專利名稱：優(yōu)化的機(jī)車牽引系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)車的牽引系統(tǒng)，特別是適于在高緯度地區(qū)運(yùn)行的機(jī)車的牽引系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
重載機(jī)車在高緯度地區(qū)運(yùn)行時(shí)會(huì)經(jīng)歷極端的環(huán)境條件，例如較低的溫度，較低的大氣壓力，較高的宇宙輻射。這是因?yàn)闄C(jī)車所處的緯度越高，宇宙輻射越高，環(huán)境溫度和大氣壓力都會(huì)越低。機(jī)車在高緯度地區(qū)運(yùn)行，不利之處是受到的宇宙輻射增多。交流機(jī)車大都使用功率半導(dǎo)體器件將電力傳輸給牽引電動(dòng)機(jī)，例如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)或門極可關(guān)斷晶體管(GTO)。然而，這些功率半導(dǎo)體器件受到宇宙輻射的不利影響，高于普通值的宇宙輻射導(dǎo)致功率半導(dǎo)體器件失效率很高。盡管失效率也取決于其他多種因素，例如電壓和溫度值，但是宇宙輻射起著主導(dǎo)作用。圖1給出了一個(gè)示例的曲線表示緯度與半導(dǎo)體裝置的失效率之間的關(guān)系。例如機(jī)車運(yùn)行在海拔5000米高度時(shí)比其在海平面位置運(yùn)行時(shí)失效率高出很多(大約是25倍)。
機(jī)車在高緯度地區(qū)運(yùn)行時(shí)面臨的另一個(gè)不利因素是空氣稀薄(與海平面位置的空氣密度相比較)。這是因?yàn)樵诟呔暥鹊貐^(qū)，空氣密度降低，較之在海平面位置，冷卻電動(dòng)機(jī)和其他設(shè)備就需要提供更大量的氣體。然而，為了獲得足夠量的空氣，通風(fēng)機(jī)和輔助通風(fēng)系統(tǒng)其他設(shè)備的尺寸和重量都要加大，機(jī)車的總重量也增加了。這些結(jié)果不是我們所需要的，因?yàn)榭紤]到機(jī)車下部的結(jié)構(gòu)，必須對(duì)機(jī)車總重加以限制。圖2為現(xiàn)有機(jī)車牽引系統(tǒng)400的示例，包括6個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)402和2個(gè)通風(fēng)機(jī)404，其中一個(gè)通風(fēng)機(jī)406與3個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)408配合，通風(fēng)機(jī)410與其余3個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)412配合。
因此，牽引系統(tǒng)400需要用2個(gè)中等尺寸的電動(dòng)機(jī)通風(fēng)機(jī)404來(lái)冷卻較小尺寸的牽引電動(dòng)機(jī)組402，其中這些通風(fēng)機(jī)404相對(duì)較小，可以在較低的緯度工作。然而，在高緯度地區(qū)運(yùn)行會(huì)增加通風(fēng)機(jī)的負(fù)擔(dān)，同時(shí)也加劇了半導(dǎo)體器件的失效率。如果機(jī)車在低緯度地區(qū)運(yùn)行，電磁影響會(huì)低一些，直流總線電壓與宇宙輻射對(duì)半導(dǎo)體器件的共同影響不會(huì)超過(guò)半導(dǎo)體電力控制元件的任何一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，元件的失效率也低?？墒?，如果機(jī)車在高緯度地區(qū)運(yùn)行，宇宙的影響會(huì)更高一些，直流總線電壓與宇宙輻射對(duì)半導(dǎo)體器件的共同影響會(huì)接近或超過(guò)半導(dǎo)體電力控制元件的設(shè)計(jì)參數(shù)，最終導(dǎo)致元件失效率較高。
在高緯度地區(qū)運(yùn)行的機(jī)車還有一個(gè)附加的問(wèn)題就是空氣密度較低，由于需要額外的運(yùn)行產(chǎn)生足夠的空氣流量來(lái)冷卻設(shè)備，例如牽引電動(dòng)機(jī)，所以通風(fēng)機(jī)的重量會(huì)增加。解決的方法之一是允許牽引電動(dòng)機(jī)在高溫下運(yùn)行，但這不是我們所要的，高溫會(huì)極大地增加失效率和/或絕緣成本。因此隨著緯度降低移動(dòng)同樣量的空氣所需要的動(dòng)力就會(huì)增加。通風(fēng)機(jī)一般以給定速度移動(dòng)同樣量的空氣，機(jī)車上運(yùn)用的通風(fēng)機(jī)工作在固定的速度下(一般與發(fā)動(dòng)機(jī)速度成比例)。因此，在高緯度地區(qū)能夠產(chǎn)生所需空氣量的大通風(fēng)機(jī)在低緯度時(shí)(例如海平面)基本上不能以同樣速度正常運(yùn)行，因?yàn)樵诘途暥葧r(shí)通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的壓力和通風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)需要的馬力增加。

發(fā)明內(nèi)容
高緯度軌道機(jī)車適于在高緯度地區(qū)可靠運(yùn)行，其中所述高緯度軌道機(jī)車包括一個(gè)半導(dǎo)體電力控制元件，由于所述高緯度軌道機(jī)車工作在高的宇宙輻射下，與具有運(yùn)行在第一DC總線電壓下的類似的半導(dǎo)體電力控制元件的低緯度機(jī)車相比，所述高緯度軌道機(jī)車的半導(dǎo)體電力控制元件更容易損壞。上述低緯度機(jī)車包括具有第一啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)值的牽引電動(dòng)機(jī)，其可以提供一個(gè)足以推動(dòng)機(jī)車的預(yù)定范圍的機(jī)械動(dòng)力。所述高緯度機(jī)車包括發(fā)電裝置；與支撐高緯度機(jī)車的車輪機(jī)械連接的多個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)以及一個(gè)電力傳輸系統(tǒng)，該電力傳輸系統(tǒng)用于將所述發(fā)電裝置產(chǎn)生的電力供給所述多個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)，所述電力傳輸系統(tǒng)包括一個(gè)DC總線，該總線與所述牽引電動(dòng)機(jī)以及一個(gè)功率控制器電連接，功率控制器用于控制電力經(jīng)DC總線的傳輸，所述牽引電動(dòng)機(jī)具有一個(gè)第二啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)值，其中所述第二啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)值大于所述第一啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)值，以便使所述高緯度軌道機(jī)車DC總線電壓低于第一DC總線電壓，同時(shí)產(chǎn)生一定量的對(duì)應(yīng)于低緯度機(jī)車的機(jī)械動(dòng)力，且在高緯度時(shí)，該動(dòng)力足以推動(dòng)機(jī)車運(yùn)行，由此，在高緯度軌道機(jī)車上，由DC總線電壓和宇宙輻射共同作用于半導(dǎo)體電力控制元件產(chǎn)生的效果相當(dāng)于在低緯度時(shí)總線電壓和宇宙輻射共同作用于低緯度機(jī)車的半導(dǎo)體電力控制元件上產(chǎn)生的效果，因此，半導(dǎo)體電力控制元件的失效率降低。


結(jié)合相應(yīng)的附圖閱讀詳細(xì)描述的實(shí)施例，會(huì)進(jìn)一步清楚理解本發(fā)明前述或其它特征和優(yōu)點(diǎn)，其中相同的元件在各附圖中的標(biāo)記相同。
圖1 機(jī)車半導(dǎo)體功率元件的失效率隨緯度變化的圖；圖2 機(jī)車牽引系統(tǒng)現(xiàn)有技術(shù)示例；圖3 作用于典型的2500V機(jī)車牽引電動(dòng)機(jī)的有效電壓圖；圖4 牽引電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電力和牽引力所需的DC連結(jié)電壓與速度的關(guān)系圖；圖5 機(jī)車牽引系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
如上所述，在高緯度地區(qū)重載運(yùn)用的機(jī)車面臨極端的環(huán)境條件，例如，由于高緯度而帶來(lái)的低溫、高的宇宙輻射，當(dāng)機(jī)車故障時(shí)，乘務(wù)人員和旅客都將面臨這樣的條件，同時(shí)機(jī)車故障對(duì)乘務(wù)員和旅客而言意味著將面臨非常的困難，這也會(huì)使在同一軌道上運(yùn)行的其他列車或機(jī)車延遲，所以，保證機(jī)車可靠運(yùn)行是最基本的。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，牽引系統(tǒng)的失效率與機(jī)車運(yùn)行所處的緯度以及用于控制牽引電動(dòng)機(jī)的半導(dǎo)體功率元件的電壓相關(guān)。從圖3可以看到，所示為一個(gè)示例的2500伏電壓裝置的失效倍增率與電壓的關(guān)系圖，其中這些裝置在最大動(dòng)力運(yùn)行期間，工作電壓大約在1400伏左右。參照?qǐng)D3可以看出，如果示例的2500伏的裝置在低于1300伏電壓下運(yùn)行，失效倍增率將會(huì)大幅縮減，由此可以補(bǔ)償由于在高緯度地區(qū)運(yùn)行而增加的失效率，因此，電壓值的降低會(huì)直接導(dǎo)致半導(dǎo)體裝置失效率的降低。
此外，圖4為在海平面位置運(yùn)行的現(xiàn)有機(jī)車系統(tǒng)產(chǎn)生動(dòng)力所需要的DC連接電壓和與牽引力相關(guān)的速度之間的關(guān)系圖，如圖所示，在低速時(shí)(大約低于25mph)，半導(dǎo)體裝置的損耗決定著DC連接電壓的數(shù)值。而高速時(shí)(大約高于25mph)，電壓增加，結(jié)果牽引電動(dòng)機(jī)有足夠量的磁通產(chǎn)生所需的牽引力或馬力，也就是說(shuō)，隨著速度的增加，電壓相應(yīng)增加，失效率也會(huì)增加。
考慮到這些因素，當(dāng)重新設(shè)計(jì)牽引電動(dòng)機(jī)時(shí)，增加了牽引電動(dòng)機(jī)的能力，使其能在一個(gè)較低的電壓值下產(chǎn)生同樣大的動(dòng)力。這樣做不僅有助于降低電壓值，而且允許半導(dǎo)體裝置在較低的電壓下運(yùn)行以彌補(bǔ)由于緯度的增高帶來(lái)的問(wèn)題。值得注意的是，有各種方式可以達(dá)到此目的，包括但并不限于改變轉(zhuǎn)子的數(shù)目，增加牽引電動(dòng)機(jī)的直徑，增加牽引電動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)度，在高溫下運(yùn)行牽引電動(dòng)機(jī)和/或設(shè)備和/或增加通風(fēng)機(jī)的冷卻能力等。
圖5顯示了一個(gè)牽引系統(tǒng)500的實(shí)施例，其中包括多個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)502以及一個(gè)通風(fēng)機(jī)504。通過(guò)增加牽引電動(dòng)機(jī)502的線圈長(zhǎng)度，使得電動(dòng)機(jī)運(yùn)行更有效率，通過(guò)增加牽引電動(dòng)機(jī)502的腔室的尺寸，提供更大的冷卻表面將機(jī)車運(yùn)行期間產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，由此縮減了牽引電動(dòng)機(jī)502所需的冷卻氣流。因此，盡管牽引電動(dòng)機(jī)的總長(zhǎng)度還是一樣，但是牽引電動(dòng)機(jī)的重量增加了，同時(shí)，通風(fēng)機(jī)的尺寸和重量減少了。簡(jiǎn)而言之，電動(dòng)機(jī)尺寸增加，電動(dòng)機(jī)完成相同的工作量只需較低的動(dòng)力。同時(shí)由于電動(dòng)機(jī)較大，而且在較低的動(dòng)力下運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)的工作溫度降低了，大量的熱量借助較大的表面散發(fā)掉，因此，可以使用較小的通風(fēng)機(jī)。例如，將圖5所示的本發(fā)明的牽引系統(tǒng)500的實(shí)施例與圖4現(xiàn)有技術(shù)中牽引系統(tǒng)400相比較，盡管圖2中牽引電動(dòng)機(jī)402和通風(fēng)機(jī)404的尺寸在圖5中所示相應(yīng)裝置的尺寸已經(jīng)增加，但是圖5中牽引系統(tǒng)500的總重量卻小于圖2中牽引系統(tǒng)400的總重量，這樣，圖5中牽引系統(tǒng)500既可在緯度較低的地區(qū)運(yùn)行，也可在緯度較高的地區(qū)運(yùn)行，而不必考慮DC總線電壓和宇宙輻射對(duì)半導(dǎo)體電力控制元件產(chǎn)生的共同作用會(huì)導(dǎo)致這些半導(dǎo)體器件在超過(guò)其運(yùn)行參數(shù)的范圍使用。此外，通風(fēng)機(jī)尺寸的縮減既導(dǎo)致了系統(tǒng)總重的降低，也滿足了機(jī)車下部結(jié)構(gòu)配重的考慮。
值得肯定的是，盡管為了獲得所需的電壓減少量，在這種布置下，牽引電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)量增加了大約10％，但所需氣流也減少了大約10％。此外，出于優(yōu)化配重的考慮，為了獲得所需的電壓減少量，牽引電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)量可以增加大約8％(總計(jì)20％的增加)，空氣流量大約能縮減20％，啟動(dòng)量的增加，可以滿足所需的目的?？傊?，銅質(zhì)線圈的電動(dòng)機(jī)能力越高，損耗越小，冷卻表面越大，重量和失效率就越低。與在高緯度地區(qū)運(yùn)行的通風(fēng)機(jī)相比，小尺寸通風(fēng)機(jī)能在較小的馬力和較低的電壓下運(yùn)行，因此，它們也能按照一定比例在低緯度地區(qū)運(yùn)行，在不超過(guò)1250伏電壓下，這些裝置可以在高緯度或低緯度以額定功率運(yùn)行。由于在低緯度地區(qū)風(fēng)量增加，所以牽引電動(dòng)機(jī)可以獲得比所需更大的能力，因此，牽引系統(tǒng)也可以在高緯度或低緯度地區(qū)運(yùn)行。
雖然已經(jīng)參照優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是只要不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍，還可進(jìn)一步修改本發(fā)明，省略、附加或替代某些元件。此外，也可在本發(fā)明的啟示下，根據(jù)不同的環(huán)境或材料對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改。本發(fā)明不限于所公開的以最佳方式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的特定的實(shí)施例，本發(fā)明包括各種實(shí)施例，只要其內(nèi)容落在權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。此外，第一、第二等術(shù)語(yǔ)并不表示任何順序或重要性，第一、第二等術(shù)語(yǔ)用于區(qū)分零件，除非明確指出第一、第二等術(shù)語(yǔ)的特殊用途。
權(quán)利要求
1.一種適于在高緯度地區(qū)可靠運(yùn)行的高緯度軌道機(jī)車，其中所述高緯度軌道機(jī)車包括一個(gè)半導(dǎo)體電力控制元件，由于所述高緯度軌道機(jī)車工作在高的宇宙輻射下，與具有運(yùn)行在第一DC總線電壓下的類似的半導(dǎo)體電力控制元件的低緯度機(jī)車相比，所述高緯度軌道機(jī)車的半導(dǎo)體電力控制元件更容易損壞，所述低緯度機(jī)車包括具有第一啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)值的牽引電動(dòng)機(jī)(502)，其可以提供一個(gè)足以推動(dòng)機(jī)車的預(yù)定范圍的機(jī)械動(dòng)力，所述高緯度軌道機(jī)車包括發(fā)電裝置；與支撐高緯度機(jī)車的車輪機(jī)械連接的多個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)(502)；以及一個(gè)電力傳輸系統(tǒng)，該電力傳輸系統(tǒng)用于將所述發(fā)電裝置產(chǎn)生的電力供給所述多個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)(502)，所述電力傳輸系統(tǒng)包括一個(gè)DC總線，該總線與所述牽引電動(dòng)機(jī)(502)以及一個(gè)功率控制器電連接，該功率控制器用于將動(dòng)力傳輸給所述DC總線，所述牽引電動(dòng)機(jī)(502)具有一個(gè)第二電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)值，其中所述第二啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)值大于所述第一電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)值，以便使所述高緯度軌道機(jī)車DC總線電壓低于第一DC總線電壓，同時(shí)產(chǎn)生一定量的對(duì)應(yīng)于低緯度機(jī)車的機(jī)械動(dòng)力，該動(dòng)力足以在高緯度時(shí)推動(dòng)機(jī)車運(yùn)行；由此，由所述高緯度軌道機(jī)車DC總線電壓和宇宙輻射共同作用于半導(dǎo)體電力控制元件產(chǎn)生的效果相當(dāng)于低緯度軌道機(jī)車總線電壓與宇宙輻射共同作用于半導(dǎo)體電力控制元件上產(chǎn)生的效果，因此，半導(dǎo)體電力控制元件的失效率降低。
2.如權(quán)利要求1所述的高緯度機(jī)車，其中所述多個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)(502)包括6個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)(502)。
3.如權(quán)利要求1所述的高緯度機(jī)車，其中所述第二勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)量比第一勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)量大10％。
4.如權(quán)利要求1所述的高緯度機(jī)車，還包括至少一個(gè)通風(fēng)裝置，其中所述至少一個(gè)通風(fēng)裝置可選擇為用于產(chǎn)生具有預(yù)定的流速的通風(fēng)氣流。
5.如權(quán)利要求4所述的高緯度機(jī)車，其中機(jī)車還包括車輛的總重量，其中所述至少一個(gè)通風(fēng)裝置與多個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)(502)的連接可以使所述車輛的總重量達(dá)到最小。
6.如權(quán)利要求1所述的高緯度機(jī)車，其中所述DC總線電壓最大值為1250伏。
7.如權(quán)利要求1所述的高緯度機(jī)車，其中所述半導(dǎo)體電力控制元件包括一個(gè)工作電壓參數(shù)范圍，其中所述多個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)(502)被選擇為使得將所積累的電力供給多個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)(502)，在所述工作電壓參數(shù)范圍內(nèi)，所述宇宙輻射將減少。
全文摘要
本發(fā)明涉及優(yōu)化的機(jī)車牽引系統(tǒng)。一種適于在高緯度地區(qū)可靠運(yùn)行的高緯度軌道機(jī)車，其中所述高緯度軌道機(jī)車包括一個(gè)半導(dǎo)體電力控制元件，由于所述高緯度軌道機(jī)車工作在高的宇宙輻射下，與低緯度機(jī)車相比，半導(dǎo)體電力控制元件容易損壞。該高緯度軌道機(jī)車包括發(fā)電裝置；與支撐高緯度軌道機(jī)車的車輪機(jī)械連接的多個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)(502)；一個(gè)用于將所述發(fā)電裝置產(chǎn)生的電力供給所述多個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)(502)的電力傳輸系統(tǒng)。一個(gè)DC總線，該總線與所述牽引電動(dòng)機(jī)(502)以及一個(gè)功率控制器電連接，該功率控制器用于控制電力經(jīng)DC總線的傳輸，所述牽引電動(dòng)機(jī)(502)具有一個(gè)第二啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)值，其中所述第二啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)值大于第一啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)值，使高緯度軌道機(jī)車DC總線電壓低于第一DC總線電壓，機(jī)車DC總線電壓能夠產(chǎn)生在高緯度地區(qū)足以推動(dòng)機(jī)車運(yùn)行的一定量的機(jī)械動(dòng)力。由此，由所述高緯度機(jī)車DC總線電壓和宇宙輻射共同產(chǎn)生的對(duì)半導(dǎo)體電力控制元件的作用相當(dāng)于低緯度機(jī)車DC總線電壓與宇宙輻射共同作用于電力半導(dǎo)體控制元件的作用，所述高緯度機(jī)車半導(dǎo)體電力控制元件的失效率降低。
文檔編號(hào)B60L11/04GK1807142SQ20051009239
公開日2006年7月26日 申請(qǐng)日期2005年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月23日
發(fā)明者M·L·尼科盧西, P·R·霍坎松, A·K·庫(kù)馬 申請(qǐng)人:通用電氣公司