牵引电机温升计算方法及降低措施研究

何冲，崔斯柳，王昕

（中车株洲电机有限公司，湖南株洲，412001）

0 引言

电机温升是决定电机绝缘寿命的主要因素[1]。电机温升主要取决于电机运行过程中所产生的热量及本身的通风散热能力[2]。电机运行时所产生的热量主要来自定子铜耗、定子铁耗及转子铜耗。由于转子铁耗较小，计算时一般都忽略不计[3]。电机的通风散热能力主要取决于通风量、风量结构合理性及各种材料的导热能力。

近年来，随着牵引电机的功率密度和转矩密度不断提高，电机温升问题已经成为影响牵引电机性能进一步发展的主要问题之一。相应地，合理的通风结构设计、准确的通风量及温升预估已经成为牵引电机设计的重要内容之一。

1 温升的定义及限值

■1.1 温升的定义

电机温升是指电机的温度与环境温度之差，单位用K表示。牵引电机的通风方式主要有自通风与强迫通风两种[4]。对于自通风的电机，计算电机温升时的环境温度一般取电机周围1米范围内的环境温度。对于强迫通风的电机，计算电机温升时的环境温度一般取电机进风口的冷却风温度。

■1.2 温升限值

电机的温升限值是电机运行时所能承受的最高温升。在合理的温度环境中，电机在此温升下长期使用，绝缘材料的物理、化学、机械及电气性能不会发生显著恶性变化。

电机的温升限值取决于电机所采用的绝缘材料等级，目前国内常见的牵引电机大多采用的是200级绝缘。根据国家标准GB/T 25123.2的要求，采用200级绝缘的牵引电机的温升限值为200K[5]，该温升限值为采用电阻法测得的定子绕组温升。

2 电机温升过高的影响

■2.1 造成绕组烧损

电机温升过高，会加速绕组绝缘的老化，引起绕组绝缘出现匝间短路、相间短路或对地短路等故障，最终使绕组烧损。

■2.2 缩短使用寿命

目前国内常见的牵引电机大多采用的是200级绝缘，该绝缘结构在200℃温度的使用寿命约为8万小时。根据试验经验，该绝缘结构使用温度每上升10℃后，使用寿命将减半，即电机温升增加20K后，绝缘寿命将缩减为原来的1/4。因此，电机温升过高会缩短电机绕组绝缘的使用寿命。

■2.3 引起轴承故障

电机温升过高，绕组带来的热辐射会提高传动端及非传动端轴承室的温度，轴承室温度的提高会加速轴承润滑脂的老化，降低轴承润滑脂的润滑作用，导致轴承磨损加剧，轻者轴承损坏，重者还会引起转子扫堂。

3 温升计算方法及降低措施

■3.1 绕组直线部分温升uθ

定子绕组直线部分的发热来自定子绕组直线部分电磁线通电后产生的热量。绕组直线部分的电磁线通电后产生的一部分热量通过电磁线的匝间绝缘、绕组的外包绝缘向定子槽的两侧及底部铁心散出；另一部分热量通过电磁线的匝间绝缘、绕组的外包绝缘、槽楔向定转子之间的气隙散出。其计算方法如下：

式中：A—定子线负荷(A/cm)；J1—定子电流密度(A/mm2)；t—定子齿距(mm)；δu—匝间及外包绝缘层总厚度(mm)；Π—定子槽周长(mm)。

从式（1）可知，造成绕组直线部分温升θu的发热来自于电机的热负荷A×J1，影响绕组直线部分温升θu的散热因素为定子齿距t、匝间及外包绝缘层总厚度δu、定子槽周长Π。

因此，降低绕组直线部分温升θu的措施有：减小电机的热负荷A×J1、减小定子齿距t、减小匝间及外包绝缘层总厚度δu、增加定子槽周长Π。

■3.2 绕组端部部分温升θΠ

定子绕组端部部分的发热来自定子绕组端部部分的电磁线通电后产生的热量。绕组端部部分的电磁线通电后产生的热量通过电磁线的匝间绝缘、绕组的外包绝缘向绕组端部的空气部分散出。其计算方法如下：

式中：aΠ—绕组端部比热流(W/cm2)，—冷却风扇的叶片圆周速度(m/s)。

从式（2）可知，造成绕组端部部分温升θΠ的发热来自于电机的热负荷A×J1，影响绕组直线部分温升θΠ的散热因素为定子齿距t、定子槽周长Π、冷却风扇的叶片圆周速度VF（即风量大小）。

因此，降低绕组端部部分温升θΠ的措施有：减小电机的热负荷A×J1、减小定子齿距t、增加定子槽周长Π、增加冷却风扇的叶片圆周速度VF（即增加风量大小）。

■3.3 定子铁心表面温升aθ

电机运行时的定子铁耗主要由定子通风孔内表面及定子铁心外表面散出。其计算方法如下：

式中：ac—定子表面比热流[6](W/cm2)，

Pfe—定子铁耗(kW)；Ps—杂散损耗(kW)；D1——定子外径(mm)；Di1—定子内径(mm)；l—铁心长度(mm)；ρ—热影响系数，一般取0.02～0.03；av—定子散热系数(A/ (oC⋅cm2))，av=3.3×10−3(1 + 0.1VF)。

从式（3）可知，造成定子铁心表面温升θa的发热来自于电机的热负荷A×J1、定子铁耗Pfe、杂散损耗Ps，影响定子铁心表面温升θa的散热因素为定子外径D1、定子内径Di1、铁心长度l、热影响系数ρ、冷却风扇的叶片圆周速度VF（即风量大小）。

因此，降低定子铁心表面温升θa的措施有：减小电机的热负荷A×J1、减小定子铁耗Pfe、减小杂散损耗Ps、减小定子内径Di1、增加定子外径D1、增加铁心长度l、增加冷却风扇的叶片圆周速度VF（即增加风量大小）。

■3.4 总温升θ

电机总温升为定子绕组直线部分温升、定子绕组端部部分温升及定子铁心表面温升之和，并考虑绕组直线部位长度及端部长度对各部位温升的影响。其计算方法如下：

式中：lΠ—绕组端部长度(mm)；lz—绕组平均半匝长(mm)。

从式（4）可知，降低电机总温升，除了上述降低绕组直线部分温升uθ、绕组端部部分温升θΠ、定子铁心表面温升aθ的措施外，还可以减小绕组端部长度lΠ和增加绕组平均半匝长lz。

4 计算方法验证

根据上述计算方法所得的电机温升值为牵引电机设计过程中的理论计算值，理论计算值的准确性需要通过试验验证。以下将通过试验值与计算值的对比来验证上述计算方法的准确性。以我司研制的两种型号机车牵引电机为例，电机参数、温升计算值与试验值的对比如表1所示。

表1 电机主要参数及温升值

通过表1的数据可知，对于电机A，温升计算值为116K、温升试验值为106K、计算误差为6.1%；对于电机B，温升计算值为107K、温升试验值为101K、计算误差为5.6%。

采用上述方法计算的两种不同型号电机的温升计算值与试验值偏差分别为6.1%和5.6%，计算误差在工程允许的误差范围内，验证计算方法可行[7]。对于电机设计的温升计算来说，能够满足计算要求，并对方案的选取起指导作用。

5 结语

温升计算是电机设计的重要内容，在电机设计阶段，需要计算多个方案进行性能参数对比，而电机的温升是性能参数对比的重要环节。因此，准确的电磁计算、适当的风量选取、合理的风路设计是判断电机设计是否合理的重要依据。通过对温升计算方法及改善措施的研究，避免由于温升过高而导致电机设计不合理及影响电机使用寿命。