毕业设计 - 调研报告

大连交通大学2013届本科生毕业设计（论文）实习（调研）报告

调研报告

1.课题的来源及意义

高速铁路是当代高新技术的集成，以其快速、高效、环保等优点在世界各国得到了迅猛的发展。高速动车组普遍采用变频调速交流传动系统，变频调速牵引电机是高速动车组的关键设备之一，其性能对动车组的安全性、稳定性、可靠性具有重要影响。比如，随着动车组牵引功率不断提升，单台牵引电机容量需要大幅度提高。目前由于变流器开关器件的耐压水平无法提高，所以增大输入电流以提高单台电机的输出功率是实现牵引电机大容量化的有效方式之一。但是，大工作电流将使电机的损耗增加，同时由于动车组转向架的轴重和空间体积有限，电机运行和散热状况恶劣，造成牵引电机各部件工作温度升高（有时甚至达到200°C以上），电机内热点温度频繁超限，可能导致电机绝缘失效。因此，准确解析牵引电机电热场分布，发现电机温升热点，对电机冷却系统进行优化改进从而提高电机的服役性能成为大功率牵引电机设计制造的重要问题。

本课题拟对动车组的牵引电机进行初步探究，进而设计理论上比较合理的牵引电机。

2.牵引电机简介及国内外发展状况

牵引电机有许多类型，诸如直流牵引电动机、脉流牵引电动机、变频交流异步牵引电动机、晶闹管同步牵引电动机、永磁同步牵引电动机、直流牵引发电机以及交流牵引发电机等。

由于交流电机具有结构简单、运行可靠、单位功率体积重量小等优点，特别是大功率变频装置及控制技术的不断完善，应用交流电机作为机车牵引己经成为牵引传动发展的一个重要方向。 2.1牵引电动机

目前牵引电动机有多种类型，如直流牵引电动机、交流异步牵引电动机和交流同步牵引电动机等。直流牵引电动机，尤其是直流串励电动机有较好调速性能和工作特性，适应机车牵引特性的需要，获得广泛应用。牵引电动机的工作原理与一般直流电动机相同，但有特殊的工作条件：空间尺寸受到轨距和动轮直径的限制；在机车运行通过轨缝和道岔时要承受相当大的冲击振动；大、小齿轮啮合不良时电枢上会产生强烈的扭转振动;在恶劣环境中运用，雨、雪、灰沙容易侵入等。因此牵引电动机在设计和结构上也有许多要求，如要充分利用机体内部空间使结构紧凑，要采用较高级的绝缘材料和导磁材料，零部件需有较高的机械强度和刚度，整台电机需有良好的通风散热条件和防尘防潮能力，要采取特殊的措施以应付比较困难的“换向”条件以减少炭刷下的火花等。

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牵引电动机有两种悬挂方式。一种是牵引电动机和动轮轴连接的悬挂方式，称为抱轴式悬挂或半悬挂。采用这种悬挂方式时，动轮通过轨缝和道岔所产生的冲击振动会直接传给牵引电动机。抱轴式悬挂适用于结构速度低于120公里/小时的机车车辆。另一种是架承式悬挂(或称全悬挂)。采用这种悬挂方式时牵引电动机固定悬挂在转向架构架上，在牵引电动机轴端和小、大齿轮之间加入各种弹性连接元件，以减小冲击振动的影响。架承式悬挂适用于结构速度高于120公里/小时的机车车辆。

在用牵引变压器降压经硅整流器或大功率晶闸管整流后供电给直流串励牵引电动机时，加在牵引电动机上的电压为脉动电压，因此这种牵引电动机称为脉流牵引电动机。大功率脉流牵引电动机的“换向”条件更加困难。此外，电动机内部还有一些附加损耗，从而引起电动机温升，因此，脉流牵引电动机在设计和结构上还要采取一定的特殊措施，以解决“换向”和温升两个突出的问题。 2.2牵引发电机

专用于电力传动内燃机车，以供给牵引电动机电力的发电机，称作牵引发电机。牵引发电机有直流和交流两种。直流牵引发电机直接向直流牵引电动机供电。交流牵引发电机发出的三相交流电经硅整流器整流后再向直流牵引电动机供电。交流整流电路是三相的，整流电压虽然有脉动，但脉动量比较小，因此牵引电动机还被认为是一般的直流电动机。

2.3国内外发展状况

目前，我国高速铁路牵引传动普遍釆用交一一直一一交三相交流系统，该系统先将电压频率一定的交流电（25kV，50Hz)整流为直流，再经过逆变器变为频率可调的三相交流电，供给三相交流电动机驱动。中间直流回路两侧的变流器必须在互不干扰的情况下工作，因此电路中需要设有电容或者电感作为储能元件。若中间环节并联大电容作为储能元件，它能大大降低电源侧的阻抗，从而可视为一个电压源；如果中间环节串联大的电抗器作为储能元件，它能大大增加电源侧的阻抗.从而可视为一个电流源。因此，交一一直一一交传动系统随着中间环节储能元件的性质和接法的不同，可以分为电压型和电流型逆变器。随着我国高速铁路的快速发展，对牵引电机的运行性能提出了越来越高的要求。

随着电子计算机技术的发展及应用，国内外己开始用计算机对牵引电动机进行方案设计和理论研究。方案设计包括最初阶段用人机对话方式进行的分析计算方式；后来发展到用计算机自动做出判断、考虑各种设计要求自动进行参数调整的综合设计方式；以及近年来采用的目标函数和数学模型，以现代数学导优理论为依据的优化设计方式，并力求在最短的时间内获得最佳的设计方案。理论研究的内容则更为广泛，其中包括对复杂的换向回路进行数值解析；用有限元分析电磁场的方法，正确分析电机内部的磁通分布，进而计算电机的电位特性和各项电磁参数以及对电机零部件的应力集中、温度场的

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分布进行深入的分析。三相交流传动系统可使用异步电动机或同步电动机来驱动，在发展初期，除少数国家（法国、前苏联）曾采用同步电动机外，多数国家和我国都采用异步电动机作为主电机驱动。

3.动车组牵引电机特点（以CHR3为例）

CRH3动车组配有 16 台牵引电动机，为四极三相异步牵引电机。电动机位于 EC01 / EC08 和 IC03 / IC06 车上， 动力转向架的每个轮对都由牵引电动机驱动，牵引电动机安装在转向架上。电动机为强制风冷式，使用温度传感器进行电动机的温度监测，以防电机过热情况的出。 3.1牵引电机的特点

该电机为三相四极异步牵引电机，牵引工况作为电动机运行，再生制动时作为发电机运行，电机安装有温度传感器和速度传感器，用于测量电子定子的温度和电机的转速，该电机采用风冷的方式进行冷却，额定电压值较高，约为2700v，以适应电机宽调速范围，动车组高速运行的需要。 3.2电机接口

牵引电机安装在转向架上，使用轴向、径向弹性离合器及齿轮箱，将牵引力从牵引电动机传递给轮对。离合器可以抵消驱动部件与驱动轮间的相对运动位移，同时离合器可以实施机械过载保护功能，以防出现不容许的高冲击力矩。轴驱动器的齿轮为螺旋齿。齿轮机构由车轴上的轮轴轴承支持，并使用转向架构架上的弹性支架（扭矩反作用支柱）悬挂。

电机的电力连接是通过三条电力直通电缆实现的，通过单独的防水型引线孔从电机输出。为把电机电缆连接到设备电缆上，要使用特殊的端子夹住电缆；为保护单独的电缆连接，要使用已经适当绝缘的支架。

温度传感器以及速度传感器的连接是通过快速连接线和密封环连接器实现的。 3.3电机技术数据

牵引电动机 ：额定电压（2,700 V）额定电流（145 A）额定功率（562 kW）

额定转速（4,100 r/min）

齿轮箱 ：轮对最大负载（17 t）齿轮比（ 1 : 2.788（1 档））

输入速度（5,900 rpm）

3.4牵引电机的结构

该电机为三相四极异步牵引电机，由转子、定子、机壳及附件构成，定子内埋有温

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度传感器，用于过热保护和控制过程中的校准。同时也安装有速度传感器，用于电机转

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向和转速的检测。

定子——定子框架为焊接结构，由高强度低损耗的硅钢片叠压而成，可以抑制定子内铁损。有多根拉板分布在定子冲片的四周，焊接到定子压圈上。

定子绕组线圈由扁铜导体绕成。导体外包绝缘薄膜。线圈嵌入定子槽内，定子槽进行了良好的绝缘。槽楔采用聚酰亚胺树脂浸润玻璃制成。嵌线完成后，通过高温铜点焊连接引线。

转子——转子由硅钢片叠压而成，该硅钢片热套在一个套筒上，并在两个转子压圈之间进行叠压。转子笼由合金导条和端环通过高频钎焊焊接而成。电机在最高转速内都满足转子高精度的动平衡要求。电机轴由高强度合金钢制成，通过护环对端环进行保护。转子轴由轴承支撑，可以承受一定转矩产生的应力，所有轴承均使用脂润滑，油脂可以通过端盖上的加油油嘴进行补充。

外端盖——外端盖对电机部件起到保护、支撑的作用。

轴承装配——轴承用于承担径向及轴向的作用力，在电机的驱动端采用的是圆柱滚动轴承、非驱动端采用的是球滚动轴承。

通风系统——一台牵引电动机风机为转向架的两个牵引电动机提高所需的通风。牵引电动机风机位于动车组的地板下区域（靠近转向架），牵引电机内部设有风道并与外部风道相连，用于牵引电机内部的通风冷却。

其它——该电机安装有速度传感器和温度传感器，温度传感器埋设在定子中，速度传感器安装在非驱动端。该传感器由一个固定在轴上的齿轮和一个固定在传动端对面一侧外盖上的电磁信号采集器组成；该信号采集器能够检测到轮齿发出的电脉冲，其速度正比于转子轴的速度。

4.牵引电机发展趋势

为了解决直流和脉流牵引电动机的“转向”问题，有些国家已在使用晶闸管无换向器式牵引电动机和三相交流异步变频牵引电动机，并在试验以直线异步电动机为动力的磁悬浮高速车辆。晶闸管无换向器式牵引电动机是由一台同步电动机和一组晶闸管逆变器组成，用晶闸管和转子位置检测器来代替直流牵引电动机的换向器和炭刷结构。这种电动机具有直流电机的优点而没有困难的“换向”问题。但晶闸管及其控制系统相当复杂，所以电子元件直接影响电动机的运行可靠性。三相交流异步变频牵引电动机结构简单，工作可靠，成本低廉，是比较理想的牵引电动机。但由于需用变频调速，它的发展和应用一度受到限制。60年代，大功率晶闸管变频装置的发展使异步电动机能够实现变频调速。现在各国已有较多机车和动车采用三相交流异步变频牵引电动机。联邦德国和日本在试验的磁悬浮高速车辆上采用直线异步电动机。它的初级绕组敷设在地面导轨上，由地面的变频电源供电以产生行波磁场，调节供电电源频率就可改变磁悬浮高速车

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