快捷货运列车轴端发电机电磁和热特性分析

张劲　陆正刚　孙效杰

摘要：对快捷货运列车车载监控系统运行需求进行分析，提出车载轴端发电机的基本参数要求，并通过对样机的试验为后续分析提供参数支持.根据试验所得数据，利用经典理论以及Ansoft和ANSYS等软件计算发电机在不同状态和工况下的磁感应强度、铁损和温升等试验难以精确测定的物理量.电气电磁特性分析的计算结果与之前对样机进行试验所获得的数据吻合得很好，对温升的模拟则精确计算出该电机的热平衡温度.结果表明该轴端发电机可安全应用于快捷货运列车上.

关键词：快捷货运列车； 轴端发电机； 磁感应； 铁损； 温升； 安全评估

中图分类号： U264.11； TB115.1

文献标志码：B

0 引 言

铁路货运列车运行速度不断提高，车轴不断加重，这对其运行安全性的要求也越来越高.与此同时，国内外铁路事故发生率呈上升趋势，安全形势严峻.较常遇到的事故类型包括货运列车热轴切轴、制动系统故障、脱轨、超载偏载以及倾覆等.现有的铁路货车轨旁监测设备已经无法满足新型快速货车的故障检测要求，急需一套新的车载监控系统.

目前，阻碍货运列车车载监控系统研发的一大原因便是电源问题.由于货运列车自身编组灵活，随解随挂，因此无法使用传统应用于客运列车的集中供电方式；采用更先进的接触网供电会使得整体系统异常复杂，完全不能适应货运列车的需求.为解决该问题，我国铁路货运列车曾产生过利用车轴旋转进行发电的方案.[1]这种发电装置通过车轴的旋转带动一端的带轮，再利用带轮带动悬挂于转向架上的发电机发电，但因体积大、结构复杂且受限于转向架自身结构，不适合用在新型快捷货运列车上.在国外，FAG公司生产的轴箱集成发电机利用随车轴旋转的磁铁作为转子，而将定子固定于轴箱端盖上产生电能，其集成化程度高、体积小，输出电源电压为6～14 V，功率为5～100 W，但其电气特性数值远小于监控系统所需，仍不能满足要求.

4 结 论

基于快捷货运列车对车载监控系统的需求以及轴端发电机基本参数，结合样机试验对发电机多项物理特性进行计算和分析.得出以下结论：

（1）发电机在整体系统所要求的速度范围（200 r/min～930 r/min）内，均能提供高于系统所需的48 V的稳定交流电，可为车载监控系统提供稳定输入.

（2）在假定长时间连续工作的前提下，发电机在本文所分析的两个极端工况中，其温升最大值分别为19.076 ℃和5.104 ℃，远低于铁路标准中要求的温升限制40 ℃，因此可以保证轴承运行环境的安全性.

参考文献：

[1] 中华人民共和国铁道部. TB/T 2436—1993 铁道机车动车用旋转电机通用技术条件[S]. 北京： 中国标准出版社， 1993.

[2] 曹晟晨. 高速货车转向架智能监控系统的研究[D]. 上海： 同济大学， 2012.

[3] 梁灿彬. 电磁学[M]. 2版. 北京： 高等教育出版社， 2004： 114.

[4] 中华人民共和国国家质量监督检查检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GB/T 25770—2010 滚动轴承：铁路货车轴承[S]. 北京： 中国标准出版社， 2010.

[5] 崔杨， 胡虔生， 黄允凯. 任意频率正弦波条件下铁磁材料损耗计算[J]. 微电机， 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， 任泽霈， 梅飞鸣. 传热学[M]. 5版. 北京： 中国建筑工业出版社， 2007： 164.

（编辑 于杰）

摘要：对快捷货运列车车载监控系统运行需求进行分析，提出车载轴端发电机的基本参数要求，并通过对样机的试验为后续分析提供参数支持.根据试验所得数据，利用经典理论以及Ansoft和ANSYS等软件计算发电机在不同状态和工况下的磁感应强度、铁损和温升等试验难以精确测定的物理量.电气电磁特性分析的计算结果与之前对样机进行试验所获得的数据吻合得很好，对温升的模拟则精确计算出该电机的热平衡温度.结果表明该轴端发电机可安全应用于快捷货运列车上.

关键词：快捷货运列车； 轴端发电机； 磁感应； 铁损； 温升； 安全评估

中图分类号： U264.11； TB115.1

文献标志码：B

0 引 言

铁路货运列车运行速度不断提高，车轴不断加重，这对其运行安全性的要求也越来越高.与此同时，国内外铁路事故发生率呈上升趋势，安全形势严峻.较常遇到的事故类型包括货运列车热轴切轴、制动系统故障、脱轨、超载偏载以及倾覆等.现有的铁路货车轨旁监测设备已经无法满足新型快速货车的故障检测要求，急需一套新的车载监控系统.

目前，阻碍货运列车车载监控系统研发的一大原因便是电源问题.由于货运列车自身编组灵活，随解随挂，因此无法使用传统应用于客运列车的集中供电方式；采用更先进的接触网供电会使得整体系统异常复杂，完全不能适应货运列车的需求.为解决该问题，我国铁路货运列车曾产生过利用车轴旋转进行发电的方案.[1]这种发电装置通过车轴的旋转带动一端的带轮，再利用带轮带动悬挂于转向架上的发电机发电，但因体积大、结构复杂且受限于转向架自身结构，不适合用在新型快捷货运列车上.在国外，FAG公司生产的轴箱集成发电机利用随车轴旋转的磁铁作为转子，而将定子固定于轴箱端盖上产生电能，其集成化程度高、体积小，输出电源电压为6～14 V，功率为5～100 W，但其电气特性数值远小于监控系统所需，仍不能满足要求.

4 结 论

基于快捷货运列车对车载监控系统的需求以及轴端发电机基本参数，结合样机试验对发电机多项物理特性进行计算和分析.得出以下结论：

（1）发电机在整体系统所要求的速度范围（200 r/min～930 r/min）内，均能提供高于系统所需的48 V的稳定交流电，可为车载监控系统提供稳定输入.

（2）在假定长时间连续工作的前提下，发电机在本文所分析的两个极端工况中，其温升最大值分别为19.076 ℃和5.104 ℃，远低于铁路标准中要求的温升限制40 ℃，因此可以保证轴承运行环境的安全性.

参考文献：

[1] 中华人民共和国铁道部. TB/T 2436—1993 铁道机车动车用旋转电机通用技术条件[S]. 北京： 中国标准出版社， 1993.

[2] 曹晟晨. 高速货车转向架智能监控系统的研究[D]. 上海： 同济大学， 2012.

[3] 梁灿彬. 电磁学[M]. 2版. 北京： 高等教育出版社， 2004： 114.

[4] 中华人民共和国国家质量监督检查检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GB/T 25770—2010 滚动轴承：铁路货车轴承[S]. 北京： 中国标准出版社， 2010.

[5] 崔杨， 胡虔生， 黄允凯. 任意频率正弦波条件下铁磁材料损耗计算[J]. 微电机， 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， 任泽霈， 梅飞鸣. 传热学[M]. 5版. 北京： 中国建筑工业出版社， 2007： 164.

（编辑 于杰）

摘要：对快捷货运列车车载监控系统运行需求进行分析，提出车载轴端发电机的基本参数要求，并通过对样机的试验为后续分析提供参数支持.根据试验所得数据，利用经典理论以及Ansoft和ANSYS等软件计算发电机在不同状态和工况下的磁感应强度、铁损和温升等试验难以精确测定的物理量.电气电磁特性分析的计算结果与之前对样机进行试验所获得的数据吻合得很好，对温升的模拟则精确计算出该电机的热平衡温度.结果表明该轴端发电机可安全应用于快捷货运列车上.

关键词：快捷货运列车； 轴端发电机； 磁感应； 铁损； 温升； 安全评估

中图分类号： U264.11； TB115.1

文献标志码：B

0 引 言

铁路货运列车运行速度不断提高，车轴不断加重，这对其运行安全性的要求也越来越高.与此同时，国内外铁路事故发生率呈上升趋势，安全形势严峻.较常遇到的事故类型包括货运列车热轴切轴、制动系统故障、脱轨、超载偏载以及倾覆等.现有的铁路货车轨旁监测设备已经无法满足新型快速货车的故障检测要求，急需一套新的车载监控系统.

目前，阻碍货运列车车载监控系统研发的一大原因便是电源问题.由于货运列车自身编组灵活，随解随挂，因此无法使用传统应用于客运列车的集中供电方式；采用更先进的接触网供电会使得整体系统异常复杂，完全不能适应货运列车的需求.为解决该问题，我国铁路货运列车曾产生过利用车轴旋转进行发电的方案.[1]这种发电装置通过车轴的旋转带动一端的带轮，再利用带轮带动悬挂于转向架上的发电机发电，但因体积大、结构复杂且受限于转向架自身结构，不适合用在新型快捷货运列车上.在国外，FAG公司生产的轴箱集成发电机利用随车轴旋转的磁铁作为转子，而将定子固定于轴箱端盖上产生电能，其集成化程度高、体积小，输出电源电压为6～14 V，功率为5～100 W，但其电气特性数值远小于监控系统所需，仍不能满足要求.

4 结 论

基于快捷货运列车对车载监控系统的需求以及轴端发电机基本参数，结合样机试验对发电机多项物理特性进行计算和分析.得出以下结论：

（1）发电机在整体系统所要求的速度范围（200 r/min～930 r/min）内，均能提供高于系统所需的48 V的稳定交流电，可为车载监控系统提供稳定输入.

（2）在假定长时间连续工作的前提下，发电机在本文所分析的两个极端工况中，其温升最大值分别为19.076 ℃和5.104 ℃，远低于铁路标准中要求的温升限制40 ℃，因此可以保证轴承运行环境的安全性.

参考文献：

[1] 中华人民共和国铁道部. TB/T 2436—1993 铁道机车动车用旋转电机通用技术条件[S]. 北京： 中国标准出版社， 1993.

[2] 曹晟晨. 高速货车转向架智能监控系统的研究[D]. 上海： 同济大学， 2012.

[3] 梁灿彬. 电磁学[M]. 2版. 北京： 高等教育出版社， 2004： 114.

[4] 中华人民共和国国家质量监督检查检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GB/T 25770—2010 滚动轴承：铁路货车轴承[S]. 北京： 中国标准出版社， 2010.

[5] 崔杨， 胡虔生， 黄允凯. 任意频率正弦波条件下铁磁材料损耗计算[J]. 微电机， 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， 任泽霈， 梅飞鸣. 传热学[M]. 5版. 北京： 中国建筑工业出版社， 2007： 164.

（编辑 于杰）