空载损耗对牵引电机温升的影响.pdf

自动化应用电力设备空载损耗对牵引电机温升的影响陈永腾（广西理工职业技术学校，广西南宁530 0 31)摘要：本文以牵引电机当前的温升问题为基础，统计发现温升与电机空载损耗值之间具有密切关联性，研究过程中通过试验验证和理论计算方法，分析了空载损耗对牵引电机温升造成的影响，并提出了电机机座的优化设计与工艺改进建议，以期解决电机温升的情况。另外，本文应用有限元分析软件对牵引电机温度场变化进行了仿真分析，研究了空载运行状态下定子和转子的整体温度场分布，并分析了部分特殊位置点的温度，有助于全面了解电机内部的温升情况。关键词：空载损耗，牵引电机，温升中图分类号：TQ341Influence of No-Load Loss on the Temperature Rise of Traction Motor(Guangxi Polytechnic Vocational School of Technology,Nanning,Guangxi 530031,China)Abstract:This paper based on the temperature rise of traction motor,knowing that there is a very close relationship betweenthe temperature rise and the no-load loss value of motor after statistics.Then,through experimental verification andtheoretical calculation,we analyze the temperature rise caused by the no-load loss to the temperature rise of traction motor,and put forward the optimal design and process improvement of motor base,hoping to solve the temperature rise of motor.Inaddition,this paper applies finite element analysis software to simulate and analyse the temperature field variation of thetraction motor,and the overall temperature field distribution of stator and rotor in no-load running state is studied,withemphasis on the temperature situation of some special positions,which is more helpful to fully understand the internaltemperature rise of the motor.Key words:no-load loss,traction motor,temperature rise文献标识码：ACHEN Yongteng0引言随着社会经济的发展，人们对机车的要求越来越高。牵引电机单机容量的增长导致单位体积损耗也随之增长，在运行过程中容易使电机出现严重发热的问题。电机温升对电机出率、效率以及经济技术指标具有直接影响，还会影响电机的使用寿命及运行可靠性。因此，分析牵引电机的温升，对电机通风结构设计和安全运行管控均具有重要意义。在旋转过程中，牵引电机消耗的能量称为损耗，损耗越高表明牵引电机的效率越低，并且损耗还可以分为空载损耗、负载损耗。其中，空载损耗又可以分为附加损耗、铁耗以及机械损耗。负载损耗主要包括电器损耗、谐波磁场损耗等；铜耗是导体在通过电流时产生的物质；铁耗是磁场在旋转过程中由硅钢片产生的磁滞损耗；机械损耗则是由风磨耗、摩擦而产生的。上述所有损耗表现出的症状均为发热。作者简介：陈永腾，男，19 7 6 年生，中级工程师，研究方向为电气工程及其自动化。150|自动化应用1故障验证某列车在运行过程中发生了多车牵引电机温升高故障。通过计算发现，在线报温升高故障的原因是电机空载损耗值相对偏高1。经过初步分析后发现，导致空载损耗超差的主要原因是缺失真空退火工艺保证能力，降低了硅钢片绝缘涂层的性能，最终导致铁耗增加。本文验证了退火过程对电机空载损耗产生的影响。验证结果表明,在退火过程中,硅钢片的绝缘性能、磁性能将受到影响2。1.1试验方案本次试验使用30 0 mm150mm的硅钢片，共2 30 片进行绝缘涂层验证，同时选择50 0 mmx500mm规格的硅钢片，共2 0 片开展磁性能验证。(1)退火前绝缘涂层电阻测试：从30 0 mmx150mm规格的试验证试片中随机选择2 7 片，根据（GB/T2522一2007)电工钢片表面绝缘电阻、涂层附着性测试方法,测电力设备自动化应用试涂层表面的绝缘电阻，并且记录试片的正反面电阻值编2.2试验验证号3。选择8 台电机并随机分组，然后开展地面联调试验。(2)退火过程：将30 0 mm150mm规格的验证试片分电机需要为同一型号。设置第1组为空载损耗较低的电为3等份，并将经过绝缘电阻测试的试片分到这3个区机，第2 组为空载损耗超差电机。域,使用夹钳夹紧,然后将其放置在炉内的前、中、后部分。2.2.1 试验方案此外，还需要根据其工艺原理的相关规定开展退火工作。模拟动车组列车的运行工况，并实施3种方案。工况(3)退火后检测数据：退火后打开夹具，取出退火前测1为额定转速点满载长时温升，工况2 为均速点满载长时试的30 片试片，根据其正反面测试绝缘电阻，并根据编号温升，工况3为最高转速点满载长时温升。记录测试的电阻值。2.2.2试验结果1.2数据分析经试运行发现，第2 组的空载损耗超差电机无法开展对比放置在不同区域的试片退火前后的绝缘电阻值全部试验，且工况1经过40 min后，铁心温度传感器孔衰减情况、磁性能，并分析放置在其他部分的试片绝缘涂PT100已达到2 0 0，因此无法继续进行；工况2 经过2 h层的烧损情况，结果显示，放置在炉膛前部试片的绝缘涂后，铁心温度传感器孔的PT100也达到了2 0 0，同时不层电阻平均值的损失率明显高于炉膛中的损失率。退火具有趋稳的态势。而第1组空载损耗较低的电机可以完成后，硅钢片磁的性能明显下降，这表明真空退火会导致硅所有项目,结果如表1所示。其中,空载损耗为6.0 5kW的钢片绝缘涂层性能下降4电机温升较高，且在工况1中温度超过了2 0 0。为验证电机空载损耗情况下的温升，对其余的电机进行工况12铁耗对电机温升的影响试验，结果显示，导致电机温升高的原因是空载损耗高。铁耗与硅钢片的许多因素有关，如绝缘性能、磁感应表1空载损耗正常电机的试验结果强度、厚度、铁心的体积以及电机频率等。完成电机设计工定子铁心温度/试验参数工况1作后，可确定电机频率及铁心的体积，还可确定硅钢片的1#(空载损耗6.0 5kW）磁感应强度和厚度。检测硅钢片的厚度也是一项重要的步2#（空载损耗5.8 6 kW）骤。硅钢片只有满足厚度(0.5mm)和磁感应强度（大于或3#（空载损耗5.8 kW）4#(空载损耗5.7 2 kW）等于1.6 4T)的要求,才能符合相应标准5。此外,绝缘性能的下降会增加铁耗,而铁耗的增加会直接影响负载电机的温升6。2.1仿真分析利用MotorCAD软件对铁耗变化过程中电机温升情况实施仿真分析，仿真点位置示意图如图1所示。工况2工况3200.2176.2185.8176.2196.0178.9188.6170.43空载损耗下的牵引电机温度场仿真分析分析电机各部分温升情况，发现比较精确的计算方法为温度场法，该方法可以精确指出不同部分的最高温升及其出现位置。此外，常用方法还包括有限元法。该方法能将研究对象从宏观向微观的转变,并从总体研究转变到局部单元研究，以计算不同点的温度及温升，实现对各部分区域的可靠计算7。通过上述计算，可以获取具体数据,为电机设计和运行提供准确的数据支持，并且可以提供合理的指导。因此，本次应用有限元分析软件Ansoft温度场计算模块，了解牵引电机整体的温度分布。3.1仿真设计本次仿真研究采用有限元分析软件Ansoft温度场计1153.7146.5147148.5Bc图1仿真点位置示意图(1)铁耗增加2.0 9 kW：由图1可知,A处的定子线圈温度上升了13.0,B处的定子铁心温度上升了1.0,C处的铁心温度则上升了13.5；(2)铁耗增加3.0 9 kW：以上述为对照，各处温度的上升量分别为2 8、30.4、33.2。由此可知，单机铁耗的增加将会直接影响电机定子线圈、铁心温度，其中，对定子铁心温度的影响更大。算模块，实现对牵引电机温度场分布情况的仿真分析。为了全面、准确地研究电机内的温度分布，需要分析电机的整体温度场，包括点转子、气隙以及轴部分。电机定转子及通风系统本身具有对称性,因此,在仿真中,仅将电机整体模型的1/2 作为仿真对象，具体如图2 所示。3.2仿真结果及分析针对牵引电机空载运行状态下的温度场，应用Ansoft软件进行仿真研究，仿真结果如图3所示。图3中，颜色越浅表示温度越高。此外,应用软件后处理功能，能得到电机2023|16期/151图5改进电机的空载损耗分布自动化应用电力设备任何区域、任何点的实际温度，也能得到任何区域内的平均温度。为全面了解电机内的温度分布，需要分析电机内部分特殊点的温度。特殊点具体分布情况如图4所示图2 电机模型B图3电机空载时的温度场分布图4部分特殊点分布情况由图4可知,A和G两点是在定转子通风沟附近,C点是在定子绕组上层，D点是在定子绕组下层，E点是在转子导条内部,H点是在和转子槽口比较靠近的气隙部分，I点是在和定子槽口比较靠近的气隙部分。经分析，空载时以上各点具体温度如表2 所示。表2 空载时电机内特殊点温度情况点位分布温度/A128.05B132.41C146.12D149.32E108.24由表2 可知，在电机空载运行状态下，最高温度是在D点，即在定子槽内的下层绕组,为149.32,这主要是因为在空载运行状态下，转子转速和同步转速非常接近，其旋转磁场“切割”转子导体的相对速度几乎趋近于0。将这此时的转子电流看成0,相应的导条铜耗也趋近于0,与定子绕组下层相比，转子导条内部E点的温度明显偏低。另外,对比温度分布情况，与转子其他部位的温度相比，G点是在转子通风沟附近，温度明显偏低，这是由于空载运行中导条内会产生一定热量，同时这些热量中仅有少部分会向气隙方向分散，大部分均会被通风沟中的冷却气体带走。通过以上分析可以发现，与转子通风沟处相比,定子通风沟附近A点的温度变化不够明显。这主要是因为定子损耗产生的热量在分散中能通过铁心表面及定子通风沟散出，但与转子相比，定子通风沟直径偏小，导致定子通风沟附近的A点温度相对较高8。对比转子槽口较为接近的气隙部分H点温度及定子槽口比较接近的气隙部分I点温度发现,两者也存在较大变化。原因为气隙导热系数非常小，定转子间的热交换也非常小，导致两者之间存在较大差异。针对此问题,有学者提出了对定转子进行独立温度分析，通过分析发现，该方法具有一定合理性。在牵引电机空载试验中，电机上没有任何机械负载，152I自动化应用也不实施外部通风，如果是在运转速度范围内实施长时间运转，不存在电机负载振动干扰，也不存在电机通风噪声干扰，可以确保温升分析是在自然冷却环境下进行检测分析，相对而言，更有助于掌握电机整体温升情况，可以为其温升控制提供相应的指导作用。同时，在牵引电机空载试验的温升考核中，也需要注意5个方面。（1)在牵引电机空载运行状态下，需要考核牵引电机的温升承受能力。以轴承为例，轴承转动时的温升与转动时间和转速密切相关。适当的装配和润滑可发现轴承温升曲线具有规律性。(2)在相同转动时间内，低速和高速转动时轴承的温升情况存在差异。在高速转动中,轴承温升上升较快,最终可以在较高的温度下实现发热和散热之间的平衡。（3)最初转动时轴承达到的最高温度可作为判断电机温升是否合格的依据。（4)在电机最初空载试验中,轴承工作面未形成均匀油膜，因此不适合过高的转速，否则会对轴承工作面造成损伤,最终导致轴承损伤。(5)在电机空载试验过程中,可以将最初启动时的最高转速设置为5 6 档，然后在每档持续旋转15 2 0 min后再提升一档。对轴承温升是否合格的判定，以最终轴承温度和环境温度之差为准。对轴承温升进行标准分析时，滚动轴承的允许温升会点位分布温度/F108.00G106.49H108.89128.68受润滑油脂允许工作温度的直接影响。国际上，牵引电机的允许温升控制在55K，此标准在任何电机工作中的所有工况中均适合。但不同型号牵引电机空载试验过程中，不同部位的温升情况分析需要结合实际情况，确定相应的标准。例如，为了检查轴承技术状态温升是否合格，需要结合大量正常轴承温升标准及轴承失效故障累计经验进行确定，通常情况下，需要确保温度在55K以下。定子和转子等其他部位温升控制也需要结合相关标准与长期经验，以保障最终确定标准的合理性。4改进方法导致电机温升高的原因是空载损耗高。为此，可以设计一个铁心不退火的笼型机座。首先焊接机座笼型结构，然后将机座单独退火，并在机座中冷叠入定子铁心。该环节不需要对定子冲片采取任何的热处理措施，可避免定子冲片受到损伤。经过上述试验发现，试制电机在空载损耗值上具有良好的一致性，同时硅钢片绝缘层性能较为完好。改进后电机的空载损耗分布如图5所示。6543215结语本文通过试验验证了导致牵引电机温升高的主要因(下转第155页）参考文献机电工程自动化应用排水钻孔，排水量最大为2 2 m/h。在采面运输巷内布置水涌水问题，同时采面后续回采期间巷道顶底板始终保持干泵、排水管路，在巷道掘进或采面回采期间，根据涌水量适燥。时启动水泵排水，当涌水量较小时，采用型号BQG-350/0.2水泵排水，当涌出量较大时，则用BQS20-50-7.5水泵排水。4结语为实现2 5采区大煤柱安全回收，结合现场条件，将煤柱工作面回采巷道布置在距离采空区5m位置，通过留设小煤柱为巷道围岩控制创造良好应力环境。2#煤层埋深较浅，采空区侧向应力及采面动压等现象不明显，结合以往巷道掘进经验，提出采用12#工字钢+锚索方式进行支护，采用的工字钢长度为3.8 5m，在工字钢与顶煤、巷帮间采用原木背实，增强工字钢对围岩控制效果；顶板锚索采用“三二”布置方式，并通过W钢带连接，加大顶板支护强度。现场应用后，巷道围岩变形量整体较小,其中，顶底板、两帮变形量分别控制在7 6 mm、112 m m 以内。在巷道掘进期间，通过施工疏排水钻孔及时排除采空区内积水，确保采空区水位在安全范围内，不会给巷道掘进及后续采面回采带来影响。在巷道掘进期间未出现异常1曹建波.大巷煤柱回收综采面矿压显现规律及控制研究D.徐州：中国矿业大学，2 0 2 2.2李晓飞.浅谈区段煤柱回收工作面的巷道围岩控制J.江西煤炭科技,2 0 19(3):7-10.3赵书浩.采区巷道煤柱回收开采设计及实践J.内蒙古煤炭经济,2 0 18(15):119-12 0+139.4丁晋升.煤柱回收工作面防灭火技术研究J.煤炭与化工，2018,41(5):124-127.5陶宏斌.厚硬顶板切顶留巷最优参数及围岩稳定性分析J.中国矿山工程,2 0 2 3,52(1):6 0-6 6.6申李华.残留煤柱回收工作面回采巷道支护技术及应用J.煤，2015,24(2):32-33+48.7周煜博，秦征远,王若帆.残留煤柱回收工作面巷道合理布置研究J.煤炭技术,2 0 14,33(10)：130-133.8武冲锋.组合锚注支护在深部大断面巷道围岩控制的应用J.中国矿山工程,2 0 2 2,51(4):56-6 1.(责任编辑：李顺）(上接第 152 页)素是空载损耗，并应用有限元分析软件Ansoft分析了牵引电子定转子在空载运行状态下的温度场情况，发现了电机内部各点温度存在差异，实现了对定转子各自温度情况的独立研究。基于以上研究结果,本文提出了改进措施，通过设计笼型焊接机座，并在其中应用定子铁心不退火的方案，不仅能控制牵引电机损耗值的一致性，还能够解决电机温升高的问题。牵引电机改进后，在试运行过程中表现良好，并未再出现温升高的情况。参考文献1李世杰，孙吉华.空载损耗对牵引电机温升的影响分析研究J.铁道机车与动车，2 0 17(11):38-39+48.2庞聪,胡彬.永磁同步牵引电机的温升计算研究J.防爆电机，2019,54(2):15-17.3马青林.动车组牵引电机轴承温升不降的探讨J.城市建设理论研究（电子版）,2 0 16(6)：2 454-2 454.4王攀攀.电机变频运行时定子线圈温升分析J.装备制造技术,2 0 19(7):45-47+6 2.5孙德强，李嘉宾，倪伟，等.永磁直驱牵引电机磁钢分段对轴承温升的影响J.铁道机车车辆，2 0 2 2,42(4):8 0-8 4.6于海涛，邓日江，崔斯柳.电力机车牵引电机温升偏高的分析与优化J.电机技术,2 0 2 1(3):2 7-2 9.7于勇，马周聪，刘亚云.高速动车组轮径差与牵引电机功率及温升耦合性研究J.电源学报,2 0 2 1,19(4)：10 3-111.8张维伟，丰帆郑国丽，等.定子轴向通风孔对永磁同步牵引电机绕组温升的影响J.电机与控制应用,2 0 2 0,47(11)：51-55.（责任编辑：周贵兰）2023|16期/155