牵引电机转子断条故障注入实现

牵引电机转子断条故障注入实现

张静，滑晨钧，朱谦宇，樊东浩

（

中车永济电机有限公司，山西省运城市 044500）

摘要：随着我国高铁技术的飞速发展，和谐号机车电机保有量不断增加，全部采用电力机车作为载运设备。我国电力机车采用交流传动方式进行机电能力转换，牵引电机作为能量转换和核心部件，对于列车的正常运行起着关键作用，交流异步电动机由于其体积小、维修方便等优点，目前仍是电力机车牵引电机的主要形式。由于牵引电动机的工作环境差，受环境、振动影响大，容易发生转子断条、轴承损伤、绝缘破坏等故障，根据故障的电流及热力学特征进行故障判断，并通过继电器等硬件对故障电机切除的形式对故障电机进行保护。牵引电机转子断条故障是一个渐进过程，一般由转子端环裂纹或者转子瘦条开始，如果不采用措施，产生的故障就会增加牵引电机的检修成本，影响列车正常运行。目前，我国对铁路产品的牵引电机的检修仍然是采用以定期的预防性修理为主，该种维修方式成本较高。如何在列车组运行过程中，对牵引电动机的运行状态早期故障进行检测，特别是转子断条故障，使对牵引电动机的定期检修逐步过渡到状态修，是目前需要研究的问题。基于此，本篇文章对牵引电机转子断条故障注入实现进行研究，以供参考。

关键词：牵引电机；转子断条故障；处理措施

引言

为解决城市交通逐渐增长的供需矛盾问题，具有大运力和高效率的城市轨道交通已经成为交通运输发展的重要方向。牵引电传动系统是城轨列车核心，其中牵引电机是牵引系统的动力源，负责动能输出，实现电能与机械能转换。我国轨道交通牵引系统所用电机大部分为交流感应电机，相对于直流电机，交流感应电机具有成本低、鲁棒性高等优点。根据电气和电子工程师协会(InstitudeofElectricalandElectronicsEngineers，IEEE)统计，感应电机故障主要包括轴承故障(41%)、定子故障(37%)、转子故障(10%)、偏心故障及其他故障(12%)。这些电机故障会影响齿轮系统运行，导致整车稳定性、平顺性降低。因此，城轨列车机电耦合牵引系统故障诊断一直是研究热点。基于注入实现方法，建立了定转子故障下轨道列车牵引电机动态模型，通过分析所产生的故障特征成分，研究了牵引电机转子断条运行时故障检测问题。

1牵引电机结构

HXD2型交流传动八轴9600kW货运电力机车是由中车大同电力机车有限公司为适应中国铁路使用要求设计的铁路干线货运电力机车。电机是三相6极鼠笼式异步电机，强迫通风;以鼻式悬挂方式安装在机车转向架上;主动齿轮安装在传动端轴承内侧，即主动齿轮安装在两轴承之间;主动齿轮与电机轴连接锥度为1∶20。电机非传动端采用接地碳刷结构，使轴电流通过轴端的接地电刷接地。电机传动端采用NU2322圆柱滚子轴承，采用机车齿轮箱内的齿轮油作为润滑剂润滑;非传动端用NJ2218+HJ2218圆柱滚子轴承，采用MOBILITHSHC100润滑脂润滑。电机采用轴向强迫通风冷却方式，冷却风从传动端端盖的通风孔进入，经过3路即定子通风孔、转子通风孔、定转子间的气隙后，从非传动端端盖轴向外排出;同时，从传动端端盖进入的冷却风，通过传动端端盖上的3个通风孔，使齿轮箱内的齿轮油具有流向电机传动端轴承的压力，从而提高传动端轴承的润滑效果。

2转子断条故障特征信息分析

当牵引传动系统对牵引电机的供电频率为f时，电机定子绕组将在电机内部产生基波磁动F1，表达式为：

F₁=K₁N₁I₁sin（ t-P ）

式中，K₁表示常数，与电机极对数及定子绕组相关；N₁表示定子绕组每相串联匝数；I₁表示定子电流；P表示电机极对数（已知CRH2型牵引电机P=2）；θ为初相角；ω为定子电流角频率。令2rt,r为旋转角速度；则，

F₁=K₁N₁I₁sin （1）

转子在定子旋转磁场感应下产生与定子磁动势相平衡的转子磁动势，转子磁动势的大小与定子绕组产生的磁动势大小相等、方向相反，转基波磁动势F₂表示为：

F₂=K₂N₂I₂sin （2）

式中，K₂表示常数，与电机极对数及转子绕组相关；N₂表示转子绕组每相串联匝数；I₂表示转子电流。一旦电机转子断条故障发生，转子电流磁动势将发生改变，被sin2 调制，F2变为：

F₂=K₂N₂I₂sin sin2 （3）

因为转差率可表示为S= / 即 同上，不管电机处在正常还是故障情况，其内部转子磁势与定子磁势大小相等、方向相反，因此：

F1=F2=K2N2I2sin（ ）sin[2（1-s） -4 ]= {cos[（3-2s） [(1-2s) -2 ]}（4）

从（4）式可以看出，磁动势分量中含有一个(1-2s)f的分量，该分量将与定子绕组匝链，从而在定子绕组中感应出频率为(1-2s)f的电势和电流。同样可以推导出当电机转子断条时，定子绕组还能感应出频率为(1 2s)f的电势和电流。即电机发生断条后，定子绕组将含有频率为(1 2s)f的电流分量，这时，定子电流主要含有两种频率成分，f和(1 2s)f。因此(1 2s)f被称为转子断条故障特征频。而牵引电机定子电流(1 2s)f边频分量产生磁通将与基波磁通相互用产生脉振转矩，最终使得转子转速也产生波动。

3牵引电机转子断条故障

3.1转子导条断裂原因分析

根据牵引电机的结构特点，从受力方面对转子导条断裂进行分析。一方面，电机在启动时，转子槽漏抗在槽高位上是不均匀的，越是接近槽底槽漏抗越大，因此将很高的启动电流挤向导条上部，使导条上部产生电热损耗，引起发热，造成导条上下温度严重不均。当导条弯曲变形受到不完全约束时，在导条末端就会引起应力；另一方面，电机在启动时，转子导条电流很大，会产生一个将导条推向槽底的电磁力，而电机启动接近结束时，导条会受到径向的离心力。所以，牵引电机转子导条受力而断裂与电机启动情况有关。从制造、工艺方面深入分析，转子导条断裂一般有以下几个原因：①导条端环结构不合理。端环为整体，笼条与端环采用刚性连接，对单根笼条而言，不能自由伸缩，易在焊接处产生应力集中。②导条焊接工艺不良，其热应力很容易造成在端环处断条。③导条在铁芯槽内压接不紧，运行中在离心力作用下窜动较大。④制造或修复焊接时温度、时间控制不均匀，热应力不均匀造成应力大的笼条拉断。⑤电机频繁启动。导条在频繁启停过程中反复进行加热和冷却，使导条交替受力，极易被拉断或胀鼓与定子摩擦断裂。和谐型机车牵引电机转子普遍采用电阻温度系数较小的专用铜合金导条和锻纯铜端环，在制造中采用转子整体感应焊接新工艺。

3.2故障处理措施

1）定子电流法。在故障发生初期，通过分析转子断条很难提取到故障特征信号。HXD2型机车运用时的电机电流无法在线跟踪，只在有明确故障时才记录电流值，所以在轴承报警时未记录电流值，而在定子接地瞬间记录的电流值已经不能反映故障早期出现时的情况。2）输出功率检测法。通过判断电机输出功率信号中是否有余弦分量来判断转子是否有断条故障，但该方法无法判断故障的严重程度。3）三相电感测量法。用定子三相绕组电感不平衡的方法来判断导条是否断裂。基于磁场变化引起的电感不均衡，在导条烧损初期表现不明显。该方法是机务段目前常用的检测方法。4)牵引电机断条故障监测系统设计。当动车组工作在恒磁通状态时f₀ f_N,f_N为牵引电机的额定频率，也是动车组恒磁通控制和恒电压控制的转折点。以HXD2牵引电机为例，其f_N=140Hz。故易得，对于该电机来讲，其转子断条在瞬时功率中的故障特征频率2f_ls 2f_N。对于频率域特定的进行分析，可以采用小波分解，图2即为通过小波分解对转子断条故障诊断的实现原理图。

图2牵引电机断条故障监测系统

结束语

总而言之，牵引电机作为机车动力传递的重要组成部分，其工作运行的质量直接关系着机车的运行效率，而转子是牵引机中为重要的部件，高质量的转子对机车的稳定行驶具有积极作用。但是在实际应用中，经常会出现机车牵引机转子断条故障，其对机车的安全运行造成巨大威胁。因此，在实际应用中如何确保牵引电机驱动端转子断条故障进行处理成为重点。

参考文献

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