脉流牵引电动机的发展

柯以诺　1936年生,

1959年毕业于西安交

通大学电机专业,高级

工程师(教授级),国家有突出贡献的中青年科技专家,长期从事牵引电动机设计、试验研究。

回顾与展望

脉流牵引电动机的发展

株洲电力机车研究所(株洲412001) 柯以诺

摘　要:介绍了我国电力机车用脉流牵引电动机40年来的发展情况,从电机的材料、结构、工艺、设计方法等方面总结了其技术进步的过程,并探讨了今后的发展前景。

关键词:牵引电动机　脉流　电力传动　发展

D evelopm en t of pulsa ti ng curren t traction m otor

Zhuzhou E lectric L ocom o tive R esearch In stitu te (Zhuzhou 412001) Ke Y i nuo

Abstract :It is described the 40years developm en t of pu lsating cu rren t tracti on mo to r of Ch inese electric locomo tives .T he techn ical p rogress is concluded from aspects of m aterial ,structu re ,techn ique and design m ethod .Its fu tu re p ro spects are dis 2

cu ssed .

Key words :tracti on mo to r ,pu lsating cu rren t ,electric drive ,developm en t .

1　引言

牵引电动机素有机车“心脏”之称,是电传动机车最关键的部件。机车的性能和可靠性与牵引电动机有着最直接的关系。

直流串励牵引电动机的启动性能好、调速范围宽、过载能力强、功率利用充分、控制简单,能最大限度地满足机车车辆的运用要求。直流牵引电动机用于牵引动力已有120年历史,是一种很成熟的电工产品。国产电力机车一直采用直(脉)流牵引电动机,已走过了40年的路程,虽然不象电工技术的某些新领域那样经常有突破性新技术出现,但通过不断的改进,所取得的进步仍然令人瞩目。

本文将介绍我国脉流牵引电动机的发展情况,并对它面临交流牵引电动机挑战的今后的发展前景谈点看法。

2　发展概况

随着我国国民经济的日益增长,铁路运输正向重载、高速的方向迈进,这就对电力机车的牵引电动机提出了越来越高的要求。首先是电动机的轴功率不断增

加(见图1)。目前货运电力机车的轴功率达800k W (持续制),客运机车达900k W 。最近,为200km h 列车的

动力车设计的电动机,其轴功率已达1000k W 。其次,电机的恒功率调速范围也在不断扩大。早期的电机,恒功速比K PV 仅1.25～1.35。最近,该值已达1.6～1.8。

K PV 的提高,表明机车在较高速度下仍保持满功率输

出,能更好地满足多拉快跑的运输要求。

图1　脉流牵引电动机功率增长曲线

电机设计功率逐年增长,但电机的体积及相应的质量并没有增加,反而稍有降低。这意味着代表电机水

平的一个技术经济指标(g )——电机单位质量发挥的设计功率在逐年增长(见图2)。

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91—1998年第5-6期机 车 电 传 动

№5-6,1998　

1998年11月10日EL ECTR I C DR I V E FOR LOCOM O T I V E N ov .10,1998　

图2　脉流牵引电动机单位质量功率指标增长曲线

与此同时,电机的可靠性也在不断提高。

早期电机的落修率为

3.5台次 10万km ～4台次 10万km ,最近已下降至0.6台次 10万km ～0.7台次 10万km ,一些新研制的电机则达到0.2台次 10万km ～0.3台次 10万km 。

3　技术进步

牵引电动机性能的不断提高,主要得益于以下几个方面的技术进步。3.1　材料方面

绝缘材料的耐热等级从最初的B 级发展到F 级、H 级。

最近研制的脉流牵引电动机已采用C 级绝缘,定子允许温升可达200K 、电枢可达180K 。电枢线圈的导线绝缘和对地绝缘厚度减薄。早期用云母带时总厚度达1.4mm ～1.5mm ,槽满率只有40%,后来采用聚酰亚胺薄膜,厚度只是原来的一半,槽满率提高到55%以上。最近,采用粉云母纸跟聚酰亚胺薄膜结合的复合材料作为对地绝缘,性能进一步提高。浸渍漆过去为有溶剂漆,70年代后期采用无溶剂漆,改善了浸渍效果。

导磁材料由热轧硅钢板发展为普遍采用冷轧硅钢板,使电枢铁心的叠压系数由0.93提高到0.97以上,并且减少了电枢的铁损。

采取以上措施后电枢发热因数A S J a 由早期的2000～2500提高到现在的3700～3800,电枢铁心单

位表面积能发挥的切向力Ρ由早期的0.019M Pa ～0.02M Pa 提高到现在的0.042M Pa ～0.044M Pa 。图3、

图4分别表示A S J a 和Ρ值逐年增长的情况,这些数据均已接近国际先进水平。其中Ρ值反映电枢的利用程度,直接影响电机的质量和体积。在相同转矩的条件下Ρ值高的电机能实现小型、轻量化的目标。

图3　电枢发热因数的增长曲线

图4　电枢单位表面切向力值的增长曲线

3.2　结构方面

虽然电机主要部件仍为传统的结构,但近年在以

下几方面有了重大改进。

(1)机座　以往采用铸造机座,存在气孔、砂眼等缺陷,且尺寸不易控制,电机特性偏差大。特别是电动机需在脉流供电及经常性的电流冲击下工作(由于受电弓离线及磁场削弱时的转换),整块铁心中的涡流将使电抗电势中交流成分不能被补偿,致使换向火花比直流工况显著恶化,严重时还会引发电机环火。为避免环火的产生,运用部门限制了最深磁场削弱级的使用,结果使电机在高速工况的功率不能充分发挥。在SS 5、SS 6机车的脉流牵引电动机上采用了部分叠片的焊接机座,这在改善脉流换向方面前进了一步;但叠片部分截面仅占磁轭总截面的20%～25%,改善的效果毕竟还有限。近期,在SS 7、SS 8机车的牵引电动机上采取了

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02— 机 车 电 传 动

1998年

全叠片机座,使电机在脉流供电和暂态过程中的换向得到了显著的改善。试验表明,电机在脉流和直流下的换向火花差别已明显缩小,即使在脉流因数增大的情况下仍有满意的换向。除了因为叠片中的涡流比之整块铁心已显著削弱的因素外,还由于定子的精度由冲模保证,定装质量大大提高。由此带来的另一个好处是电机的速率特性偏差明显减小,有利于电机在机车上并联工作时负荷电流不均匀度的减小。以往的电机,为了加工方便,多采用圆形机座,定子空间利用较差,线圈需要压弧,线圈工艺复杂,且压弧后的线圈难以跟机座密贴,影响散热及线圈的牢靠固定。全叠片机座的定子是由1mm 厚的冷轧钢片整冲后叠装而成,两端有压圈铸件,通过筋板焊接及穿芯螺杆构成整体。机座的形状也由圆形改为多边形,并导致了一系列跟传统结构相比明显的变化。例如:主极铁心与磁轭连成一体,主极铁心没有极靴部分,主极线圈不用压弧,并被放在一个大的线槽内用槽楔固定等等,如图5所示。新结构

避免了圆机座的许多缺点,而且没有多边形机座的加工困难,其加工精度是传统机座所无法比拟的。新结构还有利于电机的派生,只要改变叠片的数量,就能增加或减小铁心长度,派生出新的电机。从而电机可以进行模块化及系列化设计,使设计周期大大缩短,能及时满足市场瞬息变化的需要。

图5　全叠片定子的冲片图

(2)抱轴轴承　传统的方式是滑动轴承。我国目

前在线路上运用的牵引电动机中绝大部分采用这种方式。轴瓦磨损将引起齿轮中心距变化,影响齿轮啮合状态,易导致振动;另外,抱轴承的稀油容易窜向齿轮箱,影响齿轮润滑条件,甚至造成向电机内部窜油。新研制的牵引电动机已改用滚动抱轴承,不仅可以避免以上问题,而且维护工作量大为减少,可靠性也大为提高。(3)补偿绕组　电力机车脉流牵引电动机因功率

大,换向器电位条件紧张,均采用补偿绕组。过去为了方便检修,采用平行槽式补偿绕组,槽口开口尺寸大,

会引起气隙磁场的脉动,增加铁损并恶化换向器电位条件。新研制的牵引电动机采用向心式、半开口槽方式的补偿绕组,可以改善上述问题;但这种补偿绕组无论嵌线或拆修均比老方式困难。为了减少补偿绕组拆修,并全面提高定子部分的可靠性,定子部分还采用了以下措施:

1)加强主极线圈的绝缘水平,因该部位的故障必殃及补偿绕组的拆修;

2)切实实现定子绝缘一体化的各项措施,保证线圈牢固固定;

3)连线接头由螺栓连接改为钎焊连接,所有连线加强固定;

(4)刷架系统　这是目前脉流牵引电动机的薄弱环节。许多换向问题正是由于刷架圈的松动,中性位偏移,压指弹簧断,压指压力不均匀等等引起的。对刷架系统作了以下改进:

1)改进压指圆柱弹簧的挂钩方式,已使断簧故障明显减少;

2)改进结构使压指压力均匀、可调;

3)更换刷架圈材料,并采用特殊热处理工艺,充分消除内应力,减少刷架圈变形;

4)刷架圈撑紧螺栓改用细牙螺纹,增加自锁能力;5)改进定位装置。

(5)悬挂方式和传动方式　传统的方式是抱轴半悬挂,刚性齿轮传动。SS 4及以前的机车均采用双侧斜齿轮传动,自SS 5以后,这种情况已有了很大变化:在货运机车方面已改为单侧直齿传动,相应采用了滚动抱轴承;在客运机车方面采用了全悬挂、弹性传动方式。这样,客运机车高速运行时,电机承受的振动和冲击显著减小,改善了电机的工作条件;与此同时,由于簧下质量的减小,也减少了机车对线路的动力作用。3.3　工艺方面

牵引电机的运用可靠性与电机制造工艺有着特别重要的关系,但这一点往往被人们忽视。电机在运行中出现的故障常常是由细小的工艺疏忽所引起,例如铁心毛刺没清除干净,线圈与铁心间有相对运动等导致绝缘的早期故障。近年来在总结以往经验教训及消化吸收国外先进技术的基础上,牵引电机的制造工艺也有了显著的进步,主要有以下方面:

(1)绝缘系统采用真空压力浸漆工艺,一些工厂引进了国外先进的真空压力浸渍设备,提高了浸渍质量;一些工厂已率先采用旋转烘焙工艺,防止了无溶剂漆在烘焙过程中因高温变稀而流失。

(2)换向器升高片与电枢导线已普遍采用钨极氩

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12—第5-6期 柯以诺:脉流牵引电动机的发展

气保护焊,避免了甩锡、虚焊所引起的故障。

(3)电枢绕组端部采用钢丝预绑及有捻网状玻璃丝无纬带提高了绑紧力,保证了绕组端部的紧固性。

(4)强化换向器片装、器装及动成型工艺,确保换向器在高速时的稳定性。

(5)定子连线与线圈引出头之间采用低温银焊片钎焊代替螺栓连接。

(6)改善电机制作场地的清洁度,对线圈制作及轴承组装工地,因要求更高,均建立了隔离的净化区。

(7)随着机座结构的改变,以剪冲代替部分的机加工,以焊接代替大部分的铸造,提高了制造精度。3.4　设计方法方面

以往是经验式设计,按已有的成熟产品稍作内推或外延,设计保守,变化不大。现在已普遍采用CAD 设计,扩大了优选范围,加快了设计速度。与此同时,开始利用有限元分析方法对电磁场进行精确计算和分析。在1000k W 脉流牵引电动机设计过程中利用换向磁场有限元分析结合电抗电势的补偿程度,对换向极极靴形状作了优化设计,通过试验验证,扩大了原电机的换向无火花区。因此,利用计算机这一强有力的手段,已有可能进入分析设计的阶段,使我们的设计更精确、更合理,电机的性能更好,体积更小。3.5　其他方面

脉流牵引电动机性能和可靠性的提高还有赖于系统方面的改进。

(1)防空转保护措施的完善。实践已多次表明,在线路坡度大、弯道多,即容易产生空转的区段,电机环火的几率也高。我国铁路强调重载,粘着利用偏高,防空转措施尤为重要。

(2)控制方式的改进。电压及磁场的平滑调节对减少电机电流冲击,减少空转几率有重要意义。

新型电力机车采用相控调压及磁场平滑调节,较完善的防空转保护,无疑已为电机提供了较好的工作条件,电机即使在最深磁场削弱工况下运行也是安全的。

(3)主电路连接方式的改进。电机绕组在主电路中的接线位置对保护电机免受环火的危害有着重要意义。主极绕组应位于电枢绕组之后,避免一旦发生环火,由于故障电流使磁通增加而导致更严重的故障。其次,补偿绕组和换向极绕组也应接在电枢之后,以免全部故障电流通过这些绕组而致绕组变形。

(4)悬挂及传动方式的改进,使电机承受的振动和冲击大幅度地减少。

总之,我国的脉流牵引电动机经过40年的发展,从性能上已满足铁路运输的要求,在技术经济指标上已接近国际先进水平,可靠性也有了很大提高,取得了很大的进步。

4　展望

国外自70年代后期以来,由于电力电子技术和微

电子技术的迅速发展,交流传动向直流传动发起猛烈挑战。国内自80年代也开展了交流传动的研制工作,并于1996年研制出第一台采用鼠笼型异步牵引电动机的电力机车,迈出了交流传动的第一步。交流传动采用了结构相对简单的异步(交流)牵引电动机,但取代直流电机换向器的,却是技术更复杂、价格更昂贵的逆变器,这无疑给交流传动的推广应用增添了阻力。预计只有在国内功率元器件真正过关,逆变器价格大幅度降低时,我国的交流传动机车才有可能批量生产。因此,可以肯定地说,在相当一段时期内,直流传动电力机车仍将是我国铁路电气牵引的主要型式。

另外在中、小功率的领域内,由于价格的优势和技术上的成熟,直(脉)流牵引电动机仍有较强的竞争能力和广泛的市场。基于以上两点,对脉流牵引电动机我们还面临着繁重的任务:

(1)提高牵引电动机的可靠性。可靠性一直是国产牵引电动机较突出的问题,也是我们跟国外电机的主要差距。影响电机可靠性的因素很多,不仅有设计、工艺方面的问题,还有环境、管理、运用方面的问题,需要综合治理。其中很关键的一条是提高电机的耐振能力和减少电机所承受的振动和冲击。另外,在改进工艺方面也有大量工作需要做。与此同时,应重视对已在运行的数万台直(脉)流牵引电动机的维护和修理,通过改造修提高其可靠性和耐久性。

(2)根据市场需要开发新产品,重视产品的系列化、通用化和标准化。

为满足我国铁路运输重载、高速的发展需要,牵引电动机将向更大功率发展。例如,为适应轴重增加,货运电力机车的轴功率增至900k W ～950k W ;为适应高速的需要,将客运电力机车的轴功率增至1100k W ～1200k W 也是可能的。

为实现这些目标,需要深入开展以下工作:(1)加强电子计算机在电机设计上的应用。用有限元法对电机磁场、温度场、零部件应力和振动及换向进行分析;开发自动化设计系统,对设计方案进行优化。

(2)开发C 级绝缘系统及配套材料的国产化。(3)加强换向器制造工艺,提高其高速时的动态稳定性,进一步改善电刷及刷握装置的性能。我国的脉流牵引电动机经过40年的发展历程,进步是巨大的,成绩是喜人的。然而今后的任务仍然艰巨,需要我们不断地付出智慧和辛劳。

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