3第三章异步牵引电机设计.docx

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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（VariableVoltageVariableFrequency）装置。

2.3

2．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

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f1以改变n1，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；

图5-1谐波等效电路

（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、D1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

，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

——计算功率

n——电机转速

AS——定子线负荷

Bδ——气隙磁密

电机的设计容量是指电机计算功率

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。

M=f（n）、U1=f（n）、I1=f（n）图

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PN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Umin，大电流Imax工况，其额定功率

PN=Umin·Imax（kW）…………………………………⑴

2）特征点C为高电压Umax，小电流Imin工况，其额定功率

PN=Umax·Imin（kW）………………………………⑵

3）公式⑴与公式⑵的值完全相等，所以其额定功率

PN=Umin·Imax=Umax·Imin（kW）…………………⑶

（2）逆变器容积功率Pi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Umax设计，所以逆变器的设计容量（或设计功率）Pi为：

（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PN与调压比

的乘积。

逆变器的体积、重量、成本和价格取决于设计功率。

当升压恒功范围BC越大，则调压比Ku越大，逆变器设计功率越大，所以升压恒功匹配称为大逆变器匹配。

当采用升压恒功匹配时，f2为常数，异步牵引电动机的转矩过载倍数KM=常数=1.2，所以电动机的体积不需要增加，因此电动机体积最小。

10.2大电动机匹配

当异步牵引电动机采用恒压恒功运行时，

当恒压运行U1=常数，得：

当恒功运行时PN=常数，转矩MN与转速n成反比：

所以转矩过载倍数

逆变器可按恒压恒流设计，其容量能获得充分利用，但转矩增加时，电机的过载能力近似于n成反比减小，为了保证高速运行时具有一定的过载能力，则在额定工况下必然要有较大的转矩裕度。

为保证异步牵引电动机稳定运行，例如当nmax=4000r/min时，最小转矩过载

倍数KMmin=1.2，因为KM∝，所以当nN=1000r/min时，最大转矩过载倍

数KMmax=KMmin·（4000/1000）=1.2×4=4.8

如果当额定转速nN=1000r/min时，额定转矩MN=10000N·m，则额定点的颠覆转矩Mmax=KMmax·MN=4.8×10000=48000N·m

异步牵引电动机体积和重量必须按Mmax=48000N·m设计。

如果异步牵引电动机按升压恒功匹配时，转矩过载倍数KM=常数=1.2，则异步牵引电动机额定点的颠覆转矩Mmax=KM·MN=1.2×10000=12000N·m

从上述计算可以看出，如果按升压恒功匹配时，异步牵引电动机只按Mmax=12000N·m设计，如果按恒压恒功匹配时，异步牵引电动机将按Mmax=48000N·m设计，体积和重量将增大到4倍。

所以恒压恒功匹配为大电动机匹配。

恒压恒功时，电流I必然恒定，所以逆变器的功率Pi=U1·I1最小，总称为大电动机小逆变器匹配。

一般交流传动内燃机车和电力机车在恒功段采用混合匹配。

11电磁计算

11.1磁路计算

设定子电流为：

，转子电流为：

，则定子槽磁势

和转子槽磁势

分别为[69]：

则定转子槽磁势的平均值为：

虚拟磁密为

其中

查漏磁路饱和系数

的关系曲线得到

，则漏磁路饱和将影响等效电路中由时间基波引起的以下参数：

各次谐波主电抗（除基波）

，转子基波回路谐波电抗

，定转子槽口漏抗

，具体计算公式可参考文献

11.2效率和损耗计算

（1）铁耗的计算

由于电源电压谐波的存在，电机铁心的损耗也要增加。

基波铁耗可用一般电机设计中公式计算

（2）考虑谐波引起的铁耗增加，电机总铁耗近似计算为

（3）电机谐波铜耗计算公式相应改变如下：

定子绕组基波铜耗

定子谐波铜耗

转子基波铜耗

转子谐波铜耗

（4）杂散损耗的计算

电机中杂散损耗的计算十分困难，一般可取为电机输出功率的0.52。

电机在额定负载时的总损耗为

（5）机械损耗的计算

机械损耗一般不受电源波形影响，可按照经验公式来估算或选取。

（6）由逆变器供电时电机额定负载下的效率为

（7）电动机的功率因数

根据各次谐波电压和谐波电流，可求得电机定子端输入总相电压和总相电流

则电动机的功率因数为

11.3电机的发电工况

当异步电机工作在制动工况时，电机工作在发电状态。

由电机学可知，异步电动机和异步发电机是异步电机的两种运行状态，不同的运行状态及外部制约条件的差异，决定了异步电机在不同运行工况时内部电磁关系的不同。

图2-3分别给出了异步电机不同运行工况时的相量图,（a）为异步电动机、（b）为异步发电机。

图2-3异步电机的相量图

从图中可以看出，同一台异步电机作为发电或电动运行时，定子电流相位是不同的，也使得其他各量有所差别：

（1）异步电机发电机状态时，定子电流的相位差

，因而有：

，即输入的有功功率为负值，发电机向电网输出有功功率。

（2）在端电压相等的情况下，不同工况下的电势和端电压的夹角是不同的，发电工况时有较大的夹角，因此在发电工况下有较大的电势，也就是说电势系数比电动工况下大。

（3）发电时电势增加，势必造成电机饱和度提高，电机所需的激磁电流也要增大。

从能量角度来看，发电工况下的电机的能量流程可用图2-4表示

图2－4电机发电状态下的能量流向图

则有

式中：

为电机电磁功率。

从以上分析可以看出，在电机工作在制动工况下时，电机内部的电磁关系及能量转换与电动工况下有很大不同，制动电流也会高于牵引电流，因此在设计制动系统、选择控制方式和逆变器元件时，必须对制动特性计算精确的计算。

第三节异步牵引电动机稳态输出特性的计算

按IEC349—2、349-3的要求，在设计异步牵引电动机时，应计算其稳态输出特性曲线。

特性曲线包括在整个工作范围内的电机电压、频率、定子电流、功率因数，功率、转子频率、电机轴功率、转矩等性能参数与电机转运或车速之间的关系。

为了充分发挥逆变器容量，目前交流圭引传动系统主要采用了最大异步牵引电动机最小逆变器的特性调节方式。

本章主要讨论这种控制方式下的电机特性计算．按机车、动车异步牵引电动机可能的应用方式考虑，大致可将其分为如下三种稳态运行区段进行分析计算。

（1）机车动车起动加速时，异步牵引电动机的恒转矩、恒磁通（或恒电压、频率比）特性：

（2）异步牵引电动机的恒磁通（或电压与频率比恒定）、恒功率特性；

（3）异步牵引电动机的恒功率、恒电压特性。

1异步牵引电动机恒转矩、恒磁通输出特性的分析计算

机车、动车在起动加速时，要求具有均匀的加速力和加速度，以实现平稳起动．从轮轨间的粘着特性考虑，也可按粘着牵引力控制电动机的转矩。

但在设计异步牵引电动机时，按恒转矩、恒磁通控制条件所确定的起动加速时的输出特性，在一定程度上标志着电动机在起动加速范围内所能稳定输出的转矩及电流范围，因此从电机设计角度考虑，分析计算其恒转矩、恒磁通的稳态特性，具有较广泛的意义。

由“T”型精确等值电路，可得出用FORTRAN77-4．0程序实现的计算过程如图2-5。

输入电机电磁参数及E1N/f1N

给定频率f1的变化范围及f2N

f1-f1min（f1min）f2N）

按恒磁通确定电势：

E1n=f1n×E1N/f1N

计算电动机的效率η、功率因素cosφ、电机输出功率P2、

输出转矩T2及牵引力Ft与电机转速n2或车速Vt的曲线关系

f1>f1N

结束

输出绘制曲线所需的数据文件

图2－5异步牵引电动机恒转矩、恒磁通运行时输出特性的计算框图

2.异步牵引电动机恒磁通、恒功率运行时输出特性分析的计算

为了扩大异步牵引电动机的恒功率应用范围，在逆变器仍可由控制系统方便地改变其输出电压值的条件下，可以控制异步电动机运行于恒磁通、恒功率状态，由电机学理论，此时异步牵引电动机的最大电磁转矩近似不变，而输出电磁转矩将随转速的升高而降低，因此提高了电机运行时的过载能力；这样可使电机在进入恒功率、恒电压运行范围时，具有足够的最大电磁转矩裕度，该运行范围频率较高，可以忽略定于电阻压降，近似认为U＝E1；，因此也可按恒电压频率比近似实现恒功率、恒磁通控制。

异步牵引电动机相应的稳态特性计算方法简述如下：

（1）由恒转矩、恒磁通运行范围内较高频率段的电压频率比值作为恒磁通、恒功率控制时的电压、频率比值，或根据实际需要重新确定该比值，即可求出不同频率下所需的电压；

（2）在确定了电机等值电路参数后；即可求出异步牵引电动机的稳态输出特性。

（见图2－6）

3.异步牵引电动机恒电压、恒功率运行时输出特性的分析计算

当异步牵引电动机进入恒电压、恒功率工况时，对应的频率可能已达到几十赫兹以上。

由于电机端电压恒定，同时也可能由于逆变器元件开关频率的限制，逆变器可能进入相电压为六段阶梯波输出的工作状态。

由第四章谐波分析，此时，逆变器输出的基波电压的有效值为：

k次谐波电压有效值为：

由上两式及传动系统要求的电机输出功率P2,按基波稳态等值电路，谐波等值电路，以及相应的转矩方程，即可实现异步牵引电动机恒功率输出特性的计算。

在计算过程中设置f1min＝f1max的判断点，是为了使程序能够用于单一频率下的电磁分析计算，便于初步确定异步牵引电动机的电磁方案。

计算程序框图（见图2－7）。

输入电机结构参数

恒功率、恒磁通的频率范围

f1min、f1max

由恒磁通所需的U1/f1确定不同频率时的电机电压U1n

假设电机内电势系数Ke

确定转差率s

磁路及电机参数计算

N

Y

Δke＝︱ke-ke’︱

f1＝f1＋Δf1

Δke>ε?

计算电动机的效率η、功率因素cosφ、电机输出功率P2及牵引力Ft与电机转速n2或车速Vt的曲线关系

f1>f1max

由精确等值电路求出计算电势系数Ke’

N

Y

绘制各特性曲线

图2－6异步牵引电动机恒磁通、恒功率运行时输出特性的计算框图

磁路及电机参数计算

确定转差率S

保证电机内电势系数Ke

确定恒功率、恒电压运行的频率范围f1min、f1max

输入电机结构参数及电压U1、输出功率P2

ke’=ke+λ

Δke<ε?

由基波等值电路计算电动机基波下的电流、损耗、转矩、功率因数cosφ、电机输出功率P2

Δke＝︱ke-ke’︱

由精确等值电路求出计算电势系数Ke’

输出电机基波下的特性数据及绘制曲线的数据文件

计算谐波等值电路参数，计算谐波电流、谐波转矩、谐波损耗

按叠加原理合成总电流、转矩、损耗、效率

f1min＝f1max、f1max、f1max

f1＝f1＋Δf1

f1>f1max

输出各特性数据表

输出绘制各特性曲线的数据文件

结束

绘制各特性曲线

图2－7异步牵引电动机恒电压、恒功率输出特性的计算框图