珠海有轨电车地面供电系统集电靴磁场分析*

臧玉军， 王乐民， 周 昌

(中车大连机车车辆有限公司， 辽宁大连 116022)

传统城市轨道交通系统除了需要大量的土地来修建轨道外，还需要大量空间来建设架空接触网系统。这样不仅会给城市交通带来一定的安全隐患，还在一定程度上造成了城市景观的“视觉污染”[1]。随着城市的发展，为进一步体现与城市景观的融合，现代有轨电车的供电方式逐步由架空接触网向无接触网发展。无接触网供电方案可以有效避免架空接触网可能出现的电击或者挂落等安全隐患，还能将有轨电车靓丽的外观融入到城市道路景观中，打造一道美丽的动态城市风景线。

珠海现代有轨电车1号线(如图1所示)的开通运行使珠海成为世界首个将使用地面供电系统的有轨电车投入商业运营的城市，对缓解城市交通、美化城市环境发挥了重要作用。

珠海现代有轨电车1号线采用100%低地板设计，方便乘客上下车。钢轮钢轨，平稳舒适。5节编组，模块化设计。车长32 m，宽2.65 m，高3.6 m。车辆座位66个，满载定员276人。电动塞拉门，每侧5个车门，3个双开门及2个单开门。车辆两端均设有驾驶室，双向运行，最高运行速度70 km/h。

图1 珠海有轨电车实景照片

1 地面供电系统

珠海有轨电车地面供电系统为750 V直流供电，设计速度75 km/h，实际最高运营速度70 km/h。

1.1 地面供电系统主要电气参数

额定电压： DC 750 V

电压波动范围： DC 500～900 V

最大瞬态电压： DC 3 500 V

线路阻抗： 90 mΩ/km

线路额定电流： 2 000 A (持续)

5 000 A (1 h)

地面受流器额定电流 1 000 A (5 km/h 持续)

(单个集电靴)： 200 A (静止，持续)

800 A (30 s，静止)

作为与地面供电相对应的车载受流系统，其主要包括集电靴，液压控制箱，超级电容，保护装置等部分，来完成有地面供电系统提供的电传输到整车的功能。车载受流器前端配备有排障器，能够清除大部分障碍物。同时配备有护盖(遮盖板)，当受流器收起不用时，护盖闭合，能够起到保护作用。

1.2 地面供电系统特点与优势

地面供电系统与架空接触网供电方式相比，地面供电系统不用高空作业，且采用了模块化设计和生产，安装和维护快捷方便。对于有故障的供电模块，4个工人在0.5 h内即可更换完毕。

地面供电系统避免了架空接触网建设，从而不受空间限制，车辆可在隧道或既有桥梁下通过；避免破坏城市景观环境、树木建筑等的破坏，创造了和谐美好的城市环境，同时有利于城市规划和布局。

2 集电靴

2.1 集电靴相关参数

(1)集电靴的主要电气参数

额定电压：DC 750 V

电压范围： DC 500～900 V

额定电流(装配一个受流靴) ：

800 A，连续，最低5 km/h

200 A，连续，静止

集电靴的设计容量为1 000 A。

(2)集电靴的主要机械参数

集电靴支架长度 585 mm

集电靴支架宽度 500 mm

底座长度 850 mm

底座宽度 370 mm

集电靴支架质量 50 kg

底座质量 34 kg

垂直磁吸力 350～400 N

抬靴 <3 s

降靴 <3 s

降靴(含开盖时间) <11 s

打开护盖时间 <8 s

关闭护盖时间 <8 s

升排障器时间 <3 s

降排障器时间 <3 s

(3)车辆空载、新轮时，护盖关闭状态下距离轨面高度为80 mm；车辆悬挂损坏、旧轮情况下，护盖关闭状态下距离轨面的最小高度为30 mm。

(4)集电靴电刷给地面接触钢板的压力为450 N，压强为3 333 Pa。

2.2 主要功能

集电靴安装于车辆两端转向架,与地面供电模块正负极钢板接触导入电源供车辆运作。集电靴由支架、排障器、护盖与底座组成; 底座由正负极电刷、强力磁铁、导电杆与底座容器组成(见图2)。盖板、排障器与支架分别以液压缸操作,设计理念采用无故障设计(Fail-Safe-Design)即无法动作或故障就恢复原状(收起状态)。

2.3 集电靴的结构原理

磁性集电靴底座是地面供电模块和有轨电车受流器之间物理接触的地方，置于车辆转向架下，位于受流器最底部，通过其中永磁体的应用将地面供电模块当中的柔性接触带吸引上来，使柔性接触带连接电源正极，同时连接正极钢板通过C型板将电流传输到集电靴上面，从而达到为整车提供电能的作用。

其功能是：永磁体产生磁场，向上吸起柔性接触带使地面供电模块的正极板通电，同时集电靴与地面供电相应模块区段接触，负极电刷连接地面供电模块两边的负极，形成回路，为车辆供电。磁性集电靴底座采用铜合金材料，与地面供电系统接触时需要足够的压力，因此存在一定的磨损问题，需要定期更换新的电刷。集电靴如图3(a)、3(b)所示。

图2 集电靴示意图及安装位置

图3 集电靴示意图及实物图

3 集电靴磁场分析

珠海1号线有轨电车采用的TramWave[2]是由无架空线供电系统技术的领先者意大利AnsaldoSTS研发的有轨电车地面供电系统。TramWave技术的核心在于转向架集电靴的设计(集电靴如图4(A)所示)。集电靴上安装了多个矩形永磁体，如图4(B)所示。当转向架进入区段上方位置时，挡板打开，集电靴落下，其中位于两侧的磁体起到矫正位置的作用，使集电靴正好落到区段的正上方，中心区域磁体的磁场使区段内的弹性磁性钢带(与柔性供电带相连)吸起，使其与正极触点接触，给有轨电车供电，称之为激活状态。当有轨电车驶离区段区域，弹性磁条失去吸力的作用，在重力作用下落回初始状态，与安全负极触点连接，供电系统处于未激活状态，此时汽车、行人均可安全通过该区域[3]。

图4 集电靴及永磁体

3.1 现有集电靴永磁系统的仿真、模拟研究

根据现有磁体分布和性能，做了初步的仿真模拟计算，建立了仿真模型，编制了模拟计算程序[4]，主要结果如下：

(1)磁体空间磁场分析

由于多个磁体的磁场交互作用，在磁体周围分布情况比较复杂，因此我们首先对磁体静态存在时的磁场的空间分布进行了仿真模拟，结果如图5所示。由图5可以明显看到磁场在磁体周边分布的情况。按现有设计，磁体在其周边产生了较均匀的磁场，在红色椭圆标记位置形成了一个长方体磁场云，磁场云的强度由磁体表面向外迅速衰减，在磁体表面磁场强度达到5～6 kGs，而在距表面75 mm后磁场为零。

图5 磁体在非磁性板上的磁场分析

(2)磁体进入供电区段后的磁场分析

集电靴进入供电区段，在其正下方的磁性钢带会导致整个磁场的空间分布产生变化。磁性钢带是良好的导磁体，会把磁力线拽到钢带上，因此在钢带和磁体之间的磁场会明显加强。根据永磁体区域尺寸建立一个钢带模型(360×120×5) mm，将该模型加入磁场中，重新对磁体磁场分布做仿真模拟。集电靴将钢带吸起后处于工作状态(距离磁体表面30 mm处)的结果如图6所示。此时磁体对磁性钢带的吸引力达到了240 N(钢带尺寸为仿真值)。

对磁体处于不同位置的钢带吸引力进行了计算得到结果如图7所示。磁体到达供电区段初始状态，磁性钢带距离磁体表面约60 mm，钢带吸引上来进入工作状态后距磁体表面约30 mm。这两个状态钢带受到磁体的吸引力有很大差别，在60 mm时吸引力大约70 N，而30 mm时吸引力大幅度增加，约240 N。

图6 磁性钢带距离磁体表面30 mm处后永磁系统的磁场分布

图7 磁性钢带受到的吸引力和与磁体表面距离的关系

通过分析得出，现有永磁系统只需要70 N的力就可以将钢带保持在工作状态，而多出来的170 N是为了在60 mm的远距离将钢带吸引起来。

由此可以发现既有永磁结构存在的弊端：①为了使磁性钢带在较远的距离被吸引上来，必须使用磁性较强、体积较大的磁体；当钢带被吸引上来后，磁体与钢带之间距离变小，在正常工作状态，吸引力过大，容易造成不必要的磨损；②永磁体在工作过程中，会吸引大量的地面磁性杂物，这些杂物吸附在磁体下面的包覆层上很难清理。如果有较大杂物吸附，会导致挡板卡住，无法回复。

3.2 磁场优化方案

针对上述运用中存在的问题，拟对既有集电靴的磁场结构进行优化设计。

(1)在永磁体外加上电磁线圈，通入正向电流时，线圈产生与磁体相同方向磁场，可以增加吸引力，将距离较远的钢带从初始位置吸起[5]；当通入反向电流时，线圈产生相反方向磁场，在磁体表面产生一个磁场相抵消的弱磁区，在磁体包覆层表面磁场降为零，这样可以把工作过程吸附的杂物清理掉；

(2)减小磁体尺寸和更改磁体磁性参数和布置。集电靴在进入工作区段时，由于增加了电磁辅助，在永磁体和电磁体的双重磁场作用下，钢带从距离较远的初始位置被吸引上来，进入工作状态。此时不再需要这么大的吸引力，断开电磁辅助，仅使用永磁体产生的磁场工作，在工作状态下对钢带的吸力会减少，从而减少磨损。

4 总 结

采用地面供电方式取代通过架设接触网供电的有轨电车更好的满足了城市对节能环保和改善城市景观的需求，珠海1号线有轨电车成为珠海一道靓丽的风景线。目前经过优化改造的地面供电系统已经在安全性、可靠性、适用性等方面得到了广泛验证与提升，针对集电靴运用中出现的问题也将得到优化解决。相信地面供电将成为越来越多城市有轨电车供电方案的新选择。