牽引電機溫升計算方法及降低措施研究

何沖，崔斯柳，王昕

（中車株洲電機有限公司，湖南株洲，412001）

0 引言

電機溫升是決定電機絕緣壽命的主要因素[1]。電機溫升主要取決于電機運行過程中所產生的熱量及本身的通風散熱能力[2]。電機運行時所產生的熱量主要來自定子銅耗、定子鐵耗及轉子銅耗。由于轉子鐵耗較小，計算時一般都忽略不計[3]。電機的通風散熱能力主要取決于通風量、風量結構合理性及各種材料的導熱能力。

近年來，隨著牽引電機的功率密度和轉矩密度不斷提高，電機溫升問題已經成為影響牽引電機性能進一步發展的主要問題之一。相應地，合理的通風結構設計、準確的通風量及溫升預估已經成為牽引電機設計的重要內容之一。

1 溫升的定義及限值

■1.1 溫升的定義

電機溫升是指電機的溫度與環境溫度之差，單位用K表示。牽引電機的通風方式主要有自通風與強迫通風兩種[4]。對于自通風的電機，計算電機溫升時的環境溫度一般取電機周圍1米范圍內的環境溫度。對于強迫通風的電機，計算電機溫升時的環境溫度一般取電機進風口的冷卻風溫度。

■1.2 溫升限值

電機的溫升限值是電機運行時所能承受的最高溫升。在合理的溫度環境中，電機在此溫升下長期使用，絕緣材料的物理、化學、機械及電氣性能不會發生顯著惡性變化。

電機的溫升限值取決于電機所采用的絕緣材料等級，目前國內常見的牽引電機大多采用的是200級絕緣。根據國家標準GB/T 25123.2的要求，采用200級絕緣的牽引電機的溫升限值為200K[5]，該溫升限值為采用電阻法測得的定子繞組溫升。

2 電機溫升過高的影響

■2.1 造成繞組燒損

電機溫升過高，會加速繞組絕緣的老化，引起繞組絕緣出現匝間短路、相間短路或對地短路等故障，最終使繞組燒損。

■2.2 縮短使用壽命

目前國內常見的牽引電機大多采用的是200級絕緣，該絕緣結構在200℃溫度的使用壽命約為8萬小時。根據試驗經驗，該絕緣結構使用溫度每上升10℃后，使用壽命將減半，即電機溫升增加20K后，絕緣壽命將縮減為原來的1/4。因此，電機溫升過高會縮短電機繞組絕緣的使用壽命。

■2.3 引起軸承故障

電機溫升過高，繞組帶來的熱輻射會提高傳動端及非傳動端軸承室的溫度，軸承室溫度的提高會加速軸承潤滑脂的老化，降低軸承潤滑脂的潤滑作用，導致軸承磨損加劇，輕者軸承損壞，重者還會引起轉子掃堂。

3 溫升計算方法及降低措施

■3.1 繞組直線部分溫升uθ

定子繞組直線部分的發熱來自定子繞組直線部分電磁線通電后產生的熱量。繞組直線部分的電磁線通電后產生的一部分熱量通過電磁線的匝間絕緣、繞組的外包絕緣向定子槽的兩側及底部鐵心散出；另一部分熱量通過電磁線的匝間絕緣、繞組的外包絕緣、槽楔向定轉子之間的氣隙散出。其計算方法如下：

式中：A—定子線負荷(A/cm)；J1—定子電流密度(A/mm2)；t—定子齒距(mm)；δu—匝間及外包絕緣層總厚度(mm)；Π—定子槽周長(mm)。

從式（1）可知，造成繞組直線部分溫升θu的發熱來自于電機的熱負荷A×J1，影響繞組直線部分溫升θu的散熱因素為定子齒距t、匝間及外包絕緣層總厚度δu、定子槽周長Π。

因此，降低繞組直線部分溫升θu的措施有：減小電機的熱負荷A×J1、減小定子齒距t、減小匝間及外包絕緣層總厚度δu、增加定子槽周長Π。

■3.2 繞組端部部分溫升θΠ

定子繞組端部部分的發熱來自定子繞組端部部分的電磁線通電后產生的熱量。繞組端部部分的電磁線通電后產生的熱量通過電磁線的匝間絕緣、繞組的外包絕緣向繞組端部的空氣部分散出。其計算方法如下：

式中：aΠ—繞組端部比熱流(W/cm2)，—冷卻風扇的葉片圓周速度(m/s)。

從式（2）可知，造成繞組端部部分溫升θΠ的發熱來自于電機的熱負荷A×J1，影響繞組直線部分溫升θΠ的散熱因素為定子齒距t、定子槽周長Π、冷卻風扇的葉片圓周速度VF（即風量大小）。

因此，降低繞組端部部分溫升θΠ的措施有：減小電機的熱負荷A×J1、減小定子齒距t、增加定子槽周長Π、增加冷卻風扇的葉片圓周速度VF（即增加風量大小）。

■3.3 定子鐵心表面溫升aθ

電機運行時的定子鐵耗主要由定子通風孔內表面及定子鐵心外表面散出。其計算方法如下：

式中：ac—定子表面比熱流[6](W/cm2)，

Pfe—定子鐵耗(kW)；Ps—雜散損耗(kW)；D1——定子外徑(mm)；Di1—定子內徑(mm)；l—鐵心長度(mm)；ρ—熱影響系數，一般取0.02～0.03；av—定子散熱系數(A/ (oC?cm2))，av=3.3×10?3(1 + 0.1VF)。

從式（3）可知，造成定子鐵心表面溫升θa的發熱來自于電機的熱負荷A×J1、定子鐵耗Pfe、雜散損耗Ps，影響定子鐵心表面溫升θa的散熱因素為定子外徑D1、定子內徑Di1、鐵心長度l、熱影響系數ρ、冷卻風扇的葉片圓周速度VF（即風量大小）。

因此，降低定子鐵心表面溫升θa的措施有：減小電機的熱負荷A×J1、減小定子鐵耗Pfe、減小雜散損耗Ps、減小定子內徑Di1、增加定子外徑D1、增加鐵心長度l、增加冷卻風扇的葉片圓周速度VF（即增加風量大小）。

■3.4 總溫升θ

電機總溫升為定子繞組直線部分溫升、定子繞組端部部分溫升及定子鐵心表面溫升之和，并考慮繞組直線部位長度及端部長度對各部位溫升的影響。其計算方法如下：

式中：lΠ—繞組端部長度(mm)；lz—繞組平均半匝長(mm)。

從式（4）可知，降低電機總溫升，除了上述降低繞組直線部分溫升uθ、繞組端部部分溫升θΠ、定子鐵心表面溫升aθ的措施外，還可以減小繞組端部長度lΠ和增加繞組平均半匝長lz。

4 計算方法驗證

根據上述計算方法所得的電機溫升值為牽引電機設計過程中的理論計算值，理論計算值的準確性需要通過試驗驗證。以下將通過試驗值與計算值的對比來驗證上述計算方法的準確性。以我司研制的兩種型號機車牽引電機為例，電機參數、溫升計算值與試驗值的對比如表1所示。

表1 電機主要參數及溫升值

通過表1的數據可知，對于電機A，溫升計算值為116K、溫升試驗值為106K、計算誤差為6.1%；對于電機B，溫升計算值為107K、溫升試驗值為101K、計算誤差為5.6%。

采用上述方法計算的兩種不同型號電機的溫升計算值與試驗值偏差分別為6.1%和5.6%，計算誤差在工程允許的誤差范圍內，驗證計算方法可行[7]。對于電機設計的溫升計算來說，能夠滿足計算要求，并對方案的選取起指導作用。

5 結語

溫升計算是電機設計的重要內容，在電機設計階段，需要計算多個方案進行性能參數對比，而電機的溫升是性能參數對比的重要環節。因此，準確的電磁計算、適當的風量選取、合理的風路設計是判斷電機設計是否合理的重要依據。通過對溫升計算方法及改善措施的研究，避免由于溫升過高而導致電機設計不合理及影響電機使用壽命。