毕业设计-YJ85A型异步牵引电机结构及主要技术参数设计

毕业设计-YJ85A型异步牵引电机结构及主要技术参数设计 ---- YJ85A型异步牵引电机结构及主要技术参数设计 一引言 概述 交流变频牵引电机作为车辆驱动的原动机是国际上二十世纪八十年代发展起来的先进牵引技术。 它以十分显著的优良特性在德、日、法等经济发达国家迅速发展，很快取代了传统的直流牵引电机。随着交流变频调速技术的日益成熟，可以对交流牵引电机进行平稳可靠的无级调速，调速范围可达1:1000，比直流调速范围更大，尤其是没有了直流电机换向器的存在，因而克服了直流电机的许多弊端，交流牵引电机与直流电机相比，结构简单可靠、体积小、重量轻，更适合车辆对电机的安装空间和重量等方面的要求，更重要的是交流牵引电机因具有功率大、过载能力强、噪声小、调速范围宽(0,5000r/min左右)、再生制动力巨大、可防止车轮打滑、可靠性高、维护方便、平稳舒适、节电20,30%等优点，成为现代城市轨道交通牵引机车驱动电机的首选产品。 1、城市轨道交通用交流牵引电机 2、轻电车轨用交流牵引电机 3、地铁用交流牵引电机。 牵引电动机 在机车或动车上用于驱动一根或几根动轮轴的电动机。牵引电动机有多种类型，如直流牵引电动机、交流异步牵引电动机和交流同步牵引电动机等。直流牵引电动机，尤其是直流串励电动机有较好调速性能和工作特性，适应机车牵引特性的需要，获得广泛应用。 牵引电动机的工作原理与一般直流电动机相同，但有特殊的工作条件:空间尺寸受到轨距和动轮直径的限制;在机车运行通过轨缝和道岔时要承受相当大的冲击振动;大、小齿轮啮合不良时电枢上会产生强烈的扭转振动;在恶劣环境中运用，雨、雪、灰沙容易侵入等。因此牵引电动机在设计和结构上也有许多要求，如要充分利用机体内部空间使结构紧凑，要采用较高级的绝缘材料和导磁材料，零部件需有较高的机械强度和刚度，整台电机需有良好的通风散热条件和防尘防潮能力，要采取特殊的措施以应付比较困难的“换向”条件以减少炭刷下的火花等。 牵引电动机有两种悬挂方式。一种是牵引电动机和动轮轴连接的悬挂方式，称为抱轴式悬挂或半悬挂。采用这种悬挂方式时，动轮通过轨缝和道岔所产生的冲击振动会直接传给牵引电动机。抱轴式悬挂适用于结构速度低于120公里/小时的机车车辆。另一种是架承式悬挂(或称全悬挂)。采用这种悬挂方式时牵引电动机固定悬挂在转向架构架上，在牵引电动机轴端和小、大齿轮之间加入各种弹性连接元件，以减小冲击振动的影响。架承式悬挂适用于结构速度高于120公里/小时的机车车辆。 - ---- 在用牵引变压器降压经硅整流器或大功率晶闸管整流后供电给直流串励牵引电动机时，加在牵引电动机上的电压为脉动电压，因此这种牵引电动机称为脉流牵引电动机。大功率脉流牵引电动机的“换向”条件更加困难。此外，电动机内部还有一些附加损耗，从而引起电动机温升，因此，脉流牵引电动机在设计和结构上还要采取一定的特殊措施，以解决“换向”和温升两个突出的问题。 牵引发电机 专用于电力传动内燃机车，以供给牵引电动机电力的发电机，又称主发电机。牵引发电机有直流和交流两种。直流牵引发电机直接向直流牵引电动机供电。交流牵引发电机发出的三相交流电经硅整流器整流后再向直流牵引电动机供电。交流整流电路是三相的，整流电压虽然有脉动，但脉动量比较小，因此牵引电动机还被认为是一般的直流电动机。 辅助电机 电力机车上的辅助电机可用直流电动机，也可用三相交流异步电动机。用直流电动机作为辅助电机时，须由专用的硅整流器供电。用三相交流异步辅助电动机时，须由静止变相、变频装置或专用的旋转电机供给三相电源。这种专用的旋转电机称为劈相机，可以把单相交流电变为三相交流电。 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。 二交流牵引电机的发展概况 1.1早期发展阶段(19世纪90年代至20世纪50年代初) 1891~1892年德国西门子公司试验成功了三相交流电源直接供电的最早的绕线式转子异步牵引电 - ---- 动机。 1898年德国西门子公司在一台两轴车上安装了变压器，并由三根架空线提供10 kV、50 Hz的三相交流电该车采用了三相绕线式异步牵引电动机。 1903年德国试验线上交流传动车辆的最大速度达到210 km/h，采用的是绕线式异步牵引电动机。 1917年德国试制成功采用“劈相机”将单相交流供电进行旋转、变换为三相交流电的试验车，采用的是三相异步牵引电动机。 1943年匈牙利国铁定购的机车和1955年法国国营铁路的一台样车上都装有旋转变频机组，但由于系统结构复杂、机组体积庞大，这2种机车都没有继续发展下去。 1955年水银整流器机车问世，标志着电力牵引电传动交直技术实用化的开始，使电力牵引交流传动技术的早期发展阶段终告结束，用于交流传动的牵引电动机的研制也告一段落。 1.2近代发展阶段(20 世纪60 年代以来) 1964年分谐波控制的逆变器(即现在的脉宽调制逆变器)的出现使电力牵引系统发生了根本性的技术革命，交流传动技术发展进入了一个新的时代。 1971 年德国研制成功第1 台交流传动内燃机车(DE2500)，采用三相异步电动机。 1980,1987年间研制了4台DE2500交流传动内燃机车(德国)，改装了12001交流传动电力机车(瑞士)，对不同供电方式下的PWM逆变器—异步牵引电机系统在转差—电流控制下的机车性能进行了多方面的试验，结果向世人展示了交流传动系统的意想不到的优越性，这些机车采用的是三相异步牵引电动机。 1983年研制成功BR120型交流传动干线电力机车，这是交流传动机车发展史上的一个重要里程碑，标志着交流传动技术走向成熟阶段，其采用了三相异步牵引电动机。 1988年德国西门子ICEV动车创造了407 km/h的世界第一速，采用的是三相异步电动机。 80年代至今，随着磁场定向控制和直接转矩控制等交流传动控制技术的发展，德国、法国、日本、美国等各国已研制出多种型号的交流传动电力机车、交流电传动内燃机车和高速电动车组。 1.3我国交流牵引电动机的发展 我国交流牵引电机伴随着交流传动技术的研究始于上世纪70年代初，当时只进行一些理论研究和地面试验，采用过交流异步电动机和同步电动机。 上世纪90年代我国由南车株洲电力机车研究所有限公司和铁道部科学研究院共同研制的、功率达1 000 kW的电力牵引交流传动系统获得成功，采用的是交流异步电动机。在此基础上，由南车株洲电力机车有限公司和南车株洲电力机车研究所有限公司于1996年共同研制的我国第1台4轴4 000 kW交流传动电力机车(原型车)诞生。该车以AC4000命名，采用JD103型三相异步电动机，标志着我国电力机车进入交流传动时代。 1999年9月我国首台交流传动内燃机车“捷力型”调车内燃机车研制成功，采用JD108型交流异步牵引电动机。 2000年我国首批投入商业运营的国内单轴功率最大、达到国际先进水平的交流传动高速客运电力机车“熊猫号”和高速动车组“蓝箭号”诞生，它们采用的是三相异步电动机。 2000年6月由大连机车车辆厂和西门子公司合作研制生产的2台DF4DAC型交流传动内燃机车落成，该车与后来的SSJ3型电力机车均采用交流异步电动机。 2001年5月由浦镇车辆厂研制的“先锋号”动力分散型动车组，采用JD106S异步牵引电动机。 2003年戚墅堰机车车辆厂研制的2台DF8CJ交流内燃机车采用JD123交流异步牵引电动机。 2004年以来通过引进国外高速重载、高速动车的先进技术，立足国内，自主创新，已取得了实质性的成果，将我国交流传动技术和交流牵引电机技术提升到国际一流的水平，诞生了具有我国自主知识产权的DJ1、DJ2、DJ4、HXD1、HXD2、HXD3以及HXN3、HXN5大功率交流传动电力和内燃机车，也诞生了CRH1、CRH2、CRH2-300、CRH3、CRH5、CRH380A系列高速动车组，产生了大功率以及高速的异步牵引电机YJ116A、YJ85A、YJ90A、YJ87A、YJ105A、YJ92A、JD160、JD121、JD123等系列电机，使我国交流 - ---- 牵引电机研发与发达国家的差距大大缩小，使我国交流牵引电机研制真正进入一个新时代。 三电机原理 1工作原理 在三相异步电机的铁心里，对称地镶嵌放着三相电枢绕组，可分别用三个集中线圈UX、UY、UZ表示，如图(1)所示。以鼠笼式异步电动机为例，其转子是一闭合的多相绕组。三相电动机的定子三相对称绕组通入三相对称电流时，将产生一个一同步速n1旋转的定子旋转磁场，在接通电源的瞬间，转子时开始静止的，即转速n等于0时，定子旋转磁场遇导条之间存在相对运动，转子导条切割定子磁场而感应电动势，方向可用右手定则判断，如图(1)所示。 因为转子绕组自成闭合回路，所以转子导条中会形成感应电流。假如转子电流与转子感应电动势同相位(一般电流滞后于电动势，这里可以认为是电流中与电动势同相位的电流有功分量)。转子载流导体在定子磁场中受到电磁力f的作用，其方向可由左手定则判断。电磁力对转子形成与定子旋转磁场同方向的电磁转矩，驱动转子及与其连接的生产机械旋转，从而将输入的电能转变为机械能输出。 从上述三相异步电动机的工作原理可以看出: (1)三相异步电动机的旋转方向始终与定子旋转磁场的方向一致，而定子旋转磁场的方向又取决于定子电流的相序，所以要改变三相异步电动机转向，只需要改变定子电流的相序，及任意对调三相异步电动机的两根电源线的接线顺序即可。 (2)如果转子绕组没有自成闭合回路，转子绕组中就不会有感应电流出现，转子将不会受到电磁力的作用，也就不会产生电磁转矩来拖动转子旋转。 (3)三相异步电动机在运行过程中，当n=n时，转子绕组上将无感应电动势及感应电流产生，电1 磁转矩为零。所以，在三相异步电动机中，其转子旋转速度n始终不可能与定子旋转磁场的转速n相1等，及电机转速n与旋转磁场的转速n1相等，故称为异步电动机。同时，只有当n< n时，转子才能1产生驱动性质的电磁转矩，使电动机旋转。由此可见，n< n是异步电动机工作的必要条件。 1 (4)由于异步电动机的转子电流是通过电磁感应作用产生的，所以异步电动机又称为感应电动机。 2转差率 所谓转差率，就是同步转速n与转子速度n之差对同步转速n的比值，常用字母s表示，即 11 S=(n1-n)/n1 当异步电动机在额定状态运行时，转子苏接近同步速，鼓起转差率s很小，一般在0.01,0.06N 之间。当s发生变化时，转子感应电动势、电流、频率、电抗、功率因数及电磁转矩等都会随之变化。同时，根据s的大小及正负还可以判断异步电机的运行状态。因此，转差率是异步电机一个很重要的参数。 3.异步电机三种运行状态 根据电磁转矩的性质和能量转换关系，异步电机有三种运行状态。 3.电动及运行状态 当异步电机运行时，电磁转矩为驱动性质，电磁转矩客克服负载制动转矩而做功，从而把从定子上输入的电能转变为机械能从转轴上输出，异步电机的转速n与定子旋转磁场转速n同方向，且0n1，则s<0。此时定子旋转磁场切割转子导条的方向与电动机运行状态时相反，故转子的感应电动势，电流和电磁转矩刚好和异步电动机运行状态相反，如图(11-8c)所示电磁转矩的方向与转子的旋转方向相反，是制动性质的转矩。输入外力转矩克服电磁转矩做功，将输入的机械功率转化为电功率输送给电网电机处于发电机运行状态。当异步电机处于发电机运行状态时，其转速n1