ZPW·XKJD空心线圈电气参数计算分析

刘 瑞

(1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2．北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

ZPW·XKJD 机械绝缘节空心线圈（以下简称XKJD）是ZPW-2000A 轨道电路系统的室外设备，设置于进出站口处。由玻璃丝包铜线绕制而成，通过其多层多匝的椭圆形结构，使电气参数达到系统设计要求。

在生产过程中，由于线圈参数个体的差异，往往通过人工调试的方式使设备电气参数达到标准，生产工艺一致性待提高。有必要根据在产线圈的材料及形态，建立其结构参数与电气参数之间的可量化关系，以帮助设备参数优化与工艺改进。

XKJD 的电气参数由电阻与电感构成，本文仅针对其电感进行计算分析。

1 电感计算分析

线圈绕制为3 层空心螺旋椭圆环结构，电感由自感与层间互感叠加构成。

为了便于计算，将椭圆形环状等效为等面积的圆形环状，简化为3 层空心平面同心圆环结构，如图1 所示。

图1 线圈等效示意图Fig.1 Schematic diagram of equivalent coil

线圈铜线导线为47 mm2（19*1.78 mm）铜线，每层5 匝，结构参数及等效后参数如表1 所示。

表1 设备计算参数Tab.1 Equipment calculation parameters

当线圈匝宽小于外直径时，线圈感值的计算误差在允许范围内。

1.1 自感

每层线圈的等效模型为平面圆盘形电感，如图2所示。

图2 平面圆盘形线圈示意图Fig.2 Schematic diagram of flat disc coil

平面圆盘形电感的自感计算公式如下：

公式（1）中，μ0：空气磁导率。

W：线圈匝数。

d：线圈平均直径。

ψ：由比值ρ=r/d 决定的数值,其计算公式如下。

将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，三层线圈串联后，总自感：L自感= 3×L单层=12.9μH。

1.2 互感

线圈层间等效模型为相同形态的不同平面线圈间的互感，如图3 所示。

图3 两个相同的平面线圈示意图Fig.3 Schematic diagram of two identical planar coil

互感计算公式为：

式中，W：线圈匝数；

d：线圈平均直径；

x：线圈间距离；

ψ：由比值ρ 与ξ 决定的数值，ρ=r/d，ξ=x/d,

将W=5，d=0.184 5 m，r=0.026 m，X相邻线圈距离=0.004 53 m，X相隔线圈距离=0.012 26 m代入公式（4），ψ相邻=10.39，ψ相隔=8.496，L相邻=3.769 μH，L相隔=3.082 μH。

总互感由相邻线圈互感与相隔线圈互感构成

1.3 总电感

线圈总电感为平面圆盘自感叠加不同平面线圈间的互感：

2 理论计算与实际测量对比

对理论计算值与线圈实际电气参数进行对比，如表2 所示。

表2 理论计算与实测对比Tab.2 Comparison between theoretical calculation and actual measurement

理论计算与实际测试值基本一致，差异在3%以内，考虑到材质本身及工艺操作上的差异，可认为上述计算方法与表达是适用的，可以满足生产需要。

3 结束语

在设备生产与工程应用中，往往是对性能参数提出需求，即根据性能参数的需求，逆向得到结构参数取值，建立其函数关系，从而对设备的设计与工艺产生影响，最终实现设备的优化设计。

对XKJD 开展结构参数与电气参数相关的研究，有针对性的在材料选型、工艺规程、电气性能方面进行优化改进，提升设备品质性能，保证轨道电路系统稳定可靠的工作，为我国铁路事业的发展提供保障。