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摘 要：机车牵引电机由逆变器供电，牵引系统联调试验时，逆变器输出的电流或电压中均含有大量的高次谐波，使牵引电机定、转子电流和高次谐波铁损增加，从而使牵引电机定子绕组温升增加。因此，牵引电机在进行逆变器供电温升试验时，经常出现绕组温升偏高问题。本文对一台大功率交流传动电力机车牵引电机逆变器供电绕组温升偏高问题进行了分析，提出了一种通过对牵引电机本体通风结构的优化，来实现定子绕组温升有效控制的方法。
关键词：牵引电机;定子绕组;温升
引言
HXD1型电力机车在部分机务段投入运用以来，陆续出现6A系统走行部监测子系统牵引电机传动端轴承温升报警问题，但机车回段后对走行部进行检测确认牵引电机各部件状态良好，库内顶轮检测机车各电机轴承状态良好，齿轮箱润滑油位正常。本文结合兰渝线线路数据、机车网络系统数据、LKJ数据、6A系统走形部监测传动端轴承温度、温升、环境温度数据，对HXD1型电力机车牵引电机轴承温升报警原因进行了分析，同时为快速解决HXD1型电力机车牵引电机传动端轴承温升报警问题提供有效的措施及方案。
1温升试验的必要性
电力机车牵引电传动系统主要由网侧电路、牵引变压器、主变流器、牵引电机等组成。在运行过程中，受电弓从接触网上受流，单相交流高压电经牵引变压器降压后传入牵引变流器，整流逆变为三相交流电，最终进入牵引电机绕组。其中，牵引电机由大量的绕组线圈组成，是系统中最主要的阻性部件，也是系统工作过程中最大的发热部件。因此，牵引电传动系统的温升试验需要着重关注其变化。IEC60349-2：2010，GB755—2008，TB/T2519—1995等标准均对牵引电机装车前和装车后的温升测试进行了相应的规定。据此，电力机车整车型式试验中也相应地规定了牵引电机温升试验项目，主要测量牵引电动机绕组装车后的持续温升，确认牵引设备在设计温升限值内按规定负载周期运行的能力。
2电力机车牵引电机温升偏高的分析与优化
2.1审核技术设计
审核技术设计对牵引电机定子绕组温升偏高问题的源头定位作用明显，经全面、反复、多次深入分析，找到异常问题与技术设计的相关性，可有效为温升和静压异常问题提供正确的解决方向。（1）电磁结构审核电磁结构审核包含电机总体数据，定、转子冲片数据，定、转子槽数据，定子线圈数据和转子导条数据等。通过对该类数据进行梳理、分析，并比较本牵引电机电磁结构与原型机的差异，判断电磁结构参数设计是否合理，是否存在由异常电磁结构设计导致的电机严重发热。比如，该牵引电机相对原型机铁心长度增加了140mm，对轴向通风散热结构的电机而言，两端冷却效果的差异很大。（2）电磁参数审核电磁参数审核包含牵引电机额定电压、电流、功率因数和效率等性能参数;磁通、磁密和满载电势标么值等磁负荷参数;电密、热负荷和损耗等热性能参数;电阻、电感和电抗等主电路参数等。通过对该类数据进行分析，并比较本牵引电机电磁参数与原型机的差异，确定哪些参数存在异常，从而影响电机的发热和散热。比如，该牵引电机在磁负荷和原型机一致的情况下，因工作频率不同，铁耗相差约3倍。
2.2牵引性能影响分析
通过对线路状态的分析发现，兰渝线下行存在约103km连续长大上坡道，其中坡度13‰的坡道长为69.88km，最长坡道为11.95km，大于10‰小于13‰的坡道为24.41km，且其中大多数坡道坡度为12.8‰，低于10‰的坡道长度6.63km。根据线路坡度情况进行了HXD1型机车牵引能力的计算，在该区间运行时，当牵引吨位超过3500t列车运行均衡速度低于机车恒功速度65km/h，由此可见机车牵引吨位较大时，在此困难区间内為维持列车均衡运行速度，机车需一直运行于满级位牵引，牵引电机处于满负荷运行状态，当列车运行速度越低时牵引电机转速越低，其电流越大，此时牵引电机损耗（主要为铜耗）越大，其发热量变大，牵引电机、电机轴承的温度也将持续升高。因此，机车牵引吨位、线路情况、运行时间对牵引电机传动端轴承温度具有较大的影响。
2.3运行试验过程
运行试验过程中，接触网电压应在25～26kV之间，被试机车牵引手柄在最高级位，陪试的负载机车处于再生制动并控制试验列车速度在持续速度v运行下运行，使电机绕组温度达到稳态。试验过程中，记录牵引电机电流电压、牵引变压器绕组电压电流及列车速度、环境温度、测试牵引电机出风口温度等参数。在牵引电机绕组温度达到稳态后，实施紧急制动停车，并分主断路器，切断接触网供电，对牵引变流器中间直流环节进行快速放电。向被测牵引电机绕组送入30A左右的直流电流，连续（不少于5min）采集牵引电机绕组的电压、电流值。温度达到稳态的判断原则为：①牵引电机出风口温度的上升在最后1h内不超过2K;②被试机车持续工况运行达到3.5h以上。另外，为减少被测绕组内部热量流失，提高测量准确度，并保证试验安全性，被试机车断电到开始测量热态电阻的过程中应注意如下几点：①在机车放电结束前禁止进行热态电阻测量;②通过紧急制动按钮来实现快速停车及断电降弓，一方面可实现最快速度断电停车减少热量损耗，另一方面牵引电机在快速降弓后产生励磁电流，也符合恶劣试验条件的要求;③机车停稳后电机励磁完全消除，方可接通直流电源、测量热态电阻;④应保证机车断电开始时刻到开始测量之间的时间差尽量短，IEC60349-2建议不超过45s。
2.4验证
（1）堵转子孔温升试验验证使用相同的供电电源（正弦波供电）、对同一台牵引电机未堵转子孔和堵转子孔两种状态分别进行堵转子孔温升试验。验证结果为：定子绕组平均温升降低7.7K，最高温升降低18.2K，铁心温升降低21.4K，温升降低效果明显。转子侧，导条温升从104K增加至113K，温升增加幅度不大，且温升也较低。（2）进风口优化温升试验验证使用相同的供电电源（正弦波供电）、对采用原进风口结构和优化后的进风口结构的同一台牵引电机分别进行进风口优化温升试验。验证结果为：绕组平均温升降低0.8K，最高温升降低7.9K，铁心温升降低5.4K。绕组最高温升降低效果明显。
2.5电机改造温升结果
通过对其各种工况下的温升分析，现对直驱电机传动端和非传动端端盖换成了非绝缘端盖，并进行最高转速下的轴承温升试验。试验条件：转速706r/min、满载、风量1.2m3/s、环温15.1℃，通过试验（如表7）可以看出传送端轴承温升为43.8K;非传动端轴承温升53.1K，可以看出轴承温度符合要求。
结语
牵引电机本体通风结构优化后，为了更接近实际工况，又进行了用逆变器供电的牵引电机绕组温升试验，该试验结果显示，定子绕组平均温升由197K降低至179K，定子绕组最高温升由222K降低至192K，绕组温升降低明显。采用上述分析方法可系统、有效解决牵引电机在逆变器供电条件下的绕组温升偏高问题，提供了一种有效的工程解决方案，具有一定的借鉴性和推广性。
参考文献：
[1]秦虹.逆变器供电异步电动机的设计难点.机电工程技术[J].2003，32（5）：33-36.
[2]高升华，李争光，李明，2010.大型异步电机通风和温升计算[C]//中国电机工程学会.中国电机工程学会大电机专业委员会2010年年会论文集.厦门：中国电机工程学会大电机专业委员会：90-93.
关键词：牵引电机;定子绕组;温升
引言
HXD1型电力机车在部分机务段投入运用以来，陆续出现6A系统走行部监测子系统牵引电机传动端轴承温升报警问题，但机车回段后对走行部进行检测确认牵引电机各部件状态良好，库内顶轮检测机车各电机轴承状态良好，齿轮箱润滑油位正常。本文结合兰渝线线路数据、机车网络系统数据、LKJ数据、6A系统走形部监测传动端轴承温度、温升、环境温度数据，对HXD1型电力机车牵引电机轴承温升报警原因进行了分析，同时为快速解决HXD1型电力机车牵引电机传动端轴承温升报警问题提供有效的措施及方案。
1温升试验的必要性
电力机车牵引电传动系统主要由网侧电路、牵引变压器、主变流器、牵引电机等组成。在运行过程中，受电弓从接触网上受流，单相交流高压电经牵引变压器降压后传入牵引变流器，整流逆变为三相交流电，最终进入牵引电机绕组。其中，牵引电机由大量的绕组线圈组成，是系统中最主要的阻性部件，也是系统工作过程中最大的发热部件。因此，牵引电传动系统的温升试验需要着重关注其变化。IEC60349-2：2010，GB755—2008，TB/T2519—1995等标准均对牵引电机装车前和装车后的温升测试进行了相应的规定。据此，电力机车整车型式试验中也相应地规定了牵引电机温升试验项目，主要测量牵引电动机绕组装车后的持续温升，确认牵引设备在设计温升限值内按规定负载周期运行的能力。
2电力机车牵引电机温升偏高的分析与优化
2.1审核技术设计
审核技术设计对牵引电机定子绕组温升偏高问题的源头定位作用明显，经全面、反复、多次深入分析，找到异常问题与技术设计的相关性，可有效为温升和静压异常问题提供正确的解决方向。（1）电磁结构审核电磁结构审核包含电机总体数据，定、转子冲片数据，定、转子槽数据，定子线圈数据和转子导条数据等。通过对该类数据进行梳理、分析，并比较本牵引电机电磁结构与原型机的差异，判断电磁结构参数设计是否合理，是否存在由异常电磁结构设计导致的电机严重发热。比如，该牵引电机相对原型机铁心长度增加了140mm，对轴向通风散热结构的电机而言，两端冷却效果的差异很大。（2）电磁参数审核电磁参数审核包含牵引电机额定电压、电流、功率因数和效率等性能参数;磁通、磁密和满载电势标么值等磁负荷参数;电密、热负荷和损耗等热性能参数;电阻、电感和电抗等主电路参数等。通过对该类数据进行分析，并比较本牵引电机电磁参数与原型机的差异，确定哪些参数存在异常，从而影响电机的发热和散热。比如，该牵引电机在磁负荷和原型机一致的情况下，因工作频率不同，铁耗相差约3倍。
2.2牵引性能影响分析
通过对线路状态的分析发现，兰渝线下行存在约103km连续长大上坡道，其中坡度13‰的坡道长为69.88km，最长坡道为11.95km，大于10‰小于13‰的坡道为24.41km，且其中大多数坡道坡度为12.8‰，低于10‰的坡道长度6.63km。根据线路坡度情况进行了HXD1型机车牵引能力的计算，在该区间运行时，当牵引吨位超过3500t列车运行均衡速度低于机车恒功速度65km/h，由此可见机车牵引吨位较大时，在此困难区间内為维持列车均衡运行速度，机车需一直运行于满级位牵引，牵引电机处于满负荷运行状态，当列车运行速度越低时牵引电机转速越低，其电流越大，此时牵引电机损耗（主要为铜耗）越大，其发热量变大，牵引电机、电机轴承的温度也将持续升高。因此，机车牵引吨位、线路情况、运行时间对牵引电机传动端轴承温度具有较大的影响。
2.3运行试验过程
运行试验过程中，接触网电压应在25～26kV之间，被试机车牵引手柄在最高级位，陪试的负载机车处于再生制动并控制试验列车速度在持续速度v运行下运行，使电机绕组温度达到稳态。试验过程中，记录牵引电机电流电压、牵引变压器绕组电压电流及列车速度、环境温度、测试牵引电机出风口温度等参数。在牵引电机绕组温度达到稳态后，实施紧急制动停车，并分主断路器，切断接触网供电，对牵引变流器中间直流环节进行快速放电。向被测牵引电机绕组送入30A左右的直流电流，连续（不少于5min）采集牵引电机绕组的电压、电流值。温度达到稳态的判断原则为：①牵引电机出风口温度的上升在最后1h内不超过2K;②被试机车持续工况运行达到3.5h以上。另外，为减少被测绕组内部热量流失，提高测量准确度，并保证试验安全性，被试机车断电到开始测量热态电阻的过程中应注意如下几点：①在机车放电结束前禁止进行热态电阻测量;②通过紧急制动按钮来实现快速停车及断电降弓，一方面可实现最快速度断电停车减少热量损耗，另一方面牵引电机在快速降弓后产生励磁电流，也符合恶劣试验条件的要求;③机车停稳后电机励磁完全消除，方可接通直流电源、测量热态电阻;④应保证机车断电开始时刻到开始测量之间的时间差尽量短，IEC60349-2建议不超过45s。
2.4验证
（1）堵转子孔温升试验验证使用相同的供电电源（正弦波供电）、对同一台牵引电机未堵转子孔和堵转子孔两种状态分别进行堵转子孔温升试验。验证结果为：定子绕组平均温升降低7.7K，最高温升降低18.2K，铁心温升降低21.4K，温升降低效果明显。转子侧，导条温升从104K增加至113K，温升增加幅度不大，且温升也较低。（2）进风口优化温升试验验证使用相同的供电电源（正弦波供电）、对采用原进风口结构和优化后的进风口结构的同一台牵引电机分别进行进风口优化温升试验。验证结果为：绕组平均温升降低0.8K，最高温升降低7.9K，铁心温升降低5.4K。绕组最高温升降低效果明显。
2.5电机改造温升结果
通过对其各种工况下的温升分析，现对直驱电机传动端和非传动端端盖换成了非绝缘端盖，并进行最高转速下的轴承温升试验。试验条件：转速706r/min、满载、风量1.2m3/s、环温15.1℃，通过试验（如表7）可以看出传送端轴承温升为43.8K;非传动端轴承温升53.1K，可以看出轴承温度符合要求。
结语
牵引电机本体通风结构优化后，为了更接近实际工况，又进行了用逆变器供电的牵引电机绕组温升试验，该试验结果显示，定子绕组平均温升由197K降低至179K，定子绕组最高温升由222K降低至192K，绕组温升降低明显。采用上述分析方法可系统、有效解决牵引电机在逆变器供电条件下的绕组温升偏高问题，提供了一种有效的工程解决方案，具有一定的借鉴性和推广性。
参考文献：
[1]秦虹.逆变器供电异步电动机的设计难点.机电工程技术[J].2003，32（5）：33-36.
[2]高升华，李争光，李明，2010.大型异步电机通风和温升计算[C]//中国电机工程学会.中国电机工程学会大电机专业委员会2010年年会论文集.厦门：中国电机工程学会大电机专业委员会：90-93.