王寶星 肖 義 段東梅

(寧波中車時(shí)代電氣設(shè)備有限公司 浙江 寧波 315000)

傳統(tǒng)的高速動(dòng)車組內(nèi)端門驅(qū)動(dòng)裝置動(dòng)力源為永磁同步直流電機(jī)，并通過同步輪、同步帶、渦輪蝸桿減速器等裝置，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為門系統(tǒng)的直線運(yùn)動(dòng)。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)裝置而言，體積較大，同步輪和同步帶之間有磨損，傳動(dòng)有損耗。但如果將直線電機(jī)應(yīng)用到內(nèi)端門中，通電后直接產(chǎn)生直線驅(qū)動(dòng)力，帶動(dòng)門扇運(yùn)動(dòng)，可以大大簡(jiǎn)化其結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

1 直線電機(jī)基本簡(jiǎn)介

1.1 直線電機(jī)基本結(jié)構(gòu)

直線電機(jī)可以近似地認(rèn)為是將旋轉(zhuǎn)電機(jī)展平而得。常見的直線電機(jī)可以分為U型槽式、平板式和管式，線圈組成是三相。其基本組成可以分為初級(jí)和次級(jí)。旋轉(zhuǎn)電機(jī)定子轉(zhuǎn)化而成的叫初級(jí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)化而成的叫次級(jí)[1]，如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)電機(jī)和直線電機(jī)類比

1.2 直線電機(jī)工作原理

直線電機(jī)在結(jié)構(gòu)上從旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變而來，其工作原理也與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相似。旋轉(zhuǎn)電機(jī)是通過線圈上的電流與永久磁鐵發(fā)生電磁感應(yīng)，產(chǎn)生空間中旋轉(zhuǎn)的推力。直線電機(jī)原理，如圖2所示，線圈中變化的電流與磁鐵的磁場(chǎng)相互感應(yīng)，可產(chǎn)生持續(xù)的推力來移動(dòng)線圈，根據(jù)弗萊明左手規(guī)則，電流方向的改變可推動(dòng)直線電機(jī)進(jìn)行左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖2 直線電機(jī)原理

2 整體方案設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高速動(dòng)車組內(nèi)端門主要性能和功能參數(shù)如下：

凈通過寬度 800 mm

凈通過高度 1 950 mm

開門時(shí)間 2.5～4 s可調(diào)

關(guān)門時(shí)間 3.5～5 s可調(diào)

最小障礙物探測(cè)尺寸 25 mm×60 mm

電源電壓 DC24 V(22.4～30 V)

額定功率 100 W

根據(jù)內(nèi)端門相關(guān)性能和功能要求，采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的內(nèi)端門結(jié)構(gòu)如圖3所示。電機(jī)采用U型直線電機(jī)，直線電機(jī)固定在承載支架上，承載小車用以固定限制U型直線電機(jī)線圈和磁軌之間的距離，并且進(jìn)行門扇承載。同時(shí)在導(dǎo)軌一側(cè)安裝直線編碼器，在電機(jī)線圈端增加讀數(shù)頭，在線圈運(yùn)動(dòng)過程中，通過直線編碼器就能準(zhǔn)確判定門扇的位置。此外，在承載支架另外一側(cè)會(huì)安裝2個(gè)位置檢測(cè)感應(yīng)開關(guān)，用來判定門扇全開和全關(guān)狀態(tài)。待直線電機(jī)通電后，整個(gè)門系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開關(guān)門。

圖3 直線電機(jī)端門機(jī)構(gòu)

相比于傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)，除了承載小車之間的摩擦，沒有其他機(jī)械接觸，傳動(dòng)力是在氣隙中產(chǎn)生的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，維護(hù)簡(jiǎn)單。

2.2 直線電機(jī)力學(xué)模型計(jì)算

根據(jù)內(nèi)端門功能要求，內(nèi)端門必須具備關(guān)門到位緩沖和開門到位緩沖功能，因此可以理想地認(rèn)為內(nèi)端門開關(guān)門運(yùn)動(dòng)符合“加速-勻速-減速”的邏輯控制。其中時(shí)間-速度軌跡曲線近似如圖4所示。

圖4 端門速度時(shí)間曲線

內(nèi)端門在運(yùn)動(dòng)過程中主要受到直線電機(jī)產(chǎn)生的電磁推力和門扇阻力，直線電機(jī)的持續(xù)推力:

(1)

(2)

F1=u(M1+M2)g+Fn

(3)

(4)

其中：F為電機(jī)實(shí)際推力，F(xiàn)a為加速時(shí)電機(jī)推力，F(xiàn)b為減速時(shí)電機(jī)推力，F(xiàn)1為勻速時(shí)電機(jī)推力，T1為加速時(shí)間，T2為勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)間，T3為減速時(shí)間，T為周期時(shí)間，M1為負(fù)載質(zhì)量，M2為動(dòng)子質(zhì)量，vm為最大運(yùn)動(dòng)速度，F(xiàn)n為線纜及拖鏈相關(guān)阻力。根據(jù)直線電機(jī)的持續(xù)推力，再結(jié)合牛頓第二定律，就可以反映出門運(yùn)動(dòng)階段的受力情況[2]：

(5)

其中：F為直線電機(jī)實(shí)際推力，f為門扇運(yùn)動(dòng)摩擦阻力，m為門扇質(zhì)量，dv/dt為門扇加速度。

2.3 直線電機(jī)的輸出力、功率與質(zhì)量之間的關(guān)系

傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)力的輸出，是經(jīng)過減速器的放大后輸出的。而直線電機(jī)其輸出力直接等于其電機(jī)推力，并且直線電機(jī)磁場(chǎng)是敞開的，比旋轉(zhuǎn)電機(jī)有更多的磁場(chǎng)泄漏，所以在磁場(chǎng)強(qiáng)度、通電電流相同的情況下，直線電機(jī)產(chǎn)生的電機(jī)推力會(huì)小很多。

根據(jù)物理學(xué)知識(shí)，可知通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的作用力。電流為I、長(zhǎng)為L(zhǎng)的直導(dǎo)線，在勻強(qiáng)磁場(chǎng)B中受到的安培力大小為：

F=ILBsin(I，B)，其中：(I，B)為電流方向與磁場(chǎng)方向間的夾角。

可以通過以下措施增大F：

(1)增大電流I，意味著電機(jī)功率增加，有超過車輛提供功率的風(fēng)險(xiǎn)；

(2)增大磁場(chǎng)強(qiáng)度B，增大磁鋼，意味著電機(jī)質(zhì)量將增大；

(3)增大導(dǎo)線長(zhǎng)度L，即增加線圈匝數(shù)或長(zhǎng)度，將一定程度增大阻抗，此時(shí)，為得到同樣的相電流有效值I相，占空比將上升，占空比調(diào)節(jié)范圍最大為1，將導(dǎo)致I相上升空間變小，推力的上升受到限制。同時(shí)，占空比上升會(huì)導(dǎo)致母線電流I上升，對(duì)輸入功率的要求增大。線圈增大會(huì)導(dǎo)致在有限的空間里直線電機(jī)行程變短，同時(shí)電機(jī)質(zhì)量將增大。

綜上所述，直線電機(jī)不能像旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣通過增加減速器來實(shí)現(xiàn)力的增加，如果要增加電機(jī)輸出功率，只能增加電流、磁場(chǎng)強(qiáng)度、線圈長(zhǎng)度。

2.4 直線電機(jī)選擇

根據(jù)上述對(duì)驅(qū)動(dòng)內(nèi)端門所需最小力及相關(guān)功率要求分析，結(jié)合現(xiàn)有直線電機(jī)供方相關(guān)參數(shù)，選擇一款適合的直線電機(jī)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 直線電機(jī)相關(guān)參數(shù)

2.5 電氣控制設(shè)計(jì)

內(nèi)端門系統(tǒng)采用速度環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)控制如圖5所示[3]，在本方案中，勵(lì)磁電流PID的給定值固定為零，速度PID輸出值只當(dāng)作轉(zhuǎn)矩電流量PID的給定值，此時(shí)轉(zhuǎn)矩與電流成正比，而加速度與轉(zhuǎn)矩成正比，因此可以有效控制速度。通過雙閉環(huán)得到uq和ud后，利用適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換，如clarke逆變換，變?yōu)槿嚯妷?，再利用PWM脈寬調(diào)制形成相應(yīng)的PWM波形輸出，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5 端門系統(tǒng)控制圖

3 試驗(yàn)測(cè)試

3.1 直線電機(jī)推力測(cè)試

3.1.1測(cè)試原理

直線電機(jī)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)源，首先要保證能夠產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)力使門運(yùn)動(dòng)將直線電機(jī)承載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在測(cè)試臺(tái)，如圖6所示，當(dāng)承載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)時(shí)達(dá)到靜平衡后，忽略運(yùn)動(dòng)摩擦力，此時(shí)可近似地認(rèn)為直線電機(jī)的推力為測(cè)力計(jì)讀數(shù)。

圖6 直線電機(jī)機(jī)構(gòu)測(cè)試示意圖

3.1.2試驗(yàn)過程

(1)將直線電機(jī)承載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)接通電源DC24 V，然后直線電機(jī)會(huì)帶動(dòng)門扇配重運(yùn)動(dòng)，當(dāng)門扇碰到測(cè)力計(jì)后，軟件檢測(cè)到直線電機(jī)編碼器位移不變后，觀測(cè)測(cè)力計(jì)讀數(shù)，并且記錄電流讀數(shù)。

(2)通過軟件控制輸入電流，直線電機(jī)測(cè)試在不同電流情況下的測(cè)力計(jì)讀數(shù)。

3.1.3結(jié)果分析

圖7所示為不同電流情況下的測(cè)力計(jì)值，由測(cè)試結(jié)果可知，電機(jī)推力和理論推力基本一致，在額定電流2.3 A情況下，電機(jī)推力為108 N，接近理論實(shí)際推力110 N。并且電機(jī)力常數(shù)為48，基本滿足F=K×I，其中K為力常數(shù)，I為相電流有效值。

圖7 電流和推力曲線圖

3.2 持續(xù)擠壓力及溫升測(cè)試

3.2.1試驗(yàn)過程

將直線電機(jī)承載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)接通24 V直流電源，將輸入電流設(shè)定在額定2.3 A，然后電驅(qū)動(dòng)門扇運(yùn)動(dòng)，待碰到測(cè)力計(jì)門扇靜止后，模擬電機(jī)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。同時(shí)安裝熱敏電阻在電機(jī)定子表面測(cè)量電機(jī)表面溫度，電機(jī)表面溫度加10 ℃可近似地認(rèn)為是線圈內(nèi)部溫度，然后記錄電機(jī)推力和溫升變化。

3.2.2結(jié)果分析

表2記錄了直線電機(jī)在額定電流2.3 A情況下，隨著溫度的變化，電機(jī)推力及占空比發(fā)生變化的情況。隨著溫度上升，采集電流下降，為維持電流穩(wěn)定，占空比上升(占空比未受限情況下)，因此擠壓力增大，且一段時(shí)間后趨于穩(wěn)定。持續(xù)推力時(shí)間可達(dá)到1 h以上，電機(jī)無異常。電機(jī)表面溫度先快速上升后趨于穩(wěn)定，約1 h后，表面溫度上升至120.1 ℃左右。

表2 擠壓力持續(xù)時(shí)間及溫升測(cè)試(室溫22 ℃)

4 結(jié)論

直線電機(jī)和旋轉(zhuǎn)電機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)，只有在特定的環(huán)境下選擇合適的設(shè)計(jì)，才能使電機(jī)性能最大化。直線電機(jī)在高速動(dòng)車內(nèi)端門的應(yīng)用，只是直線電機(jī)眾多應(yīng)用之一，其技術(shù)的快速發(fā)展，必然會(huì)成為軌道交通領(lǐng)域的選擇。