CN215221742U - 基于飞轮动力的轨道交通牵引系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及轨道交通牵引系统技术领域，尤其是一种基于飞轮动力的轨道交通牵引系统，包括安装在动力转向架上的两根车轴，车轴上均安装有两个车轮，还包括能量控制单元、电流开关、整流变压模块、能够将列车制动的动能转化为飞轮的动能并在列车起步或加速时释放以提供动力的飞轮动力总成、飞轮电机逆变器、牵引电机、牵引电机逆变器及系统控制器；两根车轴中一者与牵引电机传动连接，另一者与飞轮动力总成传动连接；本实用新型采用单个牵引电机搭载飞轮动力总成的设计，可同时满足传统的双电机的功率和扭矩输出，且具有高效动能回收、大幅降低轨道交通牵引系统功率和成本、列车系统集成度高及降低对接触网网压冲击等优点。

Description

基于飞轮动力的轨道交通牵引系统

技术领域

本实用新型涉及轨道交通牵引系统技术领域，尤其是一种基于飞轮动力的轨道交通牵引系统。

背景技术

目前轨道交通中动力系统的动力转向架普遍采用双电机驱动牵引系统。为满足车辆动力性和电制动性能要求，一般需要匹配两个大功率牵引电机。而车辆在起步加速所需的功率远远大于车辆匀速功率需求，但列车电制动功率和占比又很大。如何更高效的动能回收以及驱动系统的优化颇为重要。

轨道车辆在制动时，主要采用电制动居多，而此时牵引电机制动电能如直接回馈电网，会引发网压波动，所以会受控于电网能量管理，除了将部分根据需要有限的电能回馈电网，剩余部分一般是通过车辆自带的制动电阻烧掉转化成热能浪费掉。

目前,国内外比较流行的再生制动方案主要有器件储能型和逆变供能型两种。除了部分通过回馈电网，剩余部分通过制动电阻消耗，然而消耗在电阻上的热能,不仅形成了热污染,导致周围环境温度升高,从而增加了车站空调系统或变电所空调系统的耗电量,而且相比再生制动能量回收,该部分制动能量没有得到回收利用,极大地降低了能量综合使用效率。

目前再生制动能量回收效率不高,仍然存在较大的技术拓展空间。再生能量回收目前有采用：蓄电池、超级电容、飞轮储能等技术，但各有利弊，具体如下：

蓄电池：功率密度小，成本较高,控制复杂和使用寿命有限；

超级电容：体积大，成本高，质量重，占用车厢空间大；

飞轮储能：需要在每个车站投入专用的基础建设，投资大。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：为了解决现有技术中轨道交通的动力系统的动力转向架普遍采用双电机驱动牵引系统，导致制动能量回收效率不高的问题，现提供一种基于飞轮动力的轨道交通牵引系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于飞轮动力的轨道交通牵引系统，包括安装在动力转向架上的两根车轴，车轴上均安装有两个车轮，还包括能量控制单元、电流开关、整流变压模块、能够将列车制动的动能转化为飞轮的动能并在列车起步或加速时释放以提供动力的飞轮动力总成、飞轮电机逆变器、牵引电机、牵引电机逆变器及系统控制器；

两根车轴中一者与牵引电机传动连接，另一者与飞轮动力总成传动连接；

所述电流开关及系统控制器均与能量控制单元信号连接，所述飞轮电机逆变器和牵引电机逆变器均与系统控制器信号连接；

所述整流变压模块的通过受电弓和接触网电连接，整流变压模块和电流开关电连接，牵引电机通过牵引电机逆变器和电流开关电连接，飞轮动力总成通过飞轮电机逆变器和电流开关电连接。

本方案中采用单个牵引电机搭载飞轮动力总成的设计，可同时满足传统的双电机的功率和扭矩输出，同时能够带来以下优点：

高效动能回收：轨道交通牵引系统搭载飞轮动力总成，实现将列车制动的动能以机械能形式储存在飞轮中，车辆加速时，飞轮直接以动能的形式输出到车轮，起到辅助动力的作用，无须复杂的能量转换，从而实现高效的回收列车制动能量，预计节能30-50％；

大幅降低轨道交通牵引系统功率和成本：飞轮动力总成替代原方案中的1个牵引电机，其主要作用在列车起步加速时瞬时功率和扭矩需求，在列车达到一定巡航车速，飞轮能量释放完，另外一个牵引电机与飞轮动力总成可以并联输出满足列车巡航功率需求；在列车制动时，再通过飞轮动力总成进行大功率、高效的动能回收，用于下一次列车加速，飞轮动力可以直接将回收的动能输出到车轮端，其优势可以大幅降低牵引系统功率，牵引系统总功率可以下降30-50％，同时牵引系统成本下降50％左右，起到对电网节能和降低牵引系统成本的双重效果。

列车系统集成度高：列车上每个牵引系统都具有牵引和动能回收功能，可以更好的控制车辆驱动力和制动能量的分配，动态响应更快，效率更高。

成本低：从原先采用在地面车站回收再生制动能量，变成车辆本身自带回收再生制动能量功能，相比较飞轮储能，不需要每个车站单独配套基础建设投资，成本低。

进一步地，所述电流开关上电连接有电能回收装置。

进一步地，所述电能回收单元包括制动电阻和用于将电能回馈接触网的输出馈电线，所述制动电阻和输出馈电线均与电流开关电连接；

从而以输出馈电线回馈接触网和制动电阻发热的方式回收列车制动产生的电能，其中，飞轮动能回收可以减少再生制动中牵引电机电能回馈对接触网网压的波动；同时减少了消耗在制动电阻上的热能损失，制动电阻功率也可以大大降低，成本降低、节能效果好；并且可以更加灵活的控制列车再生制动能量和接触网电压之间的能量平衡，起到削峰填谷的有效平稳。

进一步地，所述电流开关和输入滤波器电连接，所述输出馈电线和整流变压模块均输入滤波器电连接；即，电流开关输出的电流经输入滤波器到达输出馈电线；整流变压模块输出的电流经输入滤波器到达电流开关。

进一步地，所述整流变压模块为整流变压器；即，接触网的电流经整流变压模块整流及变压后输出。

进一步地，所述整流变压模块包括整流器和变压器，所述整流器的输出端和变压器的输入端电连接；即，接触网的电流经整流器整流及变压器的变压后输出。

进一步地，所述飞轮动力总成通过第一齿轮箱与其所在的车轴传动连接，飞轮动力总成的输出端和第一齿轮箱的输入轴传动连接，第一齿轮箱的输出轴和车轴传动连接。

进一步地，所述飞轮动力总成包括：

行星齿轮机构，包括齿圈、行星齿轮、行星架和太阳轮，行星架与第一齿轮箱的输入轴传动连；

飞轮，与齿圈传动连接；

电动机/发电机，所述电动机/发电机的动力输出轴与太阳轮传动连接；

以及单向离合器，所述单向离合器设置在齿圈与飞轮的传动路径上。

采用单向离合器代替飞轮制动器可以自动实现飞轮正向旋转释放和反向逆止制动的功能，无需电控系统来控制，高转速下可靠性和安全性大大提高。

进一步地，所述飞轮有多个，多个所述飞轮均与齿圈传动连接。

进一步地，所述牵引电机通过第二齿轮箱与其所在的车轴传动连接，牵引电机的输出端和第二齿轮箱的输入轴传动连接，第二齿轮箱的输出轴和车轴传动连接。

本实用新型的有益效果是：本实用新型基于飞轮动力的轨道交通牵引系统采用单个牵引电机搭载飞轮动力总成的设计，可同时满足传统的双电机的功率和扭矩输出，且具有高效动能回收、大幅降低轨道交通牵引系统功率和成本、列车系统集成度高及降低对接触网网压冲击等优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型基于飞轮动力的轨道交通牵引系统的示意图；

图2是本实用新型基于飞轮动力的轨道交通牵引系统中飞轮动力总成的示意图；

图3是本实用新型基于飞轮动力的轨道交通牵引系统中多个飞轮同时与齿圈传动连接的示意图；

图4是本实用新型基于飞轮动力的轨道交通牵引系统随列车运行过程的示意图；

图5是本实用新型中总扭矩输出特性图。

图中：1、动力转向架，2、车轴，3、车轮，4、能量控制单元，5、电流开关，6、整流变压模块；

7、飞轮动力总成，701、齿圈，702、行星齿轮，703、行星架，704、太阳轮，705、电动机/发电机，706、飞轮，707、单向离合器；

8、飞轮电机逆变器，9、牵引电机，10、牵引电机逆变器，11、系统控制器，12、接触网，13、制动电阻，14、输出馈电线，15、输入滤波器，16、第一齿轮箱：17、第二齿轮箱。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成，方向和参照(例如，上、下、左、右、等等)可以仅用于帮助对附图中的特征的描述。因此，并非在限制性意义上采用以下具体实施方式，并且仅仅由所附权利要求及其等同形式来限定所请求保护的主题的范围。

实施例1

如图1-4所示，一种基于飞轮动力的轨道交通牵引系统，包括安装在动力转向架1上的两根车轴2，车轴2上均安装有两个车轮3，还包括能量控制单元4、电流开关5、整流变压模块6、能够将列车制动的动能转化为飞轮706的动能并在列车起步或加速时释放以提供动力的飞轮动力总成7、飞轮电机逆变器8、牵引电机9、牵引电机逆变器10及系统控制器11；

两根车轴2中一者通过第二齿轮箱17与与牵引电机9传动连接，另一者通过第一齿轮箱16与飞轮动力总成7传动连接；其中，牵引电机9的输出端和第二齿轮箱17的输入轴传动连接，第二齿轮箱17的输出轴和车轴2传动连接，飞轮动力总成7的输出端和第一齿轮箱16的输入轴传动连接，第一齿轮箱16的输出轴和车轴2传动连接；

所述电流开关5及系统控制器11均与能量控制单元4信号连接，所述飞轮电机逆变器8和牵引电机逆变器10均与系统控制器11信号连接；

所述整流变压模块6的通过受电弓和接触网12电连接，整流变压模块6和电流开关5电连接，牵引电机9通过牵引电机逆变器10和电流开关5电连接，飞轮动力总成7通过飞轮电机逆变器8和电流开关5电连接。

所述电流开关5上电连接有电能回收装置。

所述电能回收单元包括制动电阻13和用于将电能回馈接触网12的输出馈电线14，所述制动电阻13和输出馈电线14均与电流开关5电连接；

从而以输出馈电线14回馈接触网12和制动电阻13发热的方式回收列车制动产生的电能，其中，飞轮706动能回收可以减少再生制动中牵引电机9电能回馈对接触网12网压的波动；同时减少了消耗在制动电阻13上的热能损失，制动电阻13功率也可以大大降低，成本降低、节能效果好；并且可以更加灵活的控制列车再生制动能量和接触网12电压之间的能量平衡，起到削峰填谷的有效平稳。

所述电流开关5和输入滤波器15电连接，所述输出馈电线14和整流变压模块6均输入滤波器15电连接；即，电流开关5输出的电流经输入滤波器15到达输出馈电线14；整流变压模块6输出的电流经输入滤波器15到达电流开关5。

所述整流变压模块6为整流变压器；即，接触网12的电流经整流变压模块6整流及变压后输出，或者，整流变压模块6包括整流器和变压器，所述整流器的输出端和变压器的输入端电连接；即，接触网12的电流经整流器整流及变压器的变压后输出。

本实施中的飞轮动力总成7包括：

行星齿轮机构，包括齿圈701、行星齿轮702、行星架703和太阳轮704，行星架703与第一齿轮箱16的输入轴传动连；

飞轮706，与齿圈701传动连接；

电动机/发电机705，所述电动机/发电机705的动力输出轴与太阳轮704传动连接；

以及单向离合器707，所述单向离合器707设置在齿圈701与飞轮706的传动路径上。

采用单向离合器707代替飞轮制动器可以自动实现飞轮706正向旋转释放和反向逆止制动的功能，无需电控系统来控制，高转速下可靠性和安全性大大提高。

本实施例中飞轮电机逆变器8与飞轮动力总成7中的电动机/发电机705电连接。

如图3所示，本实施例中所述飞轮706有多个，多个所述飞轮706均与齿圈701传动连接；飞轮动力总成7中采用多个飞轮706并联结构可增大储能容量。相比较蓄电池和超级电容做制动能量回收方案，在系统控制、成本、使用寿命、重量、占用车厢空间体积上有更大优势。

本实施例中飞轮动力总成7的工作原理，可参见公告号为CN103171426B的中国专利所公开的新能源汽车的驱动装置中的增力节能驱动装置的工作原理，增力节能驱动装置中的第二电动机/发电机相当于本申请中的电动机/发电机705。

如图5所示，图中曲线a为本实施例中采用单个牵引电机9搭载飞轮动力总成7总扭矩输出曲线，曲线b为现有技术中采用两个牵引电机9的总扭矩输出曲线，从图中可以看出本实施例可同时满足传统的双电机的总扭矩输出要求。

本实施例中的基于飞轮动力的轨道交通牵引系统工作原理如下：

启动出站：代表列车静止首次启动

列车上电启动：整流变压模块6经受电弓获得接触网12的电能，整流变压模块6将其获得电能经输入滤波器15传递给电流开关5，系统控制器11控制牵引电机逆变器10不工作及飞轮电机逆变器8工作，此时，能量控制单元4控制电流开关5将电能经飞轮电机逆变器8供给电动机/发电机705，先让飞轮动力总成7中的电动机/发电机705小功率运行把给飞轮706加速到预设转速保持，飞轮706预充能量完成，同时牵引电机9处于待机状态；

加速：代表列车从静止开始加速

系统控制器11获得列车加速总扭矩的信号后，对能量控制单元4进行控制，由能量控制单元4控制电流开关5，电流开关5把接触网12的电能输出给牵引电机逆变器10和飞轮电机逆变器8，系统控制器11根据加速总扭矩的信号请求去控制牵引电机逆变器10及飞轮电机逆变器8，以实现控制牵引电机9的扭矩和飞轮动力总成7的输出扭矩分配，电动机/发电机705通过行星齿轮机构让飞轮706预先储存的动能以机械能的形式一起耦合输出，同时与牵引电机9动力驱动至各自所连接的第一齿轮箱16的输入轴和第二齿轮箱17的输入轴，经过第一齿轮箱16和第二齿轮箱17共同驱动列车车轮3，实现列车加速。

匀速续航：待列车加速到所设定巡航车速，列车所需要的驱动力和功率也大大降低，飞轮动力总成7中的飞轮706能量也释放完毕，齿圈701会被单向离合器707固定锁住，此时行星齿轮机构等同于一个行星齿轮减速器，电动机/发电机705此时可以作为单电机驱动，与牵引电机9实现双电机共同驱动车轮3，维持巡航车速。

减速：列车再生制动

列车制动时，飞轮706以动能的形式高效的回收列车刹车动能，飞轮706功率通过行星齿轮机构功率放大作用，以电动机/发电机705功率的3到4倍输入，将大部分动能储存在飞轮706中，待飞轮706能量储存满，剩下没有被飞轮706吸收的动能通过牵引电机9发电，能量控制单元4根据接触网12网压调频需要，控制电流开关5，使该部分电能回馈至输出馈电线14或制动电阻13，电能吸收负荷大大降低，制动电阻13的发热功率也大大降低，飞轮706在电制动回收的过程中对接触网12也起到了削峰填谷的作用。

进站临时停车

列车制动进站临时停车，飞轮706由于高效回收刹车动能，飞轮706处于最高转速满能量状态，等待下一次起步加速；如果列车停靠时间久，飞轮706由于自身摩擦损耗转速会下降，此时系统控制器11控制能量控制单元4，由能量控制单元4控制电流开关5给飞轮电机逆变器8供电，电动机/发电机705进行小扭矩补偿让飞轮706维持在最高转速，让飞轮706始终处于满能量状态。

出站加速

列车再次出站加速时，飞轮706将回收的动能直接以机械能的形式大功率输出，通过行星齿轮机构放大作用，以电动机/发电机705功率的3到4倍功率输出至车轮3，起到了辅助动力的作用，并且与牵引电机9同时为列车提供加速动力，达到增强动力和降低电驱动系统功率和电能输出，降低能耗的效果。

而后，再次经匀速巡航、减速等循环；

到站熄火

最后列车到站熄火，由于列车进站前处于制动减速工况，此时飞轮706在制动过程中会回收大量动能储存在飞轮706中，系统控制器11根据能量控制单元控制需要，可以把飞轮706最后一次回收的动能通过电动机/发电机705发电，同时能量控制单元4控制电流开关5将电动机/发电机705产生的电能回馈至输出馈电线14，由输出馈电线14回馈至接触网12。

上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种基于飞轮动力的轨道交通牵引系统，包括安装在动力转向架(1)上的两根车轴(2)，车轴(2)上均安装有两个车轮(3)，其特征在于：还包括能量控制单元(4)、电流开关(5)、整流变压模块(6)、能够将列车制动的动能转化为飞轮(706)的动能并在列车起步或加速时释放以提供动力的飞轮动力总成(7)、飞轮电机逆变器(8)、牵引电机(9)、牵引电机逆变器(10)及系统控制器(11)；

两根车轴(2)中一者与牵引电机(9)传动连接，另一者与飞轮动力总成(7)传动连接；

所述电流开关(5)及系统控制器(11)均与能量控制单元(4)信号连接，所述飞轮电机逆变器(8)和牵引电机逆变器(10)均与系统控制器(11)信号连接；

所述整流变压模块(6)的通过受电弓和接触网(12)电连接，整流变压模块(6)和电流开关(5)电连接，牵引电机(9)通过牵引电机逆变器(10)和电流开关(5)电连接，飞轮动力总成(7)通过飞轮电机逆变器(8)和电流开关(5)电连接。

2.根据权利要求1所述的基于飞轮动力的轨道交通牵引系统，其特征在于：所述电流开关(5)上电连接有电能回收装置。

3.根据权利要求2所述的基于飞轮动力的轨道交通牵引系统，其特征在于：所述电能回收单元包括制动电阻(13)和用于将电能回馈接触网(12)的输出馈电线(14)，所述制动电阻(13)和输出馈电线(14)均与电流开关(5)电连接。

4.根据权利要求3所述的基于飞轮动力的轨道交通牵引系统，其特征在于：所述电流开关(5)和输入滤波器(15)电连接，所述输出馈电线(14)和整流变压模块(6)均输入滤波器(15)电连接。

5.根据权利要求1所述的基于飞轮动力的轨道交通牵引系统，其特征在于：所述整流变压模块(6)为整流变压器。

6.根据权利要求1所述的基于飞轮动力的轨道交通牵引系统，其特征在于：所述整流变压模块(6)包括整流器和变压器，所述整流器的输出端和变压器的输入端电连接。

7.根据权利要求1所述的基于飞轮动力的轨道交通牵引系统，其特征在于：所述飞轮动力总成(7)通过第一齿轮箱(16)与其所在的车轴(2)传动连接，飞轮动力总成(7)的输出端和第一齿轮箱(16)的输入轴传动连接，第一齿轮箱(16)的输出轴和车轴(2)传动连接。

8.根据权利要求7所述的基于飞轮动力的轨道交通牵引系统，其特征在于：所述飞轮动力总成(7)包括：

行星齿轮机构，包括齿圈(701)、行星齿轮(702)、行星架(703)和太阳轮(704)，行星架(703)与第一齿轮箱(16)的输入轴传动连；

飞轮(706)，与齿圈(701)传动连接；

电动机/发电机(705)，所述电动机/发电机(705)的动力输出轴与太阳轮(704)传动连接；

以及单向离合器(707)，所述单向离合器(707)设置在齿圈(701)与飞轮(706)的传动路径上。

9.根据权利要求8所述的基于飞轮动力的轨道交通牵引系统，其特征在于：所述飞轮(706)有多个，多个所述飞轮(706)均与齿圈(701)传动连接。

10.根据权利要求1所述的基于飞轮动力的轨道交通牵引系统，其特征在于：所述牵引电机(9)通过第二齿轮箱(17)与其所在的车轴(2)传动连接，牵引电机(9)的输出端和第二齿轮箱(17)的输入轴传动连接，第二齿轮箱(17)的输出轴和车轴(2)传动连接。

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