高速铁路大功率牵引电机电热场有限元分析

作者：崔 易            单位：西南交通大学 电气工程学院

[ 摘 要 ]

针对牵引电机大功率化引起的运行时热点温度超限，以及定子绕组绝缘故障的问题，以CRH2动车组MT205型大功率牵引电机为研究对象，建立了牵引电机三维有限元分析模型。将电磁分析得到的损耗作为热源激励，提出使用有效导热系数描述气隙热交换能力，利用Infolytica MotorSolve电机有限元分析软件，计算出额定负载下牵引电机定转子全域电磁场和温度场分布。分析结果表明，转子区域的平均温度高于定子达40℃，电机运行时最高温度为166℃。最高温度位于转子出风口侧导条外表面与转子端环交界处；定子绕组温度显著高于定子铁心，而转子鼠笼条温度略高于转子铁心；定子铁心齿中部热应力比齿顶和轭部大。通过对电机定子温度场影响参数化分析，并且与电机厂家出厂时温升试验结果对比，验证仿真结果的准确性。

高速铁路的快速发展，对牵引电机的容量和运行可靠性的提出越来越高的要求。牵引电机受机车安装空间的制约，其体积受到严格限制，功率密度不断增大。此外，动车组广泛采用交流传动PWM 变频调速系统进行牵引控制，牵引电机工作在一系列大幅高频陡上升沿方波脉冲下，高频谐波将进一步增加电机内部损耗，由此造成电机各部件发热严重，导致局部热点温度频繁超限，从而影响电机寿命。定子绕组线圈受热膨胀时，会加速绝缘降解老化，导体内部各部分间由于受热变形出现相对位移时，甚至会引起绝缘剥蚀。目前，绝缘破坏成为牵引电机三大多发故障（绝缘、转子断条、轴承）之一，因此准确分析牵引电机温度场分布，计算电机热点温升和位置，从而对牵引电机通风结构设计优化，是目前大功率牵引电机设计制造的重要问题。

充分考虑电机的热源，准确计算电机各部件的散热系数从而准确计算电机温升是国内外学者研究的热点。 由于电机是非均质体，在电机的温度场分析计算中，传统方法多采用等效热路法来计算电机的平均温升，从而无法全面了解电机具体温度的分布情况及热点的位置。文献考虑电机热源分布的不均匀性，采用电磁——热耦合方法针对电机轴向中心截面建立二维温度场模型，但未考虑电机轴向温度变化。国内学者对电机温度场计算也开展了一系列研究，但对热源分布的不均匀性考虑不够，仅文献针对异步电机转子导条断裂故障问题，计算了转子三维温度场及热应力场。

本文采用有限元计算方法，以CRH2动车组上采用的MT205型大功率牵引电机作为研究对象，基于Infolytica MotorSolve电机有限元分析软件，建立了具有轴向强制风冷结构的牵引电机定、转子有限元模型。根据经验公式求得各处换热系数，计算了额定负载下电机定子、转子的电磁场，稳态温度场分布以及电机的温升曲线，最后通过与型式试验结果对比，验证了模型的有效性。

2 电机电磁场分析

动车组牵引电机大多由电压源型逆变器提供能量，逆变器采用PWM 控制技术，输出电压中含有大量谐波。由于电机机械尺寸轴向对称，建立牵引电机二维有限元模型，如图1所示。表1为牵引电机的设计参数。

采用有限元的方法对电机的二维电磁场进行分析时，作以下基本假设：1）电磁计算时忽略定子铁芯外圆的漏磁和电磁量轴向分量；2）忽略温度对电导率，磁导率等电磁参数的影响；3）铁耗计算时，不考虑旋转磁通的作用。

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