优化的机车牵引系统

摘要

提供了一种适合在高海拔的更可靠工作的高海拔轨道机车，其中高海拔轨道机车包括半导体电力控制元件，并且其中由于高海拔该机车将被暴露于高级别的宇宙辐射，从而倾向于损坏半导体电力控制元件。该高海拔轨道机车包括：发电装置；与支撑高海拔机车的车轮机械连接的多个牵引电机(502)；以及用于将电力从发电装置传输给多个牵引电机(502)的电力传输系统。还包括DC母线，其与牵引电机(502)以及用于控制在DC母线上的功率传输的功率控制器电连接，牵引电机(502)具有第二有效电机容积，其中第二有效电机容积大于第一有效电机容积，使高海拔机车的DC母线电压相对第一DC母线电压被降低，同时产生足以在高海拔推动机车的机械功率范围。由此，由高海拔机车的DC母线电压和由宇宙辐射对半导体电力控制元件引起的组合影响与工作在低海拔时的低海拔机车中半导体电力控制元件上的那些影响对应，以便降低高海拔机车中半导体电力控制元件的故障概率。

权利要求

1.一种适于在高海拔的更可靠工作的高海拔轨道机车，其中所述高海拔轨道机车包括半导体电力控制元件，并且其中由于所述高海拔所述高海拔轨道机车将暴露于高级别的宇宙辐射，从而与具有工作在第一DC母线电压的相同半导体电力控制元件的低海拔机车相比，倾向于损坏所述半导体电力控制元件，以及包括具有第一有效电机容积的、提供足以推动所述高海拔轨道机车的预定范围的机械功率的牵引电机(502)，所述高海拔轨道机车包括：发电装置；

与支撑所述高海拔轨道机车的车轮机械连接的多个牵引电机(502)；以及电力传输系统，用于将电力从所述发电装置传输给所述多个牵引电机(502)，所述电力传输系统包括与所述牵引电机(502)以及功率控制器电连接的DC母线，所述功率控制器用于控制所述DC母线上的功率传输，所述牵引电机(502)具有第二有效电机容积，其中所述第二有效电机容积大于所述第一有效电机容积以使所述高海拔轨道机车的DC母线电压相对所述第一DC母线电压被降低，同时产生与所述低海拔机车的机械功率范围对应并足以在高海拔推动所述高海拔轨道机车的机械功率范围，由此，由所述高海拔轨道机车的DC母线电压和由所述宇宙辐射引起的对所述半导体电力控制元件的组合影响与工作在低海拔时的所述低海拔机车中半导体电力控制元件上的那些影响对应，以便降低所述高海拔轨道机车中半导体电力控制元件的故障概率。

2.如权利要求1所述的高海拔轨道机车，其中所述多个牵引电机(502)包括6个牵引电机(502)。

3.如权利要求1所述的高海拔轨道机车，其中所述第二有效电机容积比所述第一有效电机容积大10％。

4.如权利要求1所述的高海拔轨道机车，还包括至少一个通风装置，其中选择所述至少一个通风装置来产生具有预定流速的通风空气流。

5.如权利要求4所述的高海拔轨道机车，其中所述高海拔轨道机车还具有总车辆重量，并且其中选定所述至少一个通风装置与所述多个牵引电机(502)的组合以便使所述总车辆重量最小。

6.如权利要求1所述的高海拔轨道机车，其中所述高海拔轨道机车的DC母线电压工作在1250伏的最大值。

7.如权利要求1所述的高海拔轨道机车，其中所述半导体电力控制元件具有工作电压参数范围，并且其中选择所述多个牵引电机(502)使得至所述多个牵引电机(502)的功率通量与所述对宇宙辐射的暴露的累积影响落入所述工作电压参数范围内。

说明书

优化的机车牵引系统

[0001] 相关申请

[0002] 本申请要求享有2004年7月23日提交的美国临时专利申请序号60/590557的优先权，该申请的内容以引用方式整体合并于此。

技术领域

[0003] 本发明一般涉及用于机车的牵引系统，更具体而言，涉及优化用于在较高海拔(altitude)工作的机车牵引系统。

背景技术

[0004] 用于重型拖运应用的机车一般工作在较高海拔，因而经历极端的环境条件，例如冰冻点以下的温度、低大气压力以及高于正常的宇宙辐射受照量(exposure)。这是因为机车海拔越高，则对宇宙辐射的受照量越高，周围环境温度越低且大气压力越低。工作在较高海拔的一个不利之处包括：机车对宇宙辐射的增加的受照量。AC机车通常使用功率半导体、例如绝缘栅双极晶体管(Integrated Gate Bipolar Transistor：IGBT)或门关断(Gate Turn-Off：GTO)晶闸管来控制至牵引电机的功率通量(power flow)。然而，遗憾的是，这些类型的功率半导体器件受到宇宙辐射的不利影响，并且这种高于正常的宇宙辐射受照量倾向于使这些功率半导体器件以更高比率(rate)出故障。尽管故障率也取决于多种其他因素，例如电压应力(stress)和温度，但是如图1所示，对宇宙辐射的受照量是对功率通量器件故障的大贡献因素，图1示出了图示作为海拔的函数的半导体器件故障率的示例曲线。例如，工作在海拔5000米的机车将具有明显高于工作在海平面的机车的故障率(大约25倍)。

[0005] 工作在较高海拔的另一个不利之处包括：低于正常的空气密度(与在海平面的空气密度相比)。这是因为在较高海拔，空气密度降低，因此在高海拔，需要更高空气量来递送与在海平面要求相同的空气质量流量比(mass flow rate)以冷却牵引电机和/或其他设备。然而，遗憾的是，为了产生获得所需空气质量流量的所需更高空气量，需要大于正常(在尺寸和重量上)的通风机(blower)和辅助通风系统，其增加了机车的总重量。这是不合乎需要的，因为机车总重量由于基础设施(infrastructure)考虑而可能受到限制。例如，参考图2，示出了用于典型机车的现有技术牵引系统400，其包括6个现有技术牵引电机402和2个现有技术通风机404，其中现有技术通风机中之一(406)与现有技术牵引电机中的3个(408)相关联，而现有技术通风机中的另一个(410)与现有技术牵引电机中的其余
3个(412)相关联。

[0006] 因此，该牵引系统400需要2个中等尺寸的电机通风机404来冷却较小尺寸的牵引电机402，其中这些通风机404相对较小，并且因此可以工作在较低海拔。然而，遗憾的是，工作在较高海拔可能给这些通风机的性能施加压力，并增加半导体元件的故障率。同样，如果机车工作在较低海拔，则宇宙影响比在更高水平面(level)低很多，并且DC母线(bus)电压与宇宙辐射对半导体电力控制元件的组合影响一般不会超过半导体电力控制元件的任何参数，而且这些元件的故障率也低。可是，如果机车工作在较高水平面，则宇宙影响比较低水平面高很多，且DC母线电压与宇宙辐射对半导体电力控制元件的组合影响倾向于接近和/或超过半导体电力控制元件的参数，从而导致高于正常的元件故障率。

[0007] 在较高海拔的机车工作的附加问题包括：低周围环境空气密度，以及由于产生冷却设备、例如牵引电机所需的足量空气流而要求的附加机件(work)而导致的通风机的关联重量增加。一种解决该问题的方法可以是允许牵引电机工作在更高温度。遗憾的是，这是不合乎需要的，因为这些更高工作温度可能显著增加故障率和/或绝热(insulation)成本。因此，随着海拔降低，移动相同空气量所需的功率增加。通风机一般以给定速度移动相同空气量。机车上使用的通风机以固定速度(一般与引擎速度成比例)运行。因此，能够在高海拔产生所需空气量的尺寸增加的通风机，因为在通风机中产生的应力(stress)和通风机电机所需的增加马力，一般不能在较低海拔(例如海平面)以同样速度工作。

发明内容

[0008] 提供了一种适合在高海拔的更可靠工作的高海拔轨道机车，其中高海拔轨道机车包括半导体电力控制元件，并且其中由于高海拔所述机车将被暴露于高级别(level)的宇宙辐射，从而与具有工作在第一DC母线(bus)电压的相同半导体电力控制元件的低海拔机车相比，倾向于损坏半导体电力控制元件；并且包括具有第一有效电机容积(active motor volume)的、提供足以推动机车的预定范围的机械功率的牵引电机。所述高海拔机车包括：发电装置，与支撑高海拔机车的车轮机械连接的多个牵引电机，以及用于将电力从发电装置传输给多个牵引电机的电力传输系统。所述电力传输系统包括与牵引电机以及功率控制器电连接的DC母线，功率控制器用于控制在DC母线上的功率传输，牵引电机具有第二有效电机容积，其中第二有效电机容积大于第一有效电机容积以使高海拔机车的DC母线电压相对第一DC母线电压被降低，同时产生与低海拔机车的机械功率范围对应的并且足以在高海拔推动机车的机械功率范围，由此，由高海拔机车的DC母线电压和由宇宙辐射对半导体电力控制元件引起的组合影响与工作在低海拔时的低海拔机车中半导体电力控制元件上的那些影响对应，以便降低高海拔机车中半导体电力控制元件的故障概率。

附图说明

[0009] 通过结合附图进行的示例实施例的以下详细描述，本发明前述及其它特征和优点将被更充分地理解，附图中相似要素在各附图中进行类似标记。

[0010] 图1是示出作为海拔的函数的机车中半导体功率元件的故障率的示图；

[0011] 图2是依照现有技术的机车牵引系统的图示；

[0012] 图3是示出电压对典型2500V机车牵引电机的影响的示图；

[0013] 图4是示出作为速度的函数的牵引电机产生功率和牵引力所需DC链(link)电压的示图；

[0014] 图5是依照示例实施例的机车牵引系统的图示。

具体实施方式

[0015] 如上简述，用于重型拖运应用的机车倾向于经历极端的环境条件，例如由于较高海拔工作而导致的低温、高宇宙辐射级别，并且同样，如果机车出故障则可能乘务人员和任何旅客也将暴露于这些要素。同样，因为机车故障对机车乘务人员和旅客而言可能意味着不当困难，并且会导致使用同一轨道的其他车辆/机车的延迟，所以，这些机车尽可能可靠至关重要。通过调查发现，牵引系统的故障率与机车工作的海拔以及控制至牵引电机的功率所用的功率半导体器件上的电压应力相关。参考图3，示出了描述对于典型2500伏器件电压对故障乘数(multiplier)的影响的示图，其中这些器件在最大功率工作期间一般工作在大约1400伏。从图3可见，如果典型2500伏器件工作在1300伏以下的电压，则故障率乘数将显著降低，并且可以甚至补偿由于较高海拔而导致的故障率增加。因此，电压应力的降低转换成半导体器件的故障率的降低。

[0016] 此外，参考图4，对于工作在海平面的现有技术系统示出了作为速度的函数的产生功率与牵引力所需DC链电压。如图所示，在较低速度(大约25mph以下)，DC链电压由半导体器件中的损耗确定。而在较高速度(大约25mph以上)，电压增加，使得牵引电机有足够的磁通量(amount of flux)来产生所需牵引力/马力。同样，随着速度的增加，故障率因增加的电压应力也将增加。

[0017] 为了对此进行阻遏，牵引电机被重新设计为具有增加的能力，以便产生与当前牵引电机设计相同、但在较低电压的功率量。这样做不仅有助于降低电压应力，而且它允许半导体器件工作在较低电压以对海拔增加进行补偿。应该领会，有各种方式可以达到该结果，包括但并不限于：改变线匝(turn)的数目，增加牵引电机的直径，增加牵引电机的长度，使牵引电机和/或设备运行在更高温度和/或增加通风机的冷却能力。

[0018] 参考图5，示出了牵引系统500的一个实施例，其包括多个牵引电机502与一个通风机504。这通过增加牵引电机502的线圈长度以提供更有效率的电机工作以及增加牵引电机502的壳体尺寸以提供更多冷却表面来吸收(sink)机车工作期间产生的热量而实现，由此降低对牵引电机502的冷却空气流要求。因此，尽管牵引电机的总长度保持一样，但是牵引电机的重量增加了，并且通风机的尺寸和重量降低了。简而言之，增加电机的尺寸允许该电机工作在较低功率就完成相同的工作(work)量。由于电机更大而且工作在较低功率，因此电机的工作温度降低了并且更多热量从更大表面面积排出，从而允许使用较小的通风机。例如，将图4中现有技术牵引系统400与图5中牵引系统500的实施例相比较，尽管牵引电机402和通风机404的尺寸已经增加到在图5中的尺寸，但是图5中牵引系统500的总重量小于图2中现有技术牵引系统400的总重量。这允许图5中牵引系统500工作在较低海拔与较高海拔，而不存在DC母线电压和宇宙辐射对半导体电力控制元件的组合影响超过这些半导体器件的工作参数。此外，通风机尺寸的减小转换为总系统重量的降低，因此满足基础设施重量考虑。

[0019] 还应该领会，尽管为了获得所需的电压降低，在一种配置中，牵引电机的有效容积增加了大约10％，但这转换成了关联空气流要求大约10％的降低。此外，尽管对于最佳重量系统，牵引电机的有效容积可以增加大约8％(总计20％的增加)以便获得所需电压降低，从而转换成大约20％的关联总空气流降低，但是任意有效容积增加可适用于所需最终(end)目的。总之，具有更多铜线圈、更小损耗以及产生冷却的更多面积的更高能力的电机降低了重量和故障率。更小尺寸的通风机运行在比能够工作在高海拔的通风机低得多的马力和低得多的应力，因此，它们也能在低海拔以其额定功率运行。应该领会，这些器件可以在较高海拔和较低海拔以其额定功率工作而不超过1250伏。由于质量流量在低海拔已经增加，所以牵引电机具有比所需能力大得多的能力。因此，牵引系统可以工作在高海拔和低海拔。

[0020] 尽管已经参照示范实施例描述了本发明，但是本领域技术人员要理解，在不脱离本发明精神和范围的情况下，可进行各种改变、省略和/或添加，并且可对其要素进行等效替代。此外，在不脱离其范围的情况下，可进行多种修改以使特定情形或设备(material)适合本发明的教导。因此，本发明旨在不限于作为预期用于实现本发明的最佳方式所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入随附权利要求书范围内的所有实施例。此外，除非特别说明，术语“第一”、“第二”等的任意使用并不表示任何顺序或重要性，而是术语“第一”、“第二”等被用于将一个要素与另一个进行区分。