3.第三章异步牵引电机设计

第五章异步牵引电动机设计第一节异步牵引电动机的设计特点随着大功率的晶闸管特别是IGBT的出现和微机控制技术等的发展，促使机车电传动技术由交直传动转向交流传动，并成为现代机车发展的方向。

特别是提出加速实现铁路机车车辆装备现代化的任务之后，交流传动系统在高速、重载干线机车、城市轨道交通、城际动车等方面都较快的发展起来。

交流传动机车与交直传动机车相比有以下优点：构造简单；粘着性能好；功率大，牵引力大；可靠性高，维修简便；效率高，利用率高，使用灵活性强；动力性能好、制动性能好等。

而异步牵引电动机和传统的串激直流牵引电动机相比，具有以下优点：1．异步牵引电动机的优点交流传动技术是一门综合技术，但其本质的特点是牵引电动机采用了交流异步电动机，其一系列的优点都是由此而表现出来的。

（1）在相同的输出功率下，体积较小、重量较轻。

与直（脉）流牵引电动机的重量比相比约为1：1.6。

在转向架的有限安装空间内可以设置更大功率的电机。

（2）结构简单、维修工作量少，减少了维修费用，延长检修周期。

（3）部分与转速有关的限制条件如换向器表面线速度的限制等都不存在，异步牵引电机有较高的机械强度。

（4）能在静止状态下任意的时间内发出满转矩，这对于复杂线路条件下，重载起动特别重要。

（5）有良好的牵引性能。

可实现大范围的平滑调速。

其硬的机械特性有自然防空转的性能，使粘着利用提高。

（6）通过改变逆变器任意两相可控元件的触发顺序就可改变电机转向，改变频率就可从电动牵引状态到发电制动状态，与直流控制系统相比，可省略不少元器件。

2．异步牵引电动机的设计特点2.1一般鼠笼式异步电机设计以50Hz电网电源供电为目标,针对恒频恒压电源设计的。

重点考虑50Hz的力能及起动性能指标的，其基本设计要点是:(1)满足所需要的启动特性；(2)具有良好的稳定运行状况；(3)制造简便。

这样的电机在变频器供电下，其效率、功率因数等稳态性能都有所下降，且电机绝缘、噪声及其它故障情况也趋于恶化。

2.2交流变频异步电动机的设计对变频器供电下的异步电机，实际上仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。

例如：标准设计的三相异步电动机是380V，50Hz。

如果电压不变，只改变频率，会产生什么问题？380V不变，频率下调(<50Hz)，会使电机气隙磁通φ(约等于V/F)饱和；反之，380V不变，频率向上调(>50Hz)，则使磁通减弱。

所以，真正应用变频调速时，一般需要同时改变电压和频率，以保持磁通基本恒定。

因此，变频调速器又称为VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装置。

2.32．异步牵引电动机的基本结构异步牵引电动机主要由定子和转子两部分组成。

定子通常是无机壳叠片形式，铁芯两端装有厚压板，压板间用拉杆或钢板固定，用电焊将压板、铁芯和拉杆等焊成一个整体。

定子压板又作为转子轴承支架，通过端盖和压板的止口来固定转子部分。

转子通常是鼠笼型，其绕组用铝或铜合金铸成，容量较大的牵引电动机则采用铜材料制成。

由于异步牵引电动机都采用降低频率起动，起动时集肤效应很小，从磁路饱和及结构简单的理由考虑，转子可以采用矩形槽。

考虑到变频异步电动机控制方式复杂和运行条件恶劣，异步牵引电动机结构上有如下特点。

（1）由于异步牵引电动机运行时，需承受来自线路的强烈振动，因此需采用比普通异步电动机较大的气隙（通常为1.5mm~2.5mm)。

（2）定子槽型一般采用开口型，这样可以用成型绕组以获得良好的绝缘性能，增加运行的可靠性。

对于选用气隙较小的电机，可在定子槽口开通风槽口，这样可增加通风效果，同时还可以增加电机漏抗，减小谐波电流的影响。

（3）定、转子铁芯冲片选用0.5mm 厚的高导磁、低损耗的冷轧硅钢片；为了减少损耗，要求定子铁心内圆和转子铁心外圆不得加工。

转子铁芯与轴采用热套固定，取消键槽配合，以满足牵引电机频繁正反起动的要求。

（4）鼠笼转子的导条与端环间的联接用感应加热银铜钎焊，对于最大转速较大的牵引电动机，可在端环外侧热套非磁性护环，以增加强度和刚度。

（5）采用耐热等级高、厚度薄的聚酰亚胺薄膜和云母带作定子主绝缘。

并通常选用C 级绝缘材料作H 级温升使用，以提高电机热可靠性。

（6）开始使用绝缘轴承，阻止由于三相电流不平衡时产生的轴电流流过轴承，避免轴承受到电腐蚀，保证轴承寿命。

（7）为配合变频调速系统进行转速（差）闭环控制和提高控制精度，在电机内部应考虑装设非接触式转速检测器。

（8）为适应高速列车运行需要，异步牵引电动机大多采用全悬挂方式（或称架承式悬挂），这种悬挂方式的优点是电机的全部重量都在簧上，大大减少了冲击和振动对电机的影响。

架承式电机又分为实心轴和空心轴两种传动方式。

实心轴传动多用于中型牵引电动机，如德国西门子公司在地铁车辆上设计厂专用的球形万向联轴节，置于轴伸和小齿轮中间，以补偿运行中轮对和电机间相对垂直位移，避免电机承受弯矩和轴向力，延长轴承寿命。

空心轴多用于电力机车用的大容量的牵引电动机，动轴两端采用齿形联轴节结构，便于拆装。

第二节 异步牵引电动机的电磁设计1.概述异步牵引电动机的设计必须与逆变器、机械传动装置相匹配共同满足机车的牵引特性。

也就是说异步电动机、逆变器和控制单元三者构成了一个系统。

如何从调速系统的总体性能指标出发，求得异步电动机与逆变器的最佳配合，是异步牵引电机设计的特点。

与传统异步电动机相比，一般变频调速异步电机设计有如下一些特点：（1）电机的额定值、电压、频率及效率值的选定，应从系统最优的原则来确定，不受工频电网的限制。

（2）异步牵引电动机可以通过变压变频的方式使电机能在恒定转矩下升速，不会出现高转差频率的运行，因此电机不必具有工频起动性能，设计中不受起动性能的限制，电机槽形的选择不再受起动转矩的影响，而是变为主要基于漏抗的考虑。

（3）在运行中保持转子磁通不变时，电机的机械特性是一条直线，不存在最大转矩倍数对设计中漏抗取值的限制。

（4）电机的阻抗参数影响整个变频调速系统，它的取值对系统的性能有着重大的影响，因此设计时应根据装置和电机两者的技术、经济的合理性进行综合分析，从总体的角度来确定。

2 电机的变频调速原理从异步电动机的转速关系式 p f s n n /60)1(11=-=可见，要改变异步电动机的转速，可以从下列三各面入手： （1）改变电动机定子绕组的极对数p ； （2）改变电动机的转差率s 。

（3）改变电动机所接电源的频率f 1以改变n 1，即所谓变频调速； 3谐波等效电路考虑时间和空间谐波磁场作用的异步电机等值电路如图5- 1所示。

对各次时间谐波而言，产生的空间基波磁场和各次谐波磁场是由同一定子电流所产生的，而且各次空间谐波磁场在定子绕组中感应电势的频率都为相应的时间谐波频率，因而对各次时间谐波而言，定子绕组可以看成一系列的“空间谐波电动机”串联而成。

为了得到上述等效电路，做了以下假设： （1）电机空间磁势仅由基波电流所产生； （2）忽略集肤效应；（3）定转子开槽对气隙的影响通过气隙系数用有效气隙长代替实际气隙长，同时忽略气隙磁导谐波磁场的影响；（4）忽略饱和影响。

4 谐波影响谐波可能对电动机造成以下几方面的影响：（1）电压谐波引起的电流谐波和磁通谐波，产生附加的铜耗和铁耗，致使电机的电流较大，温升较高。

（2）产生附加脉动转矩和寄生振荡转矩。

（3）噪音。

（4）振动。

5基本尺寸 L 、D 1的确定电机有效体积正比于电机功率（计算），反比于电机转速，反比于电负荷及磁负荷；在电机功率一定时，电机的有效体积取决于nP '，如下式：D ——异步牵引电动机的定子铁心内径 L ——铁心有效长度 'P ——计算功率n ——电机转速 A S ——定子线负荷δB A n P L D s /'2∝图5-1谐波等效电路Bδ——气隙磁密电机的设计容量是指电机计算功率'P与转速的比值，即电机的转距。

电机功率一定时，其转速越高，转距越小，设计容量也越小；在转速一定时，电机功率越大，则设计容量越大。

因牵引电机D与L 受限于车体允许空间，因此，调整的范围有限。

6电压、频率与极数的选择目前交流传动机车大部分采用电压型逆变器。

电压型逆变器供电的电机要求较大的漏电抗，故应选取较高的电压。

因为漏电抗与绕组匝数的平方成正比，当电机额定功率不变时，电压越高则电流越小，绕组匝数越多，绕组的漏电抗越大。

各型牵引电机的尺寸基本在一定范围内，转速也基本在一定范围内。

极数少，定子绕组端部增长，漏电抗增大。

反之，极数多，定子绕组端部较短，漏抗较小。

对于电压型逆变器供电的电机适合选取较少的极数。

当电机转速相同时，极数少，定子绕组端部长，增加了电机的轴向长度。

同时由于极数少而使每极磁通增大，相应的定子轭部高度增加，从而使定子铁心外径增大。

极数增多后，相应增加了电机的供电频率，不仅会增加逆变器功率元件的开关损耗，而且会增加电机的损耗。

因此，电机极数应综合多方面的因素来选取。

异步牵引电机一般采用4、6极。

7 电磁负荷与气隙的选择电机定、转子漏抗与电负荷A成正比而与磁负荷Bδ成反比。

电机的气隙与励磁电流大小有关。

气隙越大，励磁电抗越小，励磁电流越大。

电压型逆变器供电的电机应取较大的电负荷和较小的磁负荷，以增大励磁电抗而减小励磁电流。

同时，气隙磁密太高、气隙太小会带来振动与噪音增加，谐波转矩与附加损耗增加等不理因素，应综合考虑电磁性能、结构要求和生产工艺所允许的较小气隙。

8．绕组与槽形设计对于电压型逆变器供电的电机，为了增加漏抗，通常把定子槽形设计成窄而深。

为了减少基波和谐波电流的铜耗，定子绕组电阻越小越好，并且尽可能减少定子绕组的集肤效应。

例如采用导体平放布置或采用多根互相绝缘的导体并联。

因转子导条一般采用纯铜或黄铜型材，所以转子槽形主要有矩形与梯形两种。

9.转差率牵引电动机并联运行时，各台电动机应有相当接近的转速－转矩特性和转差率，转速－转矩特性偏差将导致电机的负荷不均，而转差率较大的电动机，对因轮径偏差引起的电机负荷分配不均有抑制作用，同时较大的转差率对控制系统的精度和稳定性要求较低，综合以上考虑，牵引电动机的转子导条与端环应考虑有较高的电阻率，但电阻率的提高将导致电机效率下将，转子温升增大。

随着控制技术与控制理论的进步，这一要求已在逐渐改变。

10逆变器与电动机的匹配异步牵引电动机的转矩特性M=f(n)和电压特性U1=f(n)以及电流特性I1=f(n)画出，如图2所示。

图6-2 异步牵引电动机特性示意图10.1大逆变器匹配（1）逆变器的额定功率P N 的计算：在升压恒功区BC 段，逆变器有两个额定工况： 1）特征点B 为低电压U min ，大电流I max 工况，其额定功率 P N =U min ·I max (kW)…………………………………⑴ 2）特征点C 为高电压U max ，小电流I min 工况，其额定功率 P N =U max ·I min (kW) ………………………………⑵ 3）公式⑴与公式⑵的值完全相等，所以其额定功率 P N = U min ·I max = U max ·I min (kW) …………………⑶ （2）逆变器容积功率P i 的计算：在升压恒功区BC 段由于逆变器有两个额定工况，在设计逆变器时，其电流将按最大电流Imax 设计，其电压将按最高电压U max 设计，所以逆变器的设计容量（或设计功率）P i 为： UN i K P U U U I U I P ⋅=⋅=⋅=minmax minmax max max (kW) …………⑷由公式⑷可以看出，逆变器的容积功率Pi 等于额定功率P N 与调压比minmax U U K U =的乘积。