩定輸入.

（2）在假定長時間連續工作的前提下，發電機在本文所分析的兩個極端工況中，其溫升最大值分別為19.076 ℃和5.104 ℃，遠低于鐵路標準中要求的溫升限制40 ℃，因此可以保證軸承運行環境的安全性.

參考文獻：

[1] 中華人民共和國鐵道部. TB/T 2436—1993 鐵道機車動車用旋轉電機通用技術條件[S]. 北京： 中國標準出版社， 1993.

[2] 曹晟晨. 高速貨車轉向架智能監控系統的研究[D]. 上海： 同濟大學， 2012.

[3] 梁燦彬. 電磁學[M]. 2版. 北京： 高等教育出版社， 2004： 114.

[4] 中華人民共和國國家質量監督檢查檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. GB/T 25770—2010 滾動軸承：鐵路貨車軸承[S]. 北京： 中國標準出版社， 2010.

[5] 崔楊， 胡虔生， 黃允凱. 任意頻率正弦波條件下鐵磁材料損耗計算[J]. 微電機， 2007， 40（8）： 1-3.

CUI Yang， HU Qiansheng， HUANG Yunkai. Iron loss prediction in ferromagnetic materials with sinusoidal supply [J]. Micromotors Servo Technique， 2007， 40（8）： 1-3.

[6] 章熙名， 任澤霈， 梅飛鳴. 傳熱學[M]. 5版. 北京： 中國建筑工業出版社， 2007： 164.

（編輯 于杰）

摘要：對快捷貨運列車車載監控系統運行需求進行分析，提出車載軸端發電機的基本參數要求，并通過對樣機的試驗為后續分析提供參數支持.根據試驗所得數據，利用經典理論以及Ansoft和ANSYS等軟件計算發電機在不同狀態和工況下的磁感應強度、鐵損和溫升等試驗難以精確測定的物理量.電氣電磁特性分析的計算結果與之前對樣機進行試驗所獲得的數據吻合得很好，對溫升的模擬則精確計算出該電機的熱平衡溫度.結果表明該軸端發電機可安全應用于快捷貨運列車上.

關鍵詞：快捷貨運列車； 軸端發電機； 磁感應； 鐵損； 溫升； 安全評估

中圖分類號： U264.11； TB115.1

文獻標志碼：B

0 引 言

鐵路貨運列車運行速度不斷提高，車軸不斷加重，這對其運行安全性的要求也越來越高.與此同時，國內外鐵路事故發生率呈上升趨勢，安全形勢嚴峻.較常遇到的事故類型包括貨運列車熱軸切軸、制動系統故障、脫軌、超載偏載以及傾覆等.現有的鐵路貨車軌旁監測設備已經無法滿足新型快速貨車的故障檢測要求，急需一套新的車載監控系統.

目前，阻礙貨運列車車載監控系統研發的一大原因便是電源問題.由于貨運列車自身編組靈活，隨解隨掛，因此無法使用傳統應用于客運列車的集中供電方式；采用更先進的接觸網供電會使得整體系統異常復雜，完全不能適應貨運列車的需求.為解決該問題，我國鐵路貨運列車曾產生過利用車軸旋轉進行發電的方案.[1]這種發電裝置通過車軸的旋轉帶動一端的帶輪，再利用帶輪帶動懸掛于轉向架上的發電機發電，但因體積大、結構復雜且受限于轉向架自身結構，不適合用在新型快捷貨運列車上.在國外，FAG公司生產的軸箱集成發電機利用隨車軸旋轉的磁鐵作為轉子，而將定子固定于軸箱端蓋上產生電能，其集成化程度高、體積小，輸出電源電壓為6～14 V，功率為5～100 W，但其電氣特性數值遠小于監控系統所需，仍不能滿足要求.

4 結 論

基于快捷貨運列車對車載監控系統的需求以及軸端發電機基本參數，結合樣機試驗對發電機多項物理特性進行計算和分析.得出以下結論：

（1）發電機在整體系統所要求的速度范圍（200 r/min～930 r/min）內，均能提供高于系統所需的48 V的穩定交流電，可為車載監控系統提供穩定輸入.

（2）在假定長時間連續工作的前提下，發電機在本文所分析的兩個極端工況中，其溫升最大值分別為19.076 ℃和5.104 ℃，遠低于鐵路標準中要求的溫升限制40 ℃，因此可以保證軸承運行環境的安全性.

參考文獻：

[1] 中華人民共和國鐵道部. TB/T 2436—1993 鐵道機車動車用旋轉電機通用技術條件[S]. 北京： 中國標準出版社， 1993.

[2] 曹晟晨. 高速貨車轉向架智能監控系統的研究[D]. 上海： 同濟大學， 2012.

[3] 梁燦彬. 電磁學[M]. 2版. 北京： 高等教育出版社， 2004： 114.

[4] 中華人民共和國國家質量監督檢查檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. GB/T 25770—2010 滾動軸承：鐵路貨車軸承[S]. 北京： 中國標準出版社， 2010.

[5] 崔楊， 胡虔生， 黃允凱. 任意頻率正弦波條件下鐵磁材料損耗計算[J]. 微電機， 2007， 40（8）： 1-3.

CUI Yang， HU Qiansheng， HUANG Yunkai. Iron loss prediction in ferromagnetic materials with sinusoidal supply [J]. Micromotors Servo Technique， 2007， 40（8）： 1-3.

[6] 章熙名， 任澤霈， 梅飛鳴. 傳熱學[M]. 5版. 北京： 中國建筑工業出版社， 2007： 164.

（編輯 于杰）

摘要：對快捷貨運列車車載監控系統運行需求進行分析，提出車載軸端發電機的基本參數要求，并通過對樣機的試驗為后續分析提供參數支持.根據試驗所得數據，利用經典理論以及Ansoft和ANSYS等軟件計算發電機在不同狀態和工況下的磁感應強度、鐵損和溫升等試驗難以精確測定的物理量.電氣電磁特性分析的計算結果與之前對樣機進行試驗所獲得的數據吻合得很好，對溫升的模擬則精確計算出該電機的熱平衡溫度.結果表明該軸端發電機可安全應用于快捷貨運列車上.

關鍵詞：快捷貨運列車； 軸端發電機； 磁感應； 鐵損； 溫升； 安全評估

中圖分類號： U264.11； TB115.1

文獻標志碼：B

0 引 言

鐵路貨運列車運行速度不斷提高，車軸不斷加重，這對其運行安全性的要求也越來越高.與此同時，國內外鐵路事故發生率呈上升趨勢，安全形勢嚴峻.較常遇到的事故類型包括貨運列車熱軸切軸、制動系統故障、脫軌、超載偏載以及傾覆等.現有的鐵路貨車軌旁監測設備已經無法滿足新型快速貨車的故障檢測要求，急需一套新的車載監控系統.

目前，阻礙貨運列車車載監控系統研發的一大原因便是電源問題.由于貨運列車自身編組靈活，隨解隨掛，因此無法使用傳統應用于客運列車的集中供電方式；采用更先進的接觸網供電會使得整體系統異常復雜，完全不能適應貨運列車的需求.為解決該問題，我國鐵路貨運列車曾產生過利用車軸旋轉進行發電的方案.[1]這種發電裝置通過車軸的旋轉帶動一端的帶輪，再利用帶輪帶動懸掛于轉向架上的發電機發電，但因體積大、結構復雜且受限于轉向架自身結構，不適合用在新型快捷貨運列車上.在國外，FAG公司生產的軸箱集成發電機利用隨車軸旋轉的磁鐵作為轉子，而將定子固定于軸箱端蓋上產生電能，其集成化程度高、體積小，輸出電源電壓為6～14 V，功率為5～100 W，但其電氣特性數值遠小于監控系統所需，仍不能滿足要求.

4 結 論

基于快捷貨運列車對車載監控系統的需求以及軸端發電機基本參數，結合樣機試驗對發電機多項物理特性進行計算和分析.得出以下結論：

（1）發電機在整體系統所要求的速度范圍（200 r/min～930 r/min）內，均能提供高于系統所需的48 V的穩定交流電，可為車載監控系統提供穩定輸入.

（2）在假定長時間連續工作的前提下，發電機在本文所分析的兩個極端工況中，其溫升最大值分別為19.076 ℃和5.104 ℃，遠低于鐵路標準中要求的溫升限制40 ℃，因此可以保證軸承運行環境的安全性.

參考文獻：

[1] 中華人民共和國鐵道部. TB/T 2436—1993 鐵道機車動車用旋轉電機通用技術條件[S]. 北京： 中國標準出版社， 1993.

[2] 曹晟晨. 高速貨車轉向架智能監控系統的研究[D]. 上海： 同濟大學， 2012.

[3] 梁燦彬. 電磁學[M]. 2版. 北京： 高等教育出版社， 2004： 114.

[4] 中華人民共和國國家質量監督檢查檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. GB/T 25770—2010 滾動軸承：鐵路貨車軸承[S]. 北京： 中國標準出版社， 2010.

[5] 崔楊， 胡虔生， 黃允凱. 任意頻率正弦波條件下鐵磁材料損耗計算[J]. 微電機， 2007， 40（8）： 1-3.

CUI Yang， HU Qiansheng， HUANG Yunkai. Iron loss prediction in ferromagnetic materials with sinusoidal supply [J]. Micromotors Servo Technique， 2007， 40（8）： 1-3.

[6] 章熙名， 任澤霈， 梅飛鳴. 傳熱學[M]. 5版. 北京： 中國建筑工業出版社， 2007： 164.

（編輯 于杰）