CRH2型动车组牵引电动机概述

CRH2型动车组牵引电动机概述CRH2型动车组采用MT205型三相鼠笼异步电动机，每辆动车配置4台牵引电动机(并联连接)，一个基本动力单元共8台，全列共汁16台。电动机额定功率为300kW。最高转速6120r/min.最高试验速度达7040r/min。牵引电动机由定子、转子、轴承、通风系统等组成.绝缘等级为200级。牵引电动机采用转向架架悬方式，机械通风方式冷却，平行齿轮弯曲轴万向接头方式驱动。外形如图7.62。所有牵引电动机的外形尺寸、安装尺寸和电气特性相同，各动车的牵引电动机可以实现完全互换。牵引电动机在车体转向架上的安装位置见图7.63。同直流电动机相比，三相异步电动机有着显著的优越性能和经济指标，其持续功率大而体积小、质量轻。具体地说有以下优点：(1)功率大、体积小、质量轻。由于没有换向器和电刷装置，可以充分利用空间，同时在高速范围内因不受换向器电动机中电抗电势及片间电压等换向条件的限制，可输出较大的功率，再生制动时也能输出较大的电功率，这对于发展高速运输是十分重要的。(2)结构简单、牢固，维修工作量少。三相交流牵引电动机没有换向器和电刷装置，无需检查换向器和更换电刷，电动机的故障大大降低。特别是鼠笼形异步电动机，转子无绝缘，除去轴承的润滑外，几乎不需要经常进行维护。(3)良好的牵引特性。由于其机械特性较硬，有自然防空转的性能，使黏着利用率提高。另外，三相交流异步电动机对瞬时过电压和过电流不敏感(不存在换向器的环火问题)，它在起动时能在更长的时间内发出更大的起动转矩。合理设计三相交流牵引电动机的调频、调压特性，可以实现大范围的平滑调速，充分满足动车组运行需要。(4)功率因数高，谐波干扰小。其电源侧可采用四象限变流器，可以在较广范围内保持动车组电网侧的功率因数接近于1，电流波形接近于正弦波，在再生制动时也是如此，从而减小电网的谐波电流，这对改善电网的供电条件、减小通信信号干扰、改善电网电能质量和延长牵引变电站之间的距离十分有利。CRH2型动车组采用的牵引电动机除具有上述传统异步电动机的优点外，还有以下特点：电动机整体机械强度很高，高速运行时能承受很大的轮轨冲击力；采用耐电晕、低介质损耗的绝缘系统以适应变频电源供电；为了防止电动机轴承的电蚀，电动机前后端采用绝缘轴承；电动机转子导条采用低电阻、温度系数高的铜合金材料，保证传动系统的控制精度；为了减轻电动机自重，电动机采用轻质高强度材料；采用经过验证的轴承和轴承润滑结构，从而减少电动机的维护，保证电动机轴承更可靠工作；在输出一定功率的情况下，为减少体积，采用强迫通风和优化的通风结构，充分散热，以降低电动机的温升，提高材料的利用率；电动机的非传动轴端安装了2个速度传感器，用以给传动控制系统提供速度信号，便于逆变器控制和制动控制。7.6.2技术参数7.6.2.1主要技术参数型号MT205方式三相鼠笼异步电动机极数4极相数3相额定值输出功率300kW电压2000V电流106A频率140Hz转差率1.4％转速4140r/min效率94.O％功率因数87.0％绝缘类别等级200温度上升极限200K(定子绕组；电阻法)冷却方式强制风冷方式(20m3/min)动力传送方式平行齿轮弯曲轴万向接头方式最高使用转速6120r/min最高试验转速7040r/min轴承润滑脂unimaxRNO.2质量440kg额定参数说明：由于干线动车组载荷变化范围小，仅为整车自重的10％，所以电动机额定点的考核一般是在动车组最苛刻条件下电动机的稳定运行点。其他相关参数见表7.27表7.27牵引电动机参数表方式鼠笼异步电动机定子线圈了连接方式Y接型号MT205线圈间距#1～#8＝7极数4导体数/切槽16相数3串联导体数/相192额定值类别连续导体尺寸2-1.5×5.5mm输出功率300导线束绝缘聚酰亚胺电线(kW)电压(V)2OOO电流密度6.67A／mm2电流(A)106转子铁芯外径-内径φ306-φ80mm频率(Hz)140叠层厚度170mm转差率(％)1.4切槽数量46转速(r/min)4140切槽尺寸(×2)7.4mm×25.6mm效率(％)94.O风口数-直径φ24mm-16个(堵塞8处风口)功率因数(％)87.O材质·板厚相当予50A800·O.5mm冷却方式强制风冷方式(20m3/min)转子导体杠杆尺寸7.3mm×23.Omm绝缘类别等级200材质赤黄铜温度上升极限200K(定子绕组、电阻法)电流密度6.33A/mm2最高使用转速6120r/min端环尺寸27mm×34mm最高试验转速7040r/min材质纯铜计划质量440kg电流密度4.23A/mm2定子铁外径-内φ480-φ310mm最大V/f牵引2300V/116Hz芯径叠层厚度170mm再生2300V/130Hz切槽数量36电路常数(115℃，140Hz)(×3)Rs:0.144Ω/相Xs：1.246Ω/相切槽尺寸(×1)13.5mm×35.0mmRr:0.146Ω/相Xr：1.138Ω/相材质·板厚相当于50A800·O.5mmRm:527.7Ω/相Xm；28.88Ω/相7.6.2.2接口尺寸图7.64为牵引电动机三维视图，由图可以看到电动机与转向架、联轴节的安装部位，与通风系统连接的电动机通风口；与传动系统相连的速度传感器信号线和三相电源线。图7.65为牵引电动机外形图，轴伸为带键的锥面，与联轴节过盈配合，悬挂上有2个φ30的通孔，电动机侧面凸台有2个M27的螺纹孔，用4个M27的螺栓与转向架连接。7.6.3牵引电动机组成7.6.3.1概述牵引电动机主要由定子(包括铝托架)、转子、轴承、传感器等部件组成，以下针对牵引电动机主要部分的结构进行说明。7.6.3.2定子定子框采用以连接板连接铁芯的无框架结构框，设有安装转向架的凸头和安装座；定子框的两侧采用铝合金铸件(铝托架)制作部件，实现定子框整体轻量化。(1)铝托座(非传动侧和传动侧)，其外形图如图7.66所示。铝托架的材质以及厚板都考虑到列车高速运行状态，铝托架的定子框安装时，通过加强筋提高其强度，通过加厚及加强筋的加强提高了铝托架的框架安装部的强度。非传动侧的铝托架，处于采用强制风冷方式的需要，在托架上部设置风道，在托架端面安装了转速检侧器外壳。另外，在传动侧，上部安装了端子壳。安装时，用8个M12的螺栓将铝托座固定在机座上，为了防止铁和铝热膨胀上的差异而产生的偏差，采用了双重配合方式。(2)定子铁芯定子铁芯采用硅钢片和SPCC(端板)叠压而成，外形图如图7.67，定子铁芯上设置的切槽为后退式切槽，增加通风空间，提高冷却效果。(3)定子线圈定子线圈由u相绕组，V相绕组，W相绕组，各相由3个线圈串联而成。由于逆变器运行时的高频电流引起的集肤效应，会造成交流阻抗变大，温度上升过高。为了防止此问题，增加线圈的并列根数，并将线圈的导体截面形状做成扁平状。另外，线圈间的连接全部采用银焊，并用绝缘材料进行绝缘后，再用无溶剂漆进行真空浸渍处理。(4)引出线在传动端的铝托座上部接线盒，其内连接有引出线，并使用接头用银焊焊接在三相线圈的引出连线上。电动机外部设置橡胶衬套，可以将三相电源引出线牢牢固定，然后再用绝缘材料进行处理。引出线绝缘部分是用蚂蟥钉固定的，当列车在通过道砟受冲击或其他原因使得铝托架产生断裂时，具有不用分离引出线连接部位就可以直接更换。(5)由于采用强迫通风冷却方式，电动机非传动端的铝托座上部设置风道。另外，为了固定速度传感器，铝托座端面上设置5个M10的螺栓固定的传感器盖。为了固定电动机引出线，在电动机传动端铝托座上部设置接线盒。7.6.3.3转子转子为牢固的鼠笼形状，该构造适用于高速运转。转子导条采用电阻系数较大，强度足够的铜锌合金(红铜)。为了尽量减小运转过程中因温度上升而产生的热膨胀，短路环采用电阻系数较小的纯铜。此外，为了应对高速转动，还在短路环的外围设置保持环。其外观图如图7.68所示。转子由铁芯、转子导条、端环、护环、转子压板等零部件组成。(1)转子铁芯转子铁芯采用硅钢片和SPCC(端板)叠压而成，热套在转子轴上。另外，铁芯设置通风孔，使转子轻量化的同时，也提高了电动机的冷却效率。转子断面图如图7.69所示。(2)转子导条及端环转子导条采用铜锌合金，转子导条为矩形形状，插入在转子铁芯46个转子槽中。转子导条插好后，从转子铁芯外周通过镦粗挤压变形，牢固地固定在转子槽中。转子导条的两端通过银焊牢固焊接在端环上，端环采用纯铜。(3)转子轴轴材用铬钼钢，传动端的螺纹为M42×2-6g。轴伸与联轴节采用锥度配合：大径侧为φ68mm，锥度为1/10，锥度长为75mm。(4)为了确保转子高速旋转时的安全，在端环的外周设置护环。7.6.3.4轴承装配传动侧使用的轴承是NU214C4P6，非传动侧使用的轴承是6311C4P6，传动侧的圆柱滚子轴承考虑到保持架导向面的滑动摩擦生热，并为了有效解决该问题，采用了滚子导向方式的保持架；为了有效防止轴承的电蚀，在两侧轴承的外圈上喷镀了陶瓷，形成了绝缘保护膜。轴承润滑采用的结构是：在中间加油时通过加油嘴加进的润滑脂能从2处均衡地注入到轴承内部，能延长分解的周期。另外，在传动侧、非传动侧设有注油管路，电动机解体检查时，可以很容易地进行清洗。另外，为了增大润滑脂量，在传动侧、非传动侧的端盖上设有环状润滑脂室，这种结构能为轴承不断提供新的润滑脂。使用时要注意充填油量以及中途注油量，不混合使用不同种类的润滑脂，在拆卸和装入时，使用油压压进。轴承充填润滑脂后，实施1400r/min左右(工业频率)30min的空载运转，使润滑脂充分进入各个部位。采用电动机轴承装配图说明轴承装配图的构成及维护特点，突出轴承室的结构特点。传动侧轴承、非传动侧轴承构造如图7.70和图7.71所示：7.6.3.5通风系统冷却风采用从车体管道抽取的方式，排气部安装了排风罩盖以防止雪雨进入。如图7.72所示，风从非传动端端盖的进风口进入电动机内部。在电动机内部，通风道有3条，一条是定转子间隙形成风道，一条是转子上的通风孑L形成风道。另一条是定子外表面采用钢板焊成的风道。前2条风道是电动机的主要通风道，而后一条风道主要用来降低定子线圈端部的局部温度。风量从端盖通风口流出，经风罩排出电动机外部。7.6.3.6速度传感器牵引电动机在非传动轴端安装了两个速度传感器.用以给传动控制系统提供速度信号，便于逆变器控制和制动控制，外形图如图7.73所示。(1)速度传感器①各车轮直径大小不一致造成转速存在差异。逆变器频率设定依据：a.行进时按4台并联电动机中转数最低的电动机设定频率；b.再生时按4台并联电动机中转数最高的电动机设定频率。②空转检测。③控制制动器。④运行方向检测和控制主电路。(2)速度传感器原理齿轮接近磁铁时，磁力线就会集中到齿轮的齿部，并随齿轮旋转发生变化。磁力线移动变化经磁阻元件检测、电路处理后作为脉冲输出。速度传感器工作原理和输出信号见图7.74和图7.75。速度传感器使用时要注意及时清洁，不要使本体的顶端以及PG齿轮外围堆积灰尘。7.6.4牵引电动机调节特性由动车组牵引特性图7.76可看出，牵引电动机的调节运行特性可分为三个调节区：启动加速区、恒功率输出区I和恒功率输出区Ⅱ。(1)启动加速区如果电动机的磁通保持不变，则电动机可以在任何转速下发挥较大的转矩。电动机保持磁通恒定的控制方式有：恒磁通控制、恒电压频率比控制、恒转子全磁通控制等。(2)恒功率输出区I通过改变电动机特性曲线，把传统的恒转矩与恒功段的转换点提前，保持电动机磁通不变，在恒功的最初阶段电动机电压继续保持增加，而转差频率下降，电流下降，转矩随定子频率成反比变化，即恒功恒磁阶段。(3)恒功率输出区Ⅱ当牵引电动机电压提高到最大数值后，可认为Us≈Es，则可得到式(7.28)：式中为常数。式(7.29)的左端实际上以一定的比例代表着电动机的功率数值。为了使电动机有恒定的输出功率，电压和频率的调节可以采用Us不变、fsl/fs等于常数的调节方式。综上所述，CRH2型动车组牵引电动机调节特性如图7.77所示7.6.5