牽引電機(jī)溫升計(jì)算方法及降低措施研究

何沖，崔斯柳，王昕

（中車株洲電機(jī)有限公司，湖南株洲，412001）

0 引言

電機(jī)溫升是決定電機(jī)絕緣壽命的主要因素[1]。電機(jī)溫升主要取決于電機(jī)運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的熱量及本身的通風(fēng)散熱能力[2]。電機(jī)運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的熱量主要來(lái)自定子銅耗、定子鐵耗及轉(zhuǎn)子銅耗。由于轉(zhuǎn)子鐵耗較小，計(jì)算時(shí)一般都忽略不計(jì)[3]。電機(jī)的通風(fēng)散熱能力主要取決于通風(fēng)量、風(fēng)量結(jié)構(gòu)合理性及各種材料的導(dǎo)熱能力。

近年來(lái)，隨著牽引電機(jī)的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度不斷提高，電機(jī)溫升問題已經(jīng)成為影響牽引電機(jī)性能進(jìn)一步發(fā)展的主要問題之一。相應(yīng)地，合理的通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、準(zhǔn)確的通風(fēng)量及溫升預(yù)估已經(jīng)成為牽引電機(jī)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。

1 溫升的定義及限值

■1.1 溫升的定義

電機(jī)溫升是指電機(jī)的溫度與環(huán)境溫度之差，單位用K表示。牽引電機(jī)的通風(fēng)方式主要有自通風(fēng)與強(qiáng)迫通風(fēng)兩種[4]。對(duì)于自通風(fēng)的電機(jī)，計(jì)算電機(jī)溫升時(shí)的環(huán)境溫度一般取電機(jī)周圍1米范圍內(nèi)的環(huán)境溫度。對(duì)于強(qiáng)迫通風(fēng)的電機(jī)，計(jì)算電機(jī)溫升時(shí)的環(huán)境溫度一般取電機(jī)進(jìn)風(fēng)口的冷卻風(fēng)溫度。

■1.2 溫升限值

電機(jī)的溫升限值是電機(jī)運(yùn)行時(shí)所能承受的最高溫升。在合理的溫度環(huán)境中，電機(jī)在此溫升下長(zhǎng)期使用，絕緣材料的物理、化學(xué)、機(jī)械及電氣性能不會(huì)發(fā)生顯著惡性變化。

電機(jī)的溫升限值取決于電機(jī)所采用的絕緣材料等級(jí)，目前國(guó)內(nèi)常見的牽引電機(jī)大多采用的是200級(jí)絕緣。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25123.2的要求，采用200級(jí)絕緣的牽引電機(jī)的溫升限值為200K[5]，該溫升限值為采用電阻法測(cè)得的定子繞組溫升。

2 電機(jī)溫升過高的影響

■2.1 造成繞組燒損

電機(jī)溫升過高，會(huì)加速繞組絕緣的老化，引起繞組絕緣出現(xiàn)匝間短路、相間短路或?qū)Φ囟搪返裙收希罱K使繞組燒損。

■2.2 縮短使用壽命

目前國(guó)內(nèi)常見的牽引電機(jī)大多采用的是200級(jí)絕緣，該絕緣結(jié)構(gòu)在200℃溫度的使用壽命約為8萬(wàn)小時(shí)。根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，該絕緣結(jié)構(gòu)使用溫度每上升10℃后，使用壽命將減半，即電機(jī)溫升增加20K后，絕緣壽命將縮減為原來(lái)的1/4。因此，電機(jī)溫升過高會(huì)縮短電機(jī)繞組絕緣的使用壽命。

■2.3 引起軸承故障

電機(jī)溫升過高，繞組帶來(lái)的熱輻射會(huì)提高傳動(dòng)端及非傳動(dòng)端軸承室的溫度，軸承室溫度的提高會(huì)加速軸承潤(rùn)滑脂的老化，降低軸承潤(rùn)滑脂的潤(rùn)滑作用，導(dǎo)致軸承磨損加劇，輕者軸承損壞，重者還會(huì)引起轉(zhuǎn)子掃堂。

3 溫升計(jì)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(fā)熱來(lái)自定子繞組直線部分電磁線通電后產(chǎn)生的熱量。繞組直線部分的電磁線通電后產(chǎn)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(cè)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(zhuǎn)子之間的氣隙散出。其計(jì)算方法如下：

式中：A—定子線負(fù)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(zhǎng)(mm)。

從式（1）可知，造成繞組直線部分溫升θu的發(fā)熱來(lái)自于電機(jī)的熱負(fù)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(zhǎng)Π。

因此，降低繞組直線部分溫升θu的措施有：減小電機(jī)的熱負(fù)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(zhǎng)Π。

■3.2 繞組端部部分溫升θΠ

定子繞組端部部分的發(fā)熱來(lái)自定子繞組端部部分的電磁線通電后產(chǎn)生的熱量。繞組端部部分的電磁線通電后產(chǎn)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(jì)算方法如下：

式中：aΠ—繞組端部比熱流(W/cm2)，—冷卻風(fēng)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(fā)熱來(lái)自于電機(jī)的熱負(fù)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(zhǎng)Π、冷卻風(fēng)扇的葉片圓周速度VF（即風(fēng)量大小）。

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

■3.3 定子鐵心表面溫升aθ

電機(jī)運(yùn)行時(shí)的定子鐵耗主要由定子通風(fēng)孔內(nèi)表面及定子鐵心外表面散出。其計(jì)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(nèi)徑(mm)；l—鐵心長(zhǎng)度(mm)；ρ—熱影響系數(shù)，一般取0.02～0.03；av—定子散熱系數(shù)(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(fā)熱來(lái)自于電機(jī)的熱負(fù)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(nèi)徑Di1、鐵心長(zhǎng)度l、熱影響系數(shù)ρ、冷卻風(fēng)扇的葉片圓周速度VF（即風(fēng)量大小）。

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

■3.4 總溫升θ

電機(jī)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(zhǎng)度及端部長(zhǎng)度對(duì)各部位溫升的影響。其計(jì)算方法如下：

式中：lΠ—繞組端部長(zhǎng)度(mm)；lz—繞組平均半匝長(zhǎng)(mm)。

從式（4）可知，降低電機(jī)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(zhǎng)度lΠ和增加繞組平均半匝長(zhǎng)lz。

4 計(jì)算方法驗(yàn)證

根據(jù)上述計(jì)算方法所得的電機(jī)溫升值為牽引電機(jī)設(shè)計(jì)過程中的理論計(jì)算值，理論計(jì)算值的準(zhǔn)確性需要通過試驗(yàn)驗(yàn)證。以下將通過試驗(yàn)值與計(jì)算值的對(duì)比來(lái)驗(yàn)證上述計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。以我司研制的兩種型號(hào)機(jī)車牽引電機(jī)為例，電機(jī)參數(shù)、溫升計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比如表1所示。

表1 電機(jī)主要參數(shù)及溫升值

通過表1的數(shù)據(jù)可知，對(duì)于電機(jī)A，溫升計(jì)算值為116K、溫升試驗(yàn)值為106K、計(jì)算誤差為6.1%；對(duì)于電機(jī)B，溫升計(jì)算值為107K、溫升試驗(yàn)值為101K、計(jì)算誤差為5.6%。

采用上述方法計(jì)算的兩種不同型號(hào)電機(jī)的溫升計(jì)算值與試驗(yàn)值偏差分別為6.1%和5.6%，計(jì)算誤差在工程允許的誤差范圍內(nèi)，驗(yàn)證計(jì)算方法可行[7]。對(duì)于電機(jī)設(shè)計(jì)的溫升計(jì)算來(lái)說(shuō)，能夠滿足計(jì)算要求，并對(duì)方案的選取起指導(dǎo)作用。

5 結(jié)語(yǔ)

溫升計(jì)算是電機(jī)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，在電機(jī)設(shè)計(jì)階段，需要計(jì)算多個(gè)方案進(jìn)行性能參數(shù)對(duì)比，而電機(jī)的溫升是性能參數(shù)對(duì)比的重要環(huán)節(jié)。因此，準(zhǔn)確的電磁計(jì)算、適當(dāng)?shù)娘L(fēng)量選取、合理的風(fēng)路設(shè)計(jì)是判斷電機(jī)設(shè)計(jì)是否合理的重要依據(jù)。通過對(duì)溫升計(jì)算方法及改善措施的研究，避免由于溫升過高而導(dǎo)致電機(jī)設(shè)計(jì)不合理及影響電機(jī)使用壽命。