韩佩刚
包神铁路集团机务分公司
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。本文对一台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。
关键词：电力机车；牵引电机温升偏高；分析与优化
引言
近年来随着铁路运输的不断发展，列车在追求快捷、方便、安全和舒适的同时，也朝着多样化、个性化的方向发展，新产品的研制越来越多，研发周期越来越短。牵引电机作为列车的核心零部件，既要求具有高安全性、高可靠性和高稳定性，又要求研发周期短、交货快。成型线圈作为牵引电机定子的主要组成部分，普遍的设计过程是先根据电磁方案计算出线圈尺寸，再用AutoCAD绘制线圈图纸，最后进行尺寸标注。线圈尺寸计算过程复杂繁琐，周期需0.5～1天；线圈图纸绘制及标注周期一般需要2～3天，方案多次变更时设计周期可达到10天以上，严重制约了牵引电机定子设计效率的提高。
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。
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2牵引系统测试台
主要分为以下几个部分。1）供电电源：为牵引系统提供DC750V电源；2）测试柜：测量电压、电流等电气参数；3）高压电器箱：为牵引系统提供保护；4）牵引逆变器箱，将DC750V直流电转换成为牵引电机供电的交流电；5）牵引电机M：被试设备；6）测试设备：用于测量牵引电机的振动、噪声、温升等参数。
3温升限值
电机的温升限值是电机运行时所能承受的最高温升。在合理的温度环境中，电机在此温升下长期使用，绝缘材料的物理、化学、机械及电气性能不会发生显著恶性变化。电机的温升限值取决于电机所采用的绝缘材料等级，目前国内常见的牵引电机大多采用的是200级绝缘。根据国家标准GB/T25123.2的要求，采用200级绝缘的牵引电机的温升限值为200K[5]，该温升限值为采用电阻法测得的定子绕组温升。
4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心长度增加了140mm，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、磁密和满载电势标么值等磁负荷参数；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，该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。
5温升计算方法及降低措施
5.1绕组直线部分温升
θu定子绕组直线部分的发热来自定子绕组直线部分电磁线通电后产生的热量。绕组直线部分的电磁线通电后产生的一部分热量通过电磁线的匝间绝缘、绕组的外包绝缘向定子槽的两侧及底部铁心散出；另一部分热量通过电磁线的匝间绝缘、绕组的外包绝缘、槽楔向定转子之间的气隙散出。其计算方法如下：
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式中：A——定子线负荷(Acm/)；1J——定子电流密度(2Amm/)；t——定子齿距(mm)；uδ——匝间及外包绝缘层总厚度(mm)；Π——定子槽周长(mm)。从式（1）可知，造成绕组直线部分温升θu的发热来自于电机的热负荷AJ×1，影响绕组直线部分温升θu的散热因素为定子齿距t、匝间及外包绝缘层总厚度uδ、定子槽周长Π。因此，降低绕组直线部分温升θu的措施有：减小电机的热负荷AJ×1、减小定子齿距t、减小匝间及外包绝缘层总厚度uδ、增加定子槽周长Π。
5.2IGBT开关频率对牵引电机温升的影响
牵引电机的损耗主要由机械损耗、铜耗、铁耗及杂散损耗构成。机械损耗是指机械摩擦损耗及电机通风系统带来的损耗，为恒定损耗，一般占电机总损耗的10%~50%；铜耗是指电机运行过程中电流流过定子、转子绕组在绕组电阻上产生的损耗，其大小决定于负载电流及绕组电阻值，一般占电机总损耗的20%~70%；铁耗也是恒定损耗的一种，是由主磁场在电机铁芯中交变所引起的涡流损耗和磁滞损耗组成，铁耗的大小取决于铁芯材料、频率及磁通密度，一般占电机总损耗的20%~25%；杂散损耗主要由定子漏磁通和定子、转子的各高次谐波在导线、铁芯和其他金属部件中所产生的损耗，一般占电机总损耗的10%~20%。在变频器谐波作用下，变频器驱动的电机会产生附加损耗，导致电机效率的下降以及额外的发热。
结束语
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197K降低至179K，定子绕组最高温升由222K降低至192K，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
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