电力机车牵引电机温升偏高的分析与优化

陈郁

哈尔滨职工培训基地 黑龙江 哈尔滨 150000

摘要：机车牵引电机由逆变器供电，牵引系统联调试验时，逆变器输出的电流或电压中均含有大量的高次谐波，使牵引电机定、转子电流和高次谐波铁损增加，从而使牵引电机定子绕组温升增加。因此，牵引电机在进行逆变器供电温升试验时，经常出现绕组温升偏高问题。

关键词：电力；机车；温升偏高

本文对 大功率交流传动电力机车牵引电机逆变器供电绕组温升偏高（见表1）问题进行了分析，提出了一种通过对牵引电机本体通风结构的优化，来实现定子绕组温升有效控制的方法。

表1 牵引电机定子绕组温升

1 定子绕组温升偏高原因分析

1.1 梳理试验数据

试验数据的梳理对牵引电机定子绕组温升偏高的原因分析，起到至关重要的作用。如果试验数据缺失、测试位置不明，甚至测试方法不准确，将直接影响温升偏高现象的分析方向，无法找到真正原因。如果试验数据准确、测点位置清晰、测试方法明确，可有效地为找到温升偏高原因提供正确的分析方向。

温升异常数据梳理包含正弦波供电和逆变器供电的电压、电流、功率因数、效率、损耗、各测点绕组温升、电阻法绕组平均温升和各测点铁心温升、轴承温升、进风口温升、出风口温升和环境温度等。通过对该类数据的记录、收集和整理，并与测点位置一一对应，将多次试验数据整理成表格形式，再进行数据分析，可确定供电电源品质、牵引电机温度分布特点和温升异常区域。

温升试验数据梳理通过三维可视化标签，把各测点温升数据详细进行标注，可直观、有效地看出温升分布特点，电机定子槽内简化模型以及温升试验数据，如图1所示。

图1 定子槽内简化模型及温升试验数据 

1.2 审核技术设计

审核技术设计对牵引电机定子绕组温升偏高问题的源头定位作用明显，经全面、反复、多次深入分析，找到异常问题与技术设计的相关性，可有效为温升和静压异常问题提供正确的解决方向。

（1）电磁结构审核

电磁结构审核包含电机总体数据，定、转子冲片数据，定、转子槽数据，定子线圈数据和转子导条数据等。通过对该类数据进行梳理、分析，并比较本牵引电机电磁结构与原型机的差异，判断电磁结构参数设计是否合理，是否存在由异常电磁结构设计导致的电机严重发热。比如，该牵引电机相对原型机铁芯长度增加了140 m m，对轴向通风散热结构的电机而言，两端冷却效果的差异很大。

（2）电磁参数审核

电磁参数审核包含牵引电机额定电压、电流、功率因数和效率等性能参数；磁通、磁密和满载电势标值等磁负荷参数；电密、热负荷和损耗等热性能参数；电阻、电感和电抗等主电路参数等。通过对该类数据进行分析，并比较本牵引电机电磁参数与原型机的差异，确定哪些参数存在异常，从而影响电机的发热和散热。比如，牵引电机在磁负荷和原型机一致的情况下，因工作频率不同，铁耗相差约3倍。

（3）通风结构审核

通风结构审核包含牵引电机通风基本结构，进风口尺寸和位置，定、转子通风孔径、位置和数量及气隙等。通过对该类数据的分析，并梳理本牵引电机通风结构与原型机通风结构的差异，确定通风结构的一致性。该牵引电机采用强迫通风冷却方式。

1.3 分析影响因素

结合试验中定、转子侧的温升情况，对比定、转子发热量和通风面积的匹配关系（表2）进行分析，通过对既有通风结构的优化，可以改善电机内部温度分布，从而降低局部高温点，平衡定、转子温升。

表2 牵引电机损耗和通风面积匹配

2 优化方案

2.1 设计

设计优化方案按优化过程和重要性分为2个项点，分别为定、转子风量优化分配和冷却风周向分布优化。

2.1.1 定、转子风量优化分配

定、转子风量优化分配是从定、转子损耗分布，定、转子通风面积配比，损耗和通风面积匹配等方面进行优化设计的。

（1）定、转子损耗分布：通过核算电磁结构和通风结构与本电机类似的牵引电机来确定定子损耗和转子侧损耗，并进行对比。其它产品定、转子侧损耗比在1.9～2.9之间，而本电机定、转子侧损耗比为3.9。本电机定子侧损耗远高于转子侧损耗。

（2）定、转子通风面积配比：其它产品定、转子通风面积比在1.64～3.26之间，而本牵引电机定、转子侧通风面积比为1.72。

（3）损耗和通风面积匹配：本牵引电机定子侧单位通风面积的损耗值最大，达到1.1 W/mm2转子侧单位通风面积的损耗值最小，为0.48 W/mm2，因此采用均布方式分别堵住转子外侧6个和内侧9个通风孔，调整定、转子通风面积比，如图2所示。

图2 转子通风孔风量调整方案 

堵孔后，定子侧通风面积占比增加16.1%，气隙通风面积占比增加10%。随着通风面积的增大，定子单位通风面积的损耗有所下降。转子单位通风面积的损耗值由0.48 W/mm2适度增至0.83 W/m m2。使定、转子的单位面积损耗值，更趋接近。

2.1.2 冷却风周向分布优化

冷却风周向分布优化是针对由冷却风周向分布不均引起的绕组局部高温进行的优化。以“双向解析”为原则，对温升试验数据进行解析，对三维流体场进行仿真分析，找出局部高温的原因。在接口限制条件下，对牵引电机进风口结构进行局部优化设计。

2.2 验证

（1）堵转子孔温升试验验证

使用相同的供电电源（正弦波供电）、对同一台牵引电机未堵转子孔和堵转子孔两种状态分别进行堵转子孔温升试验。验证结果为：定子绕组平均温升降低7.7 K，最高温升降低18.2 K，铁心温升降低21.4 K，温升降低效果明显。转子侧，导条温升从104 K增加至113 K，温升增加幅度不大，且温升也较低。

（2）进风口优化温升试验验证

使用相同的供电电源（正弦波供电）、对采用原进风口结构和优化后的进风口结构的同一台牵引电机分别进行进风口优化温升试验。验证结果为：绕组平均温升降低0.8 K，最高温升降低7.9 K，铁心温升降低5.4 K。绕组最高温升降低效果明显。

3 结语

牵引电机本体通风结构优化后，为了更接近实际工况，又进行了用逆变器供电的牵引电机绕组温升试验，该试验结果显示，定子绕组平均温升由197 K降低至179 K，定子绕组最高温升由222 K降低至192 K，绕组温升降低明显。

采用上述分析方法可系统、有效解决牵引电机在逆变器供电条件下的绕组温升偏高问题，提供了一种有效的工程解决方案，具有一定的借鉴性和推广性。

参考文献

[1]秦虹．逆变器供电异步电动机的设计难点．机电工程技术[J].2003,32（5):33-36.

[2]高升华，李争光，李明，2010．大型异步电机通风和温升计算[C]//中国电机工程学会．中国电机工程学会大电机专业委员会2010年年会论文集．厦门：中国电机工程学会大电机专业委员会：90-93.