直线电机气隙监测技术应用与展望

1直线电机气隙监测原理

气隙监测系统运行原理见图1:1号车轮传感器接收到来车信号，计轴到第1个车轮时传递开机信号;车号识别装置对列车进行识别;激光传感器对电机轮廓进行高度数据采集;3号车轮传感器计轴到第24个车轮后延时30传递关机信号(2号车轮传感器为备用车轮传感器)。1直线电机气隙监测原理气隙监测系统运行原理见图1:1号车轮传感器接收到来车信号，计轴到第1个车轮时传递开机信号;车号识别装置对列车进行识别;激光传感器对电机轮廓进行高度数据采集;3号车轮传感器计轴到第24个车轮后延时30传递关机信号(2号车轮传感器为备用车轮传感器)。置信号传给信号处理器，DP(数字信号处理)信号处理器根据三角函数原理计算距离。每个数据位置应用两套激光测距传感器来实现直线电机底面沿电机长度方向的2条轮廓曲线数据的采集，以确保监测值的准确性和全面性。

2实际应用现状

直线电机使用电磁力进行驱动，与旋转电机的粘着驱动原理不同。电机铁心与感应板间感生磁场后，通电的电机线圈将在感应磁场中沿轨面方向受迫平行移动。从专业意义上来讲，铁心与感应板的气隙不仅决定了能耗与牵引力的发挥，而且还关系到整个直线电机车辆的运营安全。一旦气隙有异常下降，很有可能在运营过程中导致安全问题。5号线气隙监测系统共有3套监测设备，目前安装在珠江新城站，用于监测上下行列车的电机高度数据变化。

2．1正常波形

直线电机底部共有80个硅钢条，每两个硅钢条以槽楔隔开，形成的底部结构整体类似齿结构。在线气隙监测系统通过对电机底部所有齿高度数据进行监测，高度数据一旦低于或高于告警值则进行预警和报警。由于监测技术限制，端部齿数据(第1～3齿和78～80齿)监测失误率较高，一般不作为报警依据。目前5号线气隙系统标准:直线电机距感应板的气隙标准为9～10mm;5号线气隙监测系统的报警值为20．8mm，预警值为21．3mm，超高报警值为27mm。图3为正常的监测波形，图4为直线电机底部实物图。

2．2故障波形

直线电机高度在标准轨道调整后，随着车轮磨耗，电机高度会有逐渐下降的趋势，但总体下降情况较平稳，不会在短时间内出现明显跌落的趋势。一旦出现异常，需及时有针对性地进行检查。以下从几个异常故障简述电机异常波形与故障判断的关系。

2．2．1电机吊杆心轴断裂

2014年1月1日，057058次列车6号电机发生高度过低报警，电机底部最低齿数据为18．61mm(参见图5，电机波形数据中左侧为电机尾部，右侧为电机头部)。气隙数据显示，电机尾部高度明显低于电机头部高度，且电机中部已有低于20mm的区域，可直接判断出电机悬挂系统出现问题。此次故障为编号05C058车辆二架电机5号吊杆心轴断裂(见图6)所致。

2．2．2橡胶压溃

2014年7月24日，121122次列车3号电机高度过低预警，电机底部最低齿数据为20．87mm，电机头部有相对下沉，下沉量相对吊杆断裂情形较小，如图7所示。此次故障原因为编号05B121车辆一架3号悬挂梁橡胶关节压溃，参见图8。一般电机7、8、9齿和71、72、73齿处是垂向吊杆所在位置，若此位置出现异常，很有可能与吊杆等电机悬挂装置有关，需引起重视。

2．2．3槽楔下沉掉落

2014年7月2日，025026次列车4号电机高度过低预警，电机最低齿数据为21．15mm，电机气隙波形2个齿数据存在明显异常，如图9所示。此次故障原因为编号为05B025车辆二架直线电机第41、42根槽楔断裂，参见图10。直线电机底部为硅钢片和槽楔间隔排布，随着电机运行时间的增加，槽楔将逐渐出现老化，高度逐步降低，甚至可能出现松动脱落的情况。松动后槽楔高度将下降，脱落后槽楔处的检测高度将升高。

2．2．4电机底部粘有异物

2014年7月28日，021022次列车9号电机高度过低报警，气隙最低值17．75mm，如图11所示。吊杆部位少量齿数据异常。由于吊杆为刚性部件，如果出现吊杆异常或吊杆悬挂装置异常，电机高度必然会出现侧倾，若仅为几个齿数据异常，应为电机底部有异物影响。此次故障原因为该电机底部粘有一塑料袋，塑料袋遇热烧融，粘在电机底部，导致气隙报警。由于直线电机运行时中部温升较高(散热较差)，导致槽楔老化松脱问题较为普遍，吊杆位置处散热较好，槽楔基本无槽楔老化松动情况。

2．2．5圆跳动

2014年8月16日，编号为05C100车辆7号电机发生高度过低预警，最低齿数据为21．18mm，如图13所示。气隙数据显示电机整体无明显降落或侧倾，仅电机波形波动较大，可对应判断为悬挂部件橡胶关节问题或车轮圆跳动问题。此次故障原因为列车圆跳动较大。由于列车在低速行驶时高度监测更为准确，因此正线气隙系统一般设置在站台附近。若列车低速行驶时电机高度波形跳动较大，说明此时悬挂梁橡胶异常或车轮不圆度较高，应依据情况及时进行检查或镟修。

2．2．6电机气隙过高

2014年1月1日，编号为05B018车辆9号电机发生高度过高报警，如图14所示，电机高度超过超高报警值27mm。电机超高报警可能有2个原因:气隙测量标定不准确和电机高度调整异常，其中气隙测量标定是否准确可根据该电机的历史测量数据和正线气隙系统的维护作业时间来判断。此次故障原因为电机调整作业时操作失误，调整后电机高度偏高。

3展望

(1)通过绝对值判断方式，现有直线电机气隙监测系统可实现电机高度监测的简单判断，诸如电机高度预警、电机高度报警、排障器高度报警等。随着技术进步，基于电机高度数据的变化率，未来直线电机监测甚至可以实现特定故障报警。电机气隙监测报警功能仍有很大发展空间。电机悬挂橡胶关节压溃、电机槽楔下沉均是一个量变到质变的过程。故障发生时电机高度会突然出现较大变化，针对这两种故障，利用电机高度变化率，可以在变化率超标时进行有效的故障报警，避免应对不及时时造成正线车轴刮伤和感应板刮伤事件(电机高度未达到预警时仍可以有效报警)。(2)研制算法对特定故障进行报警。槽楔脱落问题，表现比较明显，电机中部部分齿高度将明显高于其他齿，超差度明显，利用此规律，可以实现槽楔脱落这一特定故障报警。(3)目前直线电机气隙监测仍处于线监测阶段，只能监测两条直线上的电机高度数据，随着技术进步，气隙监测可以向平面监测发展，更有利于对电机底部平面的刮伤、异物、高度变化数据进行精准监控。

4结语

直线电机轮轨关系相对较差，直线电机气隙在线监测恰恰弥补了这一短板，为直线电机提供了更为安全的运行保护机制。气隙在线监测系统技术应机遇而生，在实际应用中臻于完善，在列车安全运营方面发挥了至关重要的作用，后续也将有着良好的发展前景。

作者：李晓康 单位：广州市地下铁道总公司