不同工况运行时异步牵引电动机转子端环与护环的强度分析

何云风，张奕黄，曹君慈

（1.北京交通大学 电气工程学院，北京 100044；2.南车株洲电机有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引 言

高速动车组是当今世界高新技术的集成，是铁路技术装备现代化的标志[1]。现有轨道的承重是有一定限制的，高速动车组速度越高，对轨道的冲击力越大，且车体底架相对轨道的高度受到严格限制，重量指标非常重要，而且在长度及宽度方面也存在许多技术约束，牵引传动系统关键部件日益向轻量化、小型化、高可靠性方向发展。牵引电机是列车传动系统中的关键部件，是高速动车组的动力输出装置，因此，牵引电机的安全运行关系着整个列车的安全运行，尤其是电机机械结构的可靠性[2－8]。本文以一台高速动车组用异步牵引电动机为例[9]，结合有限元数值分析的电磁场和温度场计算结果，建立了电机转子端环和护环的有限元模型，对电机额定运行工况和高功率运行工况下的机械强度进行了分析，为牵引电机的稳定运行提供理论支撑，提高高速动车组的可靠性和安全性。

1 机械强度有限元分析

对于三维问题，弹性体V域内任一点沿坐标轴x、y、z的平衡方程为：

经过连续体离散化、单元分析、整体分析，就可用结点的力平衡和结点变形协调条件来建立整个连续体的结点力和结点位移的关系式，即：

其中 [K]为整体刚度矩阵；｛δ｝为全部结点位移组成的列阵；｛R｝为全部结点荷载组成的列阵，包括温度和转速。

在这个方程中只有｛δ｝是未知的，求解该线性方程组就可得到各结点的位移，将结点位移代入相应方程中可求出单元的应力分量[10]。

2 转子端环和护环物理模型

本文分析高速动车组用异步牵引电机在不同运行工况时转子的机械强度，主要是转子的端环和护环。电机的额定参数和转子部分材料数据见表1。

由于转子端环连接转子导条，通过导条来支撑端环，而转子导条与转子叠片相结合，因此建立求解模型时考虑了转子导条和转子铁心叠片，这样能更容易确定约束条件。图1为转子端环和护环的有限元计算模型，图2为有限元计算时的剖分图。

表1 电机的额定参数和转子部分材料Table1 Rated parameters of rotor and materials used in rotor ring

3 机械强度计算与分析

高速动车组牵引电机运行过程中影响转子端环和护环机械强度的主要因素是转子转速和温度，转子转速可以通过传感器监测，而温度可以通过对电机内的电磁与传热进行计算后得到，下文中给出的温度数据均为计算结果。

3.1 电机额定工况运行

电机额定工况运行时输出功率为600kW，转速为4636r／min，此时通过电磁与传热的有限元计算，在环境温度为40℃时，转子端环和护环的平均温度分别为215℃和210℃。由于转子端环与导条焊接连接，且材料都为热良导体，因此转子端环除了感应涡流发热外，转子导条产生的热量也会有部分传递到端环，而转子护环的热量主要由转子端环传递产生。

图3为转子护环等效应力和变形分布图，等效应力最大为194.64MPa。变形分布趋势与等效应力分布趋势相同，最大变形量为0.82mm。图4为转子端环变形分布图，端环及导条最大变形量为0.86mm。从图中可以看出，变形量较大的区域集中在端环和护环的轴截面处，也即轴向变形量大。由于高速旋转产生的离心力应为径向变形，因此，影响端环和护环变形的主要因素为温度。

图3 转子护环等效应力和变形分布图Fig.3 Equivalent stress and strain distribution in rotor retaining ring

3.2 额定电压下电机高功率运行工况

图4 转子端环变形分布图Fig.4 Deformation distribution in rotor end ring

高速动车组用牵引电机设计时，一般要为电机的功率预留较大的提升空间，以便列车运行时有时需要更高速运行。本文设计的电机额定电压2730 V、额定功率600kW，而要求额定电压2730V下的短时运行功率达到800kW，因此选取功率分别为670kW、700kW、750kW、800kW分别进行计算。

图5和图6分别为随电机运行功率变化时转子端环和护环的最大等效应力和最大变形量的变化关系曲线，可以看出随着电机运行功率的增加，最大等效应力和最大变形量都增加，同功率下端环的最大等效应力小于护环的最大等效应力，而端环的最大变形量大于护环的最大变形量，这与转子端环和护环材料特性的不同有一定的关系。在电机以不同功率运行时最大变形量为端环处的1.08mm，等效应力最大值为护环处的228.9MPa。

3.3 电机超高速运行时不同功率工况

为了验证高速动车组整体性能和传动部件的安全可靠性，为后续设计和开发积累设计经验和试验数据，高速动车组需要做超高速运行，与前文分析的情况相比，需要提高电机的输入电压才能提高电机的功率达到超高速运行，此时电机的转速发生改变，由额定转速4636r／min提高到了6801r／min。本文还分析了以下工况：电机在转速为6801r／min、功率为880kW、中间电压为DC 3650V（基波2850V）；电机在转速为6801r／min、功率为900kW、中间电压为DC 3750V（基波2900V）；电机在转速为6801r／min、功率为1000kW、中间电压分别为DC 3750V（基波2900V）和DC 3900V（基波3000V）。

图7为电机在转速6801r／min时不同功率下的转子端环和护环最大等效应力图，护环处的等效应力大于端环处，极值为1000kW、中间电压为DC 3750V（基波2900V）时护环处的349.2MPa。

图8为电机在转速6801r／min时不同功率下的转子端环和护环的最大变形量图，端环的最大变形量高于护环，极值为1000kW、中间电压为DC 3750V（基波2900V）时端环处的1.6mm。

4 结 论

通过对电机运行不同工况时的转子端环和护环强度分析可以得到以下结论：

1）在额定电压下随着电机运行功率的增加，最大等效应力和最大变形量都增加，基本呈线性关系变化，同功率下端环的最大等效应力小于护环的最大等效应力，而端环的最大变形量大于护环的最大变形量。

2）结合温度和转速对形变的不同影响，分析端环和护环变形量集中区域及形变方向可知，温升对形变影响程度相对转速的影响大。

3）与额定电压高功率工况相比，超高速运行工况时端环和护环的应力和形变明显增加，此时应结合材料特性和实际运行工况综合评判转子端环和护环的强度安全。

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