下载文档原格式
一、引言牵引电机是轨道交通系统中的核心部件，其性能直接影响着列车的运行速度、能耗和舒适度。
随着我国轨道交通事业的快速发展，牵引电机技术也在不断进步。
本文将对牵引电机技术进行总结，分析其发展现状和未来趋势。
二、牵引电机技术发展历程1. 传统异步牵引电机：早期轨道交通系统主要采用异步牵引电机，其结构简单、成本较低，但效率、功率密度和运行速度等方面存在局限性。
2. 异步牵引电机矢量控制技术：通过引入矢量控制技术，提高了异步牵引电机的控制精度和性能，使其在高速、重载等工况下具有较好的适应性。
3. 永磁同步牵引电机：永磁同步牵引电机具有高效率、高功率密度、高可靠性等优点，逐渐成为轨道交通系统的发展方向。
4. 电机转子铁心感应加热技术：该技术可有效提高电机转子铁心的热处理质量，降低能耗，提高电机性能。
三、牵引电机技术现状1. 永磁同步牵引电机：目前，永磁同步牵引电机已成为高速、重载轨道交通系统的主要选择。
我国在永磁同步牵引电机技术方面取得了显著成果，如TQ-800型永磁同步牵引电机，其性能指标达到国际先进水平。
2. 异步牵引电机无速度传感器矢量控制技术：该技术可提高牵引系统的可靠性，减小电机体积、节省安装空间、降低成本。
我国在无速度传感器矢量控制技术方面已取得一定成果。
3. 感应加热技术：该技术在提高电机转子铁心热处理质量、降低能耗、提高电机性能方面具有显著优势。
四、牵引电机技术未来趋势1. 提高电机性能：未来，牵引电机技术将朝着高效率、高功率密度、高可靠性方向发展，以满足高速、重载、长距离等工况需求。
2. 电机轻量化：通过采用新型材料、优化设计等手段，实现牵引电机轻量化，降低能耗，提高运行速度。
3. 智能化控制：结合人工智能、大数据等技术，实现牵引电机的智能化控制，提高系统运行效率和安全性。
4. 绿色环保：在电机设计和制造过程中，注重节能减排，降低对环境的影响。
五、结论牵引电机技术是轨道交通系统发展的关键，我国在牵引电机技术方面取得了显著成果。
浅谈机车牵引电机的发展摘要：本文主要阐述典型国产机车牵引电机的结构、技术参数、性能和控制的发展情况，指出牵引电机的发展特点，并预测未来的牵引电机的发展。
关键词：牵引电机；发展；控制；参数牵引电机是机车的主传动设备。
它是利用电磁感应定律和电磁力定律，即导体切割磁感线产生感应电动势和通电导体在磁场受到电磁力，实现电能和机械能的互换，从而完成机车牵引运行和制动停车。
现代轨道交通应用的机车，大部分采用电传动，牵引电机是电传动系统必不可少的设备，我国牵引电机的发展大致经历为内燃机车用牵引电机、韶山系列电力机用车牵引电机、和谐系列机车用牵引电机。
下面，就我国机车牵引电机的主要技术参数、结构、控制、性能来谈一谈牵引电机的发展情况。
1.牵引电机主要参数的发展变化内燃机车应用较早，首先从内燃机车说起，具有代表性的车型是东风4B 型内燃机车，该车装有六台ZQDR-410型直流4极串励牵引电动机，主要技术参数如下：额定功率410kW额定电压550V最大电压770V额定电流880/570A最大电流1080A额定转速640r/min最大恒功率转速1773r/min磁场削弱等级二级额定通风量110m3/min电机质量2980kg其次，我国电力机车也经过不断的发展，电气化铁路始建与1958年，后来发展迅猛，到2010年，电气化率基本达到45%，电力机车也得到广泛的发展，韶山系列机车具有代表性的是SS4改型机车和SS7C型电力机车。
SS4改型机车装有8台ZD105型6极串励脉流牵引电机，其主要技术参数如下：额定功率800kW额定电压1020V额定电流840A额定转速960r/min最高电压1180V最大电流1200A固定磁场削弱系数96%磁场削弱等级3级通风量135 m3/min电机总质量3970kg和SS4改型机车不同，SS7C型电力机车装有6台ZD120型6极复励脉流牵引电动机，主要技术参数如下：额定功率800kW额定电压905V额定电流持续制945A额定转速持续制995r/min最高电压1030V最大电流1320A最大转速1840r/min励磁方式复励，无级削弱（串励绕组固定分路系数87%）通风量125 m3/min电机质量3400kg第三，最近几年，交流传动机车在国内广泛应用，和谐机车采交流传动，其牵引电机为三相交流异步电机，现在沈局主要干线大部分采用HXD3B型电力机车，该机车装有6台三相鼠笼式4极异步牵引电机，型号为Mitrac TM3800 F 主要技术参数如下：额定功率1632kW额定电压2183V直流中间电压（最大）2950V额定电流498A额定转速1494 r/min最大电动机转速3198 r/min冷却风量108 m3/min质量2150kg由以上四种类型牵引电机的主要参数可知，牵引电机的功率不断向大功率发展，电压向高压发展，电流略有减小，单位功率质量不断下降，电机的转速越来越高，适应现代铁路机车对牵引电机的要求。
ss9型电力机车脉流牵引电动机的工作原理
9型电力机车采用了三相交流脉流牵引电动机,它属于无刷电动机的一种。
三相脉流牵引电动机由电枢和电机夫组成。
电枢由三组绕组组成,每个绕组由很多细线组成,绕组内有向磁导体。
电机夫采用永磁铁作为定子,磁极由许多铁质磁体组成偶极磁场。
在运转时,牵引变流器将直流电源输入经过整流后变成脉流的三相电流,将三相脉流电流分别输入电枢三组绕组。
由于电枢内有磁导体,会产生磁场。
与电机定子内的永磁铁产生的磁场相互作用,电枢产生转力。
通过改变三相脉流电流的相序,可以实现电枢的顺时钟或逆时针转动,从而实现电机的运转。
通过控制脉流电流的频率和幅度,可以调节电机的转速和转矩,实现机车的起动、加速、推拖作业。
9型电力机车采用脉流牵引电动机,相对直流电动机具有控制灵活性好等优点。
脉流牵引电机调速的研究作者：甘永双来源：《价值工程》2014年第04期摘要：本文针对ZD105型、ZD115型、ZD120型牵引电机调速进行研究、比较，发现机车调速操纵由复杂向简单过度，但机车牵引电机控制系统越来越复杂，并且向自动化方向发展。
关键词：牵引电机；调速；磁场削弱；调压中图分类号：U264.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）04-0055-021 机车对牵引电机调速的要求机车，主要是指产生动力、牵引车辆运行的装置，电力机车一般指通过受流器从接触网获得电能，由电机驱动车轮的机车，是一种非自带能源的机车。
其功率强大、过载能力强、牵引力大、速度快、整备作业时间短、维修量少、便于实现多机牵引、能采用再生制动以及能源利用率高、运营费用低的优点，在铁路牵引中广泛应用。
机车的驱动电机，称为牵引电机，是把电能转化为机械能输出动力的的装置，采用的是个别传动，借助于电机轴上的小齿轮驱动轮对轴上的大齿轮来实现机车牵引运行的，由机车的运行特性可知，牵引电机应有足够大的启动牵引力和较强的过载能力，应有良好的调速性能。
机车在运用时，条件非常复杂，既有坡路，又有风雨的干扰，都需要具有宽广的速度调节范围，并且不论如何调节速度，牵引电机的功率应都能得到充分的发挥。
从以上要求可知，对牵引电机的调速要求非常高。
因此，必须采取可靠、有效的调速方法。
2 电机的调速方法调速，指电动机机械负载不变的条件下，用人为方法调节电动机的转速。
脉流牵引电机转速与直流电动机转速的公式相同，为n=由调速公式可知，调节电机的转速，可以改变电源电压U、电枢回路串接的电阻R、气隙主磁通Φ，只要改变其中的任何一个，都能达到调节电机转速的目的。
①电枢回路串接电阻调速。
将电枢和电阻串联，改变电阻阻值的大小，即可调速。
缺点是能耗较大，经济性差，目前很少使用。
②改变电源电压调速。
电力电子技术的发展，使得电源电压的调节可以方便地实现。
现以晶闸管调压调速为例说明。
世界电力机车的发展最早造出第一台标准轨距电力机车的是苏格兰人R·戴维森，时间是1842年。
1879年5月，德国人W·V·西门子设计制造了一台能拉乘坐18人的三辆敞开式“客车”的电力机车，这是电力机车首次成功的试验。
1881年，法国巴黎展出了第一条由架空导线供电的电车线路，这就为提高电压，采用大功率牵引电动机创造了条件：1895年，美国在巴尔的摩—俄亥俄间5.6 km长的隧道区段修建了直流电气化铁路。
1903年德国的三相交流电力机车创造了每小时210 km的高速记录。
气化铁道的发展。
建设具有真正意义的电气化铁路首先要解决如何提供高压电，改变供电制式的问题。
流），这就叫供电制式。
在电力车发展初期,主要是采用直流电力机车,另外也有一部分三相交流制和单相低频制电力机车,由于当时科学技术水平的制约,直流制电力机车供电电压不高,三相交流制接触网设备过于复杂, 单相低频制电力机车又需要单独的供电电网,因此电力机车初期发展较慢,20世纪20年代中期,接触网电压由由过去的几百V提高到了3000V,当时世界各国电气化铁道采用的都是直流制,接触网电压为1500伏～3000伏,为了克服直流电力牵引网电压低的缺点,1904年瑞士实验成功了单相工频交流电力机车,1950年法国试制了引燃管整流器式电力机车,1960年西德制成半导体整流器式电力机车,1958年美国发明晶闸管后, 晶闸管相控机车开始问世,使制造大功率机车用逆变器成为现实,工频单相交流制推动了电气化铁道的发展。
1973年～1974年爆发石油危机之后，各国对铁路电力和内燃牵引重新进行了经济评价，电力牵引更加受到青睐。
英国原先主要是发展内燃牵引，也开始重视发展电力牵引。
连已经完全内燃化的美国，铁路电气化的呼声也很高。
这时候，半导体技术和微机控制技术的突破和发展推动了新型电力机车的问世。
1979年，第一台E120型大功率采用异步电动机驱动的交—直—交电力机车在德国诞生，开创了电力机车发展的新纪元。
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 otorZhuzhou E lectric L ocom o tive R esearch In stitu te (Zhuzhou 412001) Ke Y i nuoAbstract :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 2cu 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)。
—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—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—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。
