饶艳虎 梁刚 许晓亮
中车永济电机有限公司 陕西西安 710018
摘要：全封闭电机因其结构简单、易维护、可靠性高、噪音低等优点备受用户青睐，其散热差，功率密度较低，也是制约该型电机在应用中最大问题；本文以一种内燃动车组牵引电机设计为例，通过采用定子叠片散热及圆柱绕流原理，为全封闭电机提供一种可行的散热方案，进而提高了全封闭电机的功率密度。
关键词：全封闭电机；叠片散热；圆柱绕流；设计探讨
引言
目前，发展中国家对快速轨道交通有旺盛的需求，内燃动车组具有可利用既有铁路、一次性投入小、快速、高效、不受电力制约等优点，有较好的市场前景。全封闭三相交流电动机（以下简称：电机）作为动车组动力输出单元，具有结构简单、易维护、可靠性高以及良好的牵引性能等优点，成为用户的首选。根据动车组牵引需求，电机需输出大转矩，且具有非常宽的恒功范围，为满足上述要求，增大电机有效材料（铜和硅钢片）的体积，使电机的电磁负荷及发热因数在合理范围内，是一种可行的方案，然而本电机采用抱轴安装，体积大小受轨距、轮径尺寸、重量等因素限制，无法提高有效材料的用量。因此，如何降低电机温升，提高电机散热能力，成为必须要解决的问题。从电机结构考虑，合理利用动车组在运行时电机表面流过的走行风，可有效降低电机温升。因此本电机设计采用两种结构的定子冲片，一种正常圆冲片、另一种外径大的冲片，通过采用分段叠压方法，在定子表面形成环形散热片，该结构即提高了电机的散热表面积，同时根据圆柱绕流原理，使走行风带走更多的电机热量，从而达到提高功率密度，降低温升的目的。本文对该散热结构进行有限元分析及试验验证，证明该方案可降低电机温升要求，提高电机功率密度，为全封闭电机散热设计提供一种可行的解决方案。
1.异步牵引电动机概述
1.1 电机参数介绍
本电机为变频器供电的三相交流异步电动机，电机定子绕组输入三相交流电形成旋转磁场，切割转子导条形成感应电势，利用电磁感应原理产生电磁力，驱动负载。电机采用配套的交流传动调速系统，以达到动车组节能、高精度控制和高速驱动的目的。
内然动车组主电路是柴油机驱动一台同步发电机，同步发电机发出的三相交流电，经过整流，再经过牵引逆变器输出交流电，供给交流牵引电动机产生扭矩驱动列车。本电机运行分为3个运行调节区：恒转矩起动区（0-30Hz）、恒功率运行区（30-123Hz）和自然特性区（123-140Hz），其中在恒功区有一段升压恒功（30~45Hz），电机主要技术参数见表1。
表1 电机主要技术参数
1.2不同结构电机对比
全封闭电机主要有水冷、自扇冷却、自然冷却三种散热方式。水冷电机需要单独提供冷却水源及散热器，需增加设备满足散热要求，成本较高，维护工作量大；自扇冷却电机需要在电机内部增加风扇，增加了电机轴向长度，且风扇在低速工况下风量不足，散热性能差，在高速工况下风量随大，但风扇噪音大，是自扇冷却电机的缺点；自然冷却电机散热能力差，为了降低电机发热必须选取较低的发热因数，导致电机功率密度低，通常无法满足空间及重量要求。
自然冷却电机单位转矩重量低于自通风电机，这是由电机本身散热方式决定的，但在采取环形散热筋，提高表面风的利用率等措施后，单位扭矩可以达到自通风电机的70%，使自然冷却电机在内燃动车牵引上的应用提供了解决方案。在电机安装空间和重量有裕度时，自然冷却电机的优势是其他电机所不具备的，例如高可靠性、低噪音、强环境适应性等均远优于其它类型的电机。同时，全封闭电机的绕组、轴承等工作环境不受外部污染影响，因此具有更高绝缘的寿命，更少的维护频次。以某型地铁用自通风电机和该电机为例，对电机性能进行了对比，具体见下表2：
表2 不同结构电机性能对比
2.电机散热方式设计
电机采用全封闭自然冷却结构，首先要解决的就是散热问题。动车组在运行过程中会形成走行风，充分利用运行时的走行风，有利于电机散热。根据圆柱绕流原理可提高电机对走行风的利用率，在电机结构设计上采用两种定子冲片，每种冲片叠压厚度10mm，形成高低搭配的环形散热筋，这样不仅使走行风利用率最大化，同时也增加了外表面散热面积。经过试验与传统外扇冷电机相比，电机功率密度提高约30%。
3.流场分析
为了探究环形散热筋的散热效果，通过有限元分析，建立三维模型，对现有Y系列电机、本电机散热的差异进行模拟仿真，通过对比分析发现：气流在定子环形散热筋上形成环流，风速较高，分析结果见表3。
表3 流程分析情况
流体仿真三维模型
表5 电机定子温升情况
4.温度场分析
为了进一步探究定子环形散热筋的散热效果，建立电机三维模型，运用有限元对电机的温度场分析，定子绕组温升降低约18K，定子铁心温升降低约23K，分析情况见图1、图2，具体数据见表5；
5.电机样机试验结果及分析
样机完成后，对样机进行了型式试验验证，电机的温升及性能满足技术条件要求，具体温升数值见表6.
表6 温升试验数据
6.结束语
该电机首次采用叠片外表面散热，采用两种定子冲片，在铁心叠压过程中形成环形散热筋，散热效果经过试验验证，认为该方案提高了外表面散热面积，同时更好的利用了动车组运行过程中的走行风，为后续电机散热提供一种解决方案。
参考文献：
[1]邓尧强，李奔波. 动车组牵引主变压器用电动送风机驱动电机的研制[J]. 电机与控制应用，2009，36（1）.
[2]高雄智巳，江慧. 全封闭牵引电动机的研制[J]. 变流技术与电力牵引，2001（5）：25-27.
论文作者:饶艳虎,梁刚,许晓亮
论文发表刊物:《防护工程》2018年第25期
论文发表时间:2018/12/6
标签：电机论文; 定子论文; 车组论文; 全封闭论文; 行风论文; 环形论文; 结构论文; 《防护工程》2018年第25期论文;