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(共26张PPT)
第17章 电动机与发电机
跨学科实践 高铁提速的可行性分析
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探究新知
活动主题
以前的火车通常是由一个火车头提供动力,运行速度受到限制。而现在的高速动车组列车多数车厢都有电动机驱动。
我国的高速动车组列车以速度快、运行平稳、乘坐舒适受到人们的广泛喜爱,“复兴号”动车组列车速度已达350km/h。目前,科研人员还在研究高铁的进一步提速问题。
科学的观点看,我国的高铁要进一步提速是否可能 提速后怎样确保安全呢
方案制订与实施
了解高铁的运行原理。对高铁运行中的科学问题(如电动机、轨道结构、材料、控制系统、风阻、信号系统、弯道问题等)进行梳理,选择其中一项进行研究。
1.电动机(动力之心):高铁采用动力分散设计,多节车厢配备永磁同步电机。该电机采用钕铁硼永磁体,无需电能励磁,具有效率高、功率密度大的特点,是实现高速与节能的关键。
2.轨道(平稳之路):轨道系统采用无缝钢轨与混凝土无砟结构,消除接缝振动，提供毫米级高平顺路面,兼具高稳定性与低维护需求。
3.材料(轻韧之躯):车体广泛使用铝合金与碳纤维复合材料,实现轻量化与高强度,有效降低能耗与噪声,提升运行效率与乘坐舒适性。
4.风阻(破风之形):流线型车头设计有效降低空气阻力,同时优化隧道微压波与侧风稳定性,保障高速行驶的平稳与安全。
5.控制系统(智慧之脑):基于无线通信的列车控制系统实现“自动驾驶”,通过车地协同指挥,确保多列车高密度、高效率安全运行。
6.弯道:线路采用大半径曲线与“外轨超高”设计,配合自适应转向架技术,共同实现列车高速过弯的平顺与安全。
课题选择:下面我们选择“电动机”这一核心部件作为研究对象，进行分析。
研究报告:基于永磁同步牵引电机的高铁提速可行性与安全策略研究
一、问题提出
提速面临的核心挑战在于:如何在功率、效率、重量与可靠性之间找到最佳平衡点。传统的异步牵引电机在更高速度需求下,暴露出效率偏低、重量和体积大、功率密度逼近极限等问题。因此,本研究聚焦于永磁同步牵引电机这一先进技术,探究它如何为高铁提速提供解决方案,并分析其带来的安全效益。
二、研究内容与方法
本研究采用“原理分析一技术对比一数据验证一策略提出”的路线,结合物理、化学与工程学知识进行跨学科探究。
1.物理原理:永磁同步电机为何更高效
工作原理:与传统异步电机需要从电网汲取电流来产生磁场(励磁)不同,永磁同步电机的转子由钕铁硼永磁体构成。该磁场由永磁体自发产生,无需励磁电流,从根本上消除了这一部分
的能量损耗。定子三相绕组通入变频交流电后,产生一个旋转磁场。转子的永磁磁场会被这个旋转磁场“牢牢锁定”,并以相同的速度(即“同步”)旋转,从而将电能转化为机械能。
能量转化效率分析:异步电机的转子磁场需要靠定子提供无功功率来维持,这会导致电流增大和绕组发热,造成额外损耗。
2.化学与材料科学:钕铁硼永磁体的核心作用。
关键性能(“磁能积”):磁能积是衡量永磁材料储存磁能密度的关键指标,单位是 kJ/m 。数值越高,意味着在相同磁场强度下,磁体可以做得更小、更轻。高磁能积使得制造高功率密度的电机成为可能。
3.技术对比与数据分析:永磁VS异步
三、研究结论:提速可行性论证
1.功率瓶颈的突破:更高的功率密度使得在有限的转向架空间内,可以布置更大功率的驱动单元,为列车突破400km/h提供最直接的动力来源。
2.能效管理的优化:提速意味着能耗呈指数级增长。永磁电机的高效率直接降低了总能耗和发热量,提升了系统的可持续性与经济性,使超高速运营更具可行性。
3.轻量化与动力学改善:电机自身的轻量化有助于降低整车质量,从而减小运行惯性,改善制动性能,并降低对线路的磨损,从车辆和基础设施两方面提升了提速后的安全冗余。
四、安全建议与创新设想
基于以上研究,我们提出以下确保提速安全的建议.
1.强化热管理:采用“油冷十风冷”等复合冷却技术,并建立温度实时监控与预警系统,防止永磁体过热失磁。
2.构建智能运维系统:利用大数据与AI技术,实时分析电机运行数据,实现从“定期检修”到“预测性维护”的转变。
3.防控反电动势风险:当列车滑行或制动时,被车轮反拖的电机可能产生危及电路绝缘的高电压。优化控制算法,在检测到高风险反电动势时,能迅速通过制动电阻或回馈电网等方式安全释放能量。
写出研究报告,在小组或班级与同学们交流。可以将有创新且具有可行性的建议提交有关部门参考。
成果展示与交流
完成学生用书对应课时练习
作业布置

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