CN104742931A - 一种高速列车用非粘着制动装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高速列车用非粘着制动装置及其控制方法，该非粘着制动装置包括励磁源、导磁部件、直线电机三个部分。其中，励磁源为永磁铁励磁，导磁部件由右导磁壳、左导磁壳、支撑板、上导磁块、磁粉及下导磁块组成。直线电机由一个直线电机定子和若干个直线电机动子组成。当高速列车有制动需求时，驱动所有的直线电机动子的向列车运动方向移动，通过控制永磁铁磁极端面投影在上导磁块上的面积，控制非粘着制动装置输出的制动力矩的大小。本发明所述的非粘着制动装置使用永磁铁作为励磁源，在持续制动过程中不消耗车载能源；利用直线电机实现非粘着制动装置输出制动力矩大小控制，制动响应速度快，控制过程简单且制动力矩大小精确控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种高速列车制动领域，特指一种高速列车用非粘着制动装置及其控制方法。
背景技术
高速列车是现代化高速铁路的核心技术，制动系统作为高速列车九大关键技术之一，其重要性不言而喻。无论是动力制动——电阻制动、再生制动，还是机械摩擦制动——盘形制动、闸瓦踏面制动，均是利用轮轨间的粘着条件产生列车的制动力。所以在设计列车制动装置时，总是不可避免地提及轮轨粘着问题。随着速度的提高，粘着系数越小。高速时粘着系数低下，恰恰限制了高速行驶时所需制动力的提高。当列车平均减速度为0.94m/s2时，粘着系数理应在0.095以上，但是由于车辆的运行品质，自然条件，线路状态等因素的变化，粘着系数离散度比较大，达不到要求。
列车速度越高，需要的制动力就越大，产生滑行的概率就越大。根据日本新干线的统计数据，当平均减速度约为0.9m/s2时，制动滑行的概率高达40%。根据国际铁路联盟的标准，当速度为200km/h时，在许可的制动距离内，平均减速度为0.7m/s2，其对应的粘着系数为0.07。法国TGV所采用的粘着系数，在速度200km/h以下时为0.15，以上时为0.09，在粘着恶化甚至时降至0.07。同时由于高速列车的巨大动能需要在短时内消耗在轮轨的摩擦副上，因而热问题也制约了列车速度的提高。面对高速列车制动时粘着系数对传统的粘着制动系统制动能力提高空间的挑战，迫使开发应用非粘着制动方式。
我国的电气化列车采用摩擦制动与动力制动相结合的制动模式。动力制动包括电阻制动和再生制动。这种制动模式控制性能好、环保、节能，但由于安全性的考虑、容量的限制、和紧急制动、拖车制动等要求，往往不能独立满足高速列车制动的需求，必须辅以其他制动方式。为了突破黏着系数的限制，近年来许多国家投入巨资研究设计各类非黏着制动系统。非粘着制动目前来讲主要有两种：磁轨制动和轨道涡流制动。
在专利CN201210012645.8中公开了一种电磁式磁轨制动器，该电磁式磁轨制动器在列车持续制动过程中需要消耗大量的电能。在专利CN200910213026.3中公开了一种永磁磁轨制动器，该电磁式磁轨制动器在列车持续制动过程中虽然不需要消耗电能，但是其在制动过程中需要通过液压缸动作将永磁磁轨制动器下降到制动位置，因此其制动响应时间慢，且其输出制动力矩大小无法精确控制。
发明内容
本发明的目的为了解决现有列车非粘着制动装置，无法同时实现降低持续制动过程中的电能消耗、迅速地的制动响应以及制动过程的简化控制的问题，提供一种高速列车用非粘着制动装置及其控制方法，该高速列车用非粘着制动装置具有响应时间短、控制简单、能量消耗低的优点。
本发明涉及的高速列车用非粘着制动装置采用的技术方案是：非粘着制动装置1主要包括励磁源、导磁部件、直线电机三个部分。非粘着制动装置1的励磁源为若干个永磁铁7。导磁部件由右导磁壳5、左导磁壳6、支撑板8、上导磁块10、磁粉11及下导磁块14组成。直线电机由一个直线电机定子9和若干个直线电机动子13组成。
单个右导磁壳5和左导磁壳6形成一组，沿着支撑板8左右对称布置。可以根据需要选取多组右导磁壳5和左导磁壳6。右导磁壳5和左导磁壳6为空心壳体，壳体材料为不导磁的铝合金制成，壳内填充磁粉11。支撑板8也为不导磁的铝合金制成，且材料与右导磁壳5和左导磁壳6壳体材料相同。右导磁壳5和左导磁壳6与支撑板8焊接在一起。上导磁块10位于支撑板8的上方，镶嵌进右导磁壳5和左导磁壳6的前半部分，后半部分并未镶入。下导磁块14位于支撑板8的下方，镶嵌进右导磁壳5和左导磁壳6中。上导磁块10与下导磁块14的内表面均与磁粉11接触。
直线电机定子9固定在支撑板8上。永磁铁7与直线电机动子13固定连接，直线电机动子13的数量与永磁铁7的个数相同。永磁铁7磁极布置方向与铁轨2的方向垂直，且相邻两个永磁铁7的磁极布置方向是相反的。非粘着制动装置1的支撑板8通过连接杆3与高速列车4车体固定连接。
当非粘着制动装置1实施制动时，永磁铁7处于右导磁壳5和左导磁壳6的前半部分，永磁铁7磁极端面投影面积与上导磁块10面积完全重合。永磁铁7与上导磁块10存在一定间隙，直线电机动子13和永磁铁7可以沿铁轨2方向自由移动。同时，下导磁块14与铁轨2侧面之间也存在一定间隙，当非粘着制动装置1沿铁轨2方向，防止非粘着制动装置1与铁轨2产生触碰。磁力线12从永磁铁7的N级发出，沿上导磁块10、磁粉11，到达下导磁块14，将左边的下导磁块14磁化成N级。磁力线12沿导磁块14、磁粉11和上导磁块10，回到永磁铁7的S级，将右方的下导磁块14磁化成S级。此时若非粘着制动装置1与铁轨2之间发生相对移动，与下导磁块14所对的铁轨2投影面内的磁场将发生变化，铁轨2外表面内将产生电涡流。根据法拉第电磁感应定律，将会有反作用力作用在非粘着制动装置1上。该反作用力通过连接杆3传递给高速列车4，产生制动效果。
当非粘着制动装置1解除制动时，永磁铁7处于右导磁壳5和左导磁壳6的后半部分，永磁铁7磁极端面在右导磁壳5和左导磁壳6上的投影不与上导磁块10的面积重合。磁粉11和下导磁块14均不被磁化。
本发明涉及的高速列车用非粘着制动装置的控制方法采用的技术方案是包括如下步骤：
当高速列车4有制动需求时，控制所有的直线电机动子13的向列车运动方向移动，通过控制永磁铁7磁极端面投影在上导磁块10上的面积，控制非粘着制动装置1输出的制动力矩的大小。当移动永磁铁7到如图5所示的状态此时，单个永磁铁7发出励磁磁场最大，非粘着制动装置1输出的制动力矩最大。
当高速列车4解除制动时，控制所有的直线电机动子13向列车运动的反方向移动，且移动永磁铁7到如图7所示的状态。
本发明采用上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下优点：1）非粘着制动装置使用永磁铁作为励磁源，在持续制动过程中不消耗车载能源；2）利用直线电机实现非粘着制动装置输出制动力矩大小控制，制动响应速度快，控制过程简单且制动力矩大小可以精确控制。
附图说明
图1是非粘着制动装置三维结构示意图
图2是导磁部件结构示意图
图3是直线电机结构图
图4是非粘着制动装置在高速列车上的安装示意图
图5是实施制动时非粘着制动装置工作状态示意图
图6是实施制动时非粘着制动装置垂直剖面图
图7是解除制动时非粘着制动装置工作状态示意图
图8是解除制动时非粘着制动装置垂直剖面图
附图标注说明：1—非粘着制动装置；2—铁轨；3—连接杆；4—高速列车；5—右导磁壳；6—左导磁壳；7—永磁铁；8—支撑板；9—直线电机定子；10—上导磁块；11—磁粉；12—磁力线；13—直线电机动子；14—下导磁块。
具体实施例
下面结合附图来具体描述本发明所述的高速列车用非粘着制动装置的结构和工作原理。
如图1所示，非粘着制动装置1主要包括励磁源、导磁部件、直线电机三个部分。非粘着制动装置1的励磁源为若干个永磁铁7，永磁铁7磁极布置方向与铁轨2的方向垂直，且相邻两个永磁铁7的磁极布置方向是相反的。
如图2所示，导磁部件由右导磁壳5、左导磁壳6、支撑板8、上导磁块10、磁粉11及下导磁块14组成。单个右导磁壳5和左导磁壳6形成一组，沿着支撑板8左右对称布置。可以根据需要选取多组右导磁壳5和左导磁壳6。
图6和图8为沿图1的A-A方向剖切得到，图5和图7为沿图1的B-B方向剖切得到。
联合图5和图7所示，右导磁壳5和左导磁壳6为空心壳体，壳体材料为不导磁的铝合金制成，壳内填充磁粉11。支撑板8也为不导磁的铝合金制成，且材料与右导磁壳5和左导磁壳6壳体材料相同。右导磁壳5和左导磁壳6与支撑板8焊接在一起。上导磁块10位于支撑板8的上方，镶嵌进右导磁壳5和左导磁壳6的前半部分，后半部分并未镶入。
联合图6和图8所示，下导磁块14位于支撑板8的下方，镶嵌进右导磁壳5和左导磁壳6中。上导磁块10与下导磁块14的内表面均与磁粉11接触。
如图3所示，直线电机由一个直线电机定子9和若干个直线电机动子13组成。联合图1、图2和图3所示，直线电机定子9固定在支撑板8上。联合图1、图3和图6所示，永磁铁7与直线电机动子13固定连接，直线电机动子13的数量与永磁铁7的个数相同。
联合图1和图4所示，非粘着制动装置1的支撑板8通过连接杆3与高速列车4车体固定连接。
联合图5和图6所示，当非粘着制动装置1实施制动时，永磁铁7处于右导磁壳5和左导磁壳6的前半部分，永磁铁7磁极端面投影面积与上导磁块10面积完全重合。永磁铁7与上导磁块10存在一定间隙，直线电机动子13和永磁铁7可以沿铁轨2方向自由移动。同时，下导磁块14与铁轨2侧面之间也存在一定间隙，当非粘着制动装置1沿铁轨2方向，防止非粘着制动装置1与铁轨2产生触碰。磁力线12从永磁铁7的N级发出，沿上导磁块10、磁粉11，到达下导磁块14，将左边的下导磁块14磁化成N级。磁力线12沿导磁块14、磁粉11和上导磁块10，回到永磁铁7的S级，将右方的下导磁块14磁化成S级。此时若非粘着制动装置1与铁轨2之间发生相对移动，与下导磁块14所对的铁轨2投影面内的磁场将发生变化，铁轨2外表面内将产生电涡流。根据法拉第电磁感应定律，将会有反作用力作用在非粘着制动装置1上。该反作用力通过连接杆3传递给高速列车4，产生制动效果。
联合图7和图8所示，当非粘着制动装置1解除制动时，永磁铁7处于右导磁壳5和左导磁壳6的后半部分，永磁铁7磁极端面在右导磁壳5和左导磁壳6上的投影不与上导磁块10的面积重合。磁粉11和下导磁块14均不被磁化。
下面结合附图来具体描述本发明所述的高速列车用非粘着制动装置的控制方法。
永磁铁7磁极端面投影在上导磁块10上的面积大小影响下导磁块14发出的磁场强度，且与非粘着制动装置1输出的制动力矩大小成正比。当高速列车4有制动需求时，控制所有的直线电机动子13的向列车运动方向移动，通过控制永磁铁7磁极端面投影在上导磁块10上的面积，控制非粘着制动装置1输出的制动力矩的大小。当移动永磁铁7到如图5所示的状态此时，单个永磁铁7发出励磁磁场最大，非粘着制动装置1输出的制动力矩最大。
当高速列车4解除制动时，控制所有的直线电机动子13向列车运动的反方向移动，且移动永磁铁7到如图7所示的状态。
Claims (7)
1.一种高速列车用非粘着制动装置，其特征是：非粘着制动装置（1）包括励磁源、导磁部件、直线电机三个部分；其中：励磁源为若干个永磁铁（7）；导磁部件由右导磁壳（5）、左导磁壳（6）、支撑板（8）、上导磁块（10）、磁粉（11）及下导磁块（14）组成；直线电机由一个直线电机定子（9）和若干个直线电机动子（13）组成。
2.根据权利要求1所述的高速列车用非粘着制动装置，其特征是：单个右导磁壳（5）和左导磁壳（6）形成一组，沿着支撑板（8）左右对称布置；可以根据需要选取多组右导磁壳（5）和左导磁壳（6）；右导磁壳（5）和左导磁壳（6）为空心壳体，壳体材料为不导磁的铝合金制成，壳内填充磁粉（11）；支撑板（8）也为不导磁的铝合金制成，且材料与右导磁壳（5）和左导磁壳（6）壳体材料相同；右导磁壳（5）和左导磁壳（6）与支撑板（8）焊接在一起；上导磁块（10）位于支撑板（8）的上方，镶嵌进右导磁壳（5）和左导磁壳（6）的前半部分，后半部分并未镶入；下导磁块（14）位于支撑板（8）的下方，镶嵌进右导磁壳（5）和左导磁壳（6）中；上导磁块（10）与下导磁块（14）的内表面均与磁粉（11）接触。
3.根据权利要求1所述的高速列车用非粘着制动装置，其特征是：直线电机定子（9）固定在支撑板（8）上；永磁铁（7）与直线电机动子（13）固定连接，直线电机动子（13）的数量与永磁铁（7）的个数相同；永磁铁（7）磁极布置方向与铁轨（2）的方向垂直，且相邻两个永磁铁（7）的磁极布置方向是相反的；永磁铁（7）与上导磁块（10）存在一定间隙，直线电机动子（13）和永磁铁（7）可以沿铁轨（2）方向自由移动；同时，下导磁块（14）与铁轨（2）侧面之间也存在一定间隙，当非粘着制动装置（1）沿铁轨（2）方向，防止非粘着制动装置（1）与铁轨（2）产生触碰。
4.根据权利要求1所述的高速列车用非粘着制动装置，其特征是：非粘着制动装置（1）的支撑板（8）通过连接杆（3）与高速列车（4）车体固定连接。
5.根据权利要求1所述的高速列车用非粘着制动装置，其特征是：当非粘着制动装置（1）实施制动时，永磁铁（7）处于右导磁壳（5）和左导磁壳（6）的前半部分，且永磁铁（7）磁极端面投影面积与上导磁块（10）面积有重合部分；磁力线12从永磁铁（7）的N级发出，沿上导磁块（10）、磁粉（11），到达下导磁块（14），将左边的下导磁块（14）磁化成N级；磁力线12沿导磁块（14）、磁粉（11）和上导磁块（10），回到永磁铁（7）的S级，将右方的下导磁块（14）磁化成S级；此时若非粘着制动装置（1）与铁轨（2）之间发生相对移动，与下导磁块（14）所对的铁轨（2）投影面内的磁场将发生变化，铁轨（2）外表面内将产生电涡流；根据法拉第电磁感应定律，将会有反作用力作用在非粘着制动装置（1）上；该反作用力通过连接杆（3）传递给高速列车（4），产生制动效果。
6.根据权利要求1所述的高速列车用非粘着制动装置，其特征是：当非粘着制动装置（1）解除制动时，永磁铁（7）处于右导磁壳（5）和左导磁壳（6）的后半部分，永磁铁（7）磁极端面在右导磁壳（5）和左导磁壳（6）上的投影不与上导磁块（10）的面积重合；磁粉（11）和下导磁块（14）均不被磁化。
7.如权利要求1所述的高速列车用非粘着制动装置的控制方法，其特征是：
当高速列车（4）有制动需求时，控制所有的直线电机动子（13）的向列车运动方向移动，通过控制永磁铁（7）磁极端面投影在上导磁块（10）上的面积，控制非粘着制动装置（1）输出的制动力矩的大小；当移动永磁铁（7）到如图5所示的状态此时，单个永磁铁（7）发出励磁磁场最大，非粘着制动装置（1）输出的制动力矩最大；
当高速列车（4）解除制动时，控制所有的直线电机动子（13）向列车运动的反方向移动，且移动永磁铁（7）到如图7所示的状态。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |