HXD3型电力机车牵引电机结构特点.doc

hxd3型电力机车牵引电机结构特点学 生 姓 名： 冯云波 学 号： 100075 专 业 班 级： 铁道机车车辆 302817 指 导 教 师： 武 欣 西安铁路职业技术学院毕业设计（论文）摘 要hxd3型交流传动电力机车为交流传动货运机车，在hxd3型电力机车研制过程中采用了国内外成熟、可靠的新技术，机车以在中国国内主干线上进行大型货运牵引为目的，采用6轴货运大功率交流传动电力机车设计平台，采用pwm矢量控制、密闭式牵引变压器及整体驱动装置等新技术，尽量考虑对环境保护，减少维修工作量。另外，考虑能够在中国全境范围内运行，机车满足环境温度在-4040，海拔高度在2500m以下的条件。机车可以3组机车重联控制运行。该机车能够满足我国铁路重载、快捷货物运输的需要。此论文主要是为了了解hxd3电力机车牵引电机的结构特点，通过对hxd3型电力机车牵引电机的主要技术参数及特性、hxd3型牵引电机的结构以及牵引电机的特点、设计探讨、维护与检修等的详细描述，能够使我们明了的知道hxd3牵引电机的结构特点以及怎样去维护检修，能够让我们知道怎样正确的处理故障。从而延长牵引电机的使用寿命，提高其工作效率。关键词：hxd3型电力机车牵引电机；结构特点；参数 - i -目 录摘 要i引 言11 hxd3型电力机车牵引电机的主要技术参数及特性21.1 概述21.2 hxd3型牵引电机的主要技术参数21.3 hxd3型牵引电机的特性参数31.3.1牵引特性参数31.3.2 制动特性参数42 hxd3型牵引电机的结构62.1 定子62.1.1定子铁芯72.1.2定子线圈72.2 转子82.3 轴承及润滑结构82.4 速度传感器102.5温度检测装置112.6通风系统113 hxd3型牵引电机的特点133.1基本功能133.2 工作特点133.3 冷却方式134 设计探讨144.1电机起动转矩和传动比144.2 电机极数144.3 定子导体144.4转差率与效率155 hxd3型牵引电机的故障预防与维护检修175.1故障预防175.2 维护检修175.2.1 维护检修中需要的设备及工装目录175.2.2 定、转子的检修185.2.3 端盖的检修185.2.4 轴承的检修185.2.5 磁性排油螺栓检查195.3 注意事项19结 论21致 谢22参 考 文 献23- iii -西安铁路职业技术学院毕业设计（论文）引 言铁路作为国家重要的基础设施、国民经济的大动脉和大众化的交通工具,它负担着城乡、工矿各种物资和人员交流的主要运输任务，在实现经济社会又好又快发展中肩负着重大责任，承担着艰巨任务。铁路具有占地少、污染小、能耗低、成本低、运量大、全天候的比较优势，加快铁路科技创新步伐，对加快构建符合科学发展要求的我国综合交通运输体系，具有不可替代的重要作用。hxd3型电力机车轴式为c0-c0，电传动系统为交直交传动，采用igbt水冷变流机组，1250kw大转矩异步牵引电动机，具有起动（持续）牵引力大、恒功率速度范围宽、粘着性能好、功率因数高等特点。它的主要技术装备达到或接近国际先进水平，代表了世界先进铁路技术的发展方向。本论文共分为五个部分。第一部分讲述了hxd3型电力机车牵引电机的主要技术参数及特性；第二、三部分讲述了hxd3型电力机车牵引电机的结构及特点；第三部分主要研究了hxd3型电力机车牵引电机的设计探讨，使我们对电机的性能有更进一步层次的认识；最后一部分主要概括了电机的故障预防和维护保养，深刻牢记如何提高电机的使用寿命。1 hxd3型电力机车牵引电机的主要技术参数及特性1.1 概述hxd3型大功率交流传动电力机车是为重载货运设计制造的六轴交流传动电力机车。为了缓解目前我国铁路电力客车运力不足的状况，部分hxd3开始于2009年担当客运牵引任务。hxd3型机车使用六台yj85a型交流电牵引电动机，该型电机由东芝负责设计，永济电机引进相关技术进行生产，每台输出功率1,200 kw。首批永济厂批量生产的yj85a电动机为数312台，于2006年12月完成交付。 至2007年12月20日，永济厂在2007年全年共生产了1158台yj85a型牵引电动机供193辆hxd3机车使用。由于日本的新型电力机车主要使用功率较小的牵引电动机，负载轴重相对较轻，对轨道的压力比较小，所以路况不好的线路上也可以营运。hxd3型电力机车采用异步电动机，异步电动机的原理是：定子通上三相电流后，在气隙中产生旋转的磁场，该磁场切割转子导条后在转子导条中产生感应电流，带电的转子导条处于气隙旋转磁场中将产生电动力，使转子朝定子旋转磁场的同一方向旋转。由于转子导条中的电流是因转子导条切割由定子绕组产生的气隙磁场才感应产生的，所以转子的转速只能低于气隙旋转磁场的转速，永远不可能与其同步，否则转子条与气隙磁场同步旋转，转子导条不再切割磁场产生感应电流和产生电动力了，转子也不可能旋转了。现在机车用异步牵引电动机调速普遍采用交频变压调速技术。1.2 hxd3型牵引电机的主要技术参数额定功率 （kw） 1250额定电压 （v） 2150额定电流 （a） 390额定转速 （r/min） 1360最高使用转数 （r/min） 2662 （120km/h，车轮径1150mm）最高试验转数 （r/min） 3195恒功率转速范围 （r/min） 13652662频率 (hz) 46效率 （%） 94功率因数 （%） 92滑差率 （%） 1.4极对数 2定子绕组接法 y绝缘种类 class200绝缘电压 （v） 1500绝缘耐力电压 （v） 1分钟3240（新造时5400）（ac50或60hz）并联支路 2定子绕组节距 14工作制 连续悬挂方式 滚抱式半悬挂冷却方式 强迫通风 （风量为92m/min，静风压2800pa）总重量 （kg） 2600齿轮比 4.81（101/21）1.3 hxd3型牵引电机的特性参数1.3.1牵引特性参数电传动方式 交-直-交传动持续功率 7200kw机车速度：持续制速度 70km/h（23t轴重） 65km/h（25t轴重）最高速度 120km/h起动牵引力 520kn（23t轴重） 570kn（25t轴重）持续牵引力（半磨耗轮） 370kn（23t轴重） 400kn（25t轴重）恒功率速度范围 65km/h120km/h（25t轴重） 70km/h120km/h（23t轴重）机车牵引特性为恒牵引力、准恒速特性控制，牵引控制司机器手柄为13极，级间能平滑调节，每级牵引力变化设定为f=80kn,如图1.1所示。图1.1 牵引特性控制曲线（25t轴重）图1.2 制动特性控制曲线（25t轴重）1.3.2 制动特性参数电制动方式 再生制动电制动功率 7200kw（70km/h120km/h）（23t轴重） 7200kw（65km/h120km/h）（25t轴重）最大电制动力 370kn（15km/h70km/h）（23t轴重） 400kn（15km/h65km/h）（25t轴重）机车制动特性为恒制动力、准恒速特性控制，牵引控制司机控制器手柄为12级，级间能平滑调节，每级速度变化v=10km/h，如图1.2所示。2 hxd3型牵引电机的结构hxd3型电力机车牵引电机的结构如图2.1所示。图2.1 hxd3型牵引电机2.1 定子定子绕组为双层成型绕组，成型后嵌进定子槽中。为了得到足够的机械强度、良好的电气性能与优良的热稳定性，定子绕组用端箍固定。定子整体真空压力浸漆（vpi）。整个电机的绝缘等级为200级。电机浸漆后，三相绕组用电缆线引出，经安装在定子上的引出线夹板固定后与机车直接相连。定子由定子铁芯、定子绕组等组成，如图2.2所示。图2.2 定子结构1- 接线盒；2-定子铁芯；3-支撑架；4-端箍；5-定子绕组；6-槽楔2.1.1定子铁芯 定子铁芯由冷轧硅钢板叠压，由上吊挂、下吊挂、小吊挂和两个通风道板与两端压圈焊接，使定子铁芯成为一个笼形壳体。定子铁芯焊完后进行喷砂和消除应力处理。2.1.2定子线圈每个线圈由薄膜绕包的电磁线绕成，线圈匝间垫有绝缘，对地用聚酰亚胺复合云母作为主绝缘，外包绝缘采用无缄玻璃丝带。采用环氧树脂层板ep gc203-ti180，其性能如表2.1所示。表2.1 环氧树脂层压板 ep gc203-ti180特 性标 准ep gc203在（23+2）c下：抗压强度n/mm2din en iso604400在（23+2）c下：抗压强度n/mm2din en iso604240在（23+2）c下：弯曲强度n/mm2din en iso178350在（150+5）c下：弯曲强度n/mm2din en iso178200在（180+5）c下：弯曲强度n/mm2din en iso178100表面电阻；电极edin iec1671012相对爬电指标din en60112吸水率iso6218厚度10mm，垂直于层压方向厚度10mm，平行于层压方向2.2 转子转子采用铜条鼠笼式结构，端环外套有护环，加工完成后槽内刷绝缘漆，铁芯外表面刷防锈漆，交出前需作动平衡处理。转子主要由导条、端环、压圈、铁芯和转轴等部件组成，如图2.3所示。图2.3 转子组成图1- 转轴；2-端环；3-d端压圈；4-铁芯；5-导条；6-端板；7-n端压圈为了降低转子发热，导条采用低电阻率的无氧铜；为使鼠笼结构具有高可靠性，端环采用高强度的铬锆铜，导条端部弯形后和端环采用高频钎焊一次性成型焊成一体，焊接工艺具有良好的一致性，焊接可靠性高。为防止转子导条在转子冲片槽中振动而产生断条，转子导条插入转子冲片槽中后采取冲紧和端部弯形工艺，为保证冲紧效果，转子导条与转子槽装配间隙设计值很小。2.3 轴承及润滑结构为了完全防止电腐蚀，轴承采用陶瓷轴承。为了防止尘埃的入侵造成的润滑脂的污损，迷宫式密封圈部涂上润滑脂后进行组装。轴承是电机的一个重要部件，它关系到电机能否安全运行。电机的传动端轴承采用循环油润滑，齿轮箱中的油通过齿轮箱的油道进入d端轴承盖的进油室，从d端轴承盖上部的进油孔进入轴承室和轴承bc1-7088a，润滑轴承后，从回油通道流回齿轮箱。在进油室的上部和下部各设有一个进油孔，上部进油孔是主进油通道，下部进油孔用油绳基本堵住，作为紧急润滑进油通道。为防止润滑油进入电机定子内部，内轴承盖除采用无接触式迷宫结构密封外，迷宫腔数量多，长度长，并设有回油孔，为防止电机内部冷却风的负压作用，还设置了气压平衡通道，密封效果好。其结构如图2.4所示。图2.4 电机传动端结构图1- 端盖；2-内油封；3-轴承；4-d端轴承盖；5-轴承挡圈；6-油绳；7-回油通道；8-密封圈；9-气压平衡通道电机的非传动端轴承采用无接触式迷宫密封结构。设有油杯，方便补充润滑脂。非传动端内侧密封迷宫间隙值大，数量多，既可保证安全运行，又可保证密封效果；外侧密封迷宫间隙值很大，而且数量少，长时间运行后，废润滑脂将易于排到外轴承盖内，缓解轴承发热。轴承室体积大，可存储备用润滑脂多，延长重新润滑周期。其结构如图2.5所示。图2.5 电机非传动端结构图1- n端端盖；2-n端轴承内盖；3-o型密封圈；4-轴承bb1-7099bb；5-n端轴承外盖；6-测速齿盘；7-内油封；8-油杯m10x1.2.4 速度传感器hxd3型电力机车牵引电机采用双脉冲式的速度传感器安装在驱动相反侧的端面处。因为这个速度传感器将两个传感元件内置在一个传感器本体中，结构极为简单，速度传感器只安装在安装底座上，不需要进行缝隙调整等的操作。速度传感器由速度传感器本体和齿轮构成，检测主电动机的转数，将控制车辆的速度用的矩形的脉冲信号输出到控制装置。通过两个脉冲信号的交错，主电动机的旋转方向(前进后退)也同时进行检测。因此，在车辆行驶中起着非常重要的作用。该速度传感器只通过紧固螺栓安装到主电动机上，齿轮和速度传感器前端的检测面的间隙就能达到规定值（50.8+0.15mm），因此不需要进行间隙调整等。速度传感器间隙如图2.6所示。图2.6 速度传感器间隙2.5温度检测装置在定子铁芯齿部安装有温度传感器pt100，用于检测电机的温度，pt100信号传送给控制系统，由控制系统监控电子定子铁芯温度，以及防止温度过热。2.6通风系统yj85a型异步牵引电动机采用强迫通风冷却。通风机由风筒、叶轮及导风板等主要部件构成，风筒、导风板的使用材料为钢制。叶轮为铝合金一次成型铸件，在电动机的轴端部（1/10锥形轴）通过键，用止动垫圈及螺母旋紧固定。牵引电动机通风机组构造图如图2.7、图2.8所示。图2.7 牵引电动机通风机组构造图（吸入侧）图2.8 牵引电动机通风机组构造图（排风侧）3 hxd3型牵引电机的特点3.1基本功能 机车运行中，在牵引模式，牵引电机将电能转化为机械能，通过轮对驱动机车运行；在制动模式，牵引电机将机械能转化为电能，产生列车的制动力，此时电机处于发电状态。3.2 工作特点hxd3型牵引电机采用抱轴箱半悬挂方式。机车牵引电机与其他电机相比，工作条件十分恶劣，负载变化大，受线路冲击和振动严重，恶劣的天气如风沙、雨雪、酸碱性气体影响侵蚀严重。对于由逆变器供电的牵引电机来说，当元件关断时，尖峰脉冲对牵引电机绝缘会产生极为不利的影响；除此之外，当牵引电机在超过额定转速运行时，电源的波形为矩形波，流经牵引电机的电流含有大量谐波，从而使牵引电机的工作效率降低，所产生谐波转矩将使牵引电机转速波动；同时还由于共模电压产生轴电流。因此，yj85a型异步牵引电动机针对这些不良因素，采取了相应的改进措施。3.3 冷却方式hxd3型牵引电机通风冷却采用独立冷却方式。冷却空气通过车体侧墙百叶窗过滤后进入冷却风道，经过轴流风机、惯性过滤器后冷却牵引电机，最后由牵引电机的出风口排出车外。每个风道内设有惯性过滤器，对空气进行二级除尘，在每个牵引通风道处设有一个向车内排风的旁风口，旁风口处设有过滤网，为空气压缩机等用风设备提供洁净的风源，也使车内形成微正压。4 设计探讨yj85a型异步牵引电动机应用于hxd3型电力机车，遵循了异步牵引电动机的基本设计原则。在选择参数时，进行了仔细的权衡，其设计经验值得借鉴。4.1电机起动转矩和传动比yj85a型异步牵引电动机最大起动扭矩为12127nm，齿轮传动比4.81（101/21）。机车设计时应根据负载要求选择合适的起动牵引力。为满足起动牵引力的要求，可以在电机的起动转矩和齿轮传动比之间进行匹配，以达到双方最优。可以选择大传动比，降低电机的转矩；也可以要求电机高转矩，选择小传动比，降低对传动齿轮的要求。起动牵引力一定时，传动比大，电机起动转矩小，电机起动电流小，可以选择较低磁场密度，降低电机的磁场饱和度，利于控制的准确性和稳定性，同时降低综合成本。电机与传动系统的最优匹配是在保证齿轮强度的前提下，选择大传动比，降低电机起动转矩。yj85a型异步牵引电动机与传动系统匹配了大的传动比，为了达到如此大的传动比，电机转轴采用了内圆轴伸结构。4.2 电机极数通常机车用异步牵引电动机极数可以选择4极和6极。从电动机设计的原则来看，为了获得单位质量的最大转矩，6极电机比4极电机好，因为6极电机比4极电机的气隙磁密高、线圈端部短和定子内径大。然而在实际运用中，4极电机比6极电机更优。在相同转速下，4极电机的工作频率比6极电机低30%，4极电机的最高工作频率一般在120hz左右，而6极电机的最高工作频率达到180hz左右，极数大，电机工作频率高，变流器的开关损耗大，效率低；而且，极数大，工作频率高，励磁电流大，漏抗大，铁耗高，导致电机功率因数低，效率低。特别在高速区，4极电机比6极电机有更好的效率和好得多的功率因数，并且容易获得更宽的恒功区而不影响其他性能。鉴于此，yj85a型异步牵引电动机就采用了4极结构设计，完全符合极数的选择原则。4.3 定子导体沿定子槽高度存在分布不均的磁场，靠近槽口处最强，导致导线中电流密度分布不均，导体靠近槽口处电流密度最大，使得电阻增大，铜耗增加。对小功率电机散嵌绕组来说，这个问题容易解决；大功率电机采用成型绕组，有效的方法是降低导体的高度和增加导体的宽度。yj85a型异步牵引电动机定子绕组导体高度较小，宽度较大。为了有效的降低导体刚度利于绕组成型尺寸的稳定性和偏于嵌装，在宽度方向采用两根并绕的方式。4.4转差率与效率现代电机设计追求高效率以节约能源，高效率电机，主要考虑降低电机铜耗，因为电机损耗主要体现在铜耗。电机铜耗包括了定子铜耗和转子铜耗，将电机定子和转子的电阻减小，即可减少电机铜耗。对提高效率来说，电阻越小越好，但对变流器供电的电机，由于存在控制特性的匹配问题，转子转差率不能太小；而且由于hxd3型电力机车电机是并联运行的，转差率更不能太小。所以在满足变流器运行的要求下，取最小的转差率以获得电机的高效率。yj85a型异步牵引电动机设计时在满足变流器运行的要求下取较小转差率获得整个恒功率区高达94%以上的效率。在恒功率运行区间运行时，效率高达94%以上。其牵引效率曲线如图4.1所示，制动效率曲线如图4.2所示。图4.1 牵引效率曲线图4.2 制动效率曲线5 hxd3型牵引电机的故障预防与维护检修5.1故障预防为了在电机发生严重损害前，检查和排除隐性故障，应定期的、仔细的对电机的故障进行预防维护工作。操作过程中牵引电机旋转部分的电机暴露不封闭带危险电压，未经授权时打开盖板、不适当的对电机处理、错误操作都可能会导致严重伤害或材料损坏。因此，对电机进行维护前，应确认以下事项：1.有资质的人员才能对牵引电机进行操作，没有资质的人员严禁操作或靠近牵引电机。2.操作人员在现场操作或维护时，必须在关于装配和维护的说明书及所有其他的与任务相关的产品文件的指导下进行工作。3.操作人员必须始终按照维护说明书中规定的方法进行操作。4.操作前必须对电机实施放电处理。5.2 维护检修5.2.1 维护检修中需要的设备及工装目录主要设备：l 空转试验台 l 吹扫设备l 清洗设备 l 烘干设备l 耐压试验机 l 轴承清洗机l 动平衡机 l 导条振动测量仪主要工装：l 总装吊具（945-yj85a-001-000）l 过度铜套l 导向杆l 拆传动端封环工装l 拆传动端内封环工装l 拆非传动端内封环工装l 拆轴承室工装l 转动手柄l 拆传动端轴承外圈工装l 拆非传动端轴承外圈工装5.2.2 定、转子的检修定子的检修：用1000v兆欧表，测量定子绕组对地的绝缘电阻应不低于100m。用双臂电桥或tz测量仪测量定子三相绕组冷态直流电阻，20c时绕组的线电阻为0.07948+10%，测量值折合到20c时应在此范围内，三个线电阻与线电阻平均值的差不应超过平均值的+4%。允许用2500v兆欧表或升高电压的方法判断击穿点。定子应保持良好的清洁状态，绕组端部、槽口、通风孔内不许积存油污和灰尘。用50hz、4590v正弦交流电进行对地耐压检查，1min无击穿闪络现象。转轴轴承位和轴锥面及轴锥过渡圆角处应磁粉探伤检查，不得有裂纹。经过上述检查确认定子无缺陷后表面喷漆。5.2.3 端盖的检修检查端盖的螺纹孔、止口面等，状况应良好。端盖有裂纹，允许焊接加固处理。端盖轴承安装孔座或内封环磨损拉伤时，可用金属喷漆或电刷镀方法修复，恢复至原形尺寸。5.2.4 轴承的检修轴承内外套圈、滚动体、工作表面及套圈的配合面，必须光洁。不许有裂纹、磨伤、锈蚀、剥离、疲劳起层等缺陷，有缺陷的应报废。轴承保持架不许有裂纹、飞边、变形。铆钉或螺钉不许有折断、松动，防缓件应作用良好。轴承的清洗，应采用能在轴承表面留下油脂的清洗剂。轴承拆装时，严禁直接锤击。加热温度不得超过120c。轴承内圈与轴的接触电阻值应不大于统计平均值的3倍。轴承更换要成套，并分别在内、外圈上标明安装日期，下次检修时外圈要转动90120。更换轴承时，必须检查轴承内圈与轴径的配合尺寸，选配过盈量应符合技术要求和限度的要求。5.2.5 磁性排油螺栓检查在电机传动端端盖下部安装了磁性排油螺栓（图5.1）。该螺栓的作用是吸附过滤传动端润滑油路中的铁质残渣，减少润滑油的铁质残渣，以免造成轴承的异常损害。因此经常对磁性排油螺栓进行清洗是保证轴承正常工作的重要一环。图5.1 磁性排油螺栓5.3 注意事项l 经常清理磁性排油螺栓，首次运行1.5万km和每运行10万km应清理。l 电机n端轴承必须每运行12万km就补充润滑脂，每次补充240g，补充润滑脂前应将注油嘴清理干净。补充了润滑脂的电机应在低速条件下移动车辆几公里使得润滑脂均匀分布，避免发生轴承滚珠或轨面损伤的情况。l 齿轮箱油必须每20万km就更换一次。l 橡胶部件的预期寿命为5年，不光与运行距离有关，还与存放时间有关。l 电机轴承经过拆卸后，即使没有达到运行里程，也应更换轴承。l 主动齿轮重新安装时，需用环规和塞规分别检查主动齿轮、转轴内孔合面积在85%以上，压入时应严格控制压入量4.44.6mm。l 非随车至机务段的电机运行前应拆下n端轴承盖中部的运输保护螺栓，并安装m16*30短螺栓的原位置以防止异物进入。l 接线盒内连接螺栓紧固力矩4555nm，严禁超过该值，以免对接线柱进行损坏。结 论通过这篇论文的论述，使我们了解了hxd3型电力机车牵引电机的结构特点。该电机设计先进，制作精良，因此性能优异。hxd3型牵引电机悬挂采用滚动轴承的抱轴悬挂悬挂方式，既提高了寿命和可靠性，又降低了机车基本阻力，提高了运用效率。通过五个章节的描述，我们逐步的了解了hxd3型牵引电机的牵引、制动特性，结构特点，通过设计探讨更好的