ZPW·XKJD空心線圈電氣參數計算分析

劉 瑞

(1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070)

ZPW·XKJD 機械絕緣節空心線圈（以下簡稱XKJD）是ZPW-2000A 軌道電路系統的室外設備，設置于進出站口處。由玻璃絲包銅線繞制而成，通過其多層多匝的橢圓形結構，使電氣參數達到系統設計要求。

在生產過程中，由于線圈參數個體的差異，往往通過人工調試的方式使設備電氣參數達到標準，生產工藝一致性待提高。有必要根據在產線圈的材料及形態，建立其結構參數與電氣參數之間的可量化關系，以幫助設備參數優化與工藝改進。

XKJD 的電氣參數由電阻與電感構成，本文僅針對其電感進行計算分析。

1 電感計算分析

線圈繞制為3 層空心螺旋橢圓環結構，電感由自感與層間互感疊加構成。

為了便于計算，將橢圓形環狀等效為等面積的圓形環狀，簡化為3 層空心平面同心圓環結構，如圖1 所示。

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

線圈銅線導線為47 mm2（19*1.78 mm）銅線，每層5 匝，結構參數及等效后參數如表1 所示。

表1 設備計算參數Tab.1 Equipment calculation parameters

當線圈匝寬小于外直徑時，線圈感值的計算誤差在允許范圍內。

1.1 自感

每層線圈的等效模型為平面圓盤形電感，如圖2所示。

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

平面圓盤形電感的自感計算公式如下：

公式（1）中，μ0：空氣磁導率。

W：線圈匝數。

d：線圈平均直徑。

ψ：由比值ρ=r/d 決定的數值,其計算公式如下。

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的不同平面線圈間的互感，如圖3 所示。

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

互感計算公式為：

式中，W：線圈匝數；

d：線圈平均直徑；

x：線圈間距離；

ψ：由比值ρ 與ξ 決定的數值，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成

1.3 總電感

線圈總電感為平面圓盤自感疊加不同平面線圈間的互感：

2 理論計算與實際測量對比

對理論計算值與線圈實際電氣參數進行對比，如表2 所示。

表2 理論計算與實測對比Tab.2 Comparison between theoretical calculation and actual measurement

理論計算與實際測試值基本一致，差異在3%以內，考慮到材質本身及工藝操作上的差異，可認為上述計算方法與表達是適用的，可以滿足生產需要。

3 結束語

在設備生產與工程應用中，往往是對性能參數提出需求，即根據性能參數的需求，逆向得到結構參數取值，建立其函數關系，從而對設備的設計與工藝產生影響，最終實現設備的優化設計。

對XKJD 開展結構參數與電氣參數相關的研究，有針對性的在材料選型、工藝規程、電氣性能方面進行優化改進，提升設備品質性能，保證軌道電路系統穩定可靠的工作，為我國鐵路事業的發展提供保障。