輕軌車輛電機直驅獨立車輪電氣耦合技術

孫效杰，陸正剛

(同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院，上海，201804)

獨立車輪因取消了中間的車軸可以有效降車廂低地板面高度，在輕軌車輛上廣泛應用。但獨立車輪可以自由旋轉，缺乏縱向蠕滑導向力矩，自導向性能不如傳統輪對，需要施加其他技術使其恢復自導向能力。獨立車輪最常用導向措施就是采用某種方式耦合車輪的旋轉，使之不再獨立。早期研究人員提出彈簧阻尼、機械齒輪、磁力、離心力等耦合技術，部分技術已經在輕軌車輛得到應用[1-3]。如ADtranz 公司(已被Bombardier 收購)的GTxN 系列輕軌車輛、Alstom 公司的Citadis 系列Arpège 和Solfège 轉向架等都采用橫軸耦合左右車輪；Siemens 公司的Combino，Combino Plus 和Avenio，Ansaldo Breda 公司的Sirio，Kinki Sharyo 公司的Jtram 和Crotram 公司的TMK2200，其牽引電機縱向架懸于外側，驅動同側前后車輪[4]；中國北車集團長春客車股份公司生產的100%低地板輕軌車也采用類似縱向耦合技術[5-6]。機械耦合技術存在耦合度不易調節、機械結構復雜的缺陷。電氣耦合技術成熟，且控制方便，簡化系統機械結構，成為發展的必然趨勢。四電機驅動獨立車輪轉向架，可省去齒輪等機械連接部件，已在輕軌車輛中如ADtranz 公司的Eurotram，Incentro 和Variotram 轉向架，Duewag公司(已被Siemens 收購)的R3.1 轉向架，Skoda 公司的ForCity 輕軌車轉向架中得到廣泛應用。針對這類轉向架，可以控制牽引電機實現牽引與導向集成控制，不需要額外的導向裝置。如：Perez 等[7-8]提出輪轂電機驅動獨立車輪主動導向控制方案；Sun 等[9-10]提出一種電氣耦合輪對(electrical coupled wheelsets，簡稱ECW)技術。應用電軸技術實現驅動車輪間的耦合，替代機械耦合裝置，轉向架機械結構簡單，且控制方便，但通過調節電阻改變耦合強度，系統能耗大。較多的電機功率用于產生耦合力矩，將降低列車牽引重量。采用改進的電軸技術，其轉子電路串入電容，系統不但耦合能力增強，而且通過調節電容改變耦合能力，能耗低。

1 電軸同步技術

1.1 技術原理

機械軸實現多電機同步拖動系統存在布置空間大，難以適應電機間距離較長等問題。電軸同步技術是一種多電機拖動系統中實現在系統負載不等時的同步拖動技術。帶公共變阻器的電軸系統中電機即起到拖動作用也起到同步作用，系統結構簡單。但因在轉子電路中接入電阻，依靠改變電阻大小實現調節平衡轉矩，能耗大，功效低[11]。串入電容的電軸系統，如圖1 所示，兩電機M1和M2是型號和參數完全相同的繞線異步電機，T1和T2分別表示兩電機M1和M2負載轉矩，定子端并聯接于同一個交流電源上，轉子電路先串入電容，再并入感應變阻器[12]。

圖1 串入電容的電軸系統示意圖Fig.1 Diagram of EMWS with insertion capacitances

當左、右負載轉矩相同時，兩電機同步，轉子間無相位差角，無平衡電流；負載不等時，有平衡電流出現，能量流動于兩電機之間產生附加轉矩，使得負載較大的一側電機輸出轉矩增大，負載較小的一側輸出轉矩降低。電軸系統依據負載的變化自動平衡轉矩輸出，達到兩電機同步運行。

采用等效電路，分析轉子電路三相繞組均接成星形的串入電容電軸系統(圖2)，其中U1和U2分別為電機M1和M2的定子相電壓；I21和I22分別為電機M1和M2的轉子電流；R1，R2和R0分別為電機定子電阻、轉子電阻和感應變阻器電阻；X1，X2和X0分別為電機定子感抗、轉子感抗和感應變阻器感抗；R?，X?和XC分別為轉子電路中的串入的電阻、感抗和容抗；Rμ和Xμ分別為電機勵磁側電阻和感抗；s 為轉差率；j為虛數單位。

圖2 串入電容的電軸系統一相等效電路Fig.2 Single-phase equivalent circuit of EMWS with insertion capacitances

系統電壓平衡方程為

式中：n0為電機同步轉速；m 為電機的相數；Xk=X0+X1+X2；Rk=R1+R2/s+R0/s；“+”對應負載重一側電機轉矩T1；“-”對應負載輕一側電機轉矩T2。當電軸系統負載不同時，兩電機電磁轉矩中存在附加轉矩，負載較小一側為制動性轉矩分量，而負載較大一側是拖動性轉矩分量。系統平衡負載的能力取決于兩電機間的電磁轉矩差ΔT：

從式(3)可以得出：串入電容的電軸系統平衡轉矩與位差角θ是正弦函數關系；平衡轉矩受電機相電壓、轉速、定轉子參數和轉子電路接入阻抗等參數影響。若系統電機選定，則電機額定電壓、定轉子等參數即為定值。所以，電機轉速、轉子電路串入阻抗XC和R?，方便用于調節平衡轉矩。

1.2 參數對耦合能力的影響

以YR315M-10 電機為例，其額定功率Pn=55 kW，額定電壓U=380 V, 同步轉速n0=600 r/min，額定轉差率sn=0.025，數值計算分析轉速、轉子電路中接入的電阻和電容3 個參數對電軸系統耦合能力的影響，見圖3。

從圖3 可知：電軸耦合能力對電機轉速靈敏度較強，降低電機轉速能提高平衡轉矩；在R?＜0.1 ?，C＜0.1 F 區域，電軸耦合能力對電阻和電容靈敏度較弱，電阻與電容的變化基本不影響耦合能力；在R?＜0.1 ?，C＜0.1 F 區域內增大電阻與電容，對電軸耦合能力的影響效果是相反的：增大電阻，電軸耦合能力下降，而增加電容，耦合能力上升。調節電阻與電容均可改變系統耦合能力，但容抗不消耗有功功率，因此，在選定合理的電阻后，優先選擇調節電容。

1.3 同步性能

2 臺YR315M-10 繞線異步電機構成電氣耦合系統。仿真不同負載時，在電磁平衡轉矩作用下的系統同步能力如圖4 所示，圖4 中n1和n2分別表示電機M1和M2的轉速。兩電機在900 N·m 負載下啟動，在t=2 s 時M2負載階躍增加200 N·m，M1階躍減小200 N·m。仿真結果表明：采用電軸系統，電機轉速經過震蕩調整后繼續保持同步，同步能力強；增加串入電阻，速差與轉矩差震蕩加大，說明平衡能力下降；增加串入電容，速差與轉矩差震蕩減小，說明平衡能力增加，與理論分析結果一致。

圖3 耦合能力的影響參數Fig.3 Parameter sensitivity analysis of coupled ability

2 電氣耦合輪對原理

耦合輪對左右輪因被耦合器連接，兩車輪相對旋轉受到約束。對于驅動獨立車輪的左右電機構成電軸系統，在其制約下的兩獨立車輪轉速不再任意，同樣是存在一定的耦合關系，但這個耦合器不是機械實物，而是由無形的電磁場構成。因此，應用電軸技術于雙電機拖動的獨立車輪中，構成了一種新穎且簡單的耦合輪對型式，即電氣耦合輪對。

輕軌車輛采用獨立輪技術，與傳統剛性輪對一樣存在橫移與搖頭的自由度，另外還有左、右輪的點頭運動自由度。電機驅動的獨立車輪輪對在曲線上運行時的動力學方程：

式中：p 表示電機極對數；μc表示齒輪傳動比(μc＞1)。

將式(5)代入式(3)整理后得：

圖4 不同負載下的電氣耦合輪對同步性能Fig.4 Coupled ability of ECW under different loads

T 是關于兩車輪旋轉機械轉角差β的函數。因此，電氣耦合輪對相當于獨立車輪間加入了電磁耦合力矩，該力矩是機械轉角差β的函數。當負載不同時，電磁耦合力矩將出現，自動調節電機驅動的左右車輪轉速。耦合力矩與電機參數，齒輪減速比以及轉子接入的阻抗相關。

3 電氣耦合輪對車輛導向性能研究

3.1 輕軌車輛模型

采用MATLAB/Simulink 建立輕軌車輛動力學模型，其數學表達式參考文獻[13]中的附錄2，參數值參考文獻[14]中的附錄D。采用EDCW 和電氣耦合輪對的2 種模式車輪的車輛模型，EDCW 耦合剛度與耦合阻尼分別為Kc=1 MN·m/rad，Cc=10 kN·m·s/rad；電氣耦合輪對選擇YR315M-10作為驅動電機，R?=0.05 ?，C=0.1 F，電機直接驅動車輪。

3.2 曲線通過性能

車輛以恒定速度40 km/h 通過圓曲線半徑為200 m，超高為0.09 m 的線路。比較2 種車輛各輪對通過相同線路的橫移量與沖角，如圖5 所示。由圖5 可知：2 種車輛各輪對伴隨著橫移與沖角通過曲線最終都復位到軌道中心線，說明具有自導向能力。橫移與沖角數值接近，且均較小，說明具備曲線通過能力。

以輪軌橫向力與沖角的乘積表示的磨耗指標反映輪對曲線通過性能，輕軌車輛4 個輪對曲線通過時的性能見表1。由表1 可知：2 種輪對磨耗指數、最大耦合力矩數值相近，曲線通過能力相當；耦合系統具有較大的耦合力矩，使得輪對存在較大負載偏差時也能保持同步；驅動電機為產生耦合力矩而消耗的最大功率不超過200 W，能耗較低。

圖5 2 種輪對導向性能仿真比較Fig.5 Steering behavior of LRV with ECW or EDCW

表1 輕軌車輛各輪對性能Table 1 Wheelsets performance of LRV with ECW or EDCW

4 結論

1) 以轉子串入電容的電軸系統驅動獨立車輪，通過電機之間的電磁力矩實現車輪之間的耦合，形成一種電氣耦合技術。通過驅動電機轉子端串入電容，電阻等元件實現耦合，結構簡單，可替代機械耦合方式。

2) 采用調節串入電容的方式控制耦合能力，系統耦合能力增強，經濟、有效；采用ECW 的車輛導向性能與EDCW 的車輛導向性能相當，且電機因耦合而消耗的功率低。

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