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5型脉流电动机正文动力集中式200 km/h 电动车组用脉流牵引电动机常见故障及处理前言我国首台速度为200 km/h的高速电动车组用ZD118型脉流牵引电动机是继 SS8 机车 ZD115 型脉流牵引电动机之后，我国单机功率最大的脉流牵引电动机， 其各项技术经济指标达到了国际先进水平1999 年初完成了 6 台样机的试制 其中4台装车试运，2台在我所试验站进行了型式试验附图一额定功率:1000 kW主要参数如下:额定电压: 1080 V额定电流: 990 A额定转速： 1138 r/min励磁方式：串励，P =87%, p =44%N min恒功率转速范围：1138 r/min〜1790 r/min（相应于轮对半磨耗时机车速度124 km/h〜195 km/h）最高转速： 1 946 r/min（相应于轮对全磨耗时机车速度203 km/h,半磨耗时212 km/h,新轮221 km/h）该电机是根据 200 km/h 旅客列车动车牵引的需要，在原 SS8 机车 900 kW 牵引电机的基础上进行研制的原电机的各项性能指标已比较紧张,持续功率再 增加 11%,并且要求电机的空间尺寸不变,质量不增加,其设计制造难度是不言 而喻的。

发展趋向 为了解决直流和脉流牵引电动机的“转向”问题,有些国家已在 使用晶闸管无换向器式牵引电动机和三相交流异步变频牵引电动机,并在试验以 直线异步电动机为动力的磁悬浮高速车辆晶闸管无换向器式牵引电动机是由一 台同步电动机和一组晶闸管逆变器组成,用晶闸管和转子位置检测器来代替直流 牵引电动机的换向器和炭刷结构这种电动机具有直流电机的优点而没有困难的 “换向”问题但晶闸管及其控制系统相当复杂,所以电子元件直接影响电动机 的运行可靠性三相交流异步变频牵引电动机结构简单,工作可靠,成本低廉, 是比较理想的牵引电动机但由于需用变频调速,它的发展和应用一度受到限制60 年代,大功率晶闸管变频装置的发展使异步电动机能够实现变频调速现在各国已有较多机车和动车采用三相交流异步变频牵引电动机联 邦德国和日本在试验的磁悬浮高速车辆上采用直线异步电动机它的初级绕组敷 设在地面导轨上,由地面的变频电源供电以产生行波磁场,调节供电电源频率就 可改变磁悬浮高速车辆的速度次级绕组就是反应板,装在车辆的构架上初级 行波磁场和次级感应电流的相互作用,不仅产生使车辆前进的推力,而且还产生 磁拉力以悬浮车辆,并在制动工况时起着动力制动的作用。

本文将就电机的设计难点、技术关键以及解决这些问题所采取的措施等进行 论述1 设计1.1 技术难点及关键 电机通过增加电流和提高电压的途径来提高功率但由于电流、电压的提高 以及转速的增加，给电机设计带来了以下困难1.1.1 电机的换向性能表 1 列出了该电机与 SS8 机车电机的主要性能参数比较从表中可看出，ZD118 电机的换向指标、电位条件均超过了 ZD115 电机表 1 主要性能参数比较电机1/NkWPUmVU/N/ImAI/N//PNPminQ/m3.min-1/n%Km. s-V /V /kn km1js aA1Z99487)3030/113028.7/50.9D115005/1 450/4283511001Z19987)J3080/113029.8/50.9D1180000/1 485/449680180JJJJe / e£电Hkbrn rm1KU /U //////kN km/机mVmA. mm-2A. mm-2A. mm-2A. mm-2VemV.cm-1Z34.7.123.08/4.□17.74/29.57D115.927867.506040915Z45.8.133.23/5.319.03/31.67D118.110103.090495.1486表中：P ——额定功率；U/U ——额定电压/最高恒功电压；I/I ——额定N N m N m电流/最大电流；p /p 额定励磁率/最小励磁率；Q 风量；K 额定N min n 工况的电流脉动因数； V /V ——换向器额定线速度及最高线速度； J 、J 、J、 kn km m H kJ ——主极、换向极、补偿绕组及电刷电流密度； e /e ——额定工况及最大电b rn rm抗电势;A j ——电枢发热因数;K ——换向器单位长度上的最大能量指标;U /Us a em kN km 额定片间电压/最高片间电压；£ 最大电位梯度。

m衡量直流电机换向性能的主要指标之一是电抗电势，尤其在最高恒功速 度工况时的最大电抗电势值 e ，它与换向器最大线速度、电流等因素有关，反rm映了电机换向的紧张程度通常e的推荐值为不超过5 V由表1可知，ZD118rm电机已超过了此值在研究电机的换向性能时，还用换向器单位长度上的最大换向能量指标K，em即换向强度准则来衡量电机的换向紧张程度它以换向能量为理论基础，认为在 换向过程中，换向元件储存的电磁能量由一个元件向另一个元件传递，当槽内最 后一个元件换向时，其本身包括其他元件传过来的电磁能量在电刷下扩散，最终 以火花的形式释放出来该准则还认为，评价换向还要考虑到换向能量对时间的 比值，即换向功率而换向功率是在电刷下释放的，所以与电刷和换向器的接触 面积及接触状态有关其大小表明了电机换向火花的程度表达式如下：K =(k/k)2eiV/(2p L)em v u m a k k B(1)式中：k 电机恒功速比；vk ——k=U/U ，电机调压比；u u m Ni ——电机支路电流；ap 、L ——换向片宽度、每刷握电刷总长度kB在常规的设计中，K的推荐值为2 500〜2 800，最大不超过3 000。

ZD115em电机的 K 为 2 909，已处于边缘值由于电流增加，转速提高，而换向器及电em刷的尺寸没有改变，所以ZD118电机的K已经达到3 486，远超过了推荐值，em这意味着电机换向火花等级加大，换向变得更加困难由此可见，改善电机的换向性能是保证功率扩大后电机可靠运行的当务之急1.1.2 温升问题从表1 可知，由于电流增加，而各导体线规不变，所以各绕组电流密度增加， 其温升将与电流的平方成正比例增加以 ZD115 电机作参考：型式试验中的一台 电机，其电枢、主极绕组的脉流持续温升已分别到了 150 °C和170 °C左右，当 电流由970 A增加到990 A,考虑到电机转速提高后铁损的增加，以及脉动系数 加大后损耗的增加，温升将达到允许值，这其中尚未考虑工艺、材料的离散性 所以，由900 kW扩大到1 000 kW,原来的H级绝缘已不能满足要求1.1.3 轴承问题由于该电机的额定转速比原900 kW电机提高，作为高速客运动车的牵引电 机，经常运行在高速区段，即电机的实际运行速度很高，所以对所有旋转部件的 机械强度都提出了更高要求，尤其对轴承提出了更高要求因为轴承一旦出现故 障而没有及时发现，往往会引起机破事故，影响列车的正常运行，这对于客运牵 引动车来说是不希望发生的。

1.2 精密诊断法简易诊断只能诊断出电机轴承有无故障，但不能判断出故障的具体部位 而精密诊断方法则是采用共振解调技术，利用频谱分析方法，就能够判断出轴承 发生故障的部位，可以做到准确判断，视情维修轴承的加工精度分为基本尺寸精度和旋转精度两类：基本尺寸精度是指内 外圈滚道直径、内外圈装配直径、宽度等按不同等级规定的尺寸公差要求旋转精度是指轴承元件形位公差按等级规定的要求，如滚道径向跳动、 内圈端跳、内外滚道对基准面垂直度、滚道侧摆、内外圈端面平行度、滚动体椭 圆度、游隙、光洁度、波纹度等电机轴承出现故障时，其精度尺寸就会发生变 化，轴承及滚动体旋转就会轮番碾压这些损伤表面，高速旋转的内圈会使这种碾 压形成冲击这种故障冲击波在电机轴承尚未发生破损形变前，就以声波的形式 向外发射，并有着陡峭的前沿和极其丰富的频谱精密诊断法就是利用对此频谱 的检测分析，确定故障部位1.2.1 电机轴承故障的测定把从传感器接收到的轴承故障冲击力脉冲信号，经放大后，采用滤波技术，获得 高信噪比的故障信号，通过共振解调处理，就可得到与轴承故障部位相应的频率 信号，从而确定故障部位共振解调诊断轴承故障的步骤见图 2加速厦传感显电荷放犬翠-丄泯谀器 »包络祥调器4谱分析仪图 2 共振解调步骤示意图1.2.2 滚动轴承故障频率计算不同型号电机的故障轴承，在不同的转速下，有着各自相应部位的故障频率，但是轴承不同部位的故障频率计算方法是一致的。

具体计算公式如下：内圈啟障频郵：f - n * 1 * fi ± fr - rt * z ' ±_/L外圈故障频輕 ' fc滚动佟叙»；i频率：/a jz *卜土 ft保持架放陣频率：/,=/式中；J\. 滾动体羟转频率;£ 11/2) ■於i _